Изучение процесса модуляции биомедицинских сигналов
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Биотелеметрия»
Покупка
Новинка
Тематика:
Приборостроение. Биомедицинская техника
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 36
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-7038-4422-9
Артикул: 839716.01.99
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».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 12.03.04: Биотехнические системы и технологии
- ВО - Магистратура
- 12.04.04: Биотехнические системы и технологии
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
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.