Techn. University, Diss., 2003--Berlin.

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2007

<p>Detta examensarbetet undersöker möjligheten att eliminera de amplitudtoppar som uppstår då flera sinussignaler av slumpmässiga frekvenser adderas. Det som eftersträvas är en signal innehållande flera godtyckliga frekvenser samtidigt som den bibehåller en låg Crestfaktor (eller PAPR). De metoder som tas fram implementeras sedan i en FPGA. Rapporten behandlar de metoder som undersökts både i teoretiska utvärderingar samt i en hårdvaruimplementation. Resultaten visar på att det inte finns någon enkel lösning på problemet, men att en kombination av metoder kan användas för att få en förbättring av signalens Crestfaktor. Metoderna bör balanseras utefter hur mycket av de icke önskvärda amplitudtopparna som ska elimineras, hur snabbt systemet måste vara, hur mycket resurser och hårdvara som finns tillgänglig, samt hur mycket brus som tolereras. De metoder som undersökts grundligast och även implementerats i hårdvara är initial fasfördelning, tid- och frekvensdomänbytesmetod och klippning, vilka tillsammans bildar ett system som genererar en önskvärd signal med låg Crestfaktor.</p><p> </p> / <p>This thesis investigates the possibility of eliminating the amplitude peaks that arise when several sinusoidal signals of random frequencies are added. The aim is a signal containing several arbitrary frequencies while retaining a low Crest factor (or PAPR). The methods to be developed are then implemented in an FPGA. The report deals with the methods which were examined, both in theoretical evaluations and in a hardware implementation. The results show that there is no easy solution, but that a combination of methods can be used to obtain an improvement of the signal’s Crest factor. These methods should be balanced with respect to how much of the undesirable amplitude is to be eliminated, how fast the system must be, what kind of resources and hardware that is available, and how much noise that can be tolerated. The methods investigated and implemented in hardware are initial phase distribution, time-frequency domain swapping algorithm and clipping, which together form a system that generates a desirable signal with low Crest factor.</p>

Detta examensarbetet undersöker möjligheten att eliminera de amplitudtoppar som uppstår då flera sinussignaler av slumpmässiga frekvenser adderas. Det som eftersträvas är en signal innehållande flera godtyckliga frekvenser samtidigt som den bibehåller en låg Crestfaktor (eller PAPR). De metoder som tas fram implementeras sedan i en FPGA. Rapporten behandlar de metoder som undersökts både i teoretiska utvärderingar samt i en hårdvaruimplementation. Resultaten visar på att det inte finns någon enkel lösning på problemet, men att en kombination av metoder kan användas för att få en förbättring av signalens Crestfaktor. Metoderna bör balanseras utefter hur mycket av de icke önskvärda amplitudtopparna som ska elimineras, hur snabbt systemet måste vara, hur mycket resurser och hårdvara som finns tillgänglig, samt hur mycket brus som tolereras. De metoder som undersökts grundligast och även implementerats i hårdvara är initial fasfördelning, tid- och frekvensdomänbytesmetod och klippning, vilka tillsammans bildar ett system som genererar en önskvärd signal med låg Crestfaktor. / This thesis investigates the possibility of eliminating the amplitude peaks that arise when several sinusoidal signals of random frequencies are added. The aim is a signal containing several arbitrary frequencies while retaining a low Crest factor (or PAPR). The methods to be developed are then implemented in an FPGA. The report deals with the methods which were examined, both in theoretical evaluations and in a hardware implementation. The results show that there is no easy solution, but that a combination of methods can be used to obtain an improvement of the signal’s Crest factor. These methods should be balanced with respect to how much of the undesirable amplitude is to be eliminated, how fast the system must be, what kind of resources and hardware that is available, and how much noise that can be tolerated. The methods investigated and implemented in hardware are initial phase distribution, time-frequency domain swapping algorithm and clipping, which together form a system that generates a desirable signal with low Crest factor.

Bioimpedance spectroscopy is very useful in biomedical field as a safe and non-invasive technique. A stable and safe excitation current below than 0.5 mA for load impedances changing from 100 Ω to 10 kΩ in the full β-dispersion range from kHz up to 1 MHz is a big challenge for the design of the current source addressed by this thesis. For a good stability and high accuracy, the source should have a high output impedance. Different current source types in “current-mode approach” and “voltage-mode approach” were investigated and compared for usability in bioimpedance measurement systems. The “voltage-mode approach” with grounded load was proven to be more suitable and stable for biomedical measurements. Thereby the Tietze and the Howland circuit in dual configuration with negative feedback have shown the lowest error of the output current and the highest output impedance, where the improved Howland circuit in dual configuration with negative feedback is preferred because it has a simple structure, high accuracy and good stability. We suggest to improve the stability of the Howland circuit in dual configuration with negative feedback by introducing compensated operational amplifiers and to reduce stray capacitances at higher frequencies by adding gain compensation capacitor. We reach thereby an accuracy of 0.5% at low frequency and 0.9% at 1 MHz. With the realized accuracy of the designed voltage controlled current source, one decisive prerequisite for portable bioimpedance measurement system is achieved. In order to select the appropriate excitation signals for short measurement time, a comparative study of signals and their parameters was carried out. It leads to the selection of binary chirp signal as a suitable excitation signal due to its short measurement time about 100 μs, low crest factor lower than 2.8 and an energy efficiency higher than 54% in a very noisy signal. Simulation results show that the designed enhanced Howland current source excited by the binary chirp signal has low error and flatness in the whole range. / Die Bioimpedanzspektroskopie gewinnt aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften als nicht-invasive, schonende Messmethode zunehmend an Bedeutung im biomedizinischen Bereich. Dabei ergeben sich besondere erausforderungen für den Entwurf der Stromquelle zur Realisierung eines stabilen und sicheren Anregungsstroms. Gefordert ist eine hohe Genauigkeit bis zu einem Maximalstrom von 0.5 mA in einem Frequenzbereich, der der β-Dispersion entspricht, von wenigen kHz bis hin zu 1 MHz. Die Stabilität muss bei variablen Lastimpedanzen im Bereich von 100 Ω bis 10 kΩ gewährleistet sein. Dafür muss die Stromquelle eine hohe Ausgangsimpedanz aufweisen. Diese Arbeit fokussiert auf den Entwurf von spannungsgesteuerten Stromquellen. Verschiedene Arten von Stromquellen wurden untersucht und verglichen. Der "Voltage-Modus-Ansatz" mit Masse-referenzierter Last hat sich als besser geeignet und stabiler für biomedizinische Messungen erwiesen. Die Tietze-Schaltung und diese Howland-Schaltung zeigen dabei die niedrigsten Fehler des Ausgangsstroms und die höchste Ausgangsimpedanz. Im direkten Vergleich besitzt die verbesserte Howland-Schaltung doch eine einfachere Struktur, höhere Genauigkeit und bessere Stabilität und wird daher gegenüber der Tietze-Schaltung bevorzugt. Um weitere Stabilitätsverbesserungen bei der Howland-Schaltung zu erreichen, werden zwei Maβnahmen vorgeschlagen. Zum einen werden kompensierte Operationsverstärker eingeführt und zum anderen wird der Einfluss von Streukapazitäten bei hohen Frequenzen minimiert indem die Verstärkung mit Kondensatoren kompensiert wird. Durch diese Maβnahmen wird eine Genauigkeit von 0.5% bei niedrigen Frequenzen und 0.9% bei 1 MHz ermöglicht. Mit dem neuen Entwurf der spannungsgesteuerten Stromquelle ist ein entscheidender Meilenstein für die Realisierung tragbarer Messsysteme der Bioimpedanz erreicht. Um eine kurze Messzeit zu realisieren wurde eine vergleichende Studie von Anregungssignalen und deren Signalparameter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass binäre Chirp-Signale aufgrund der reduzierten Messzeit, des niedrigen Crest-Faktors unter 2.8 und hohe Energieeffizienz von mehr als 54% bei hohem Rauschlevel besonders geeignet sind. Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte Howland-Stromquelle zusammen mit einem binären Mehrfrequenzsignal den geringsten Amplitudenfehler im gesamten Frequenzbereich realisiert.

Bioimpedance spectroscopy is very useful in biomedical field as a safe and non-invasive technique. A stable and safe excitation current below than 0.5 mA for load impedances changing from 100 Ω to 10 kΩ in the full β-dispersion range from kHz up to 1 MHz is a big challenge for the design of the current source addressed by this thesis. For a good stability and high accuracy, the source should have a high output impedance. Different current source types in “current-mode approach” and “voltage-mode approach” were investigated and compared for usability in bioimpedance measurement systems. The “voltage-mode approach” with grounded load was proven to be more suitable and stable for biomedical measurements. Thereby the Tietze and the Howland circuit in dual configuration with negative feedback have shown the lowest error of the output current and the highest output impedance, where the improved Howland circuit in dual configuration with negative feedback is preferred because it has a simple structure, high accuracy and good stability. We suggest to improve the stability of the Howland circuit in dual configuration with negative feedback by introducing compensated operational amplifiers and to reduce stray capacitances at higher frequencies by adding gain compensation capacitor. We reach thereby an accuracy of 0.5% at low frequency and 0.9% at 1 MHz. With the realized accuracy of the designed voltage controlled current source, one decisive prerequisite for portable bioimpedance measurement system is achieved. In order to select the appropriate excitation signals for short measurement time, a comparative study of signals and their parameters was carried out. It leads to the selection of binary chirp signal as a suitable excitation signal due to its short measurement time about 100 μs, low crest factor lower than 2.8 and an energy efficiency higher than 54% in a very noisy signal. Simulation results show that the designed enhanced Howland current source excited by the binary chirp signal has low error and flatness in the whole range. / Die Bioimpedanzspektroskopie gewinnt aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften als nicht-invasive, schonende Messmethode zunehmend an Bedeutung im biomedizinischen Bereich. Dabei ergeben sich besondere erausforderungen für den Entwurf der Stromquelle zur Realisierung eines stabilen und sicheren Anregungsstroms. Gefordert ist eine hohe Genauigkeit bis zu einem Maximalstrom von 0.5 mA in einem Frequenzbereich, der der β-Dispersion entspricht, von wenigen kHz bis hin zu 1 MHz. Die Stabilität muss bei variablen Lastimpedanzen im Bereich von 100 Ω bis 10 kΩ gewährleistet sein. Dafür muss die Stromquelle eine hohe Ausgangsimpedanz aufweisen. Diese Arbeit fokussiert auf den Entwurf von spannungsgesteuerten Stromquellen. Verschiedene Arten von Stromquellen wurden untersucht und verglichen. Der 'Voltage-Modus-Ansatz' mit Masse-referenzierter Last hat sich als besser geeignet und stabiler für biomedizinische Messungen erwiesen. Die Tietze-Schaltung und diese Howland-Schaltung zeigen dabei die niedrigsten Fehler des Ausgangsstroms und die höchste Ausgangsimpedanz. Im direkten Vergleich besitzt die verbesserte Howland-Schaltung doch eine einfachere Struktur, höhere Genauigkeit und bessere Stabilität und wird daher gegenüber der Tietze-Schaltung bevorzugt. Um weitere Stabilitätsverbesserungen bei der Howland-Schaltung zu erreichen, werden zwei Maβnahmen vorgeschlagen. Zum einen werden kompensierte Operationsverstärker eingeführt und zum anderen wird der Einfluss von Streukapazitäten bei hohen Frequenzen minimiert indem die Verstärkung mit Kondensatoren kompensiert wird. Durch diese Maβnahmen wird eine Genauigkeit von 0.5% bei niedrigen Frequenzen und 0.9% bei 1 MHz ermöglicht. Mit dem neuen Entwurf der spannungsgesteuerten Stromquelle ist ein entscheidender Meilenstein für die Realisierung tragbarer Messsysteme der Bioimpedanz erreicht. Um eine kurze Messzeit zu realisieren wurde eine vergleichende Studie von Anregungssignalen und deren Signalparameter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass binäre Chirp-Signale aufgrund der reduzierten Messzeit, des niedrigen Crest-Faktors unter 2.8 und hohe Energieeffizienz von mehr als 54% bei hohem Rauschlevel besonders geeignet sind. Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte Howland-Stromquelle zusammen mit einem binären Mehrfrequenzsignal den geringsten Amplitudenfehler im gesamten Frequenzbereich realisiert.