前端信号（通用4篇）
前端信号 篇1
1 引言
有线电视前端机房承担着把中央、省、市及地方广播电视节目信号传输到千家万户的任务, 其信号形成与传输质量关系到用户的收视效果, 因此设计处理好机房信号从接收、调制、传输、混合、分配到播出等一系列工作, 确保有线电视前端的信号传输质量, 是有线电视前端信号系统构建的一项十分重要的任务。
建湖县位于江苏中北部, 面积约1 155 km2, 辖有16个镇 (区) , 总人口80万人, 有线电视用户约16万户。全县的有线电视信号早已实现了“县—镇 (区) —行政村—自然村”光纤传输的网络全覆盖工作。全县城区网络主要采用星树型结构, 以1 310 nm光信号传输覆盖至小区 (或楼栋) , 县城到各镇 (区) 采用1 550 nm光信号传输覆盖, 各镇间、镇到行政村、自然村采用1 310 nm光信号传输覆盖。2008年, 建湖县启动了有线电视模转数工作, 从县城开始, 逐步实现了有线电视信号的模转数, 目前县城模数转换率达95%。
按照国家标准GB/T20030-2005《HFC网络设备管理系统规范》、GY/T221-2006《有线数字电视系统技术要求和测量方法》、GY/T121-1995《有线电视系统测试方法》等相关技术规范的要求, 为了建设好有线电视前端信号系统, 做了精心的规划设计和认真的安装工作, 使有线电视前端信号播出的质量, 达到了很好的预期效果。笔者主要对有线电视前端信号系统构建过程中的做法, 进行简单介绍, 供同仁借鉴。
2 前端信号组成
有线电视前端系统是整个有线电视的基础平台。利用这个平台, 把许许多多的广播电视节目, 根据节目传输的需要, 通过合理的配置信号处理或传输的设备, 将多路节目信号变成一路有线电视网络信号传输。有线电视前端信号系统示意图如图1所示。
建湖县有线电视前端信号分为输入信号和输出信号。前端输入信号有:卫星接收信号、市县光纤网下传的数字电视未加扰信号和加扰信号, 自办电视节目信号, 自办广播节目信号等。前端输出信号有:全模拟广播电视与数字电视混合信号, 6套模拟与数字电视混合信号, 有线数字电视信号, 有线调频广播信号等。目前有线电视前端机房建设下传34套模拟电视节目 (包括2套自办电视节目) , 1套调频广播节目, 112套数字电视节目。前端输出信号主要是光信号输出。
3 系统中信号的形成与传输
在有线电视前端中, 因为输入信号源的多样性且要求输出下传多样性的信号源, 所以, 有线电视前端采用多种不同性能的设备接收处理不同的输入信号, 形成有线电视RF信号, 然后再把这些RF信号经过滤波、混合、放大、分配、光发光放等传输处理环节后, 输出为有线电视下传信号。有线电视前端信号系统结构图如图2所示。
3.1 输入信号
输入信号主要分为两大类即自行产生的有线电视信号和市网下传的有线电视信号。对市网下传的有线电视信号, 通过光接收机接收后, 输出为有线电视RF信号。对输出传输的RF信号, 根据实际要求, 进行滤波、放大、混合处理, 获得规定合理的传输电平, 以保证正常传输使用。对自行产生的有线电视信号, 通过将卫星接收的信号和自办的广播电视节目信号, 在保证其输入视音频信号质量的前提下, 对其信号进行合理的分配、编码、复用、调制、混合等传输处理后形成有线电视RF信号。
3.2 输出信号
建湖县有线电视网络系统采用有线模拟电视信号和有线数字电视信号混合传输的模式。前端输出信号要求的信号构成不同, 信号输出为光信号。因此, 要根据不同输出信号的构成要求, 把不同节目的信号进行混合、放大、分配, 形成不同的RF信号, 传输到光发射机输出, 形成不同的输出信号, 作为有线电视前端播出下传的信号 (如图2所示) 。为了给不同的光接点提供合适的光功率信号, 在实际工作中, 要根据输出光发光设备的输出功率要求和HFC网络各光接点光功率的要求, 按照光接点的距离, 设计合理的光分路器。
3.3 信号传输
前端系统中传输有不同节目的信号, 使用的设备较多, 系统信号的形成及传输主要需考虑各设备之间RF信号进行混合传输的电平匹配问题, 以确保获得高质量的系统信号传输质量。为了获得很好的输出信号质量, 对有线电视前端中设备的输入输出信号的传输电平, 尤其是有线电视RF设备和光设备电平。要按照设备的不同技术指标要求规定执行操作。以下介绍几种主要设备在实际使用中的电平要求。
1) 调制器。有线广播电视前端机房使用的调制器有AM调制器、QAM调制器、FM调制器等。虽然它们性能不同, 但都是把广播或电视信号调制成RF信号输出。调制器一般使用邻频型, 分固定频率和捷变频率。调制器输出的RF电平一般最高为110～120 dB, 最低90～100 dB, 输出电平调节范围为10～30 d B。实际使用时调制器输出电平宜选高些, 以获得较好的输出RF信号的C/N指标。调制器输出电平一般选取比调制器最高输出电平低2～5 dB。
2) RF放大器。前端机房一般使用低噪声、平衡、宽频带放大量约20 dB的高质量前置放大器。为保证有线电视信号C/N, CTB, CSO等主要指标, 一般放大器输入电平为 (80±5) dB。输入电平高有助于C/N指标的改善。
3) 1 550 nm光放大器 (掺铒系列) 。一般光放大器的输入光功率在1～7 d B, 如果低于0 dBm时, C/N指标将会严重下降, 高于7 dBm时, 非线性指标又会变差, 因此, 一般输入光功率选择2～5 dBm较好。
4) 光发射机输入电平。一般有线电视光发射机输入电平按照厂家的推荐值为 (80±5) dB, 实际电平可在推荐电平基础上, 加上10lg (推荐信号载波数/实际传输信号数) 电平值。经多方实践证明, 在有线数字电视与有线模拟电视混合传输的HFC网络中, 为了保证系统C/N指标和CTB, CSO指标, 一般将有线数字电视RF电平比有线模拟电视RF电平降低6 dB以上进行混合传输, 以获得较高的信号质量, 实际取降低8～10 dB较好。
3.4 信号频道频率的规划
建湖县有线电视前端信号中, 有线数字电视信号采用市平台的同频道有线电视RF信号。市平台采用Z18～Z36频道, 每频道复用7套电视节目加扰后以64QAM调制作为有线电视信号下传, 同时采用Z8, Z9两个频点传送未加扰信号, 供前端机房作信号源使用。Z37频道作为县自办数字电视频道使用, 550 MHz的HFC网中其他频道传送有线模拟电视信号。
为了避免市平台下传的有线电视信号中其他频道的信号对县有线电视前端下传的频道信号造成同频干扰, 在市下传的经光接收机输出的RF信号, 采用Z18～Z36频道带通滤波器, 滤出Z18～Z36频道中的有线数字电视频道信号, 经放大处理后, 直接作为县有线电视前端下传信号使用。对市下传的专供有线电视前端机房使用的Z8, Z9两个频点未加扰的有线数字电视信号, 经分配后作为清流机顶盒信号源以解调出相关节目的视音频信号供前端机房使用。本地插播的有线数字电视自办节目经过编码压缩、复用、64QAM调制后, 用Z37频道输出信号下传。市有线数字电视平台在下传信号的EPG信息中, 增发Z37频点的相关信息, 供用户机顶盒接收使用 (自办节目为无加扰信号) 。
本地自办广播节目信号采用102 MHz频点传送, 信号经调频调制器调制后作为有线电视前端信号源下传。
3.5 设备信号的连接
有线电视前端信号系统中有众多设备及器件, 做好他们之间的信号连接是保证信号系统良好性能指标的重要方面之一。为了获得良好的输出信号质量, 必须认真做好设备之间的接线。根据有线电视前端信号系统中的不同信号类型, 信号的连接要采用不同的信号线及接线方法。在实际工作中, 要采用国标高质量的信号连接线和接线头, 连接时要保证信号接线和焊接符合技术规范, 接插头接触要良好, 连接线宜短不宜长, 接线固定规范, 设备安装摆放要整齐等。
4 信号系统设备电源
广播电视部门是党和政府的喉舌, 是重要安全保障部门之一。有线电视前端的电力保障尤其重要。因此, 建湖县有线电视前端采用了双线路电源供电方式, 即从两个变电所分别提供电源, 确保供电的安全。同时增加了在线UPS电源连接方式, 确保不断电。机房动力设备及照明设备单独供电, 与机房前端设备用电相分离。
有线电视前端信号系统设备众多, 因市供电源电压不稳, 所以有线电视前端信号系统的设备供电必须采用经精密性能的稳压电源供电方式。在设备电源连接时, 尽量保证同一传输系统设备使用同一组电源, 同时各设备电源的火线与零线的连接要统一。为了避免因接地不同, 各设备和系统之间易形成电位差易造成设备损坏, 信号易出现网纹干扰等现象, 根据实践经验, 在实际工作中将安全保护接地、直流工作接地、防雷接地、防静电接地、屏蔽接地等全部就近与机房等电位网连接在一起, 形成等电位系统。为了保证接地系统良好, 接地体应采用较厚宽铜带连接为佳。
5 小结
建湖县建设的有线电视前端信号系统, 信号从接收、分配、传输、混合、播出等一系列过程均经过缜密的筹划、合理的设计和精心的施工安装。有线电视前端运行后, 信号输出正常, 技术指标经测试均符合规定要求。几年来, 有线电视前端信号系统播出的各类信号质量较好, 性能稳定可靠, 为建湖县有线电视的发展提供了重要的保证。
前端信号 篇2
1.1 建设方案应科学、合理, 指标要高
按照“统一规划、统一设计、统一建设和分步实施”的工作原则, 保证重点突出、主次分明。然后, 对于整体规划要根据从易到难、从浅入深, 分阶段一一开始。具体实施过程应遵循下列原则:
a.先进性
系统的设计、设备选型及工程施工都要满足相关规范及标准。还应顺应国外广播电视技术的发展趋势, 尤其是目前应思考到如何升级, 适应高清数字电视信号的发展。
b.可靠性
播出系统必须是质量过硬的设备, 拥有成熟并稳定的先进技术。在系统运行过程中以及进行系统安装时, 应指出可能出现的系统故障及具体排除的方法和手段。
c.安全性
不管是基础平台, 还是各子系统, 所有系统设计都应符合安全性的要求。其硬件在选型时应强调安全性及稳定性。同时, 系统还能监测并记录网络及相关设备的工作情况。
d.兼容、开放、可扩展
硬件设备在具体的选型时, 应保证实现硬件兼容。系统软件界面统一, 不同硬件平台间素材可以无缝共享。扩展性能上, 应充分预见到在很快的时间内系统会面对更多更先进的播出任务。系统设计时也需涉及到平滑升级, 等今后升级播出系统时, 不必进行大规模的升级替换就可升级。为了支持“三网融合”等多业务应用, 系统需要具有良好的开放性, 便于扩展新的应用和服务,
e.易维护性、可管理性
机房播出设备必须满足功能完备、操作简单、便于维护。在可能的条件下, 尽量采取在线热插拔。同时, 在管理、数据调度及共享上全面体现出智能化和自动化。
1.2 购买设备具有较高的性价比
县级电视台在资金、人力、技术等方面都较弱。遵循实用、节俭、方便、易于维护的原则以及本台的关键技术指标的要求, 仔细挑选性价比高的设备。
1.3 机房接地
由于机房建成时间不同, 其地线及供电线路都是各自单独铺设。因此, 机房各自的地线和供电线之间具有的电位和相位都有差异。当差异较大时, 两机房间的地线会产生的瞬间电位差可达到上百伏。对于那些精密昂贵的器材来说, 明显是潜在的严重危险因素, 极有可能引起难以估计的损失。
a.机房接地
为消除静电感应的影响, 机房必须有防静电地板。其金属架应保证互相连接, 同时还应和保护地线进行连接。
b.设备机壳、机架接地
针对室内的电子设备, 接地方法应使用星型接地法。即为各个机架里的设备提供一条接地支线, 然后将这些支线汇接集中到一点, 并接到机房的工作地线上。为各个机架也提供各自的一条接地子线, 将这些子线会接到一点, 然后与其它电气设备金属外壳一起接地, 共同汇接到机房的保护地线上。
2 关于广播电视台前端播出系统维护
2.1 制定科学的维修维护制度
工作人员必须掌握该系统及设备的相关性能、标准及具体的技术指标等。当碰到检修难题时, 应立即请专业技术人员。若检修中需要对系统及有关设备进行改动的, 首先要及时上报改修方案, 征得领导同意批准后方可执行。改动后把修改后的资料图纸交档案室保管。并在机房的工作日志中详细记录。
对于日常维护要采取周检、月检、季检、年检相结合的制度。结合日常传输实际, 合理安排具体的检修时间。
2.2 广播电视设备日常维护应注意的地方
(1) 安全性
提前做好相应的维护计划, 准备1至3个应急方案。这样, 遇到突发状况, 才能确保设备的正常安全运行。
(2) 先导性
要以预防为主, 防微杜渐, 力争做到防患未然。
(3) 平凡性
技术维护工作工作琐碎、繁杂, 工作久了容易厌烦。这就需要台领导对这些人员的鼓励。
2.3 为设备营造良好的运行环境
(1) 控制好温度和湿度
播出机房适宜的工作环境温度应在25℃内。因此, 机房内必须安装较高灵敏度的温度及湿度显示器。若机房湿度不够, 干燥, 其设备极易带上静电, 从而引起集成电路被损坏。若温度过高, 值班技术人员要立刻检查空调的制冷功能, 若制冷有故障, 应立即让专业人员来处理。
(2) 设备设置
设备设置必须合理, 从技术层面讲, , 整体上要求功能集中化、模块化, 相关的连接线路也要尽量缩短, 有序整齐, 便于维护管理。
(3) 防尘
准备干净的鞋套或专用鞋, 方便人员进入机房。保证每日的机房清洁, 尤其要做好地面、显示器、控制台面、设备表面的防尘工作。同时, 不准摆放和工作无关的物品。
(4) 防鼠
老鼠会破坏电缆或造成短路, 严防老鼠。
(5) 强化日常的技术维修工作
在日常工作中要定期召开日常传输例会, 同时, 要制定出具体的技术维护检修规程, 并提出下列要求:
a.针对维护与检修工作, 应实施值班、巡班, 并开展定期专业的检修维护等措施。
b.技术维护人员必须掌握好相关的技术、了解系统框图及信号流程, 便于及时排查故障。
c.各部门应制定出相应的技巧掩护检修规程, 加强平常工作中的技巧掩护, 保证传输的质量水平。
d.当完成维护检修后, 在机房内的日志上做好相应的记录。
e.针对节假日及重大播出时间, 必须提前完成系统及有关设备的维护及检修工作。
f.检修配电机柜等电源时, 应两人及其以上的工作人员进行, 以保证人员及设备安全。
2.4 完善设备维护措施是安全传输机高质量技术指标的保障
定期清理使用设备, 并制定出详细的设备使用、维护一览表, 让设备运行和维护工作都一目了然。同时, 不断改进完善相关的维护检修规程以及应急方案。
为保证传输质量, 对于播出系统要加强技术改造工作。应定期测试播出系统, 做好系统的日常维护。现在广播电视播出的主要设备以主备波道自动切换为主, 针对正在播出的系统维护, 并与相关技术部门共同配合完成技术指标测试工作。经过一一检查, 及时更换已老化、劣化的设备。抓好日常的应急演练, 保证安全播出工作。作为播出部的技术人员熟悉下列几项工作:
保证播出系统的设备的质量, 可以把播出设备分成两部分:
第一部分是电源保障体系。为避免供电中断发生, 播出机房都不会间断电源供电系统。播出系统的供电可分成两块进行分开供电:播出设备、辅助设备。播出设备的供电。
第二部分是监控保障体系。主要包括监视器、维修设备及仪器仪表等。
2.5 播出系统的值机维护管理
(1) 日常值机管理
值机技术人员必须熟悉相关的值机管理制度。
a.仔细把节目串联单依次输入电脑。根据串联单按顺序准备好播出带, 并逐一核对顺序, 同时, 技术工程师会核对具体的流程, 保证节目播出的准确性。
b.认真监听、监看, 做好日常的值机记录。要及时、认真检查下一盘播出带是否与电脑程序、播出机号相同, 若出现编播事故及时使用补救方案。
(2) 应急维护播出系统
对于紧急事件处理原则应遵循, 值班员第一时间发现, 立即采取应对措施, 尽量减少黑屏时间, 用静止画面过渡, 活动画面垫播, 利用最佳方案应对, 制止连锁反应。因此, 值机技术人员心中要形成多种应对方案, 以应对可能发生的故障。
(3) 日常维护播出系统
a.广播电视系统运行技术维护是保证广播电视的安全正常播出。保证机房的温度与湿度适宜、通风。精心维护和保养相关设备, 特别是播出线的维护。
b.网络维护也需重视。网络维护人员利用网管计算机了解到设备的详细信息, 及时判断和处理普通的设备故障, 对下属站起到一定的技术支援作用。
c.健全完善的监控体系, 量化相关技术人员的岗位职责, 从而保证播出的安全和质量。
总之, 不断增强广播电视前端系统播出信号质量, 保证节目的高质安全是我们面临的重要任务。
摘要：舒城县广播电视台所具备的前端播出机房直接负责了县广播电台、电视台及有线电视台全部的节目播出工作。广播电视台前端系统就好比一个地区广播电视台系统的核心。本文浅谈如何提高广播电视前端系统播出信号质量。
关键词：性价比,维护管理
参考文献
前端信号 篇3
关键词：全IP数字电视前端,安全播出,冗余备份,节目垫播
1 衢州新一代全IP数字电视前端系统简介
衢州原数字电视平台于2005年搭建,采用ASI架构,结构复杂。为了提高系统安全性、方便各区县节目的传输以及三网融合业务发展需要,衢州华数公司于2013年中对系统进行了挖掘和整合基础上,采用全IP技术架构建设数字电视前端系统。在系统设计之初,对原有部分设备进行了反复评估、挖据和整合,如预复用设备、卫星接收机、ASI-IP适配器等进行了二次利用,保护了系统设备投资。
2 系统备份策略
2.1 设备备份
系统中核心设备全部采用1:1热备份冗余模式,如核心处理平台Prostream1000,核心交换机WS-C3750G,QAM调制器BNSG9000。其中,Pmstream1000主备设备自动切换时间小于Is,BNSG9000主备设备自动切换时间小于2s,交换机无缝切换。
系统一般情况下由主路Prostream 1 000负责复用加扰工作,当主路复用加扰设备故障的时候,通过NMX网管系统虚拟逻辑机制预先配置实现设备自动切换,主用设备切换到备用设备,由备设备输出组播流无缝隙播出节目信号,实现秒以内自动切换。
系统交换部分采用虚拟交换技术部署,主路和备路核心交换机同时工作,设备主端口传输信号,备端口处于等待状态,当主交换机故障时,交换机设备自动切换到备端口,由备交换机进行节目信号的调度和传输,实现组播流无中断播出。
系统调制部分部署主备IPQAM,通常情况下主IPQAM设备在线运行,输出射频信号,设备处于等待状态,当主设备异常或故障时,通过NMX自动切换到备的一台BNSG9000,主设备停止输出信号,而备设备开始输出信号。
2.2 端口备份
系统中复用加扰以及调制设备都支持端口备份功能,通常都是主端口正常接收和发射信号。当主端口异常或者连接主端口的网线异常时,设备通过网管系统预先配置虚拟备份逻辑自动切换到备份端口进行通信。
2.3 组播备份
本系统设计采用本地接收自卫星信号源和浙江省华数公司备用组播流信号源双热备份策略。为了安全播出考虑,在系统中做了节目源的冗余备份(采用组播源备份的方式),系统复用加扰设备具备节目源不同组播的冗余备份功能,其中本地卫星接收节目作为主路信号,浙江省华数公司下传组播流作为备份信号。
值得一提的是节目源组播备份机制,相当于从一个异地和一个本地机房采集节目源,这样即使本地卫星信号接收出故障,或者是浙江省华数公司下传链路受到影响,都有另外一路信号可以自动或手动切换,系统安全性能得到了极大提高。实践中,在2014年1月份衢州市雨雪天气导致本地卫星信号多次接收异常时都能自动切换到省公司信号源,未影响用户正常收看节目。
2.4 节目垫播备份
大多数节目都可以采用节目源组播备份模式,但组播备份也有局限,需要组播流里边的内容完全相同,即每个组播流里边的节目数量和视音频PID需要相同,才可以做到完全替换,所以对于有些比较特殊的节目,采用节目垫播备份的方式。
节目垫播对于内容没有要求,可以采用相同的节目垫播,也可采用不同的节目垫播,还可以采用一段视频、图片或者文字等内容;此外,采用IP信号互相垫播,采用ASI和IP信号互相垫播,非常方便灵活。
2.5 CCTV1备份
中央一套节目作为重点保障节目,其播出安全性的要求极高。在本系统中,采用3路信号源两级备份的策略对其进行备份。
首先,通过卫星接收1路CCTV-1信号,卫星接收机输出第1路ASI信号到一台二选一切换器;其次,通过SDH主干网接收1路CCTV-1信号,DS3-ASI适配器输出第2路ASI信号到二选一切换器,切换器对节目做二选一并输出I路ASI信号,经分配后分别送入到主备复用加扰设备作为系统的主信号源。ASI切换器具有PID检测以及三级错误检测功能,可有效保证信号的切换。
华数公司下传了1路IP信号到衢州公司机房,取其中CCTV-1的节目流(组播流)作为备份信号源也,送入复用加扰设备,在复用加扰设备配置ASI信号为主信号,华数下传组播信号为备份信号,配置相应的slate垫播,之后对节目进行复用加扰等处理。这样当卫星有故障的时候可以采用SDH网络下传的信号,当这二路信号都有问题的时候还可以采用华数IP信号进行下发,做到了比较完整的信号备份。
3 结语
前端信号 篇4
由于脑电信号非常微弱, 加之人体阻抗的特殊性外界和内部干扰等原因,传统脑电采集系统通过复杂的放大滤波电路设计, 以满足脑电信号采集的要求[3], 但是这样会导致电路板体积过大、 功耗高, 不利于设计采集系统的便携化。 为了实现脑电采集系统的小型化,人们常采用针对特殊应用和特殊设计来简化脑电信号调理电路, 如参考文献[4] 为实现6 通道脑电信号的便携式采集, 将调理电路分成主动电极端和后端两部分,通过这样特殊的设计使得整个系统的体积大为减小,但体积仍然偏大使用不便。 参考文献[5] 针对驾驶疲劳检测研制了6 通道的脑电信号采集系统,采集前端基于多层电路板模块, 该设计虽然大大地缩小了采集前端的体积,但对便携式应用体积仍然偏大。 通过抑制脑电信号源中共模干扰成分可以降低对滤波和陷波电路的要求,而右腿驱动电路是常用的有效手段[6],在提高系统对共模干扰抑制能力的同时可以减小系统的体积[3,7,8]。 参考文献[ 9 ] 将采集前端中各种元器件包括放大器、 滤波器、 控制器等都集成到一个片上系统(So C) 上, 以达到减小系统体积和功耗的目的,这种方案对开发工具和技术水平要求都非常高,成本高难度大。 参考文献[7]利用TI公司的ADS1298 芯片的高精度作为保证, 通过在数字侧实现滤波和陷波来简化采集前端模拟部分的设计,由于该芯片是针对心电信号采集设计的,其漂移和模数转换速率等性能仍然有一定的局限性,当用于脑电信号采集时该芯片内的一些性能无法得到充分利用。
近年来TI公司继ADS1298 之后又推出了专门用于脑电信号采集的模数转换芯片ADS1299,本文以高精度、便携式、 低功耗的脑电采集系统研制为背景, 尝试采用该款芯片作为核心器件设计出可穿戴式脑电信号采集系统前端。
1 可穿戴式脑电采集系统总体结构
本文研制的脑电信号采集系统由干电极、 采集前端、GS1011 控制模块(集成有Wi Fi和ARM)、电源模块和上位机接收控制组成,系统组成如图1 所示。
该系统是一个网络化的嵌入式系统平台,GS1011 通过其Wi Fi模块与上位机通信, 根据上位机指令控制ADS1299 进行脑电信号的模数转换, 并将转换后的脑电信号数据通过设置的无线Wi Fi发送到指定的IP地址上位机上。 该系统改善了传统脑电采集系统在时间和空间上的局限性,满足了脑电采集所需要的便携式、可移动、低功耗以及实时性等特点。
该系统中模拟前端部分是保障系统整体性能的关键,其中采用TI公司的ADS1299 为核心器件, 主要是考虑到该芯片是专门为脑电信号采集而设计的,其具有如下突出的特性:
( 1 ) 具有8 个低噪声可编程放大器( PGA , 放大倍数1 ~ 24 倍可调) 与8 个同步采样模/ 数转换器( ADC ) , 模/ 数转换速率介于250 S/s~16 k S/s之间,不超过8 k S/s时其精度为24 bit;
( 2 ) 每个通道的功耗仅有5 m W ,共模抑制比(CMRR) 高达-110 d B, 直流输入阻抗高达1 000 MΩ;
( 3 ) 内置偏置驱动放大器和持续断电检测(LEAD-OFFDetection)功能。
这些特性保证了加入很少的元器件即可搭建脑电信号模拟采集前端。
2 ADS1299 内部结构
ADS1299 芯片的内部结构框图如图2 所示。 ADS1299 输入端使用的是差分方式输入, 并且每个输入端都集成有EMI滤波器, 能有效地抑制外部射频干扰; 具有灵活的路由交换器(MUX), 可以将任何输入连接到放大器(PGA) 的输入端; 集成有持续断电检测(Lead Off) 电路,可以随时监测电极是否断开; 内部集成了8 路并行的PGA和ADC , 可以提供很高的采集转换精度; 内部还集成有偏置驱动放大器,可以有效抑制共模干扰噪声; 采用SPI串行通信方式设置内部控制用寄存器并输出数字信号, 当芯片完成一次采集时, 芯片会拉低引脚来通知外部GS1011 可以通过SP读取数据。
3 采集前端总体设计
针对脑电信号十分微弱(0.5 μV~100 μV) 的特点, 传统采集前端通常由模拟抗混滤波器、多级放大电路和陷波电路等来提高信号的信噪比,这也是导致其体积大不利于实现便携式设计的主要原因。 由于TI公司的ADS1299 在采样频率不超过8 k Hz时模/ 数转换精度达到24 位, 再结合其集成的具有高共模抑制比的差分输入可编程增益放大器(PGA), 因此本文在前端设计的模拟侧只保留了抗混滤波电路。 而基线漂移、陷波等处理根据应用需要在数字侧实现,而且基于过采样技术采用二阶无源RC滤波电路实现抗混滤波, 大大简化前端电路设计,其设计结构框图如图3 所示。
ADS1299 为差分输入, 其共模抑制比( CMRR ) 高达110 d B , 且其直流输入阻抗高达1 000 MΩ , 再配合闭环偏置驱动电路设计, 能够很好地保证系统的抗干扰要求;ADS1299 内部含有8 个低噪声的可编程增益放大器( PGA ) 和8 个同步采样模/ 数转换器( ADC ) , A / D转换精度高达24 bit,当VREF= 4 . 5 V时其信号电压的分辨率为:
如果再将PGA可编程增益控制考虑进去则其信号电压分辨率可以达到0.053 6 μV。
4 预处理电路设计
由于脑电信号频率只有0.5~100 Hz, 实验分析的有效范围一般在0.5~30 Hz, 在模数转换前必须经过低通抗混滤波的预处理,为此本文针对每个通道设计了预处理电路,如图4 所示。
该电路由二阶无源RC低通滤波和限幅电路组成,其中二阶无源RC低通滤波电路的频率响应函数如式( 2 ) 所示:
当C1= C2= C , R1= R2= R时, 可得:
其-3d B截止频率为:
取R=59 kΩ,C=33 n F时,可得:fh= = 30 . 46 Hz 。 图5 为该二阶无源RC低通滤波器的对数幅频特性曲线。
从该幅频特性曲线可以看出, 当选取8 k Hz的采样频率时,可知频率在4 k Hz处衰减达到67 d B。 因此该二阶无源RC低通滤波器具有较好抗频率混叠效果, 通过过采样技术可以使该滤波器满足性能要求。
限幅电路则是由两个二极管组成, 其单向导通特性可以将电压幅值钳制在±700 m V以内。
5 基准电压电路
对于ADC的基准电压选择,既可以选择内部基准电压,也可以选择外部基准电压。 为了减小电路规模, 选择ADS1299 内部基准电压VREF= 4 . 5 V 。 图6 是ADS129内部基准电压的简化框图。
图中基准电压是将VREFN与AVSS连接起来并加上限频电容由AVSS产生的, 限频电容的作用是使基准电压的输入噪声不会对系统产生干扰,使得频率带宽至少限制在10 Hz以内。
6 偏置驱动电路
通过右腿驱动电路设计可以进一步抑制脑电信号的共模噪声。 利用ADS1299 内置的偏置驱动放大器加上很少的元器件就可以设计出偏置驱动电路,该电路功能与右腿驱动电路一样,电路如图7 所示。
该电路是由ADS1299 内置偏置驱动放大器以及外围的RF、 CF、 R组成。 RF为反馈电阻, 电阻Res为限流电阻, 通过选取合适的保护电阻阻值, 可以将位移电流限制在安全的范围内(IEC规定流经人体的最大单级故障电流不得超过50 μA), 防止器件对人体造成电击的危险。 反馈电容CF的作用是进行相位补偿, 用来防止自激。 电极A、B、C分别是采集电极、参考电极、偏置驱动输出电极。 选择BIAS AMP运放的正参考端BIASREF为( AVDD+ AVSS) / 2 即系统地AGND , 能够形成一个闭环回路结构。 该闭环回路电路实际上就是一个对消驱动电路共模信号Vc通过该反馈电路可以在人体上产生一个极性相反的共模信号Vcf, 将共模干扰噪声限制在一个很窄的范围内,该范围大小取决于该环路的增益A:
其中ZF为:
通过选取合适的RF、 RCM、 CF值, 可以使得Vcf= - VC这样绝大部分共模干扰信号可以被抵消掉,从而在输入端实现对共模噪声信号的抑制,大大提高了整个电路的信噪比。
EEG信号采集是一种强噪声背景下的微弱信号的采集,这对于EEG信号的采集前端电路设计提出了很高的技术要求。本文提出一种使用高性能生理信号采集芯片ADS1299为核心的可穿戴式脑电采集系统前端。根据实验测试,该采集前端采集精度、采集速度、电气安全和抗干扰能力都能够满足要求。利用ADS1299内部集成的各种特有EEG功能可以大幅简化采集前端设计的电路规模。为设计出新一代的便携式、低功耗、高性能的实时穿戴式脑电采集系统提供了有力的技术支持。
摘要：设计了一款可穿戴式脑电采集前端,具有采集精度高、体积小、功耗低、抗干扰性强等特点。采用ADS1299内部集成的可编程放大器(PGA)实现微弱信号的放大;同时为了消除干扰,使用限幅滤波预处理电路和ADS1299内部集成的偏置驱动放大器。实验测试表明,该脑电采集前端设计能较好地把微弱的脑电信号提取出来,并且具有较好的抗干扰能力和实用价值。
关键词：脑电信号,可编程放大器,偏置驱动放大器,便携式,低功耗
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