Implementation of neurobiological and various signal processing algorithms using FPGA circuits

Abstract

A jelfeldolgozás a számítástudomány fontos része, amelyet az automatizálás, a mintafelismerés, a szabályzáselmélet, a mesterséges intelligencia, valamint a hálózatépítés és a kommunikáció területén is alkalmaznak. Jel bármi lehet, ami mérhető, és minden, ami mérhető, az analóg vagy digitális jelfeldolgozási módszerekkel is feldolgozható, továbbá elkerülhetetlenül feldolgozásra is kerül. Ez lehet hőmérsékletmérés, egy kamera képe vagy az agyi tevékenység felvétele, mindegyiket valamilyen módon fel kell dolgozni. A jelfeldolgozás első lépése a fizikai mennyiség mérése. A mérés után a mennyiség szűrhető és erősíthető. Ideális körülmények között a zajmentes és megfelelő amplitúdójú mennyiség átalakítható digitális jellé analóg-digitális konverter (ADC) segítségével. Ezt a digitális jelet feldolgozhatja egy központi processzor (CPU) / mikroprocesszor, egy mikrokontroller, egy grafikus feldolgozó egység (GPU), egy programozható logikai kapu áramkör (FPGA) vagy egy alkalmazásspecifikus integrált áramkör (ASIC). A hardver cseréje a jelfeldolgozó alkalmazásokban egy összetett feladat, és általában a már optimalizált szoftver módosítását igényli. Sok esetben csak a szoftveren történő optimalizálás korlátozott előrelépést jelent, bár az idő- és energiabefektetés jelentős. Ezekben az esetekben az FPGA használata lehetővé teszi a hardver architektúra gyors megváltoztatását a szoftverrel együtt, valamint valós idejű és hatékony működést kínál. A doktori értekezés FPGA-alapú valós idejű jelfeldolgozási feladatokat mutat be, beleértve a neurofiziológiai mérésekben található akciós potenciál észlelését és osztályozását. A bemutatott megközelítések közös jellemzője a valós időben történő működés FPGA használatával. A disszertáció három fő részből áll. Az első fejezet a neurofiziológiai jelek valós idejű FPGA alapú észlelését és szintézisét mutatja be, a második fejezet a neurofiziológiai jelek térbeli információk felhasználásával történő szintén valós idejű osztályozását, míg a harmadik fejezet az FPGA alapú rendszerek alkalmazását a jelfeldolgozásban és szimulációban.