Rader_IQ/IQ信号处理流程图.md

# IQ电压信号处理工程流程图

## 系统架构图

```mermaid
graph TB
    A[雷达传感器] --> B[ADC采集<br/>ADC1_CH8/CH9<br/>200Hz采样]
    B --> C[IQ数据处理模块<br/>radar_vitals.cpp]
    C --> D[状态判断]
    C --> E[频率估计]
    D --> F[输出结果]
    E --> F
    F --> G[串口输出]
    
    style A fill:#e1f5ff
    style B fill:#fff4e1
    style C fill:#ffe1f5
    style D fill:#e1ffe1
    style E fill:#e1ffe1
    style F fill:#f5e1ff
    style G fill:#e1f5ff
```

## 详细处理流程图

```mermaid
flowchart TD
    Start([开始]) --> ADC1[ADC数据采集]
    
    subgraph ADC采集
        ADC1 --> ADC2[读取ADC1_CH8<br/>I通道原始值]
        ADC1 --> ADC3[读取ADC1_CH9<br/>Q通道原始值]
        ADC2 --> ADC4[采样率: 200Hz]
        ADC3 --> ADC4
        ADC4 --> ADC5[数据长度: 1024点<br/>5.12秒]
        ADC5 --> ADC6[转换为电压<br/>V = ADC/4095 × 3.3V]
    end
    
    ADC6 --> DC[去直流处理]
    
    subgraph 去直流
        DC --> DC1[计算I平均值<br/>meanI]
        DC --> DC2[计算Q平均值<br/>meanQ]
        DC1 --> DC3[I'n = In - meanI]
        DC2 --> DC4[Q'n = Qn - meanQ]
    end
    
    DC3 --> Phase[相位转换]
    DC4 --> Phase
    
    subgraph 相位转换
        Phase --> Phase1[φn = atan2 Qn, In]
    end
    
    Phase1 --> Unwrap[相位展开]
    
    subgraph 相位展开
        Unwrap --> Unwrap1[计算相位差<br/>Δφ = φn - φn-1]
        Unwrap1 --> Unwrap2{Δφ > π?}
        Unwrap2 -->|是| Unwrap3[Δφ -= 2π]
        Unwrap2 -->|否| Unwrap4{Δφ < -π?}
        Unwrap4 -->|是| Unwrap5[Δφ += 2π]
        Unwrap4 -->|否| Unwrap6[保持Δφ]
        Unwrap3 --> Unwrap7[φn = φn-1 + Δφ]
        Unwrap5 --> Unwrap7
        Unwrap6 --> Unwrap7
    end
    
    Unwrap7 --> EmptyCheck[空人判断]
    
    subgraph 空人判断
        EmptyCheck --> EC1[计算相位均值<br/>μ = mean φ]
        EC1 --> EC2[计算相位方差<br/>Var = Eφ-μ²]
        EC2 --> EC3{Var < 1e-4?}
        EC3 -->|是| EC4[NO_PERSON<br/>无人]
        EC3 -->|否| MotionCheck[活动检测]
    end
    
    MotionCheck --> MC1[计算相位差分能量<br/>E = mean φn-φn-1²]
    MC1 --> MC2{E > 0.05?}
    MC2 -->|是| MC3[MOTION<br/>人体运动]
    MC2 -->|否| MC4[STATIC_HUMAN<br/>人体静止]
    
    EC4 --> End([结束])
    MC3 --> Downsample[降采样]
    MC4 --> Downsample
    
    subgraph 降采样
        Downsample --> DS1[呼吸数据<br/>1024→51点<br/>10Hz]
        Downsample --> DS2[心率数据<br/>1024→256点<br/>50Hz]
    end
    
    DS1 --> RespFreq[呼吸频率估计]
    DS2 --> HeartFreq[心率估计]
    
    subgraph 呼吸频率估计
        RespFreq --> RF1[频率扫描<br/>0.1-0.6Hz]
        RF1 --> RF2[DFT计算<br/>Xf = Σ φn × e-j2πfn]
        RF2 --> RF3[找最大能量频率]
        RF3 --> RF4[转换为BPM<br/>BPM = f × 60]
    end
    
    subgraph 心率估计
        HeartFreq --> HF1[频率扫描<br/>0.6-3.0Hz]
        HF1 --> HF2[DFT计算<br/>Xf = Σ φn × e-j2πfn]
        HF2 --> HF3[找最大能量频率]
        HF3 --> HF4[转换为BPM<br/>BPM = f × 60]
    end
    
    RF4 --> Filter[后处理滤波]
    HF4 --> Filter
    
    subgraph 后处理滤波
        Filter --> F1[异常值检测<br/>心率: 40-180 BPM<br/>呼吸: 4-40 BPM]
        F1 --> F2[5点移动平均滤波]
        F2 --> F3[四舍五入取整]
    end
    
    F3 --> Output[输出结果]
    
    subgraph 输出
        Output --> O1[人体状态]
        Output --> O2[心率 BPM]
        Output --> O3[呼吸率 BPM]
        Output --> O4[串口打印]
    end
    
    O4 --> End
    
    style Start fill:#90EE90
    style End fill:#FFB6C1
    style ADC1 fill:#87CEEB
    style DC fill:#DDA0DD
    style Phase fill:#F0E68C
    style Unwrap fill:#98FB98
    style EmptyCheck fill:#FFA07A
    style Downsample fill:#20B2AA
    style RespFreq fill:#FF6347
    style HeartFreq fill:#FF6347
    style Filter fill:#9370DB
    style Output fill:#00CED1
```

## 数据流图

```mermaid
graph LR
    subgraph 输入
        A[ADC原始数据<br/>12位, 0-4095]
    end
    
    subgraph 预处理
        B[去直流<br/>I'Q']
        C[相位转换<br/>φ = atan2Q,I]
        D[相位展开<br/>连续相位]
    end
    
    subgraph 特征提取
        E[相位方差<br/>空人检测]
        F[差分能量<br/>活动检测]
    end
    
    subgraph 频率分析
        G[降采样<br/>呼吸/心率]
        H[DFT频谱分析]
        I[峰值检测]
    end
    
    subgraph 后处理
        J[异常值过滤]
        K[移动平均]
        L[取整输出]
    end
    
    subgraph 输出
        M[人体状态]
        N[心率 BPM]
        O[呼吸率 BPM]
    end
    
    A --> B --> C --> D
    D --> E
    D --> F
    D --> G --> H --> I --> J --> K --> L
    E --> M
    F --> M
    L --> N
    L --> O
    
    style A fill:#FFE4B5
    style B fill:#E0FFFF
    style C fill:#E0FFFF
    style D fill:#E0FFFF
    style E fill:#FFDAB9
    style F fill:#FFDAB9
    style G fill:#98FB98
    style H fill:#98FB98
    style I fill:#98FB98
    style J fill:#DDA0DD
    style K fill:#DDA0DD
    style L fill:#DDA0DD
    style M fill:#F0E68C
    style N fill:#F0E68C
    style O fill:#F0E68C
```

## 关键参数说明

| 参数 | 值 | 说明 |
|------|-----|------|
| ADC采样率 | 200 Hz | 基础采样频率 |
| 基础数据长度 | 1024 点 | 对应5.12秒数据 |
| ADC分辨率 | 12位 | 0-4095 |
| 参考电压 | 3.3V | 电压转换基准 |
| 呼吸采样率 | 10 Hz | 降采样后频率 |
| 心率采样率 | 50 Hz | 降采样后频率 |
| 呼吸频率范围 | 0.1-0.6 Hz | 6-36 BPM |
| 心率频率范围 | 0.6-3.0 Hz | 36-180 BPM |
| 空人阈值 | 方差 < 1e-4 | 相位方差阈值 |
| 活动阈值 | 能量 > 0.05 | 差分能量阈值 |

## 算法核心公式

### 1. 去直流
```
I'(n) = I(n) - mean(I)
Q'(n) = Q(n) - mean(Q)
```

### 2. 相位计算
```
φ(n) = atan2(Q'(n), I'(n))
```

### 3. 相位展开
```
Δφ = φ(n) - φ(n-1)
if Δφ > π: Δφ -= 2π
if Δφ < -π: Δφ += 2π
φ_unwrap(n) = φ_unwrap(n-1) + Δφ
```

### 4. 空人判断
```
Var(φ) = E[(φ - μ)²]
if Var(φ) < 1e-4 → NO_PERSON
```

### 5. 活动检测
```
E = E[(φ(n) - φ(n-1))²]
if E > 0.05 → MOTION
else → STATIC_HUMAN
```

### 6. DFT频率估计
```
X(f) = Σ φ(n) × e^(-j2πfn)
f_peak = arg max |X(f)|²
BPM = f_peak × 60
```

## 任务调度图

```mermaid
graph TB
    subgraph FreeRTOS任务
        T1[雷达数据采集任务<br/>优先级: 4<br/>Core: 1]
        T2[串口数据任务<br/>优先级: 3<br/>Core: 1]
    end
    
    subgraph 处理流程
        P1[ADC采集循环<br/>1024点 @ 200Hz]
        P2[调用radar_process]
        P3[状态判断]
        P4[频率估计]
        P5[串口输出]
    end
    
    T1 --> P1 --> P2 --> P3 --> P4 --> P5
    T2 --> P5
    
    style T1 fill:#FFB6C1
    style T2 fill:#87CEEB
    style P1 fill:#98FB98
    style P2 fill:#98FB98
    style P3 fill:#F0E68C
    style P4 fill:#F0E68C
    style P5 fill:#DDA0DD
```

## 状态机图

```mermaid
stateDiagram-v2
    [*] --> NO_PERSON: 相位方差 < 1e-4
    NO_PERSON --> STATIC_HUMAN: 相位方差 ≥ 1e-4<br/>且差分能量 ≤ 0.05
    NO_PERSON --> MOTION: 相位方差 ≥ 1e-4<br/>且差分能量 > 0.05
    STATIC_HUMAN --> MOTION: 差分能量 > 0.05
    MOTION --> STATIC_HUMAN: 差分能量 ≤ 0.05
    STATIC_HUMAN --> NO_PERSON: 相位方差 < 1e-4
    MOTION --> NO_PERSON: 相位方差 < 1e-4
    
    note right of NO_PERSON
        无人状态
        不进行频率估计
    end note
    
    note right of STATIC_HUMAN
        人体静止
        进行呼吸/心率估计
    end note
    
    note right of MOTION
        人体运动
        进行呼吸/心率估计
        但可能不准确
    end note
```

## 文件结构

```
Rader_IQ第1版/
├── src/
│   ├── main.cpp              # 主程序，任务调度
│   ├── radar_vitals.cpp      # IQ信号处理核心算法
│   ├── radar_vitals.h        # 接口定义和常量
│   ├── io_flash.cpp          # Flash存储
│   └── io_flash.h
├── include/                  # 头文件目录
├── lib/                      # 库文件目录
├── test/                     # 测试目录
└── platformio.ini           # 项目配置
```

## 核心函数调用关系

```mermaid
graph TD
    A[main.cpp<br/>radarDataTask] --> B[radar_process]
    B --> C[去直流处理]
    C --> D[相位转换]
    D --> E[相位展开]
    E --> F[空人判断]
    E --> G[活动检测]
    E --> H[降采样]
    H --> I[呼吸频率估计]
    H --> J[心率估计]
    I --> K[后处理滤波]
    J --> K
    K --> L[radar_get_state]
    K --> M[radar_get_heart_bpm]
    K --> N[radar_get_resp_bpm]
    
    style A fill:#FFB6C1
    style B fill:#87CEEB
    style C fill:#E0FFFF
    style D fill:#E0FFFF
    style E fill:#E0FFFF
    style F fill:#FFDAB9
    style G fill:#FFDAB9
    style H fill:#98FB98
    style I fill:#F0E68C
    style J fill:#F0E68C
    style K fill:#DDA0DD
    style L fill:#90EE90
    style M fill:#90EE90
    style N fill:#90EE90
```