FPGA实现脑电信号滤波：FIR滤波器设计与应用

"本文档主要探讨了基于FPGA的脑电信号采集系统的设计，涉及脑电基础知识、信号放大、滤波、隔离以及FPGA在数字滤波器中的应用。" 在电子工程领域，特别是在脑机接口（BCI）和脑电（EEG）研究中，FPGA（Field-Programmable Gate Array）扮演着重要的角色。FPGA是一种可编程的集成电路，允许设计者根据需求定制硬件逻辑。在本硕士学位论文中，作者侯俊钦探讨了如何利用FPGA设计一个脑电信号采集系统。 首先，文章介绍了脑电的基本知识，这是一种微弱的生物电信号，反映了大脑神经细胞活动的电活动。为了检测这些信号，需要在头皮上安置电极，并通过放大器进行放大。论文中提到了三级放大电路的设计，每级放大都有特定的增益计算，以确保信号足够强且不失真。 接着，文章讨论了信号的滤波处理，这是消除噪声和干扰的关键步骤。在脑电信号中，常见的干扰源包括高于或低于信号频率范围的信号，以及50Hz的工频干扰。通过高通、低通滤波器和陷波器的组合，可以有效地清除这些干扰。滤波器设计涉及详细的理论计算和仿真验证。 在信号隔离方面，论文提到了使用光隔离电路来防止前后级之间的干扰。光隔离器的工作原理和调节方法进行了详述，同时为负极性信号设计了箝位电路进行极性转换。 采集阶段，选择了适合的采集芯片，并阐述了如何与FPGA进行连接和控制。FPGA的灵活性使得它能高效地处理采集到的数字信号，并实现数字滤波。在这里，作者特别提到使用了Altera的DSP Builder和fir Compiler IP核来设计一个100阶的带通FIR滤波器，用于筛选出0.1Hz至100Hz的脑电信号频率范围。 这篇论文详细展示了基于FPGA的脑电信号采集系统从信号获取、放大、滤波到隔离的全过程，强调了FPGA在数字信号处理中的优势，特别是对于实时性和精度要求高的脑电信号分析。通过实际的仿真和实测结果，证明了设计的有效性和可靠性。这种系统对于BCI研究和脑电分析具有重要意义，有助于更好地理解大脑功能和开发相关的应用。