Các nghiên cứu liên quan
Trong các nghiên cứu liên quan đến hệ thống ghi đo tín hiệu ICG mà tác giả khảo sát được, nhóm xử lý và phân tích các tín hiệu chủ yếu bằng các mạch tương tự bao gồm các nghiên cứu[26, 46, 51-53] trong khi nghiên cứu [39, 40] sử dụng phương pháp số hóa bằng ADC và xử lý tín hiệu bằng FPGA. Nhiều nghiên cứu liên quan khác trong cùng lĩnh vực cũng sử dụng FPGA cho phân tích và xử lý tín hiệu [54- 56]. Đối với xu hướng thiết kế thứ nhất, mạch điện tương tự có cấu trúc phức tạp; độ chính xác phụ thuộc vào chất lượng linh kiện cấu thành; tín hiệu thay đổi theo nhiệt độ, nhiễu, và bị méo dạng trong các khâu xử lý phi tuyến. Đối với xu hướng thứ hai, mạch số khắc phục được hầu hết các nhược điểm gây ra bởi mạch tương tự. Tuy nhiên, điểm trừ của các hệ thống này là yêu cầu một cấu hình rất mạnh để thu nhận dữ liệu ở đầu vào nhưng là quá dư thừa để xử lý tín hiệu biến thiên chậm, chỉ một vài Hz đến 100 Hz, vốn có trong băng tần gốc. Các phân tích cụ thể sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo sau đây.
Độ chính xác và tính ổn định khi dùng phương pháp tương tự
Trong hệ thống thu nhận sử dụng mạch tương tự, đảm bảo tính chính xác và sự ổn định là một vấn đề khó khăn. Hệ thống đo tốt không chỉ đòi hỏi được tạo nên từ các linh kiện chính xác mà còn cần được tích hợp sẵn các mạch bù nhiệt, mạch khử nhiễu, và được thiết kế để chống được sự tác động của môi trường xung quanh (xem thêm Mục 1.3.3.1. Tuy nhiên, ngay cả khi được thiết kế để đảm bảo các yếu tố này, hệ thống vẫn gây ra sự méo tín hiệu đáng kể do sử dụng một loạt các bộ lọc tương tự như: bộ lọc thông dải trong khối tiền xử lý, bộ lọc thông thấp trong bộ giải mã biên độ, bộ lọc thông thấp và bộ lọc thông cao trong phân tách Z0 và Z. Cụ thể:
− Độ chính xác: Với đặc điểm xử lý tín hiệu có biên độ nhỏ, tất cả các mạch tương tự sử dụng trong xử lý tín hiện ICG bao gồm mạch tạo nguồn dòng, mạch khuếch đại, lọc, giải điều chế, phân áp, cộng điện áp đều yêu cầu linh kiện có trị số có độ chính xác cao. Độ chính xác của mạch bị ảnh hưởng mạnh bởi sai số của linh kiện
34
cấu thành nên mạch điện bao gồm linh kiện thụ động như tụ điện, điện trở, cuộn cảm và linh kiện tích cực như các IC khuếch đại thuật toán. Việc sử dụng các linh kiện với độ chính xác cao có thể hạn chế phần nào những sai số này. Tuy nhiên, các linh kiện với các giá trị đặc thù (không thông dụng) với độ chính xác cao có giá thành cao làm tăng chi phí nghiên cứu và sản xuất các mô-đun mạch. Bên cạnh đó, sự thay đổi của môi trường nơi thiết bị hoạt động có thể làm thay đổi các thông số kĩ thuật lý tưởng của linh kiện, đặc biệt là nhiệt độ, dẫn đến mạch hoạt động không đúng như đã thiết kế. Khi nhiệt độ thay đổi, sự thay đổi thông số của các điện trở có thể được giải quyết bằng trở chính xác nhưng sự biến thiên giá trị của các tụ điện trong các mạch lọc là rất khó kiểm soát. Do đó, ảnh hưởng nhiệt độ lên kết quả đo là đáng kể và không dễ loại bỏ.
− Ảnh hưởng của nhiễu: Các mạch tương tự có đặc điểm chung là nhạy cảm với nhiễu. Nhiễu từ bên ngoài đi vào mạch theo nhiều đường khác nhau như: truyền dẫn trực tiếp (nhiễu từ mạng điện, nhiễu từ nguồn xung, …); cảm ứng gián tiếp qua các thành phần ký sinh, phân tán; và qua đường sóng điện từ. Việc che chắn tốt có thể giảm thiểu nhiễu truyền theo con đường cảm ứng và sóng vô tuyến nhưng không có tác dụng đối với con đường truyền dẫn trực tiếp. Để chặn con đường này, người ta có thể sử dụng các mạch lọc chặn. Tuy nhiên, việc lọc chặn là không dễ dàng và gây tốn kém, cồng kềnh.
− Méo dạng tín hiệu: Bản thân các mạch khuếch đại, mạch lọc và các mạch xử lý tín hiệu analog có đặc điểm chung là có đáp ứng khác nhau đối với các tín hiệu có tần số khác nhau. Việc méo biên độ có thể làm các kết quả đo đường chính xác trở nên kém tin cậy. Trong khi đó, việc méo pha có thể gây biến dạng tín hiệu ra và gây ảnh hưởng đáng kể tới việc xác định chính xác các điểm cực đại, cực tiểu, hay điểm uốn trên dạng sóng của tín hiệu. Đối với việc đo cung lượng tim, méo dạng tín hiệu là một hạn chế lớn và rất khó khắc phục.
Từ các phân tích trên, có thể thấy rằng, việc xử lý tín hiệu trở kháng để trích xuất tín hiệu ICG một cách chính xác bằng mạch điện tương tự là không hề đơn giản. Các mạch điện này có thể hoạt động tốt trong điều kiện lý tưởng nhưng lại gây sai lệch đáng kể khi điều kiện môi trường biến động. Vì vậy, sử dụng theo phương pháp này đối với hệ thống đo ICG hiện tại không còn được nghiên cứu và áp dụng nhiều.
Tính hiệu quả về hiệu năng khi sử dụng phương pháp số
Để đánh giá hiệu quả trong việc tận dụng hiệu năng xử lý của phần cứng, ta cần phân tích sự chênh lệch giữa dải tần số của tín hiệu ICG tốc độ dữ liệu cần xử lý.
35
Đầu tiên, do tín hiệu ICG chỉ có dải tần từ 0-50 Hz và phân bố chủ yếu ở miền tần số rất thấp, dạng sóng của tín hiệu có thể được ghi nhận một cách chính xác ở tốc độ lấy mẫu khoảng 200 SPS (nhanh gấp 4 lần). Để đảm bảo khả năng phân giải ΔZ vốn chỉ chiếm khoảng 0.5% biên độ của Z, độ phân giải của khâu lượng tử hóa cần tối thiểu là khoảng 12-bit. Tuy nhiên, trên thực tế, độ phân giải không nên thấp hơn 16- bit để đảm bảo ΔZ được mã hóa bằng 300 mức lượng tử trở lên. Như vậy, tốc độ dữ liệu cần xử lý là khoảng 3,2 kbps (kbps – kilobit per second). Tốc độ này là khá thấp nên có thể được xử lý dễ dàng bởi vi điều khiển hoặc truyền đi xa và xử lý bằng phần mềm máy tính.
Tuy nhiên, để số hóa tín hiệu tần số cao thu được từ điện cực và giải điều chế theo phương pháp số, mạch vào của hệ thống đòi hỏi một hiệu năng cao hơn rất nhiều. Cụ thể, căn cứ đặc điểm tín hiệu thu từ điện cực được mô tả trong Mục 1.3.1.4, tần số lấy mẫu tối thiểu của bộ ADC theo định lý Nyquist phải đạt 200 kSPS. Để đảm bảo việc đo đúng độ cao của đỉnh hình sin trong sóng mang với sai số cỡ 0.5%, tốc độ lấy mẫu tối thiểu phải đạt 3,4 MSPS (34 điểm cho mỗi chu kỳ hình sin). Hơn thế, để đảm bảo khả năng phân giải ΔZ đến 300 mức cho phù hợp với độ phân giải 16-bit đã chọn, tốc độ lấy mẫu của bộ ADC phải đạt tới khoảng 55 MSPS (550 điểm cho mỗi chu kỳ hình sin). Con số 34 và 550 có thể được ước lượng dễ dàng thông qua việc lấy mẫu một chu kỳ hình sin rồi so sánh sai số giữa độ cao tối đa các mẫu với độ cao thật của đỉnh hình sin ban đầu.
Như vậy, nếu mỗi mẫu được mã hóa bằng 16-bit, tốc độ dữ liệu đi ra từ bộ ADC lên tới trên 880 Mbps. Đây là một tốc độ cực lớn, vượt quá khả năng xử lý tại chỗ, lưu trữ tạm thời, hoặc truyền đến mạch điện khác của hầu hết các mạch xử lý và chuẩn truyền thông thông thường. Rõ ràng, tốc độ này là quá chênh lệch so với con số 3,2 kSPS phía trên (gấp 275.000 lần). Nói cách khác, sử dụng một hệ thống có tốc độ tới 55 MHz để xử lý một dữ liệu chỉ có tần số không vượt quá 50 Hz (nhỏ hơn hơn một triệu lần) là rất lãng phí tài nguyên, gây tốn kém và phức tạp cho quá trình nghiên cứu phát triển thiết bị sau này.
Do vậy, để tăng cơ hội tiếp cận cho các nhà khoa học mới, tối ưu hóa chi phí nghiên cứu phát triển, tiến tới giảm giá thành thiết bị và mở rộng khả năng ứng dụng, một bài toán đã được đặt ra trong hệ thống thu nhận tín hiệu ICG theo phương pháp số. Lời giải có thể là một mô hình thu nhận mới hay một thuật toán giải điều chế mới giúp khôi phục tín hiệu băng gốc với phần cứng có hiệu năng thấp. Đó chính là mục tiêu đầu tiên của nghiên cứu sinh khi thực hiện luận án. Chi tiết quá trình hiện thực hóa mục tiêu này được trình bày trong nửa đầu Chương 2.
36