软件定义仪器与过采样技术

1、软件定义仪器与过采样技术 天津大学精密仪器与光电子工程学院 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室 2008.9 李 刚 软件定义仪器与过采样技术 有人告诉您：有一台仪器是真正万能的， 可以测量心电、脑电、肌电、血压、血 氧 他还告诉您：即使您不懂任何仪器的设计和原 理，但您可以像打开电视选台遥控器一样把 手中的仪器变为任何您想要的仪器 序言 软件定义仪器与过采样技术 仪器既是人的感官的延伸 也是一个“测量”工 具 o 何为“测量”？把被测量与标准量相比较的过 程 o 现代仪器都采用微处理器（微计算机）作为核 心 o 计算机只能处理数字信号（量），而被测信号 都是模拟量。 o 因此需要把模拟量

2、转化为数字量 采用模拟/数字 转换器 软件定义仪器与过采样技术 电子诊断仪器的一般结构 传 感 器 传感器 接口 电路 DAC P 或C ADC 放大 滤波 键盘或其它 人机对话输入 显示 模拟指示 输出控制 信号传输 信号存储 与记录 电源与 参考信号 以心电图为例 心电信号幅值为1mV，假定ADC（模数转换器）的分 辨率为10位（2101024），输入范围为5V，因此 需要5000倍的放大，可以分辨1V的信号。 软件定义仪器与过采样技术 电子诊断仪器的基本原理 以心电图为例 换一个思路：如果我们采用24位的ADC，其输入范 围仍然是5V，且不加任何放大器，信号的分辨率 5V/2240.3V

3、 推理：只要ADC的精度足够高，可以不要“放大 器”，依然可以测量到所需的信号。 带来不可比拟的优点：电路简单！成本低！免调试！ 抗干扰能力强！功耗低！ 软件定义仪器与过采样技术 电子诊断仪器的基本原理 量变到质变！ 只要ADC的精度足够高，可以测量任何信号！只需 更换传感器。 只要ADC的精度足够高，可以采用数字信号处理来 替代模拟信号处理。 只要有足够大的程序存储器，可以在仪器中驻留任 何可能用到的程序用户只要选择所需的程序 （仪器功能）即可 软件定义仪器与过采样技术 百变金刚的电子诊断仪器 用户选择所需的仪器功能软件定义仪器 ？！肯定有人会问：ADC有这么高的分辨率吗？ 现在ADI、TI

4、、Silicon等公司有很多款高分辨率 （24位）的型ADC ？！也肯定有人会问：高分辨率的型ADC的速 度够吗？ 这是下面我们要回答的问题 软件定义仪器与过采样技术 软件定义仪器 前面我们介绍了实现软件定义仪器的两个基本条件： （1）用ADC的分辨率换取放大器的放大倍数 （2）大容量的存储器 为回答ADC的速度问题，下面向大家汇报在“过采 样”方面的研究进展 软件定义仪器与过采样技术 过采样 型ADC 过采样 有很多成熟的产品， 价格便宜，速度较低 N型ADC 利用普通的中等分辨率、 中、高速度ADC实现 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC 中等分辨率ADC的速度从几百kHz几百

5、MHz 而一般的生理信号多在数百Hz以下 存在利用“过采样技术” 提高分辨率（精度）的可能性！ 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC 我们把信号分成几种理想的情况： 单频交流信号 纯净直流信号 直流合适幅值的白噪声 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC 单频交流信号 总量化噪声功率 2 =(LSB value)/12 PSDnoise =(LSB value)2/12(1/fs) =(LSB value)2/12fs 功率频谱密度 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC 单频交流信号 o N位ADC的信噪比为： SNRQ = 6.02N+4.77+20log10(L

6、F) （dB） o 输入的满量程单音正弦波时： SNRQ-max = 6.02N+4.773 =6.02N+1.77 （dB） 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC 单频交流信号 通过过采样得到改进的信号与量化噪声比为 （以dB为单位） SNRQ-gain =10log10(fs,new /fs,old ) 令M=fs,new /fs,old=4K 当K1时， SNRQ-gain =6.02 （dB） 对比N位ADC的信噪比为： SNRQ = 6.02N+1.77 （dB） 说明每过4倍的采样率，可以得到1位的分辨率（精度）。 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC 单频交流

7、信号 o 考虑过采样得到的“精度增益”后N位ADC的分别率： SNRQ = 6.02N+1.77 + 10log10M （dB） = 6.02N+4.776.02K （dB） 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC 我们用12位，200kSPS的ADC采样心电信号，并 利用过采样技术，相当于17位、200SPS的ADC采 样。这时只需要放大器的增益为20倍。 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC 直流信号白噪声 o 对直流信号叠加合适幅值白噪声，4K次叠加的均方差为： k 4 1i 2 k 2 1 i x k 4 1i 2 k 4 1 i x o 因此，信噪比提高了 SNR

8、=20log10(2k ) =6.02k o 与前面单频正弦波得到了类似的效果 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC “纯净”的直流信 号 o 信噪比的提高精度的提高有效分辨率的提高 o ？有一个纯净的直流信号，假定它为相当于2.4LSB的电平， 请问：“过采样”如何能够提高分别率？如何能够提高精度？ 这时：“过采样”如何能够提高分别率？！ 如何能够提高精度？！ 也即如何用ADC得到准确2.4LSB的“数字”？！ 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC “纯净”的直流信 号 o 此时，我们可以先回答先前一个隐含的问题：有益的噪声是 什么？为什么有益？ o 在过采样中：有益的噪

9、声是白噪声，一定幅值的它是实现过 采样效益的条件。 o 平时避之莫及却又回避无门的白噪声（热噪声）这时成了趋 之若鹜的宝贝！ o 因而，在过采样中“有人”加入“高频扰动”伪随机噪 声。 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC 成型信号 o 且慢！ADC前端必定有什么电路？ o 抗混叠滤波器和采样保持电路 o 有“抗混叠滤波器和采样保持电路”，高频扰动如何能够 加入到ADC中？ 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC 成型信号 o 成型信号成为一个载波 信号或运载工具：将 ADC不能“分辩”的直 流变成可以分辨的信号， 然后再从ADC的变换结 果中除去成型信号。 软件定义仪器与过

10、采样技术 过采样： N型ADC 成型信号 o 成型信号带来的“附加值”： 降低ADC的微分非线性 软件定义仪器与过采样技术 过采样： N型ADC 已发表论文 o林凌，张丽君，李刚，软件定义仪器，电子产品世界，2007年11月，54- 60. o李刚，张丽君，林凌，一种新型数字锁相放大器的设计及其优化算法，天 津大学学报，2008年4月，Vol.41（4）：429-432。（EI：082111272966） o李刚，张丽君，林凌，何峰，结合过采样技术和锯齿波成形函数的微弱信 号检测，电子学报，2008年4月，Vol.36（4）：756-759。（EI： 082411312847） o李刚，张丽君

11、，林凌，何峰，基于过采样技术的生物电信号检测，电子学 报，2008年7月，Vol.36（）：1465-1467。（EI检索源） 软件定义仪器与过采样技术 限于时间关系，有兴趣的同志可以在下面讨论 下面简要介绍我们实验室正在进行的其他研究 软件定义仪器与过采样技术 其他研究简介经络机理的研究 经络是一种具有特殊电特性细胞组成的信号传导组织 （1） 经络能够传到信息； （2） 经络具有低阻抗特性； （3） 经络至今没有发现任何解剖学上的结构 由（1）和（2）证明：经络是客观存在的。 由（3）推论：经络不是“管道”结构，不能像血管、 淋巴那样通过“管道”传输物质从而达到传递信息的功 能。 软件定义仪

12、器与过采样技术 其他研究简介经络机理的研究 “电”是生物体内信号传输的重要方式，也是生命存在的基本特征。 “电”信号传输又分为三种方式：一种是像神经细胞一样的信号在 单个细胞内传输，另一种是像心肌细胞一样在同种细胞间传递，再 一种是不同细胞间的信息传递。前两种符合“全或无”的定律，信 号在“特定的渠道和方向上”传递。而后一种情况虽然也符合“全 或无”的定律，但除非信号足够强而能够转变到前两种方式得以继 续传播（如感受器接收到其他组织的信号后经神经组织向大脑）外， 其他“电”信号均以电场形式在体内传播并快速衰减。 而纯化学物质的信息传递有长距离作用主要靠经管传输、速度慢等 特点。而经络传递信息的

13、速度介于纯化学物质的信息传递与神经电 的信息传递之间。 软件定义仪器与过采样技术 其他研究简介经络机理的研究 由（2）可以推论：“经络细胞”（我们姑且这样称呼经络上的细 胞）一定具有与“非经络细胞”（我们姑且这样称呼经络周边的细 胞）不同的“电特性”，目前解剖学上没有能够发现“经络细胞” 与“非经络细胞”的区别在于对这两种细胞在细胞及亚细胞层次上 缺乏充分的研究。就如同两个人的长相可能相似，但在某个方面的 能力可能相差甚远一样，也可以用化学上的“同分异构”和“同构 异分”的原理来说明：“同构”和“同分”是指“经络细胞”与 “非经络细胞”的外形（目前所能够观察到的）和构成元素或基本 成份（氢、氧

14、、碳、氮、氨基酸、线粒体）基本相同， “异 分”和“异构”是指“经络细胞”与“非经络细胞”内的功能团等 的构成和机理是有区别的，内部的微结构与功能，如细胞的兴奋性、 离子通道可能不同，特别是相邻细胞之间离子通道的对应关系可能 不同。 软件定义仪器与过采样技术 其他研究简介经络机理的研究 软件定义仪器与过采样技术 其他研究简介无创检测血液成份 原理 min 1 max ( ) lnln ( ) n O ii i I II c dA II 出射光强 Imin 动脉血液 非脉动部分 Imax 脉动血液 静脉血液 其他组织 入射光 组织厚度 时 刻 t 出射光 时 刻t Imax=Ii Imin Ii

15、 Ii （Thickness of the tissues） （Time） （Transmitted light intensity） （Time） 软件定义仪器与过采样技术 其他研究简介无创检测血液成份 优势 消除了大部分个体差异与测量条件的影响 困难 需要高速度，丧失了光谱测量中利用长时 间积分或多次叠加来提高精度的优势 措施v傅立叶变换提取信号降低采样速度、 提高测量精度 v新型高速光谱仪 软件定义仪器与过采样技术 其他研究简介脑起搏器（DBS） 脑深部刺激术是目前临床上疗效最好的治疗帕金森病的方 法，但世界上仅有美国美敦力公司生产脑深部刺激器（DBS， Deep Brain Stimulator），单只价格高达8万元人民币，而且电 池使用时间短，需频繁更换等缺点。国内很少患者能