Изучение процесса модуляции биомедицинских сигналов

Московский государственный технический университет 

имени Н. Э. Баумана 

И.А. Аполлонова, А.А. Таранов 

Изучение процесса модуляции 
 биомедицинских сигналов 

 
 

Методические указания к лабораторным работам 

по курсу «Биотелеметрия» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

УДК 57.087 
ББК 32.811 
        А76 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/63/book1432.html 

Факультет «Биомедицинская техника» 
Кафедра «Биомедицинские технические системы» 

Рекомендовано  
Редакционно-издательским советом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве методических указаний 
 

    Аполлонова, И. А. 
 
 
   Изучение процесса модуляции биомедицинских сигналов : 
методические указания к лабораторным работам по курсу 
«Биотелеметрия» / И. А. Аполлонова, А. А. Таранов. — 
Москва : Издательство МГТУ им.  Н. Э. Баумана, 2016. —  
35, [1] с.: ил. 

ISBN 978-5-7038-4422-9 

Приведены базовые теоретические сведения по методам представления и преобразования сообщений в непрерывные и импульсные 
сигналы, позволяющие обеспечить помехоустойчивость передачи информации. Рассмотрены помехи, действующие в биотелеметрической 
системе  при передаче сообщений.  
Для студентов факультета «Биомедицинская техника» МГТУ  
им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплину «Биотелеметрия». 
 
 
 
 
УДК 57.087 
ББК 32.811 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
  Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4422-9                                            МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 

 А76 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Цель лабораторных работ по курсу «Биотелеметрия» — практическое изучение методов  расчета биотелеметрических параметров и способов  преобразования и передачи биотелеметрических 
сигналов по каналам связи. Материалы, приведенные в данном издании, позволят студентам:  
• изучить основные понятия и методы модуляции биомедицинских сигналов; повторной модуляции биомедицинских сигналов; борьбы с помехами, возникающими в линиях связи; демодуляции модулированных биомедицинских сигналов; 
• анализировать функциональные и структурные схемы биотелеметрических систем, определять характеристики каналов связи; 
• проводить оценку функциональных возможностей различных типов биотелеметрических систем и областей их возможного 
использования в медицине;  
• рассчитывать основные характеристики биотелеметрических 
сигналов, их погрешностей, а также внутренних и внешних помех 
приемно-передающей аппаратуры медицинских систем удаленного доступа для хирургии, терапии и диагностики; 
• рассчитывать помехоустойчивость приемно-передающей аппаратуры медицинских систем удаленного доступа, согласовывать 
параметры приборов и аппаратов с параметрами биообъекта; 
•  составлять уравнения и осуществлять расчет основных характеристик приемно-передающих блоков биотелеметрических 
систем удаленного доступа для хирургии, терапии и диагностики; 
• выбирать критерии качества передачи биотелеметрических 
сигналов;  
• разрабатывать технические задания на исследование, конструирование и моделирование приемно-передающей аппаратуры 
медицинских систем. 
В теоретической части методических указаний представлены  
характеристики основных методов прямой и повторной модуляции 

биотелеметрических сигналов, а также последующей демодуляции, правила выбора частоты несущего колебания для каждого вида модуляции, классификация помех, оценка точности передачи 
сигналов. 
  В практической части даны схемы вычислительных экспериментов, перечень необходимого оборудования,  порядок выполнения лабораторных работ и контрольные вопросы к каждой работе, 
требования к содержанию и форме отчета и оценка качества выполнения лабораторных работ.  
Для самостоятельной проработки материала в списке литературы перечислены основные литературные источники по темам лабораторных работ. В приложении 1 представлены задания к лабораторным работам по вариантам, в приложении 2 — форма отчета. 
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Биотелеметрия» предназначены для бакалавров, обучающихся по основной профессиональной образовательной программе 
12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», а также в качестве справочного материала для магистров, обучающихся по программе 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии» и аспирантов, обучающихся по программе 12.06.04  «Биотехнические 
системы и технологии».  
 

ВВЕДЕНИЕ 

Совокупность функциональных систем, обеспечивающих регистрацию, преобразование, передачу на расстояние, хранение и 
воспроизведение биомедицинских сигналов, называют биотелеметрической системой (БТМС) [1].  
В настоящее время БТМС широко применяются для решения 
многих клинических задач: холтеровский мониторинг, наблюдение 
за состоянием космонавтов, изучение животных в естественной 
среде обитания и т. д. [2]. 
Для дистанционной передачи биомедицинских сигналов могут 
использоваться проводные, радио-, гидроакустические и оптические линии связи, также называемые каналами связи. Тип линий 
связи, как правило, определяется характером передаваемого сигнала и условиями связи между отправителем и получателем. Так, 
при передаче сигналов между близко расположенными объектами 
в основном используются проводные и оптические линии связи, и, 
напротив, на значительных расстояниях — беспроводные радиоканалы. 
В большинстве случаев для передачи биомедицинских сигналов 
требуется проведение их предварительной обработки, согласующей 
передаваемые данные с характеристиками канала связи (пропускной 
способностью, помехозащищенностью), а также обеспечивающей 
защиту данных от несанкционированного доступа. 
  

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

1.1. Модуляция биотелеметрических сигналов 

Обобщенно сущность процесса модуляции заключается в том, 
что некоторый параметр (параметр модуляции) физического процесса, выбранного в качестве переносчика сообщения (несущего 
сигнала), целенаправленно изменяют в соответствии с передаваемым сообщением (сигналом-сообщением). 
Принято выделять следующие основные виды модуляции [1]: 
• амплитудная (АМ); 
• частотная (ЧМ); 
• фазовая (ФМ); 
• амплитудно-импульсная (АИМ); 
• широтно-импульсная (ШИМ); 
• время-импульсная (ВИМ); 
• частотно-импульсная (ЧИМ).   
Виды модуляции различаются по несущему сигналу: при АМ, 
ЧМ и ФМ несущий сигнал в виде гармонического колебания (рис. 1), 
при АИМ, ШИМ, ВИМ, ЧИМ — в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов (рис. 2).   
 

 
 
 
Рис. 1.  Изменение формы передаваемого сигнала 
при модуляциях вида АМ, ЧМ и ФМ 

Рис. 2. Изменение формы передаваемого сигнала 
при модуляциях вида АИМ, ШИМ, ВИМ и ЧИМ 

     

Далее остановимся на свойствах и особенностях каждого вида 
модуляции подробнее с целью изучения прикладного назначения 
модуляции и демодуляции биомедицинских сигналов. 

Амплитудная модуляция 

Амплитудно-модулированный (АМ) сигнал полностью опре
деляется выражением  

[
]
AM
0
0
0
1
( ) sin(ω
φ )
( )
,
U
t
U
mX t
t
=
(
(
                          (1) 

где 
0
U  — амплитуда несущего колебания, мВ; m — индекс ампли
тудной модуляции; 
( )
X t  — нормированный сигнал-сообщение 

(принимает значения [–1; 1]); 
0
ω  — круговая частота несущего ко
лебания, рад/с; 
0
φ  — фаза несущего колебания, рад. 
Частотный спектр (Фурье-спектр) АМ-сигнала имеет характерную форму и определяется как преобразование Фурье от (1). 
Пример частотного спектра сигнала-сообщения и частотного спектра соответствующего ему АМ-сигнала приведен на рис. 3.  

а   

 

б 

Рис. 3. Пример частотного спектра АМ-сигнала: 
 а — амплитудно-частотная характеристика Фурье-спектра сигнала-сообщения;  
б — амплитудно-частотная характеристика Фурье-спектра АМ-сигнала 

Частотная модуляция 

Частотно-модулированный (ЧМ) сигнал полностью определя
ется выражением 

ЧМ
0
0

0
( )
sin ω
ω
( ) τ ,

t
U
U
t
X t d
t


=
( ∆






∫
                          (2) 

где 
0
U  — амплитуда несущего колебания, мВ;
0
 ω  — круговая ча
стота несущего колебания, рад/с; ω
∆  — девиация круговой часто
ты, рад/с; 
( )
X t  — нормированный сигнал-сообщение (принимает 

значения [–1; 1]). 

Частотный спектр ЧМ-сигнала определяется как преобразование 
Фурье от (2) и подчиняется так называемому «правилу Карсона», которое утверждает, что более 95 % энергии ЧМ-сигнала располагается 
в полосе частот, ширина которой T
B  определяется согласно формуле 

2(
),
T
m
B
f
f
=
( ∆
                                          (3) 

где 
m
f  — максимальная частота* в спектре сигнала-сообщения 

( )
X τ , Гц; f
∆  — девиация частоты, Гц. 
В зависимости от соотношения величин f
∆  и m
f  в уравнении 

    
/
,
m
h
f
f
= ∆
                                              (4) 

различают «узкополосную» (при 
1
h  ) и «широкополосную» (при  

1)
h 
  разновидности частотной модуляции. 

Фазовая модуляция 

Фазово-модулированный (ФМ) сигнал полностью определяет
ся выражением 

(
)
ФМ
0
0
sin
( )
)
ω
φ
,
(
U
U
t
t
X t
=
( ∆
                             (5) 

где 
0
U  — амплитуда несущего колебания, мВ;
0
 ω  — круговая частота 

несущего колебания, рад/с; ∆ϕ — девиация фазы, рад; 
( )
X t  — нор
мированный сигнал-сообщение (принимает значения [–1; 1]). 

Частотный спектр ФМ-сигнала определяется как преобразова
ние Фурье от (5). Ширину полосы частот 
T
B  такого сигнала можно 

определить согласно неравенству (6), причем 
T
B  тем больше, чем 

больше φ
∆ : 

2
,
T
m
B
f
≥
                                             (6) 

где  
m
f  — максимальная частота в спектре сигнала-сообщения 

(τ)
X
, Гц. 

Амплитудно-импульсная модуляция 

АИМ является простейшим видом импульсной модуляции. 

Модулируемый параметр при АИМ — амплитуда импульсов, изменяемая пропорционально амплитуде сигнала-сообщения. 

В зависимости от способа изменения амплитуды импульсов 

различают АИМ первого (АИМ-1) и второго (АИМ-2) рода (рис. 4). 

_____________ 

* Здесь и далее под максимальной частотой сигнала понимается  
частота, которая имеет максимальное значение в частотном спектре сигнала 
(нулевая гармоника не рассматривается). 

При АИМ-1 амплитуда импульса несущего колебания изменяется 
непрерывно (т. е. прямоугольные импульсы превращаются в криволинейные трапеции). При АИМ-2 амплитуда импульса изменяется только в момент прихода переднего фронта импульса (т. е. 
амплитуда каждого отдельного импульса постоянна). 

 

 
 
Рис. 4. Пример изменения формы несущего колебания при АИМ 
 

При АИМ-1 модулированный сигнал изменяется в соответ
ствии с законом 

 
[
]
АИМ 1
0
0
1
( )
rect
(
,
)

i

t
iT
U
U
m
t
X t

∞

−
=

−


=
(


τ


∑
                        (7) 

где 
0
U  — амплитуда несущего колебания, мВ; m — индекс ампли
тудной модуляции; 
( )
X t  — нормированный сигнал-сообщение 

(принимает значения [–1; 1]); rect( )t  — функция, описывающая 
импульс единичной длительности и амплитуды; T — период повторения импульсов, с; τ — длительность импульса, с.