生物醫(yī)學(xué)信號檢測基礎(chǔ)(參考版)
2025-01-19 15:22本頁面
【正文】 但系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲往往是測量精度的限制性因素。 在原始生物醫(yī)學(xué)信號的提取、變換和處理處理過程中，噪聲信號疊加在生物醫(yī)學(xué)信號之上，導(dǎo)致測量精度降低。 二、生物醫(yī)學(xué)測量中的噪聲 為與外部干擾相區(qū)別，把系統(tǒng)內(nèi)部由器件、材料、部件的物理因素產(chǎn)生的隨機(jī)擾動(dòng)稱為噪聲 (電壓或電流 )。 干擾的耦合途徑主要有信號傳輸導(dǎo)線、單元電路或測試系統(tǒng)之間的公共阻抗、近場感應(yīng)以及電場或磁場耦合等。 此外，生物醫(yī)學(xué)設(shè)備本身也是強(qiáng)的電磁干擾源，測量系統(tǒng)不只受到外界干擾源的干擾，而且測量系統(tǒng)本身也產(chǎn)生對內(nèi)部、對外界其他電子設(shè)備的電磁干擾，造成互相干擾的電磁環(huán)境。近場 50Hz干擾源不只直接影響多種生物電信號的提取，而且它存在于所有的測量環(huán)境中且與欲檢測的目標(biāo)信號頻帶重疊，因此其抑制方法遠(yuǎn)比各種電磁輻射干擾困難。 由圖 16可以看出，造成生物電信號提取過程的主要干擾，是近場 50Hz工頻干擾，因?yàn)楦鞣N生物電信號中大都包含有 50Hz的頻率成分，而且生物電信號的強(qiáng)度有時(shí)小于 50Hz工頻干擾。這里只討論生物醫(yī)學(xué)測量中的電磁干擾。干擾可以是確定信號，也可以是噪聲，包括單純隨機(jī)噪聲 (如均值為 0的白噪聲 )。同時(shí)，除了與信號同時(shí)存在的干擾之外，測試系統(tǒng)本身也有噪聲。生物醫(yī)學(xué)信號處理就是從被干擾和噪聲淹沒的信號中提取有用的生物醫(yī)學(xué)信息的特征。 生物醫(yī)學(xué)信號數(shù)字處理系統(tǒng)的框圖如圖 15。 ? 5. 模 /數(shù)和數(shù) /模轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)：生物醫(yī)學(xué)信號大多是模擬信號，在進(jìn)行數(shù)字信號處理前必須先將模擬信號數(shù)字化，這個(gè)過程稱為模 /數(shù)轉(zhuǎn)換（ A/D）；反之將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程稱為模 /數(shù)轉(zhuǎn)換（ D/A）。 ? 3. 濾波和模擬放大子系統(tǒng)：放大微弱的生物醫(yī)學(xué)信號，可高達(dá) 10 6以上的放大倍數(shù)和高共模抑制比（ CMRR）的線性時(shí)不變系統(tǒng)。 ? 2. 信號感知和變換子系統(tǒng)：拾取信號，如果是非電生理信號，則將非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量，以便后續(xù)處理。不過由于這樣會引入附加的噪聲（包括直流和交流的），現(xiàn)在很少使用這種方法。一個(gè)較為完整的生物醫(yī)學(xué)信號處理裝置包括信號變換、濾波、模擬放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換和微機(jī)系統(tǒng)等幾個(gè)部分。 第四節(jié) 生物醫(yī)學(xué)信號獲取與處理系統(tǒng)的基本組成 (Fundamental Configuration of Biomedical Acquiring and Processing System ) 生物醫(yī)學(xué)數(shù)字信號處理系統(tǒng)（ Biomedical Digital Signal Processing System BMDSPS）是生物醫(yī)學(xué)信號的信號源（如人體系統(tǒng)）和生物醫(yī)學(xué)信號處理裝置構(gòu)成的復(fù)雜的信息處理系統(tǒng)。 1LSB，則表示實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論上應(yīng)得到的數(shù)字量之間的誤差不大于最低有效位 1。轉(zhuǎn)換誤差常以相對誤差的形式給出，一般用最低有效位的倍數(shù)表示。 4．轉(zhuǎn)換誤差 A/D轉(zhuǎn)換器每個(gè)量化級所實(shí)際對應(yīng)的電壓值和理論值之間會有誤差，這種誤差的最大值為絕對誤差。 10V等，其值取決于基準(zhǔn)電壓的值。 、 177。 3．輸入電壓范圍 輸入電壓范圍即 A/D轉(zhuǎn)換器的量程，它是指允許轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍。雙積分型器件的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 30mS100mS，逐次逼近比較型器件的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為 20μS100μS。 2．轉(zhuǎn)換時(shí)間 完成一次 A/D轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間為轉(zhuǎn)換時(shí)間，它反映了 A/D轉(zhuǎn)換的速度?？梢?， A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多其分辨率越高。有時(shí)分辨率用 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制代碼的位數(shù)表示，它反映了 ADC能對轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生影響的最小輸入量（即 LSB）。一個(gè) n位二進(jìn)制 A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為其滿量程電壓的 1/2n。由于經(jīng)歷兩次積分，轉(zhuǎn)換速度低，一般用于測量變化緩慢的信號。 因 VREF是固定不變的參考電壓，在 t=t2時(shí)積分器輸出為： 可見，第二次積分的計(jì)數(shù)值正比于輸入模擬電壓。因 CP脈沖頻率固定，計(jì)數(shù)器位長確定，積分時(shí)間 T1就確定了，即 T1=TCP N1。 圖 14 雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換原理圖和工作波形 開始時(shí)輸出數(shù)字量的計(jì)數(shù)器清零，并經(jīng)過控制邏輯使開關(guān) K0閉合，積分電容 C上的電壓釋放至零。其中 A1是積分器， A2為比較器。 逐次逼近比較型 A/D轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)簡單，在高分辨率和中速以下的集成 A/D轉(zhuǎn)換中應(yīng)用廣泛。 1．逐次逼近比較型 逐次逼近比較型 A/D轉(zhuǎn)化的原理如圖 13所示。若信號 f(t)是時(shí)間受限信號，它集中在 tm至 +tm的時(shí)間范圍內(nèi)，若在頻域中以不大于 1/2tm的頻率間隔對 f(t)的頻譜 F(ω)進(jìn)行采樣，則采樣后的頻譜可以唯一地表示原信號。但采樣頻率越高要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度越快，且采集得到的數(shù)據(jù)量也越大，因此，應(yīng)綜合考慮。 在將模擬信號進(jìn)行數(shù)字化的 A/D轉(zhuǎn)換中，特別要注意必須遵循采樣定理，即采樣頻率不能低于信號所含最高頻率成分的兩倍。 一、采樣定理 模擬信號離散為數(shù)字量時(shí)，為了保證數(shù)字化后的信號數(shù)據(jù)不喪失原信號
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