軟件定義儀器與過采樣技術(shù)課件

1、軟件定義儀器與過采樣技術(shù)課件軟件定義儀器與過采樣技術(shù)課件儀器既是人的感官的延伸 也是一個“測量”工具何為“測量”？把被測量與標(biāo)準(zhǔn)量相比較的過程現(xiàn)代儀器都采用微處理器（微計算機(jī)）作為核心計算機(jī)只能處理數(shù)字信號（量），而被測信號都是模擬量。因此需要把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量 采用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 牛牛文庫文檔分享儀器既是人的感官的延伸 電子診斷儀器的一般結(jié)構(gòu)傳感器傳感器接口電路DACP或CADC放大濾波鍵盤或其它人機(jī)對話輸入顯示模擬指示輸出控制信號傳輸信號存儲與記錄電源與參考信號以心電圖為例心電信號幅值為1mV，假定ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的分辨率為10位（2101024），輸入范圍為5V，因此需要5000

2、倍的放大，可以分辨1V的信號。 牛牛文庫文檔分享電子診斷儀器的一般結(jié)構(gòu)傳傳感器DACPADC放大鍵盤或其它電子診斷儀器的基本原理以心電圖為例換一個思路：如果我們采用24位的ADC，其輸入范圍仍然是5V，且不加任何放大器，信號的分辨率5V/2240.3V推理：只要ADC的精度足夠高，可以不要“放大器”，依然可以測量到所需的信號。帶來不可比擬的優(yōu)點：電路簡單！成本低！免調(diào)試！抗干擾能力強(qiáng)！功耗低！ 牛牛文庫文檔分享電子診斷儀器的基本原理以心電圖為例換一個思路：如果我們采用2電子診斷儀器的基本原理量變到質(zhì)變！只要ADC的精度足夠高，可以測量任何信號！只需更換傳感器。只要ADC的精度足夠高，可以采用數(shù)

3、字信號處理來替代模擬信號處理。只要有足夠大的程序存儲器，可以在儀器中駐留任何可能用到的程序用戶只要選擇所需的程序（儀器功能）即可 牛牛文庫文檔分享電子診斷儀器的基本原理量變到質(zhì)變！只要ADC的精度足夠高，百變金剛的電子診斷儀器用戶選擇所需的儀器功能軟件定義儀器？！肯定有人會問：ADC有這么高的分辨率嗎？現(xiàn)在ADI、TI、Silicon等公司有很多款高分辨率（24位）的型ADC？！也肯定有人會問：高分辨率的型ADC的速度夠嗎？這是下面我們要回答的問題 牛牛文庫文檔分享百變金剛的電子診斷儀器用戶選擇所需的儀器功能軟件定義儀器軟件定義儀器前面我們介紹了實現(xiàn)軟件定義儀器的兩個基本條件：（1）用ADC的

4、分辨率換取放大器的放大倍數(shù)（2）大容量的存儲器為回答ADC的速度問題，下面向大家匯報在“過采樣”方面的研究進(jìn)展 牛牛文庫文檔分享軟件定義儀器前面我們介紹了實現(xiàn)軟件定義儀器的兩個基本條件：（過采樣型ADC過采樣有很多成熟的產(chǎn)品，價格便宜，速度較低N型ADC利用普通的中等分辨率、中、高速度ADC實現(xiàn) 牛牛文庫文檔分享過采樣型ADC過采樣有很多成熟的產(chǎn)品，N型ADC過采樣： N型ADC中等分辨率ADC的速度從幾百kHz幾百M(fèi)Hz而一般的生理信號多在數(shù)百Hz以下存在利用“過采樣技術(shù)” 提高分辨率（精度）的可能性！ 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC中等分辨率ADC的速度從幾百kHz過采樣： N型AD

5、C我們把信號分成幾種理想的情況：單頻交流信號純凈直流信號直流合適幅值的白噪聲 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC我們把信號分成幾種理想的情況：單頻過采樣： N型ADC單頻交流信號總量化噪聲功率 2 =(LSB value)/12 PSDnoise =(LSB value)2/12(1/fs) =(LSB value)2/12fs 功率頻譜密度 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC單頻交流信號總量化噪聲功率PSDn過采樣： N型ADC單頻交流信號N位ADC的信噪比為： SNRQ = 6.02N+4.77+20log10(LF) （dB） 輸入的滿量程單音正弦波時： SNRQ-max = 6.0

6、2N+4.773 =6.02N+1.77 （dB） 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC單頻交流信號N位ADC的信噪比為：過采樣： N型ADC單頻交流信號通過過采樣得到改進(jìn)的信號與量化噪聲比為（以dB為單位） SNRQ-gain =10log10(fs,new /fs,old ) 令M=fs,new /fs,old=4K當(dāng)K1時， SNRQ-gain =6.02 （dB）對比N位ADC的信噪比為： SNRQ = 6.02N+1.77 （dB）說明每過4倍的采樣率，可以得到1位的分辨率（精度）。 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC單頻交流信號通過過采樣得到改進(jìn)的信過采樣： N型ADC單頻交流信

7、號考慮過采樣得到的“精度增益”后N位ADC的分別率： SNRQ = 6.02N+1.77 + 10log10M （dB） = 6.02N+4.776.02K （dB） 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC單頻交流信號考慮過采樣得到的“精度過采樣： N型ADC 我們用12位，200kSPS的ADC采樣心電信號，并利用過采樣技術(shù)，相當(dāng)于17位、200SPS的ADC采樣。這時只需要放大器的增益為20倍。 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC 我們用12位，200kSPS的過采樣： N型ADC直流信號白噪聲對直流信號疊加合適幅值白噪聲，4K次疊加的均方差為：因此，信噪比提高了SNR =20log10(

8、2k )=6.02k與前面單頻正弦波得到了類似的效果 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC直流信號白噪聲對直流信號疊加合適過采樣： N型ADC“純凈”的直流信號信噪比的提高精度的提高有效分辨率的提高？有一個純凈的直流信號，假定它為相當(dāng)于2.4LSB的電平，請問：“過采樣”如何能夠提高分別率？如何能夠提高精度？這時：“過采樣”如何能夠提高分別率？！如何能夠提高精度？！也即如何用ADC得到準(zhǔn)確2.4LSB的“數(shù)字”？！ 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC“純凈”的直流信號信噪比的提高精過采樣： N型ADC“純凈”的直流信號此時，我們可以先回答先前一個隱含的問題：有益的噪聲是什么？為什么有益？在過

9、采樣中：有益的噪聲是白噪聲，一定幅值的它是實現(xiàn)過采樣效益的條件。平時避之莫及卻又回避無門的白噪聲（熱噪聲）這時成了趨之若鶩的寶貝！因而，在過采樣中“有人”加入“高頻擾動”偽隨機(jī)噪聲。 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC“純凈”的直流信號此時，我們可以先過采樣： N型ADC成型信號且慢！ADC前端必定有什么電路？抗混疊濾波器和采樣保持電路有“抗混疊濾波器和采樣保持電路”，高頻擾動如何能夠加入到ADC中？ 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC成型信號且慢！ADC前端必定有什么過采樣： N型ADC成型信號成型信號成為一個載波信號或運(yùn)載工具：將ADC不能“分辯”的直流變成可以分辨的信號，然后再從AD

10、C的變換結(jié)果中除去成型信號。 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC成型信號成型信號成為一個載波信號或過采樣： N型ADC成型信號成型信號帶來的“附加值”：降低ADC的微分非線性 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC成型信號成型信號帶來的“附加值”：過采樣： N型ADC已發(fā)表論文林凌，張麗君，李剛，軟件定義儀器，電子產(chǎn)品世界，2007年11月，54-60.李剛，張麗君，林凌，一種新型數(shù)字鎖相放大器的設(shè)計及其優(yōu)化算法，天津大學(xué)學(xué)報，2008年4月，Vol.41（4）：429-432。（EI：082111272966）李剛，張麗君，林凌，何峰，結(jié)合過采樣技術(shù)和鋸齒波成形函數(shù)的微弱信號檢測，電子學(xué)報，

11、2008年4月，Vol.36（4）：756-759。（EI：082411312847）李剛，張麗君，林凌，何峰，基于過采樣技術(shù)的生物電信號檢測，電子學(xué)報，2008年7月，Vol.36（）：1465-1467。（EI檢索源） 牛牛文庫文檔分享過采樣： N型ADC已發(fā)表論文林凌，張麗君，李剛，軟件限于時間關(guān)系，有興趣的同志可以在下面討論下面簡要介紹我們實驗室正在進(jìn)行的其他研究 牛牛文庫文檔分享限于時間關(guān)系，有興趣的同志可以在下面討論下面簡要介紹我們實驗其他研究簡介經(jīng)絡(luò)機(jī)理的研究經(jīng)絡(luò)是一種具有特殊電特性細(xì)胞組成的信號傳導(dǎo)組織 （1） 經(jīng)絡(luò)能夠傳到信息；（2） 經(jīng)絡(luò)具有低阻抗特性；（3） 經(jīng)絡(luò)至今沒有

12、發(fā)現(xiàn)任何解剖學(xué)上的結(jié)構(gòu)由（1）和（2）證明：經(jīng)絡(luò)是客觀存在的。由（3）推論：經(jīng)絡(luò)不是“管道”結(jié)構(gòu)，不能像血管、淋巴那樣通過“管道”傳輸物質(zhì)從而達(dá)到傳遞信息的功能。 牛牛文庫文檔分享其他研究簡介經(jīng)絡(luò)機(jī)理的研究經(jīng)絡(luò)是一種具有特殊電特性細(xì)胞組其他研究簡介經(jīng)絡(luò)機(jī)理的研究“電”是生物體內(nèi)信號傳輸?shù)闹匾绞?，也是生命存在的基本特征?！半姟毙盘杺鬏斢址譃槿N方式：一種是像神經(jīng)細(xì)胞一樣的信號在單個細(xì)胞內(nèi)傳輸，另一種是像心肌細(xì)胞一樣在同種細(xì)胞間傳遞，再一種是不同細(xì)胞間的信息傳遞。前兩種符合“全或無”的定律，信號在“特定的渠道和方向上”傳遞。而后一種情況雖然也符合“全或無”的定律，但除非信號足夠強(qiáng)而能夠轉(zhuǎn)變到前兩

13、種方式得以繼續(xù)傳播（如感受器接收到其他組織的信號后經(jīng)神經(jīng)組織向大腦）外，其他“電”信號均以電場形式在體內(nèi)傳播并快速衰減。而純化學(xué)物質(zhì)的信息傳遞有長距離作用主要靠經(jīng)管傳輸、速度慢等特點。而經(jīng)絡(luò)傳遞信息的速度介于純化學(xué)物質(zhì)的信息傳遞與神經(jīng)電的信息傳遞之間。 牛牛文庫文檔分享其他研究簡介經(jīng)絡(luò)機(jī)理的研究“電”是生物體內(nèi)信號傳輸?shù)闹匾渌芯亢喗榻?jīng)絡(luò)機(jī)理的研究由（2）可以推論：“經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”（我們姑且這樣稱呼經(jīng)絡(luò)上的細(xì)胞）一定具有與“非經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”（我們姑且這樣稱呼經(jīng)絡(luò)周邊的細(xì)胞）不同的“電特性”，目前解剖學(xué)上沒有能夠發(fā)現(xiàn)“經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”與“非經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”的區(qū)別在于對這兩種細(xì)胞在細(xì)胞及亞細(xì)胞層次上缺乏充分的研究。

14、就如同兩個人的長相可能相似，但在某個方面的能力可能相差甚遠(yuǎn)一樣，也可以用化學(xué)上的“同分異構(gòu)”和“同構(gòu)異分”的原理來說明：“同構(gòu)”和“同分”是指“經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”與“非經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”的外形（目前所能夠觀察到的）和構(gòu)成元素或基本成份（氫、氧、碳、氮、氨基酸、線粒體）基本相同， “異分”和“異構(gòu)”是指“經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”與“非經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”內(nèi)的功能團(tuán)等的構(gòu)成和機(jī)理是有區(qū)別的，內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)與功能，如細(xì)胞的興奮性、離子通道可能不同，特別是相鄰細(xì)胞之間離子通道的對應(yīng)關(guān)系可能不同。 牛牛文庫文檔分享其他研究簡介經(jīng)絡(luò)機(jī)理的研究由（2）可以推論：“經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”其他研究簡介經(jīng)絡(luò)機(jī)理的研究 牛牛文庫文檔分享其他研究簡介經(jīng)絡(luò)機(jī)理的研究 牛其

15、他研究簡介無創(chuàng)檢測血液成份原理出射光強(qiáng)Imin動脈血液非脈動部分Imax脈動血液靜脈血液其他組織 入射光組織厚度時 刻 t出射光時 刻tImax=IiIminIiIi（Thickness of the tissues）（Time）（Transmitted light intensity）（Time） 牛牛文庫文檔分享其他研究簡介無創(chuàng)檢測血液成份原理出射光強(qiáng)Imin動脈血液其他研究簡介無創(chuàng)檢測血液成份優(yōu)勢消除了大部分個體差異與測量條件的影響困難需要高速度，喪失了光譜測量中利用長時間積分或多次疊加來提高精度的優(yōu)勢措施傅立葉變換提取信號降低采樣速度、提高測量精度新型高速光譜儀 牛牛文庫文檔分享其他研究簡介無創(chuàng)檢測血液成份優(yōu)勢消除了大部分個體差異與測其他研究簡介腦起搏器（DBS） 腦深部刺激術(shù)是目前臨床上療效最好的治療帕金森病的方法，但世界上僅有美國美敦力公司生產(chǎn)腦深部刺激器（DBS，Deep Brain Stimulator），單只價格高達(dá)8萬元人民幣，而且電池使用時間短，需頻繁更換等缺點。國內(nèi)很少患者能夠用得起，我們研發(fā)兩種具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)DBS：可充電式和外置式DBS?？赏耆纳婆两鹕』颊叩纳?/p>