Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

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.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы