第五章生物醫(yī)學(xué)遙測(cè)-2

1、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)第五章第五章 生物醫(yī)學(xué)遙測(cè)生物醫(yī)學(xué)遙測(cè)Biomedical Electronics第三節(jié)第三節(jié) 脈沖數(shù)字調(diào)制脈沖數(shù)字調(diào)制第四節(jié)第四節(jié) 生物遙測(cè)方式生物遙測(cè)方式第五節(jié)第五節(jié) 心電遙測(cè)心電遙測(cè)第三節(jié)第三節(jié) 脈沖數(shù)字調(diào)制（脈沖數(shù)字調(diào)制（PCM） 模擬脈沖調(diào)制模擬脈沖調(diào)制是用脈沖的某一個(gè)參數(shù)的變化來傳遞各采樣是用脈沖的某一個(gè)參數(shù)的變化來傳遞各采樣值。如果系統(tǒng)的頻帶不夠?qū)捇騻魉瓦^程中混入噪聲和干擾，值。如果系統(tǒng)的頻帶不夠?qū)捇騻魉瓦^程中混入噪聲和干擾，那么在接收端解調(diào)后的信號(hào)就存在一定的失真，影響信號(hào)的那么在接收端解調(diào)后的信號(hào)就存在一定的失真，影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量。從理論上說，這

2、樣的失真對(duì)信號(hào)的影響是無法消傳輸質(zhì)量。從理論上說，這樣的失真對(duì)信號(hào)的影響是無法消除的，這是除的，這是模擬信號(hào)傳輸?shù)母救觞c(diǎn)模擬信號(hào)傳輸?shù)母救觞c(diǎn)。 數(shù)字脈沖調(diào)制數(shù)字脈沖調(diào)制所傳輸?shù)氖歉鞑蓸拥牧炕?。?shù)字信號(hào)用所傳輸?shù)氖歉鞑蓸拥牧炕?。?shù)字信號(hào)用多種不同的脈沖或脈沖的不同組合來代表。接收端只要在各多種不同的脈沖或脈沖的不同組合來代表。接收端只要在各種干擾下能正確判斷發(fā)送的是哪一種波形或脈沖組合，波形種干擾下能正確判斷發(fā)送的是哪一種波形或脈沖組合，波形本身的失真還不足以影響這種判斷，就不會(huì)影響傳輸?shù)臏?zhǔn)確本身的失真還不足以影響這種判斷，就不會(huì)影響傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，這是性，這是數(shù)字脈沖調(diào)制優(yōu)于模擬脈沖調(diào)制

3、的地方數(shù)字脈沖調(diào)制優(yōu)于模擬脈沖調(diào)制的地方。脈沖數(shù)字調(diào)制脈沖數(shù)字調(diào)制(PCM) 所傳遞的一組組脈沖所傳遞的一組組脈沖(稱為稱為電碼電碼)，代表每，代表每個(gè)抽樣的量化值，接收機(jī)恢復(fù)原信號(hào)時(shí)只需判斷脈沖的有無或個(gè)抽樣的量化值，接收機(jī)恢復(fù)原信號(hào)時(shí)只需判斷脈沖的有無或者脈沖的極性，故噪聲、干擾的影響相對(duì)變小，即使脈沖波形者脈沖的極性，故噪聲、干擾的影響相對(duì)變小，即使脈沖波形發(fā)生了較大的失真，也可以進(jìn)行發(fā)生了較大的失真，也可以進(jìn)行“鑒別鑒別”，判斷電碼波形所代，判斷電碼波形所代表的符號(hào)，恢復(fù)原數(shù)字信號(hào)，所以表的符號(hào)，恢復(fù)原數(shù)字信號(hào)，所以PCM具有具有自身的抗干擾性能自身的抗干擾性能。 圖為圖為PCM系統(tǒng)，

4、模擬信號(hào)首先系統(tǒng)，模擬信號(hào)首先進(jìn)行采樣，使連續(xù)信號(hào)離散，再進(jìn)進(jìn)行采樣，使連續(xù)信號(hào)離散，再進(jìn)行量化并編碼，形成二進(jìn)制數(shù)字信行量化并編碼，形成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，調(diào)制后發(fā)射出去。號(hào)，調(diào)制后發(fā)射出去。 取樣后的信號(hào)相當(dāng)于取樣后的信號(hào)相當(dāng)于PAM信號(hào)，仍是模擬信號(hào)。量化后的信號(hào)，仍是模擬信號(hào)。量化后的多電平信號(hào)要進(jìn)行編碼，最常用的是二進(jìn)制編碼。數(shù)字信號(hào)在多電平信號(hào)要進(jìn)行編碼，最常用的是二進(jìn)制編碼。數(shù)字信號(hào)在傳輸中不會(huì)使噪聲積累，只要噪聲不足以在接收設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生誤傳輸中不會(huì)使噪聲積累，只要噪聲不足以在接收設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生誤碼，經(jīng)過傳輸之后，可以作到和發(fā)出的數(shù)字信號(hào)完全一樣。碼，經(jīng)過傳輸之后，可以作到和發(fā)出的數(shù)字信號(hào)

5、完全一樣。 接收的過程和發(fā)送相反，接收端收到接收的過程和發(fā)送相反，接收端收到PCM信號(hào)后，先譯碼，信號(hào)后，先譯碼，恢復(fù)為量化信號(hào)，再經(jīng)過低通濾波器，得到原模擬信號(hào)。恢復(fù)為量化信號(hào)，再經(jīng)過低通濾波器，得到原模擬信號(hào)。 數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，工作原理上是一樣的，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，工作原理上是一樣的，只是各自有不同的特點(diǎn)和問題。數(shù)字信號(hào)調(diào)制有三種方式：只是各自有不同的特點(diǎn)和問題。數(shù)字信號(hào)調(diào)制有三種方式：幅幅移鍵控移鍵控(ASK)、頻移鍵控、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控和相移鍵控(PSK)。它們本質(zhì)上。它們本質(zhì)上就是前面所介紹的調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。就是前面所介紹的調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相

6、。 1、幅度鍵控信號(hào)的波形及其解調(diào)、幅度鍵控信號(hào)的波形及其解調(diào) 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)A與載波與載波u0(t)相乘，得相乘，得到調(diào)幅信號(hào)到調(diào)幅信號(hào)u(t)。和模擬信號(hào)調(diào)幅原。和模擬信號(hào)調(diào)幅原理和電路設(shè)計(jì)沒有什么區(qū)別。利用檢理和電路設(shè)計(jì)沒有什么區(qū)別。利用檢波器檢出調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)，如果檢波波器檢出調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)，如果檢波器中的濾波電路器中的濾波電路RC時(shí)間常數(shù)太大，時(shí)間常數(shù)太大，即頻帶較窄，那么檢波后的輸出包絡(luò)即頻帶較窄，那么檢波后的輸出包絡(luò)將有一定的失真，方波的前、后沿變將有一定的失真，方波的前、后沿變壞，對(duì)模擬信號(hào)的很難消除，但對(duì)數(shù)壞，對(duì)模擬信號(hào)的很難消除，但對(duì)數(shù)字信號(hào)的恢復(fù)沒有什么影響。例如用字信

7、號(hào)的恢復(fù)沒有什么影響。例如用施米特觸發(fā)器限定一個(gè)判決電平施米特觸發(fā)器限定一個(gè)判決電平Ep，Ep=U2，這稱為數(shù)字信號(hào)序列的，這稱為數(shù)字信號(hào)序列的 “整形整形”或或“再生再生”。波。兩種振蕩經(jīng)相加器產(chǎn)生頻率鍵控信號(hào)。由于波。兩種振蕩經(jīng)相加器產(chǎn)生頻率鍵控信號(hào)。由于f1和和f2 是兩是兩個(gè)獨(dú)立的振蕩電路，初始相位是隨機(jī)的，所以在個(gè)獨(dú)立的振蕩電路，初始相位是隨機(jī)的，所以在+1、- 1兩種兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，振蕩的相位是不連續(xù)的。用前述直接調(diào)頻的方狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，振蕩的相位是不連續(xù)的。用前述直接調(diào)頻的方法，如控制可變電抗元件組成的振蕩回路實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，或者采法，如控制可變電抗元件組成的振蕩回路實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，或者采用可控

8、的多諧振蕩器作為調(diào)頻電路，都可以獲得用可控的多諧振蕩器作為調(diào)頻電路，都可以獲得FSK信號(hào)。信號(hào)。 2、頻移鍵控、頻移鍵控 圖為二進(jìn)制頻率鍵圖為二進(jìn)制頻率鍵控信號(hào)波形及調(diào)頻實(shí)現(xiàn)電路框圖?？匦盘?hào)波形及調(diào)頻實(shí)現(xiàn)電路框圖。利用頻率為利用頻率為f1、f2的兩個(gè)正弦振蕩、的兩個(gè)正弦振蕩、按照數(shù)字信號(hào)序列出現(xiàn)按照數(shù)字信號(hào)序列出現(xiàn)+1、- 1規(guī)規(guī)律輪流工作，從而產(chǎn)生二進(jìn)制頻律輪流工作，從而產(chǎn)生二進(jìn)制頻率鍵控信號(hào)。門率鍵控信號(hào)。門(1)和門和門(2)的啟閉的啟閉由數(shù)字信號(hào)序列控制，由數(shù)字信號(hào)序列控制，+1時(shí)，跟時(shí)，跟隨器隨器T輸出一個(gè)正脈沖，門輸出一個(gè)正脈沖，門(1)打開，打開，門門 (2)關(guān)閉，得到頻率關(guān)閉，

9、得到頻率f1的輸出；的輸出；- 1時(shí)，門時(shí)，門(2)打開，門打開，門(1)關(guān)閉，輸出關(guān)閉，輸出頻率為頻率為f2 的另一正弦的另一正弦頻率鍵控信號(hào)的解調(diào)頻率鍵控信號(hào)的解調(diào) 一般有兩種形式：鑒頻和零一般有兩種形式：鑒頻和零點(diǎn)解調(diào)。如點(diǎn)解調(diào)。如雙失諧回路鑒頻器雙失諧回路鑒頻器是常用的解調(diào)電路。右圖是零是常用的解調(diào)電路。右圖是零點(diǎn)鑒頻電路框圖和波形。在每點(diǎn)鑒頻電路框圖和波形。在每個(gè)周期，正弦振蕩的瞬時(shí)值必個(gè)周期，正弦振蕩的瞬時(shí)值必有兩次等于零。零點(diǎn)數(shù)目可表有兩次等于零。零點(diǎn)數(shù)目可表示出調(diào)頻波的變化。假設(shè)示出調(diào)頻波的變化。假設(shè)FSK信號(hào)是一個(gè)相位連續(xù)的鍵控脈信號(hào)是一個(gè)相位連續(xù)的鍵控脈沖沖u（t），經(jīng)限幅

10、、微分和全），經(jīng)限幅、微分和全波整流之后，得到一個(gè)單極性波整流之后，得到一個(gè)單極性尖頂窄脈沖序列。用這些窄脈尖頂窄脈沖序列。用這些窄脈沖去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，產(chǎn)生沖去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，產(chǎn)生幅度為幅度為E、寬度為、寬度為的矩形脈的矩形脈沖序列。在同樣的時(shí)間內(nèi)，矩沖序列。在同樣的時(shí)間內(nèi)，矩形脈沖的數(shù)目等于頻率鍵控信形脈沖的數(shù)目等于頻率鍵控信號(hào)的零點(diǎn)數(shù)。號(hào)的零點(diǎn)數(shù)。令令n1、n2分別表示振蕩頻率為分別表示振蕩頻率為f1和和f2時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的零點(diǎn)數(shù)，時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的零點(diǎn)數(shù)，則則n1= 2f1 、n2 = 2f2，那么，那么f1時(shí)觸發(fā)器輸出電壓平均值為時(shí)觸發(fā)器輸出電壓平均值為可見可見f1和和f2的差別越大，

11、的差別越大，U越大。相應(yīng)地，區(qū)別越大。相應(yīng)地，區(qū)別0、l 碼就越碼就越容易。容易。 用相干解調(diào)和差動(dòng)解調(diào)也能夠獲得用相干解調(diào)和差動(dòng)解調(diào)也能夠獲得FSK信號(hào)的解調(diào)。信號(hào)的解調(diào)。 相干解調(diào)相干解調(diào)是指利用乘法器，輸入一路與載頻相干（同頻是指利用乘法器，輸入一路與載頻相干（同頻同相）的參考信號(hào)與載頻相乘。同相）的參考信號(hào)與載頻相乘。 差動(dòng)相干解調(diào)差動(dòng)相干解調(diào)是保留前一接收波形的相位，作為鑒別后是保留前一接收波形的相位，作為鑒別后一接收波形相位相對(duì)變化的依據(jù)。一接收波形相位相對(duì)變化的依據(jù)。 3、相位鍵控信號(hào)、相位鍵控信號(hào) 圖為相位鍵控信號(hào)的波形。圖為相位鍵控信號(hào)的波形。通過數(shù)字信號(hào)序列對(duì)載波相位進(jìn)通過

12、數(shù)字信號(hào)序列對(duì)載波相位進(jìn)行控制而產(chǎn)生。圖行控制而產(chǎn)生。圖(c)為為絕對(duì)調(diào)相絕對(duì)調(diào)相波形波形，已調(diào)高頻振蕩的相位與未，已調(diào)高頻振蕩的相位與未調(diào)載波的相位，在碼元取調(diào)載波的相位，在碼元取“l(fā)”時(shí)時(shí)相同，在碼元取相同，在碼元取“0”時(shí)相差時(shí)相差180。圖圖(d)為為相對(duì)調(diào)相波形相對(duì)調(diào)相波形，它的調(diào)制，它的調(diào)制規(guī)律：各碼元的載波相位不是以規(guī)律：各碼元的載波相位不是以固定的、未調(diào)載波的相位作基準(zhǔn)，固定的、未調(diào)載波的相位作基準(zhǔn)，而是以相鄰的前一個(gè)碼元的載波而是以相鄰的前一個(gè)碼元的載波相位為基準(zhǔn)來確定相位的取值。相位為基準(zhǔn)來確定相位的取值。如圖，碼元為如圖，碼元為“1”時(shí)，它的載波時(shí)，它的載波相位和相鄰的前

13、一碼元載波的相相位和相鄰的前一碼元載波的相位相同位相同(0相移相移)；當(dāng)碼元變?yōu)?；?dāng)碼元變?yōu)椤?”時(shí)，其載波相位和前一碼元的相時(shí)，其載波相位和前一碼元的相位差位差180 。數(shù)字調(diào)相信號(hào)通常用相干解調(diào)數(shù)字調(diào)相信號(hào)通常用相干解調(diào)方式解調(diào)。如圖，當(dāng)調(diào)相信號(hào)方式解調(diào)。如圖，當(dāng)調(diào)相信號(hào)u(t) 為為0相移時(shí)，它和相干相移時(shí)，它和相干信號(hào)信號(hào)u1(t)相乘，并把高頻分量相乘，并把高頻分量濾除掉以后得到正脈沖，可以濾除掉以后得到正脈沖，可以判決為判決為“1”；當(dāng)調(diào)相信號(hào)為；當(dāng)調(diào)相信號(hào)為180相移時(shí)，得到負(fù)脈沖，相移時(shí)，得到負(fù)脈沖，可判決為可判決為“0”。由于接收機(jī)的。由于接收機(jī)的相干信號(hào)的初相位是不確定的，

14、相干信號(hào)的初相位是不確定的，可能是可能是“0”，也可能是，也可能是，這，這就造成解調(diào)后的正、負(fù)脈沖極就造成解調(diào)后的正、負(fù)脈沖極性混亂，所以相干解調(diào)只用于性混亂，所以相干解調(diào)只用于相對(duì)調(diào)相信號(hào)的解調(diào)?？梢钥聪鄬?duì)調(diào)相信號(hào)的解調(diào)?？梢钥吹剑庹{(diào)系統(tǒng)中，關(guān)鍵是相干到，解調(diào)系統(tǒng)中，關(guān)鍵是相干信號(hào)信號(hào)(即載波即載波)的產(chǎn)生。的產(chǎn)生。數(shù)字調(diào)相信號(hào)不含載波數(shù)字調(diào)相信號(hào)不含載波f0分量，分量，因此無法從因此無法從u(t)中直接提取載中直接提取載波信號(hào)。但如果把調(diào)相波進(jìn)波信號(hào)。但如果把調(diào)相波進(jìn)行全波整流，所產(chǎn)生的波形行全波整流，所產(chǎn)生的波形中將包括頻率為中將包括頻率為2 f 0的諧波分的諧波分量，用濾波或鎖相電路

15、把它量，用濾波或鎖相電路把它提取出來，經(jīng)過分頻即獲得提取出來，經(jīng)過分頻即獲得頻率為頻率為f0的相干振蕩。把的相干振蕩。把2 f0的振蕩分頻為的振蕩分頻為f0的相干載波時(shí)，的相干載波時(shí)，相干載波的初相位雖然并不相干載波的初相位雖然并不確定，可能是確定，可能是 0 相，也可能相，也可能是是相，但對(duì)于相干解調(diào)是無相，但對(duì)于相干解調(diào)是無關(guān)緊要的。關(guān)緊要的。 第四節(jié)第四節(jié) 生物遙測(cè)方式生物遙測(cè)方式 隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的進(jìn)展，為醫(yī)用遙測(cè)提供了更廣泛應(yīng)隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的進(jìn)展，為醫(yī)用遙測(cè)提供了更廣泛應(yīng)用的可能。性能優(yōu)良的新型、超小型遙測(cè)裝置不斷地引入醫(yī)學(xué)、用的可能。性能優(yōu)良的新型、超小型遙測(cè)裝置不斷地引入醫(yī)

16、學(xué)、生理學(xué)測(cè)量。生理學(xué)測(cè)量。 數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展，脈沖數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)脈沖數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)已經(jīng)開始用已經(jīng)開始用于航天醫(yī)學(xué)的研究。于航天醫(yī)學(xué)的研究。 國內(nèi)已成功地用國內(nèi)已成功地用PCM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行員的心電、腦電、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行員的心電、腦電、肌電、體溫等多種生理參數(shù)的遙測(cè)。肌電、體溫等多種生理參數(shù)的遙測(cè)。 美國宇航局在美國宇航局在1975年即采用年即采用CMOS集成電路設(shè)計(jì)出七路集成電路設(shè)計(jì)出七路PCM生理遙測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行宇宙飛行員的生理狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、記生理遙測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行宇宙飛行員的生理狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、記錄。錄。 PCM是生物遙測(cè)的理想方式。但由于線路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，是生物遙測(cè)的

17、理想方式。但由于線路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在醫(yī)學(xué)遙測(cè)系統(tǒng)中，大量采用模擬調(diào)制方式，包括高頻正弦和在醫(yī)學(xué)遙測(cè)系統(tǒng)中，大量采用模擬調(diào)制方式，包括高頻正弦和脈沖的模擬調(diào)制。本節(jié)著重討論模擬調(diào)制方式的生物遙測(cè)。脈沖的模擬調(diào)制。本節(jié)著重討論模擬調(diào)制方式的生物遙測(cè)。5.4.1 5.4.1 調(diào)制方式的選擇調(diào)制方式的選擇 頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM)是生理遙測(cè)中應(yīng)用最早的調(diào)制方式。又稱是生理遙測(cè)中應(yīng)用最早的調(diào)制方式。又稱為單調(diào)頻方式，即將生理信號(hào)用傳感器提取出來，經(jīng)過放大為單調(diào)頻方式，即將生理信號(hào)用傳感器提取出來，經(jīng)過放大以后直接對(duì)載波進(jìn)行頻率調(diào)制。這種方式原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容以后直接對(duì)載波進(jìn)行頻率調(diào)制。這種方式原理簡(jiǎn)單，實(shí)

18、現(xiàn)容易，至今仍然是生物遙測(cè)中較多采用的調(diào)制方式。易，至今仍然是生物遙測(cè)中較多采用的調(diào)制方式。 體內(nèi)埋藏式體內(nèi)埋藏式(又稱植入式又稱植入式)生理遙測(cè)發(fā)射裝置多數(shù)選用這生理遙測(cè)發(fā)射裝置多數(shù)選用這種單調(diào)頻方式。但是這種方式抗干擾能力不夠強(qiáng)，發(fā)射器與種單調(diào)頻方式。但是這種方式抗干擾能力不夠強(qiáng)，發(fā)射器與生物體或周圍導(dǎo)體的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，造成載波頻率諧生物體或周圍導(dǎo)體的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，造成載波頻率諧振電路的負(fù)載變化可能引起載波頻率與振幅的變化，在接收振電路的負(fù)載變化可能引起載波頻率與振幅的變化，在接收端難以區(qū)分這種干擾。端難以區(qū)分這種干擾。 單調(diào)幅方式只簡(jiǎn)單用于實(shí)驗(yàn)跟蹤的情況，由于發(fā)射機(jī)和接單調(diào)幅

19、方式只簡(jiǎn)單用于實(shí)驗(yàn)跟蹤的情況，由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間距離的變化會(huì)使信號(hào)的振幅發(fā)生變化，造成解調(diào)后收機(jī)之間距離的變化會(huì)使信號(hào)的振幅發(fā)生變化，造成解調(diào)后波形較大的失真，一般不單獨(dú)使用。波形較大的失真，一般不單獨(dú)使用。 為了提高抗干擾能力，一般采用雙重調(diào)制方式。為了提高抗干擾能力，一般采用雙重調(diào)制方式。 雙重調(diào)頻方式雙重調(diào)頻方式(FM-FM) 是先將生理信號(hào)對(duì)副載波進(jìn)行調(diào)是先將生理信號(hào)對(duì)副載波進(jìn)行調(diào)頻，然后再把已調(diào)頻的副載波對(duì)高頻載波進(jìn)行第二次調(diào)頻。頻，然后再把已調(diào)頻的副載波對(duì)高頻載波進(jìn)行第二次調(diào)頻。副載波的調(diào)制和解調(diào)分別在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的內(nèi)部進(jìn)行，干副載波的調(diào)制和解調(diào)分別在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的內(nèi)部進(jìn)行

20、，干擾信號(hào)不容易進(jìn)入測(cè)量通道，因此這種雙調(diào)頻的方式具有較擾信號(hào)不容易進(jìn)入測(cè)量通道，因此這種雙調(diào)頻的方式具有較強(qiáng)的抗干擾能力。強(qiáng)的抗干擾能力。 調(diào)頻調(diào)幅方式調(diào)頻調(diào)幅方式(FM-AM）是先將生理信號(hào)對(duì)副載波進(jìn)行調(diào)）是先將生理信號(hào)對(duì)副載波進(jìn)行調(diào)頻，然后再用調(diào)頻波對(duì)高頻載波進(jìn)行調(diào)輻。顯然，這種雙調(diào)頻，然后再用調(diào)頻波對(duì)高頻載波進(jìn)行調(diào)輻。顯然，這種雙調(diào)制可以縮減接收機(jī)的頻帶，提高信噪比。用脈沖調(diào)制方式時(shí)制可以縮減接收機(jī)的頻帶，提高信噪比。用脈沖調(diào)制方式時(shí)的雙重調(diào)制如調(diào)脈寬調(diào)頻的雙重調(diào)制如調(diào)脈寬調(diào)頻(PDM-FM)，等等。，等等。 醫(yī)學(xué)測(cè)量的遙測(cè)系統(tǒng)，通常要同時(shí)傳輸多種生理信號(hào)。醫(yī)學(xué)測(cè)量的遙測(cè)系統(tǒng)，通常要同

21、時(shí)傳輸多種生理信號(hào)。把多路的信號(hào)合并為一個(gè)傳遞信息，稱為把多路的信號(hào)合并為一個(gè)傳遞信息，稱為多路傳輸多路傳輸。多路化。多路化的設(shè)計(jì)，首先是根據(jù)被傳送的各個(gè)信號(hào)的頻帶和振幅變化的的設(shè)計(jì)，首先是根據(jù)被傳送的各個(gè)信號(hào)的頻帶和振幅變化的范圍而確定的。其次可選擇的多路化方式分為范圍而確定的。其次可選擇的多路化方式分為時(shí)間分割多路時(shí)間分割多路化方式化方式(time division)和和頻率分割多路化方式頻率分割多路化方式(frequency division)，分別簡(jiǎn)稱為時(shí)分制和頻分制。，分別簡(jiǎn)稱為時(shí)分制和頻分制。 1、時(shí)分制、時(shí)分制 按照采樣定理把采樣的各按照采樣定理把采樣的各個(gè)信號(hào)點(diǎn)在時(shí)間上錯(cuò)開，排

22、個(gè)信號(hào)點(diǎn)在時(shí)間上錯(cuò)開，排列之后進(jìn)行傳輸。分配給各列之后進(jìn)行傳輸。分配給各通道的時(shí)間間隔區(qū)段包含各通道的時(shí)間間隔區(qū)段包含各通道的采通道的采 樣值。多路信號(hào)復(fù)樣值。多路信號(hào)復(fù)原時(shí)，首先必須分離各通道原時(shí)，首先必須分離各通道的信號(hào)，需要進(jìn)行同步信號(hào)的信號(hào)，需要進(jìn)行同步信號(hào)的傳輸，原理圖如圖。的傳輸，原理圖如圖。 同步信號(hào)相對(duì)較寬，以便同步信號(hào)相對(duì)較寬，以便在接收端能容易地被識(shí)別。在接收端能容易地被識(shí)別。解調(diào)后的同步信號(hào)使解調(diào)接收與發(fā)射端同步分離出各通道信號(hào)。解調(diào)后的同步信號(hào)使解調(diào)接收與發(fā)射端同步分離出各通道信號(hào)。同步信號(hào)的作用是使通道選擇定位，在信號(hào)的多路傳輸過程中，同步信號(hào)的作用是使通道選擇定位，

23、在信號(hào)的多路傳輸過程中，其作用至關(guān)重要?？梢岳面i相環(huán)路，對(duì)多路復(fù)合傳輸信號(hào)進(jìn)其作用至關(guān)重要?？梢岳面i相環(huán)路，對(duì)多路復(fù)合傳輸信號(hào)進(jìn)行判斷。在捕獲到復(fù)合信號(hào)時(shí)，通道選擇為同步狀態(tài)，否則處行判斷。在捕獲到復(fù)合信號(hào)時(shí)，通道選擇為同步狀態(tài)，否則處于搜索狀態(tài)。于搜索狀態(tài)。 時(shí)分制中，采樣間隔取決于頻帶最寬的信號(hào)，所以多時(shí)分制中，采樣間隔取決于頻帶最寬的信號(hào)，所以多路傳輸?shù)念l帶的利用率比較低。但如果各路信號(hào)頻帶相同，路傳輸?shù)念l帶的利用率比較低。但如果各路信號(hào)頻帶相同，則可以充分利用頻帶。則可以充分利用頻帶。 設(shè)一個(gè)采樣周期設(shè)一個(gè)采樣周期T之內(nèi)有之內(nèi)有n 路信號(hào)傳送，那么時(shí)分制多路信號(hào)傳送，那么時(shí)分制多路

24、遙測(cè)系統(tǒng)的總采樣頻率為路遙測(cè)系統(tǒng)的總采樣頻率為f=nT，表示每秒的采樣個(gè)數(shù)。，表示每秒的采樣個(gè)數(shù)。采樣周期內(nèi)的采樣周期內(nèi)的n路脈沖構(gòu)成一幀，幀速率即同步脈沖信號(hào)路脈沖構(gòu)成一幀，幀速率即同步脈沖信號(hào)的頻率。的頻率。 時(shí)分制遙測(cè)系統(tǒng)通常采用雙重調(diào)制，一次調(diào)制為信號(hào)對(duì)時(shí)分制遙測(cè)系統(tǒng)通常采用雙重調(diào)制，一次調(diào)制為信號(hào)對(duì)各路脈沖進(jìn)行調(diào)制，二次調(diào)制是多路復(fù)合信號(hào)對(duì)載頻進(jìn)行各路脈沖進(jìn)行調(diào)制，二次調(diào)制是多路復(fù)合信號(hào)對(duì)載頻進(jìn)行調(diào)制，如調(diào)制，如PAM-AM、PPM-FM、PDM-FM、PDM-AM、PCM-ASK、PCM-PSK等，根據(jù)要求及實(shí)際實(shí)現(xiàn)的可能性等，根據(jù)要求及實(shí)際實(shí)現(xiàn)的可能性來選擇。來選擇。 2、頻分制

25、、頻分制 圖圖為為頻率分割多路傳輸系統(tǒng)原理。采用了頻率分割多路傳輸系統(tǒng)原理。采用了FM-FM雙重雙重調(diào)制。把各副載波調(diào)制。把各副載波l， 2，等分配到各個(gè)信號(hào)通道，各路等分配到各個(gè)信號(hào)通道，各路信號(hào)分別對(duì)每道副載波進(jìn)行調(diào)頻。各通道在頻譜上是依次排信號(hào)分別對(duì)每道副載波進(jìn)行調(diào)頻。各通道在頻譜上是依次排列的，所以每個(gè)副載波的調(diào)制信號(hào)的頻譜不可能和相鄰信道列的，所以每個(gè)副載波的調(diào)制信號(hào)的頻譜不可能和相鄰信道的調(diào)制信號(hào)的頻譜相重疊。的調(diào)制信號(hào)的頻譜相重疊。 如何高效率地利用整個(gè)頻帶，是頻率分割多路系統(tǒng)的主如何高效率地利用整個(gè)頻帶，是頻率分割多路系統(tǒng)的主要問題。要問題。 為防止路際干擾，在調(diào)制后的每一路已

26、調(diào)波再經(jīng)過帶通為防止路際干擾，在調(diào)制后的每一路已調(diào)波再經(jīng)過帶通濾波器限定各自的頻率范圍后，相加形成多路化信號(hào)進(jìn)行傳濾波器限定各自的頻率范圍后，相加形成多路化信號(hào)進(jìn)行傳輸。在接收端采用與發(fā)射端相應(yīng)的帶通濾波器，其中心頻率輸。在接收端采用與發(fā)射端相應(yīng)的帶通濾波器，其中心頻率為各副載波頻率，只允許對(duì)應(yīng)的信號(hào)通過，而衰減其他各路為各副載波頻率，只允許對(duì)應(yīng)的信號(hào)通過，而衰減其他各路信號(hào)，實(shí)現(xiàn)已調(diào)副載波的分離。分離之后由副載波解調(diào)恢復(fù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)已調(diào)副載波的分離。分離之后由副載波解調(diào)恢復(fù)各路遙測(cè)生理信號(hào)。各路遙測(cè)生理信號(hào)。 頻分制也采用雙重調(diào)制，在生物醫(yī)學(xué)遙測(cè)中，考慮生理頻分制也采用雙重調(diào)制，在生物醫(yī)學(xué)遙測(cè)

27、中，考慮生理信號(hào)的低頻率特點(diǎn)，信號(hào)占有的頻帶不寬，在遙測(cè)路數(shù)不多信號(hào)的低頻率特點(diǎn)，信號(hào)占有的頻帶不寬，在遙測(cè)路數(shù)不多而要求抗干擾性能較好的情況下，大量采用而要求抗干擾性能較好的情況下，大量采用雙調(diào)頻雙調(diào)頻方式。方式。 頻分制多路傳輸系統(tǒng)中的帶通濾波器特性不可能是理想頻分制多路傳輸系統(tǒng)中的帶通濾波器特性不可能是理想的矩形特性，路際干擾總是存在的，并隨著遙測(cè)路數(shù)的增加的矩形特性，路際干擾總是存在的，并隨著遙測(cè)路數(shù)的增加而更加突出，這成為限制頻分制系統(tǒng)路數(shù)的主要因素。一般而更加突出，這成為限制頻分制系統(tǒng)路數(shù)的主要因素。一般FM-FM的路數(shù)不宜超過的路數(shù)不宜超過10，采用單邊帶調(diào)制，可以適當(dāng)增，采用單

28、邊帶調(diào)制，可以適當(dāng)增加路數(shù)。系統(tǒng)中的各種非線性變化落入各通帶內(nèi)也會(huì)造成干加路數(shù)。系統(tǒng)中的各種非線性變化落入各通帶內(nèi)也會(huì)造成干擾，應(yīng)盡量避免。擾，應(yīng)盡量避免。 5.4.2 頻段的選擇頻段的選擇 生物遙測(cè)射頻載波選擇在甚高頻段生物遙測(cè)射頻載波選擇在甚高頻段(VHF)。此頻段比中。此頻段比中頻、高頻段干擾小，傳遞信號(hào)的強(qiáng)度沒有晝夜的區(qū)別；對(duì)于頻、高頻段干擾小，傳遞信號(hào)的強(qiáng)度沒有晝夜的區(qū)別；對(duì)于天線的依賴性不大，天線的尺寸很小，這使生物遙測(cè)方便、天線的依賴性不大，天線的尺寸很小，這使生物遙測(cè)方便、易行，人體對(duì)這一頻段內(nèi)的電磁波吸收量很小，高于甚高頻易行，人體對(duì)這一頻段內(nèi)的電磁波吸收量很小，高于甚高頻段

29、上限頻率段上限頻率250MHz時(shí)，人體對(duì)電磁波的吸收量明顯變大，時(shí)，人體對(duì)電磁波的吸收量明顯變大，已不適用于生物遙測(cè)。國外醫(yī)用遙測(cè)波段為已不適用于生物遙測(cè)。國外醫(yī)用遙測(cè)波段為36.7-37.9MHz和和146- 176MHz，國內(nèi)一般也選擇這一頻段。在植入式發(fā)射機(jī)，國內(nèi)一般也選擇這一頻段。在植入式發(fā)射機(jī)從人體內(nèi)向外發(fā)射高頻調(diào)制波時(shí)，須穿透人體組織才能到達(dá)從人體內(nèi)向外發(fā)射高頻調(diào)制波時(shí)，須穿透人體組織才能到達(dá)外部的接收器。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)考慮工作頻帶的穿透特外部的接收器。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)考慮工作頻帶的穿透特性，通過實(shí)驗(yàn)，選定合適的甚高頻段頻率。性，通過實(shí)驗(yàn)，選定合適的甚高頻段頻率。 5.4.3

30、關(guān)于發(fā)射功率關(guān)于發(fā)射功率 發(fā)射功率的大小取決于遙測(cè)距離。體內(nèi)植入式生理信號(hào)發(fā)射功率的大小取決于遙測(cè)距離。體內(nèi)植入式生理信號(hào)的遙測(cè)裝置的發(fā)射機(jī)放置在體內(nèi)，在體外接收的遙測(cè)裝置的發(fā)射機(jī)放置在體內(nèi)，在體外接收(不可能作遠(yuǎn)不可能作遠(yuǎn)距離傳輸距離傳輸)，作用距離很小，發(fā)射功率十分小，有的僅幾十，作用距離很小，發(fā)射功率十分小，有的僅幾十微瓦。用于臨床監(jiān)護(hù)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)時(shí)，發(fā)射機(jī)在體外，發(fā)射微瓦。用于臨床監(jiān)護(hù)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)時(shí)，發(fā)射機(jī)在體外，發(fā)射功率由需要傳輸?shù)木嚯x決定。床旁監(jiān)護(hù)作用距離在功率由需要傳輸?shù)木嚯x決定。床旁監(jiān)護(hù)作用距離在500m的的范圍之內(nèi)，運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)作用距離可達(dá)幾千米，如我國運(yùn)范圍之內(nèi)，運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)作

31、用距離可達(dá)幾千米，如我國運(yùn)動(dòng)員攀登珠穆朗瑪峰的心電遙測(cè)，其信號(hào)是在峰頂發(fā)射，動(dòng)員攀登珠穆朗瑪峰的心電遙測(cè)，其信號(hào)是在峰頂發(fā)射，由峰下的營地接收的。發(fā)射功率由峰下的營地接收的。發(fā)射功率P和傳輸距離和傳輸距離r與電磁場(chǎng)強(qiáng)與電磁場(chǎng)強(qiáng)度度E的關(guān)系為的關(guān)系為rPkE 對(duì)于某種接收靈敏度的遙測(cè)接收機(jī)，相應(yīng)地對(duì)應(yīng)一定的對(duì)于某種接收靈敏度的遙測(cè)接收機(jī)，相應(yīng)地對(duì)應(yīng)一定的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)增加遙測(cè)距離電磁場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)增加遙測(cè)距離r時(shí)，必須增加發(fā)射功率時(shí)，必須增加發(fā)射功率P。 生物遙測(cè)中，發(fā)射功率的增加受到三方面的限制：生物遙測(cè)中，發(fā)射功率的增加受到三方面的限制： (1)耗電的限制。生物遙測(cè)中的發(fā)射機(jī)都采用電池供電，減耗

32、電的限制。生物遙測(cè)中的發(fā)射機(jī)都采用電池供電，減小功耗是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)原則。功率高，耗電大，發(fā)射機(jī)必小功耗是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)原則。功率高，耗電大，發(fā)射機(jī)必然體積加大，工作時(shí)間縮短。然體積加大，工作時(shí)間縮短。 (2)發(fā)射功率過大，強(qiáng)輻射同時(shí)被人體吸收，在人體處于活發(fā)射功率過大，強(qiáng)輻射同時(shí)被人體吸收，在人體處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，高頻場(chǎng)強(qiáng)隨之變化，形成高頻感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)入發(fā)射動(dòng)狀態(tài)時(shí)，高頻場(chǎng)強(qiáng)隨之變化，形成高頻感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)入發(fā)射機(jī)形成干擾，在發(fā)射機(jī)輸入放大中，通過非線性變換，產(chǎn)生機(jī)形成干擾，在發(fā)射機(jī)輸入放大中，通過非線性變換，產(chǎn)生低頻失真。低頻失真。(3)強(qiáng)射頻諧波分量造成相鄰頻段的干擾，產(chǎn)生公害。強(qiáng)射頻諧波分量造

33、成相鄰頻段的干擾，產(chǎn)生公害。 因此，對(duì)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的主要設(shè)計(jì)要求是提高其靈敏因此，對(duì)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的主要設(shè)計(jì)要求是提高其靈敏度度, 在不增加輻射場(chǎng)強(qiáng)的情況下在不增加輻射場(chǎng)強(qiáng)的情況下,加大遙測(cè)距離。加大遙測(cè)距離。 體內(nèi)埋藏式發(fā)射機(jī)在用電池方式工作時(shí)，一般用化學(xué)電體內(nèi)埋藏式發(fā)射機(jī)在用電池方式工作時(shí)，一般用化學(xué)電池，如水銀電池，它的能量密度相當(dāng)高，能量為池，如水銀電池，它的能量密度相當(dāng)高，能量為1.67Wh，貯，貯存壽命至少兩年，而且在電能幾乎完全用完之前，輸出電壓存壽命至少兩年，而且在電能幾乎完全用完之前，輸出電壓保持不變，電源內(nèi)阻很小。現(xiàn)在已有各種性能優(yōu)良的化學(xué)電保持不變，電源內(nèi)阻很小?，F(xiàn)在已

34、有各種性能優(yōu)良的化學(xué)電池。核能電池也已開始用于臨床。池。核能電池也已開始用于臨床。第五節(jié)第五節(jié) 心電遙測(cè)心電遙測(cè) 在人體的生理參數(shù)測(cè)量中，常以心電信號(hào)作為類似時(shí)基在人體的生理參數(shù)測(cè)量中，常以心電信號(hào)作為類似時(shí)基的重要參考信號(hào)。生物遙測(cè)中，心電信號(hào)的遙測(cè)是生理遙測(cè)的重要參考信號(hào)。生物遙測(cè)中，心電信號(hào)的遙測(cè)是生理遙測(cè)中的主要應(yīng)用指標(biāo)。心電信號(hào)遙測(cè)對(duì)臨床心電圖監(jiān)護(hù)、動(dòng)態(tài)中的主要應(yīng)用指標(biāo)。心電信號(hào)遙測(cè)對(duì)臨床心電圖監(jiān)護(hù)、動(dòng)態(tài)觀察來說，成為非常重要的手段。心電遙測(cè)技術(shù)在生物遙測(cè)觀察來說，成為非常重要的手段。心電遙測(cè)技術(shù)在生物遙測(cè)中起步早，相對(duì)比較成熟。中起步早，相對(duì)比較成熟。 、調(diào)制心電遙測(cè)一般采用、調(diào)制

35、心電遙測(cè)一般采用雙重調(diào)制雙重調(diào)制方式。典型的方式。典型的發(fā)射機(jī)電路如圖，由心電放大器、壓控振蕩器、調(diào)頻發(fā)射電發(fā)射機(jī)電路如圖，由心電放大器、壓控振蕩器、調(diào)頻發(fā)射電路組成。壓控振蕩器實(shí)現(xiàn)第一次調(diào)頻，調(diào)頻發(fā)射電路完成第路組成。壓控振蕩器實(shí)現(xiàn)第一次調(diào)頻，調(diào)頻發(fā)射電路完成第二次調(diào)頻。二次調(diào)頻。 心電遙測(cè)發(fā)心電遙測(cè)發(fā)射機(jī)電路射機(jī)電路 放大器的設(shè)計(jì)已經(jīng)討論。用體表放大器的設(shè)計(jì)已經(jīng)討論。用體表Ag-AgCl電極，為了獲電極，為了獲得較好的提取效果又便于四肢運(yùn)動(dòng)，電極安放在胸部，取胸得較好的提取效果又便于四肢運(yùn)動(dòng)，電極安放在胸部，取胸前導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)。壓控振蕩器電路要求心電放大器的電壓增前導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)。壓控振蕩器

36、電路要求心電放大器的電壓增益為益為103左右，由兩級(jí)放大實(shí)現(xiàn)。壓控振蕩器是變流式壓控多左右，由兩級(jí)放大實(shí)現(xiàn)。壓控振蕩器是變流式壓控多諧振蕩器。諧振蕩器。T1、T2組成組成多諧振蕩器多諧振蕩器，T3、T4是是恒流源恒流源，其電，其電流隨控制電壓流隨控制電壓(即心電放大器輸出電壓即心電放大器輸出電壓)的變化而改變，從而的變化而改變，從而改變多諧振蕩器的充放電周期，實(shí)現(xiàn)改變多諧振蕩器的充放電周期，實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制頻率調(diào)制。壓控振蕩器。壓控振蕩器為心電信號(hào)提供為心電信號(hào)提供高頻載波高頻載波。心電遙測(cè)發(fā)心電遙測(cè)發(fā)射機(jī)電路射機(jī)電路 壓控振蕩器的中心頻率設(shè)計(jì)為壓控振蕩器的中心頻率設(shè)計(jì)為f0=1300Hz，即心電

37、放大，即心電放大器的輸入電壓為零伏時(shí)，多諧振蕩器的振蕩頻率為器的輸入電壓為零伏時(shí)，多諧振蕩器的振蕩頻率為1300Hz。當(dāng)心電放大器處于工作狀態(tài)時(shí)，壓控振蕩器的振蕩頻率將偏當(dāng)心電放大器處于工作狀態(tài)時(shí)，壓控振蕩器的振蕩頻率將偏離中心頻率，偏移量與心電信號(hào)的幅度成正比，心電信號(hào)電離中心頻率，偏移量與心電信號(hào)的幅度成正比，心電信號(hào)電壓的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化，實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)的第一次調(diào)頻，壓的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化，實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)的第一次調(diào)頻，即即副載波調(diào)頻副載波調(diào)頻。 壓控振蕩器的頻率線性調(diào)制范圍設(shè)計(jì)并通過實(shí)際測(cè)量為壓控振蕩器的頻率線性調(diào)制范圍設(shè)計(jì)并通過實(shí)際測(cè)量為600Hz2100Hz，最大頻偏為，最大頻

38、偏為f=750Hz，頻率偏移范圍，頻率偏移范圍達(dá)達(dá)2f=1500Hz。若取調(diào)制系數(shù)。若取調(diào)制系數(shù)mf =10，則能夠容納的信號(hào)頻，則能夠容納的信號(hào)頻率為率為這對(duì)于心電信號(hào)的測(cè)量來說，已經(jīng)能夠滿足要求。這對(duì)于心電信號(hào)的測(cè)量來說，已經(jīng)能夠滿足要求。Hzmfff1502 如果壓控振蕩器輸入電壓為如果壓控振蕩器輸入電壓為0.5 5.5V，則壓控振蕩器的，則壓控振蕩器的控制靈敏度為控制靈敏度為調(diào)節(jié)壓控振蕩器恒流管調(diào)節(jié)壓控振蕩器恒流管基極限流電阻基極限流電阻R(43k)可以改變控可以改變控制靈敏度。制靈敏度。 多種壓控振蕩器的電路可作為心電遙測(cè)電路的副載波調(diào)多種壓控振蕩器的電路可作為心電遙測(cè)電路的副載波調(diào)

39、頻電路。頻電路。 壓控振蕩器的輸出幅度是恒定的，經(jīng)過分壓送入壓控振蕩器的輸出幅度是恒定的，經(jīng)過分壓送入調(diào)頻發(fā)調(diào)頻發(fā)射電路射電路，完成第二次調(diào)頻。調(diào)頻發(fā)射電路為，完成第二次調(diào)頻。調(diào)頻發(fā)射電路為149MHz調(diào)諧振蕩調(diào)諧振蕩器，用器，用149MHz晶體振蕩穩(wěn)頻。晶體管晶體振蕩穩(wěn)頻。晶體管T基極電流的變化產(chǎn)基極電流的變化產(chǎn)生振蕩頻率的變化，高頻頻偏為生振蕩頻率的變化，高頻頻偏為f=10KHz，諧振線圈同，諧振線圈同時(shí)具有輻射發(fā)射的能力，因此該發(fā)射機(jī)不必另設(shè)天線。時(shí)具有輻射發(fā)射的能力，因此該發(fā)射機(jī)不必另設(shè)天線。高頻調(diào)頻發(fā)射電路也有多種形式，常用于心電遙測(cè)的是高頻調(diào)頻發(fā)射電路也有多種形式，常用于心電遙測(cè)的

40、是利用利用變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管的調(diào)頻發(fā)射電路，可產(chǎn)生的調(diào)頻發(fā)射電路，可產(chǎn)生50KHz的頻偏。的頻偏。VHz/3005 . 05 . 56002100、解調(diào)、解調(diào) 心電遙測(cè)的解調(diào)電路框圖如圖。通過心電遙測(cè)的解調(diào)電路框圖如圖。通過0.7m拉拉桿天線收到桿天線收到149MHz的調(diào)頻信號(hào)后，經(jīng)過放大、射頻鑒頻，的調(diào)頻信號(hào)后，經(jīng)過放大、射頻鑒頻，得到頻率變化范圍為得到頻率變化范圍為600 - 2100Hz的副載波信號(hào)，完成的副載波信號(hào)，完成第一第一次調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)次調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。接收機(jī)獲得的副載波信號(hào)，一方面直。接收機(jī)獲得的副載波信號(hào)，一方面直接進(jìn)入鑒頻器進(jìn)行接進(jìn)入鑒頻器進(jìn)行第二次解調(diào)第二次解調(diào)，另一

41、方面可送入錄音機(jī)進(jìn)，另一方面可送入錄音機(jī)進(jìn)行記錄，以便長期保存遙測(cè)的信息，在需要的時(shí)候分析。行記錄，以便長期保存遙測(cè)的信息，在需要的時(shí)候分析。 （）遙測(cè)信號(hào)的（）遙測(cè)信號(hào)的第一次鑒頻第一次鑒頻，因載波頻率很高，不能直，因載波頻率很高，不能直接鑒頻。采用兩次混頻，用石英振蕩器作為本振，接鑒頻。采用兩次混頻，用石英振蕩器作為本振，94MHz第一第一本振信號(hào)與本振信號(hào)與149MHz混頻后得到第一中頻混頻后得到第一中頻55MHz。65.7MHz第第二本振信號(hào)與二本振信號(hào)與65MHz混頻后得到第二中頻混頻后得到第二中頻10.7MHz，再經(jīng)過限，再經(jīng)過限幅、振幅鑒頻而獲得幅、振幅鑒頻而獲得600 - 21

42、00Hz的副載波信號(hào)。的副載波信號(hào)。 （）（） 第二次鑒頻即第二次鑒頻即副載波鑒頻副載波鑒頻，將副載頻信號(hào)還原成心，將副載頻信號(hào)還原成心電圖。通常采用脈沖均值鑒頻器實(shí)現(xiàn)電圖。通常采用脈沖均值鑒頻器實(shí)現(xiàn),先通過低通濾波去除高頻先通過低通濾波去除高頻干擾，再經(jīng)過放大、整形、單穩(wěn)等功能電路，得到等幅、等寬干擾，再經(jīng)過放大、整形、單穩(wěn)等功能電路，得到等幅、等寬的脈沖序列，其重復(fù)頻率與調(diào)頻波相同，最后由心電信號(hào)的高的脈沖序列，其重復(fù)頻率與調(diào)頻波相同，最后由心電信號(hào)的高頻分量限定低通濾波器的上限截止頻率，恢復(fù)心電波形。頻分量限定低通濾波器的上限截止頻率，恢復(fù)心電波形。圖為單片集成鎖相環(huán)（能夠完成兩個(gè)電信號(hào)

43、相位同步的圖為單片集成鎖相環(huán)（能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)）自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)）CD4046實(shí)現(xiàn)心電遙測(cè)中副載波振蕩和副實(shí)現(xiàn)心電遙測(cè)中副載波振蕩和副載波鑒頻的電路。載波鑒頻的電路。鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路包含一個(gè)低功耗、高線性度的壓包含一個(gè)低功耗、高線性度的壓控振蕩器，外接電容控振蕩器，外接電容Cr、Rr決定壓控振蕩器的中心振蕩頻率決定壓控振蕩器的中心振蕩頻率f0。放大后的心電信號(hào)從放大后的心電信號(hào)從CD4046的的“9”腳輸入，選擇合適的對(duì)應(yīng)腳輸入，選擇合適的對(duì)應(yīng)于于VCO的的f0的中心電壓，使的中心電壓，使VCO振蕩頻率隨輸入心電信號(hào)的振蕩頻率隨輸入心電信號(hào)的幅度線性變化，實(shí)現(xiàn)副載波

44、的線性調(diào)頻。副載波調(diào)頻信號(hào)經(jīng)幅度線性變化，實(shí)現(xiàn)副載波的線性調(diào)頻。副載波調(diào)頻信號(hào)經(jīng)R和和C組成的無源低通濾波器除去雜散的高頻分量。組成的無源低通濾波器除去雜散的高頻分量。 載波載波調(diào)頻振蕩器調(diào)頻振蕩器由功率管、變?nèi)荻O管和石英晶體振蕩器組由功率管、變?nèi)荻O管和石英晶體振蕩器組成。副載波調(diào)頻信號(hào)電壓加到變?nèi)荻O管改變載波調(diào)頻振蕩器的成。副載波調(diào)頻信號(hào)電壓加到變?nèi)荻O管改變載波調(diào)頻振蕩器的頻率實(shí)現(xiàn)載波調(diào)頻。雙調(diào)頻信號(hào)直接由諧振線圈輻射出去。頻率實(shí)現(xiàn)載波調(diào)頻。雙調(diào)頻信號(hào)直接由諧振線圈輻射出去。 由于生物遙測(cè)選擇超高頻段，因此通常利用超短波調(diào)頻收音由于生物遙測(cè)選擇超高頻段，因此通常利用超短波調(diào)頻收音機(jī)實(shí)

45、現(xiàn)生物遙測(cè)接收。副載波的解調(diào)也采用鎖相環(huán)路機(jī)實(shí)現(xiàn)生物遙測(cè)接收。副載波的解調(diào)也采用鎖相環(huán)路CD4046，副載波調(diào)頻信號(hào)從副載波調(diào)頻信號(hào)從“14”腳輸入，進(jìn)入環(huán)路的鑒相器輸入端，從腳輸入，進(jìn)入環(huán)路的鑒相器輸入端，從鎖相環(huán)路的壓控振蕩器控制信號(hào)端輸出，得到副載波的解調(diào)輸出。鎖相環(huán)路的壓控振蕩器控制信號(hào)端輸出，得到副載波的解調(diào)輸出。 由于采用了鎖相環(huán)路，中心頻率穩(wěn)定性很高，解調(diào)輸出有由于采用了鎖相環(huán)路，中心頻率穩(wěn)定性很高，解調(diào)輸出有良好的低噪聲性能。因此心電遙測(cè)系統(tǒng)為了獲得心電信號(hào)的高良好的低噪聲性能。因此心電遙測(cè)系統(tǒng)為了獲得心電信號(hào)的高保真度，常采用這種電路方案。保真度，常采用這種電路方案。 圖中給

46、出了圖中給出了信號(hào)丟失報(bào)警電路信號(hào)丟失報(bào)警電路,設(shè)置在遙測(cè)系統(tǒng)中的接收端，設(shè)置在遙測(cè)系統(tǒng)中的接收端，用于病情的自動(dòng)報(bào)警。報(bào)警電路由比較器和集成時(shí)基電路用于病情的自動(dòng)報(bào)警。報(bào)警電路由比較器和集成時(shí)基電路(555)構(gòu)成的多諧振蕩器兩部分組成。副載波調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過由一個(gè)二構(gòu)成的多諧振蕩器兩部分組成。副載波調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過由一個(gè)二極管和電阻、電容組成的整流濾波電路后，得到一個(gè)直流電平，極管和電阻、電容組成的整流濾波電路后，得到一個(gè)直流電平，該直流電平與副載波調(diào)頻信號(hào)的強(qiáng)弱成正比。該直流電平與副載波調(diào)頻信號(hào)的強(qiáng)弱成正比。 把這一直流電平送到電壓比較器與基準(zhǔn)電壓把這一直流電平送到電壓比較器與基準(zhǔn)電壓(由由R1、

47、R2分分壓取得壓取得)進(jìn)行比較。在正常接收狀態(tài)下，此直流電平高于基準(zhǔn)進(jìn)行比較。在正常接收狀態(tài)下，此直流電平高于基準(zhǔn)電平，比較器輸出低電平，由電平，比較器輸出低電平，由(555)組成的多諧振蕩器處于停振組成的多諧振蕩器處于停振狀態(tài)。如若信號(hào)丟失或者信號(hào)微弱，則該電平下降，且低于基狀態(tài)。如若信號(hào)丟失或者信號(hào)微弱，則該電平下降，且低于基準(zhǔn)電平，此時(shí)比較器輸出高電平，使準(zhǔn)電平，此時(shí)比較器輸出高電平，使(555)產(chǎn)生頻率為產(chǎn)生頻率為1KHz的的自激振蕩，帶動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出自激振蕩，帶動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出1KHz的報(bào)警聲。與此同時(shí)，接在的報(bào)警聲。與此同時(shí)，接在比較器輸出端的發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)丟失時(shí)的比較

48、器輸出端的發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)丟失時(shí)的聲、光報(bào)警。聲、光報(bào)警。第六節(jié)第六節(jié) 植入式遙測(cè)植入式遙測(cè) 微電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)電子器件的高可靠性、低微電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)電子器件的高可靠性、低功耗、小型化，從而為植入人體內(nèi)的遙測(cè)裝置提供了功耗、小型化，從而為植入人體內(nèi)的遙測(cè)裝置提供了實(shí)現(xiàn)的條件。隨著與人體組織具有相容性的生物材料實(shí)現(xiàn)的條件。隨著與人體組織具有相容性的生物材料的逐漸完善，以及外科手術(shù)、特別是顯微外科水平的的逐漸完善，以及外科手術(shù)、特別是顯微外科水平的提高，使工程研究的成果不斷有可能用于臨床，人體提高，使工程研究的成果不斷有可能用于臨床，人體內(nèi)小型埋藏式醫(yī)療器械不斷涌現(xiàn)，其診療價(jià)

49、值日益提內(nèi)小型埋藏式醫(yī)療器械不斷涌現(xiàn)，其診療價(jià)值日益提高。利用植入人體的電子裝置，可以獲得體內(nèi)各種生高。利用植入人體的電子裝置，可以獲得體內(nèi)各種生理信號(hào)的檢測(cè)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)自然狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)測(cè)量，理信號(hào)的檢測(cè)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)自然狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)測(cè)量，充分發(fā)揮了生物遙測(cè)的優(yōu)越性。充分發(fā)揮了生物遙測(cè)的優(yōu)越性。5.6.1 植入式遙測(cè)的特點(diǎn)植入式遙測(cè)的特點(diǎn) 和體表生理信號(hào)的遙測(cè)系統(tǒng)不同，植入式遙測(cè)有下述三和體表生理信號(hào)的遙測(cè)系統(tǒng)不同，植入式遙測(cè)有下述三個(gè)特點(diǎn)。個(gè)特點(diǎn)。 1植入人體的測(cè)量系統(tǒng)，必須具有植入人體的測(cè)量系統(tǒng)，必須具有無毒、無菌、無腐蝕無毒、無菌、無腐蝕及生物組織相容的及生物組織相容的表面封裝表面封裝

50、；具有足夠的；具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)于，對(duì)于長期停留在體內(nèi)的遙測(cè)裝置，應(yīng)確保在體內(nèi)保持完好、不長期停留在體內(nèi)的遙測(cè)裝置，應(yīng)確保在體內(nèi)保持完好、不損傷破裂、經(jīng)久耐用；體積小、重量輕，尺寸、外形要與損傷破裂、經(jīng)久耐用；體積小、重量輕，尺寸、外形要與植入器官、部位相適應(yīng)。植入器官、部位相適應(yīng)。 2可靠性高、功耗低可靠性高、功耗低。放置于人體內(nèi)的電子系統(tǒng)必須具。放置于人體內(nèi)的電子系統(tǒng)必須具有長時(shí)間的穩(wěn)定可靠工作的性能。植入式遙測(cè)裝置的供電有長時(shí)間的穩(wěn)定可靠工作的性能。植入式遙測(cè)裝置的供電方式分為體內(nèi)供電和體外供電兩種，體內(nèi)供電時(shí)，電子裝方式分為體內(nèi)供電和體外供電兩種，體內(nèi)供電時(shí)，電子裝置與電源

51、一起植入人體內(nèi)，電源占裝置重量和體積的主要置與電源一起植入人體內(nèi)，電源占裝置重量和體積的主要部分，而且直接影響系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。部分，而且直接影響系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。 一般植入體內(nèi)的有源遙測(cè)裝置采用高能量密度的一般植入體內(nèi)的有源遙測(cè)裝置采用高能量密度的化學(xué)電化學(xué)電池或核電池池或核電池，例如水銀電池重約，例如水銀電池重約13g，容量達(dá)，容量達(dá)12A.h，能量密，能量密度為度為0.54W.hcm3，用于心臟起博器可維持，用于心臟起博器可維持45年。鋰電池年。鋰電池用于心臟起博器的壽命可達(dá)用于心臟起博器的壽命可達(dá)5年以上。電池應(yīng)有良好的密封性，年以上。電池應(yīng)有良好的密封性，避免漏氣或放射性污染

52、。避免漏氣或放射性污染。體外供電體外供電的方式即在體外發(fā)射能量，的方式即在體外發(fā)射能量，通過電磁感應(yīng)或射頻耦合向體內(nèi)傳送能量，在體內(nèi)檢波得到通過電磁感應(yīng)或射頻耦合向體內(nèi)傳送能量，在體內(nèi)檢波得到直流電壓。直流電壓。 植入式遙測(cè)線路的設(shè)計(jì)由它的測(cè)量功能決定，目前大量應(yīng)植入式遙測(cè)線路的設(shè)計(jì)由它的測(cè)量功能決定，目前大量應(yīng)用的是為測(cè)量某一種生理參數(shù)的某一功能的電路，如用單一用的是為測(cè)量某一種生理參數(shù)的某一功能的電路，如用單一晶體管實(shí)現(xiàn)哈特萊、考畢茲振蕩，電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠。晶體管實(shí)現(xiàn)哈特萊、考畢茲振蕩，電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠。多功能或較為復(fù)雜的體內(nèi)遙測(cè)系統(tǒng)，用低功耗的專用集成電多功能或較為復(fù)雜的體內(nèi)

53、遙測(cè)系統(tǒng)，用低功耗的專用集成電路予以實(shí)現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)的自由度較大。路予以實(shí)現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)的自由度較大。 不論采用哪一種方式的植入體內(nèi)裝置，系統(tǒng)的功耗與其不論采用哪一種方式的植入體內(nèi)裝置，系統(tǒng)的功耗與其可靠性都是密切相關(guān)的，功耗低將有利于可靠性的提高。功可靠性都是密切相關(guān)的，功耗低將有利于可靠性的提高。功耗大能導(dǎo)致多種因素影響系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠性能。耗大能導(dǎo)致多種因素影響系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠性能。 通常植入式發(fā)射機(jī)用通常植入式發(fā)射機(jī)用調(diào)頻方式調(diào)頻方式(FM)，抗干擾能力強(qiáng)。生，抗干擾能力強(qiáng)。生物參數(shù)的遙測(cè)大都用這種方式，例如利用熱敏電阻測(cè)量體內(nèi)物參數(shù)的遙測(cè)大都用這種方式，例如利用熱敏電阻測(cè)量體內(nèi)溫度，用溫

54、度，用pH電極測(cè)量電極測(cè)量pH值等。值等。 載波頻率的選擇，應(yīng)考慮電磁波在體內(nèi)傳播的特點(diǎn)。載波頻率的選擇，應(yīng)考慮電磁波在體內(nèi)傳播的特點(diǎn)。一方面由于人體內(nèi)臟器、血液和組織的介質(zhì)特性不同而一方面由于人體內(nèi)臟器、血液和組織的介質(zhì)特性不同而產(chǎn)生復(fù)雜的反射、透射和吸收、極化等復(fù)雜現(xiàn)象，介質(zhì)損耗產(chǎn)生復(fù)雜的反射、透射和吸收、極化等復(fù)雜現(xiàn)象，介質(zhì)損耗也隨載波頻率加大而增加；也隨載波頻率加大而增加；另一方面，人體組織對(duì)于發(fā)射的高頻信號(hào)存在一定的另一方面，人體組織對(duì)于發(fā)射的高頻信號(hào)存在一定的“穿透性穿透性”，發(fā)射機(jī)載波頻率與之有密切關(guān)系。植入體內(nèi)的，發(fā)射機(jī)載波頻率與之有密切關(guān)系。植入體內(nèi)的天線的效率比空氣中無障礙

55、狀態(tài)下的效率低得多。因?yàn)闄C(jī)體天線的效率比空氣中無障礙狀態(tài)下的效率低得多。因?yàn)闄C(jī)體組織是一種電阻率變化很大的容積導(dǎo)體，組織內(nèi)的發(fā)射天線組織是一種電阻率變化很大的容積導(dǎo)體，組織內(nèi)的發(fā)射天線好象是處于金屬屏蔽中，是一種不完全的屏蔽，還有一部分好象是處于金屬屏蔽中，是一種不完全的屏蔽，還有一部分電磁波發(fā)射出來，所以組織內(nèi)部的發(fā)射天線的植入深度電磁波發(fā)射出來，所以組織內(nèi)部的發(fā)射天線的植入深度(實(shí)際實(shí)際大都是發(fā)射機(jī)的諧振線圈大都是發(fā)射機(jī)的諧振線圈)是應(yīng)該考慮的一個(gè)問題。是應(yīng)該考慮的一個(gè)問題。如果植入皮下，有大約一半的電磁波發(fā)射到空氣中。如果植入皮下，有大約一半的電磁波發(fā)射到空氣中。如果植入體內(nèi)，則應(yīng)清楚天

56、線離體表的距離與穿透深度之如果植入體內(nèi)，則應(yīng)清楚天線離體表的距離與穿透深度之間的關(guān)系。顯然植入深度小于穿透深度時(shí)，才能保證空氣間的關(guān)系。顯然植入深度小于穿透深度時(shí)，才能保證空氣中有足夠的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，為體外接收機(jī)所接收。穿透深度中有足夠的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，為體外接收機(jī)所接收。穿透深度l 可由下式粗略估算：可由下式粗略估算：式中式中 為磁導(dǎo)率，為磁導(dǎo)率，為電阻率，為電阻率，f是頻率。例如，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是頻率。例如，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)體內(nèi)遙測(cè)天線位于動(dòng)物體內(nèi)的中心處時(shí)，動(dòng)物體的中，當(dāng)體內(nèi)遙測(cè)天線位于動(dòng)物體內(nèi)的中心處時(shí)，動(dòng)物體的最大體寬應(yīng)不超過最大體寬應(yīng)不超過22.5cm。2/1)/(fl5.6.2 固定植入的

57、顱內(nèi)壓力遙測(cè)固定植入的顱內(nèi)壓力遙測(cè)固定植入遙測(cè)用于長時(shí)間連續(xù)監(jiān)視體內(nèi)生理參數(shù)的變固定植入遙測(cè)用于長時(shí)間連續(xù)監(jiān)視體內(nèi)生理參數(shù)的變化情況，如腦外科手術(shù)后的危重病人的顱內(nèi)壓力的監(jiān)測(cè)?；闆r，如腦外科手術(shù)后的危重病人的顱內(nèi)壓力的監(jiān)測(cè)。 植入式顱內(nèi)壓遙測(cè)方法是在顱骨上鉆一孔，然后植入植入式顱內(nèi)壓遙測(cè)方法是在顱骨上鉆一孔，然后植入一個(gè)微型發(fā)射裝置，裝置固定好后，縫合頭皮，這樣可以一個(gè)微型發(fā)射裝置，裝置固定好后，縫合頭皮，這樣可以防止引起顱內(nèi)和手術(shù)切口的感染，比較安全，而且人的頭防止引起顱內(nèi)和手術(shù)切口的感染，比較安全，而且人的頭部能夠自由移動(dòng)。部能夠自由移動(dòng)。 圖為顱內(nèi)壓遙測(cè)電路。采用圖為顱內(nèi)壓遙測(cè)電路。采

58、用電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器(p），），傳感器的敏感膜片與硬腦膜傳感器的敏感膜片與硬腦膜相接觸，以測(cè)定硬腦膜外壓相接觸，以測(cè)定硬腦膜外壓力。傳感器的電容量為力。傳感器的電容量為1pF，在在50mmHg柱的壓力下變化柱的壓力下變化量為量為1pF，這樣必須要求裝，這樣必須要求裝置中有關(guān)輸入端的分布電容置中有關(guān)輸入端的分布電容應(yīng)遠(yuǎn)小于應(yīng)遠(yuǎn)小于1pF 。圖示，傳感器電容被圖示，傳感器電容被接入由晶體管接入由晶體管1組組成的哈特萊振蕩器，成的哈特萊振蕩器，振蕩器的振蕩頻率選振蕩器的振蕩頻率選擇為擇為8-10MHz。在壓。在壓力作用下，傳感器電力作用下，傳感器電容量的變化控制振蕩容量的變化控制振蕩頻

59、率變化，從而實(shí)現(xiàn)頻率變化，從而實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)對(duì)振蕩頻率壓力信號(hào)對(duì)振蕩頻率的調(diào)制。調(diào)頻信號(hào)經(jīng)的調(diào)制。調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過過T1管發(fā)射極分壓，管發(fā)射極分壓，送入晶體管送入晶體管T2構(gòu)成的構(gòu)成的功率放大級(jí)，進(jìn)行高頻功率放大。功率放大級(jí)，進(jìn)行高頻功率放大。 T2的發(fā)射極的的發(fā)射極的LC回路也調(diào)回路也調(diào)諧在諧在8-10MHz，此電感即作為發(fā)射裝置的天線線圈，已調(diào)頻，此電感即作為發(fā)射裝置的天線線圈，已調(diào)頻的壓力信號(hào)以的壓力信號(hào)以8-10MHz的頻率向體外發(fā)射。的頻率向體外發(fā)射。 遙測(cè)裝置采用體外供電方遙測(cè)裝置采用體外供電方法。體外法。體外240kHz射頻振蕩射頻振蕩器用器用LC調(diào)諧電路發(fā)射出去，調(diào)諧電路發(fā)射出去，電

60、感作發(fā)射天線。體內(nèi)設(shè)電感作發(fā)射天線。體內(nèi)設(shè)有接收天線和穩(wěn)壓電源電有接收天線和穩(wěn)壓電源電路，接收天線的電感和電路，接收天線的電感和電容構(gòu)成調(diào)諧回路，用來選容構(gòu)成調(diào)諧回路，用來選頻接收體外發(fā)射的頻接收體外發(fā)射的240kHz電波，經(jīng)兩個(gè)二極管整流、電波，經(jīng)兩個(gè)二極管整流、兩個(gè)穩(wěn)壓管和一個(gè)三極管兩個(gè)穩(wěn)壓管和一個(gè)三極管作為調(diào)整管的穩(wěn)作為調(diào)整管的穩(wěn)壓電路，得到比較穩(wěn)定的直流電壓，為體內(nèi)的振蕩、發(fā)射電路壓電路，得到比較穩(wěn)定的直流電壓，為體內(nèi)的振蕩、發(fā)射電路供電。供電。 體外發(fā)射能量的電路安放在小盒中，用繃帶固定在頭部，體外發(fā)射能量的電路安放在小盒中，用繃帶固定在頭部，調(diào)節(jié)其發(fā)射線圈使其與顱內(nèi)的裝置之間的距離