КАФЕДРА «БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»

МГТУ имени Н.Э. Баумана

БИОТЕЛЕМЕТРИЯ

методические указания для лабораторных работ

МОСКВА 2008

Введение 3

1. Модуляция биотелеметрических сигналов 3

1.1 Амплитудная модуляция 4

1.2 Частотная модуляция 5

1.3 Фазовая модуляция 5

1.4 Амплитудно-импульсная модуляция 6

1.5 Широтно-импульсная модуляция 7

1.6 Временная импульсная модуляция 8

1.7 Частотно импульсная модуляция 10

2. Повторная модуляция. 10

3. Помехи 11

4. Демодуляция. 12

5. Задание к лабораторной работе №1 модуляция 13

6. Задание к лабораторной работе №2 повторная модуляция 13

7. Задание к лабораторной работе №3 демодуляция 14

8. Требования к отчёту 15

9. Примеры контрольных вопросов 16

10. Список дополнительной литературы 16

Введение

Совокупность функциональных систем, обеспечивающих необходимые преобразования измерительной информации о биообъекте и ее передачу на расстояние, регистрацию, хранение и воспроизведение, называют биотелеметрической системой (БТМС).

В настоящее время БТМС широко применяют для решения многих задач: холтеровский мониторинг, наблюдение за состоянием космонавтов, изучение животных в естественной среде обитания и т.д.

Для передачи биотелеметрической информации могут использоваться проводные, радио-, гидроакустические и оптические линии связи, также называемые каналами. Тип линий связи, как правило, определяется характером передаваемой информация и условиями связи между отправителем и получателем. Так, при дистанционном измерении параметров близко расположенных объектов используются проводные и оптические линии связи.

В большинстве случаев для передачи биотелеметрической информации по каналу связи требуется предварительная обработка (модуляция, шифрование и т.д.), согласующая передаваемые данные с параметрами канала связи (емкость, полоса пропускания и т.д.), а также обеспечивающая защиту данных от несанкционированного доступа и искажений под действием различных помех.

Поэтому целью лабораторного практикума является изучение основ биотелеметрии:

• модуляции биотелеметрических сигналов;

• повторной модуляции биотелеметрических сигналов;

• помех в линях связи.

• демодуляции биотелеметрических сигналов;

1.1Модуляция биотелеметрических сигналов

Сущность процесса модуляции заключается в том, что некоторый параметр физического процесса (параметр модуляции), выбранный в качестве переносчика сообщений (несущее колебание) изменяют в зависимости от передаваемого сообщения.

Различают следующие основные виды модуляции (рисунок 1), различающиеся по виду несущего сигнала и модулируемым параметрам:

• амплитудная (АМ);

• частотная (ЧМ);

• фазовая (ФМ);

• амплитудно-импульсная (АИМ);

• широтно-импульсная (ШИМ);

• времяимпульсная (ВИМ);

• частотно-импульсная (ЧИМ).

Рисунок 1 –Виды модуляции: а – несущее колебание, б – сообщение, в – АМ, г – ЧМ, д – ФМ, е – несущее колебание, ж – сообщение, и – АИМ, к – ШИМ, л – ВИМ, и – ЧИМ.

1.2Амплитудная модуляция

В случае с гармоническим несущим колебанием амплитудно-модулированный сигнал определяется соотношением:

(1)

где U₀ – амплитуда несущего колебания; m – индекс амплитудной модуляции; x(t) – сообщение; ω₀ – круговая частота несущего колебания, φ₀ – фаза несущего колебания.

Амплитудно-модулированный сигнал содержит в спектре частоту (частоты) несущего колебания и два диапазона частот сообщения (рисунок 2).

Рисунок 2 – Пример частотного спектра амплитудно-модулированного сигнала с гармоническим несущим колебанием

На практике при передаче АМ сигнал фильтруют фильтром нижних частот, оставляя низкочастотную часть спектра [ω₀-Ω₁,ω₀-Ω₂].

1.3Частотная модуляция

В случае с гармоническим несущим колебанием частотно-модулированный сигнал определяется соотношением:

(2)

где U₀ – амплитуда несущего колебания; x(t) – сообщение; ω₀ – круговая частота несущего колебания, Δω – девиация частоты.

Спектр частотно-модулированного сигнала является бесконечным, однако, при уменьшении индекса частотной модуляции

(3)

где Ω – среднее значение частоты модулирующего сигнала;

уменьшается и амплитуда боковых лепестков. Исходя из требований к амплитуде боковых лепестков в спектре сигнала: не более 5…10% – выбирают полосу пропускания канала связи :

(4)

1.4Фазовая модуляция

В случае с гармоническим несущим колебанием фазомодулированный сигнал определяется соотношением:

(5)

где U₀ – амплитуда несущего колебания; x(t) – сообщение; ω₀ – круговая частота несущего колебания, Δφ – девиация фазы.

Как и в предыдущем случае, частотный спектр фазомодулированного сигнала является бесконечным. Полосу пропускания канала связи определяют по соотношению:

(6)

1.5Амплитудно-импульсная модуляция

АИМ является простейшим видом импульсной модуляции. Модулируемым параметром при АИМ является амплитуда импульсов, изменяемая пропорционально первичному сообщению.

Различают 2 вида АИМ (рисунок 3). При АИМ первого рода (АИМ-1) амплитуда импульса изменяется в соответствии с сообщением:

(7)

где – функция, описывающая последовательность немодулированных импульсов, τ – длительность импульса.

При АИМ второго рода (АИМ-2) амплитуда импульса неизменна и определяется значением сообщения x(t) в тактовой точке, соответствующей началу импульса:

(8)

Рисунок 3 – АИМ-1 и АИМ-2: (T₀ – период следования импульсов)

Частотный спектр АИМ сигнала является бесконечным (рисунок 4). В общем случае (при модуляции сложным сигналом с полосой частот ) появляются боковые полосы частот . При этом для выделения сообщения фильтром нижних частот (при демодуляции) необходимо, чтобы полоса частот и нижняя боковая полоса частот не пересекались:

(9)

Рисунок 4 – Пример частотного спектра сигнала АИМ-2 с гармоническим сообщением (Ω – частота сообщения)

1.6Широтно-импульсная модуляция

При ШИМ модулируемым параметром является длительность импульсов, изменяемая пропорционально первичному сообщению.

Теоретически возможны:

• одностороннее изменения длительности импульсов (ОШИМ) за счёт положения переднего или заднего фронта;

• двухстороннее изменение длительности импульсов (ДШИМ).

Различают 2 вида ШИМ. При ШИМ первого рода (ШИМ-1) моменты нарастания и (или) спадания импульсов определяется значением модулирующего сообщения в то же самое время. При ШИМ второго рода (ШИМ-2) моменты нарастания и (или) спадания импульсов определяется значением модулирующего сообщения в тактовой точке t_i.

Рисунок 5 – Примеры ШИМ: ОШИМ-1 заднего фронта импульса и ДШИМ-2

(10)

При модуляции ОШИМ-1 заднего фронта для i-го импульса получаем:

; (11)

При модуляции ДШИМ-2 переднего и заднего фронтов для i-го импульса получаем:

; (12)

где – максимальный временной сдвиг фронта; и – длительность немодулированного и модулированного импульса соответственно, и – максимально и минимально возможные значения сообщения.

Частотный спектр ШИМ сигнала является бесконечным и более сложным, чем спектр АИМ сигнала, что обусловлено смещением импульсов на временной оси. При спектр ШИМ будет примерно таким же, как и частотный спектр АИМ.

1.7Временная импульсная модуляция

При ВИМ модулируемым параметром является положение импульсов на временной оси, изменяемое в зависимости от первичного сообщения.

Различают 2 вида ВИМ. При ВИМ первого рода (ВИМ-1) смещение импульсов относительно тактовых точек определяется значением модулирующего сообщения в момент начала нарастания импульсов. При ВИМ второго рода (ВИМ-2) смещение импульсов определяется значением модулирующего сообщения в тактовой точке t_i.

Рисунок 5 – Примеры ВИМ-1 и ВИМ-2

(13)

При модуляции ВИМ-1 для i-го импульса получаем:

; (14)

При модуляции ВИМ-2 переднего и заднего фронтов для i-го импульса получаем:

(15)

где – максимальная девиация импульса на временной оси.

Частотный спектр ВИМ сигнала является бесконечным и близок к спектру АИМ сигнала. Сложность спектра обусловлена наличием большого числа комбинационных составляющих вида .

1.8Частотно импульсная модуляция

При ЧИМ модулируемым параметром является частота следования импульсов, зависящая от первичного сообщения.

Рассмотрим последовательность импульсов вида:

(14)

Выберем такие значения , которые соответствуют фазам :

(15)

где i – целое число.

После деления обоих частей уравнения (15) на ω, получаем выражение для расчёта положения каждого импульса :

(16)

где .

1.9Повторная модуляция.

При передаче сигналов по линиям связи часто прибегают к повторной модуляции, при которой относительно низкочастотный сигнал, первоначально модулированный сообщением с применением одного из рассмотренных выше видов модуляции (первая ступень модуляции), в свою очередь осуществляет модуляцию высокочастотных несущих колебаний, передаваемых по линии связи (вторая ступень модуляции). При этом виды модуляции первой и второй ступеней могут различаться.

Для повторной модуляции обычно используют системы сигналов: АИМ-ЧМ, АИМ-ФМ, ШИМ-АМ, ШИМ-ЧМ, ВИМ-АМ, ВИМ-ЧМ, ЧИМ-АМ, ЧИМ-ЧМ.

При повторной модуляции частотный спектр первичного сигнала переносится в область более высоких частот и трансформируется в соответствии с видом повторной модуляции.

1.10Помехи

В реальных условиях сообщение, посланное отправителем, всегда отличается от сообщения, принятого получателем. Основная причина этого – помехи, возникающие в линии связи, приёмнике и передатчике. Помехами называют любые воздействия, искажающие передаваемые сообщения.

Модуляция позволяет уменьшить влияние помех. При этом помехозащищённость зависит от корректного выбора параметров модуляции, соответствующих параметрам передаваемого сообщения, параметрам линии связи и учитывающих возможные помехи. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся помехи:

• белый шум;

• шум промышленной частоты;

• импульсные помехи.

Белый шум - это помеха, имеющая равномерную спектральную плотность во всём спектральном диапазоне. Неограниченный по частоте белый шум возможен только в теории, так как в этом случае его мощность бесконечна. На практике белый шум имеет ограниченную полосу частот.