Técnicas de procesamiento coherente de señales

Abstract

La medición de señales de amplitudes pequeñas inmersas en ruido es un problema común en instrumentación electrónica, que aparece en áreas tan diversas como las telecomunicaciones, la bioingeniería o el control automático. Las técnicas a aplicar para posibilitar estas mediciones son muy variadas y dependen de la señal que se desee detectar y la naturaleza del ruido asociado. En particular, si la señal es periódica o puede ser modulada a una frecuencia determinada las técnicas de detección o demodulación coherente se presentan como una buena solución. Existe una gran variedad de estas técnicas, que aprovechan el conocimiento de la periodicidad de la señal para diferenciarla del ruido circundante. Entre estas técnicas destacan la amplificación \textit{Lock-in} y la promediación coherente, las cuales han recibido especial atención tanto por la relativa simplicidad de su implementación como por los buenos resultados que permiten obtener. En la actualidad existen dispositivos comerciales que efectúan este tipo de mediciones, pero tienen la desventaja de ser costosos y voluminosos, bien adaptados para su uso en entornos controlados de laboratorio, pero no para aplicaciones embebidas y portables. El desarrollo de sistemas de detección coherente de bajo costo, portables y bien diseñados para su integración con dispositivos funcionales se ha identificado como un problema con diversas aplicaciones. En este punto se destacan tres por su relevancia en esta tesis, aunque el abanico de casos es mucho más amplio. Estas son: la Tomografía Magnética para la detección de nanopartículas ferromagnéticas en técnicas de terapias oncológicas, el desarrollo de interfaces cerebro computadora basadas en estímulos visuales periódicos y la instrumentación de sistemas de Espectroscopía Mössbauer. El primer capítulo de esta tesis se encarga de presentar estas aplicaciones y justificar la utilidad de las técnicas de detección coherente para su implementación. Con el fin de desarrollar estas aplicaciones se han explorado en detalle los aspectos teóricos de las técnicas de Lock-in y promediación coherente y se ha evaluado cómo se pueden combinar para lograr dispositivos eficientes. En este sentido se ha determinado que, bajo ciertas circunstancias, combinar las técnicas de promediación coherente y Lock-in proporciona los mismos resultados que usar esta última individualmente. Luego, esta propiedad se ha utilizado para minimizar la cantidad de multiplicaciones involucradas en los cálculos, contribuyendo a mejorar la eficiencia de los algoritmos. La revisión detallada de los aspectos teóricos de estas técnicas y la derivación del algoritmo resultante, bautizado CALI, puede encontrarse en el segundo capítulo de esta tesis. Luego del estudio de los aspectos teóricos de la detección coherente se aborda su implementación, para su posterior aplicación en los contextos planteados. La implementación tiene estrictos requerimientos de tiempo real, lo que es difícil de cumplir con microprocesadores tradicionales, especialmente cuando la frecuencia de la señal es elevada. Es por esto que las implementaciones exploradas incorporan el procesamiento digital de la señal en lógica programable. El desarrollo de sistemas basados en dispositivos de este tipo lleva aparejados una gran cantidad de desafíos que se han intentado simplificar a lo largo de esta investigación. En este sentido, se ha desarrollado un sistema reutilizable de procesamiento de señales de código abierto, que se ha probado en sistemas de lógica programable de distintos fabricantes. El desarrollo de este sistema reutilizable de señales comprende el tercer capítulo de esta tesis. A partir de este sistema reutilizable se han diseñado e implementado sistemas de detección coherente de señales en distintos dispositivos de lógica programable. Utilizando lo estudiado previamente, se han diseñado estas herramientas de forma eficiente, mediante una combinación de las técnicas de Lock-in y promediación coherente. La descripción de estos diseños y su caracterización se puede encontrar en el cuarto capítulo de esta tesis. En el quinto capítulo se describe cómo los dispositivos desarrollados se utilizaron en las aplicaciones propuestas. Estos logran solucionar algunos de los desafíos inherentes de cada aplicación, proveyendo equipos embebidos y portables. En el campo de la Tomografía Magnética se ha logrado predecir la posición de las partículas ferromagnéticas en elementos de prueba, reemplazando a un Lock-in comercial, voluminoso y difícilmente trasladable utilizado en implementaciones anteriores, acelerando además el proceso de medición. En el campo de las interfaces cerebro computadora se ha logrado detectar la atención del usuario a tres estímulos visuales distintos, sin que éste realice acciones motoras, utilizando amplificación Lock-in. A diferencia de esta propuesta, la mayoría de los trabajos previos recurren a la Transformada de Fourier, lo que representa una solución menos eficiente. Finalmente, en el campo de la Espectroscopía Mössbauer se han utilizado los sistemas desarrollados para optimizar el proceso de calibración de los equipos, mejorando la calidad de los espectros obtenidos y reemplazando el uso del osciloscopio en la promediación coherente, que ahora se realiza de forma más simple y automatizada. En todos los casos se destaca la flexibilidad y escalabilidad de los dispositivos implementados. Finalmente, en el sexto capítulo se enumeran las principales conclusiones de este trabajo de investigación, resaltando los logros alcanzados y las limitaciones encontradas a lo largo de su desarrollo. Además, se explora el trabajo a futuro que surge de este estudio. Se presentan varios aspectos que quedan por profundizar, tanto en las aplicaciones prácticas como en los aspectos teóricos, por lo que esta investigación sirve como un punto de partida para diversas líneas de trabajo.