基于FPGA的无线生命体征检测算法设计与实现(3)
应的计算公式，为后面的信号处理算法做基础。接着本文完成了 MATLAB的仿真，验证了设
计方案的可行性。在 MATLAB 验证方案可行后，完成了各模块 FPGA 平台的设计，包括时
钟模块、数据生成模块（用于仿真）、反正切模块、相位补偿模块、滤波与 FFT 模块、求模
与峰值索引模块。最后为了将数据传输至 PC端进行存储，本文还重点研究了 USB3.0通信，
并完成了硬件调试，成功地进行了数据的传输。 2 回波信号建模
2.1 多普勒雷达工作原理
以多普勒效应为理论基础的生命体征探测雷达的工作原理为，但雷达与检测物体（如生
命体的心脏）存在相对运动时，雷达接受到的反射波信号将在原来的发射信号上叠加一个与
相对运动速度相关联的偏移频率[3]
。假设雷达的发射信号为： (2.1)
其中，雷达发射信号频率为 ，初始相位是 ，而A为信号的幅度。当此信号经过移动物
体反射后被雷达所接受信号为：
(2.2)
其中， 为发射信号与接受信号之间的时间差，C 为电磁波在介质中的传播速度，
R 为目标与探测雷达之间的距离，K 为传播损耗所带来的衰减系数。因为物体与雷达之间存
在相对运动，所以 (2.3)
其中， 为起始时刻目标与雷达之间的距离， 为目标与雷达的相对运动的径向运动速
度。由于 远小于 C（基本为光速），故：
(2.4)
相比于发射信号，相位差为 (2.5)
由上式可得频率差为（此时 为常数，即匀速运动）： (2.6)
由上式可以得知多普勒偏移频率与相对运动速度成正比，而与工作频率成反比。当雷达
发射的电磁波照射到人体时，由于人体内心脏及胸腔的运动，就会使反射电磁波叠加一个多
普勒频移，经过后端信号处理即可得到心跳和呼吸等生命体征参量，从而检测人体健康状况，也可以用于生命检测。