第一篇：信號(hào)報(bào)告

吉 林 大 學(xué)

Xx學(xué)院

本科生實(shí)習(xí)報(bào)告

實(shí)習(xí)題目：數(shù)字信號(hào)分析與處理實(shí)習(xí)時(shí)間：

專業(yè)：

班級(jí)：

學(xué)生姓名：

指導(dǎo)老師：

數(shù)字信號(hào)處理

一、實(shí)習(xí)時(shí)間：

二、實(shí)習(xí)地點(diǎn)：

三、實(shí)習(xí)目的：

1．加深對(duì)信號(hào)系統(tǒng)與信號(hào)處理理論的理解，學(xué)會(huì)信號(hào)處理的基本知識(shí)和方法，并在基本技能方面得到系統(tǒng)訓(xùn)練；

2．熟悉MATLAB編程環(huán)境，掌握MATLAB編程基本技能，以及程序調(diào)試仿真方法，能夠采用MATLAB語(yǔ)言和工具進(jìn)行信號(hào)處理；

3．掌握現(xiàn)代信號(hào)分析與處理技術(shù)，包括信號(hào)頻譜分析和數(shù)字濾波器（FIR、IIR）

設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)功能檢測(cè)的基本方法；

4．將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的動(dòng)手能力，為信號(hào)系

統(tǒng)與信號(hào)處理知識(shí)的應(yīng)用、后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)以及今后從事相關(guān)科學(xué)研究和實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

四、實(shí)習(xí)內(nèi)容：

1.Matlab編程基礎(chǔ)：

m文件的編程方式，創(chuàng)建和保存。編寫Matlab程序，產(chǎn)生單位脈沖序列，階躍序列，正弦序列，周期方波，矩形脈沖信號(hào)，取樣函數(shù)，指數(shù)函數(shù)，并畫出信號(hào)波形，畫子圖等。

2.模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的關(guān)系：

a.根據(jù)采樣定理決定采樣率，觀察采樣率的大小對(duì)采樣信號(hào)的影響；畫幾種常用的窗函數(shù)，并用窗函數(shù)采樣。

b.數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算，序列相加減，卷積，移位，反轉(zhuǎn)；矩形波卷積矩形波，矩形波卷積E指數(shù)，E指數(shù)卷積階躍函數(shù)。

c.觀察并分析使用計(jì)算機(jī)將連續(xù)信號(hào)離散化后，進(jìn)行卷積而產(chǎn)生的變化，如幅值的變化。

3.信號(hào)頻譜分析：

a.利用FFT分析連續(xù)周期信號(hào)，分析并畫出信號(hào)sin(100?t)，cos(100?t)的頻譜。

b.利用FFT分析連續(xù)非周期信號(hào)，分析并畫出信號(hào)exp(-?t)u(t)，方波，矩形脈沖的頻譜。

c.改變采樣間隔與截?cái)嚅L(zhǎng)度，分析混疊與泄漏對(duì)信號(hào)頻譜的影響。d.利用IFFT反變換分析數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的關(guān)系，如頻譜相位，頻譜幅度。e.分析并畫出信號(hào)sin(20?t+1.3?)+cos(30?t)的頻譜，要求無(wú)混疊無(wú)泄漏。

f.用FFT變換驗(yàn)證卷積，用卷積驗(yàn)證FFT變換，y(t)=x(t)*h(t)Y=X·H。g.分析采用不同窗函數(shù)進(jìn)行加窗對(duì)信號(hào)頻譜的影響。

4.FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)：

a.學(xué)習(xí)并掌握窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器的方法，設(shè)計(jì)一線性相位低通濾波器，x(t)=sin(20?t)+cos(100?t),濾除信號(hào)中高頻成分，畫出濾波前后信號(hào)波形以及相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性曲線，畫出濾波器幅頻和相頻

曲線，觀察3dB帶寬和20dB帶寬，總結(jié)窗口長(zhǎng)度N對(duì)濾波特性的影響。b.設(shè)計(jì)一線性相位低通濾波器，濾除噪聲工頻干擾50Hz的心電信號(hào)，并畫出濾波前后的波形。

5.IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)：

學(xué)習(xí)并掌握 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理與方法，設(shè)計(jì)一巴特沃斯數(shù)字濾波器，y(t)=sin(100?t)+cos(20?t)+cos(300?t)，分別設(shè)計(jì)低通濾波器濾除10Hz信號(hào)，帶通濾波器濾除50Hz信號(hào)，高通濾波器濾除150Hz信號(hào)，并畫出濾波前后的波形，以及各個(gè)信號(hào)頻譜的幅度譜和相位譜。

五、實(shí)習(xí)步驟：

1.熟悉Matlab數(shù)據(jù)類型，編程環(huán)境，并會(huì)使用工具函數(shù)，使用ones(1,n)，zero(1,n)，編寫單位脈沖序列，階躍序列，并畫出信號(hào)波形圖；使用rectpuls(t,W)編寫矩形脈沖信號(hào)，使用square(wt)編寫方波信號(hào)，并畫出波形圖；使用sinc（X）編寫Sa函數(shù)信號(hào)，并畫出波形圖；編寫三角函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)信號(hào)，并畫出波形圖。

2.做x(t)=1,（0≤t≤1）h(t)=1,(0≤t≤1)兩矩形波卷積，并畫出波形圖，使

用工具函數(shù)conv;分析連續(xù)函數(shù)經(jīng)計(jì)算機(jī)取樣離散化后，進(jìn)行卷積而影響了幅值的變化；經(jīng)分析可知，計(jì)算機(jī)處理的卷積幅值應(yīng)該除以N(取樣點(diǎn)數(shù))才符合實(shí)際卷積的結(jié)果。按照同樣的方法做exp(-2t)與階躍函數(shù)u(t)信號(hào)卷積的波形圖，exp（-t）與h（t）信號(hào)卷積的波形圖。

3.畫出周期信號(hào)sin(100?t)和cos(100?t)的波形圖,實(shí)用工具函數(shù)fft將信

號(hào)進(jìn)行離散傅立葉變換，畫出幅度譜和相位譜，分析信號(hào)的頻譜。按照同樣的方法畫出非周期信號(hào)E指數(shù)，方波，矩形脈沖信號(hào)的波形圖，頻譜圖，改變采樣頻率和截?cái)嚅L(zhǎng)度，做出相應(yīng)的信號(hào)波形圖和頻譜圖，分析混疊與泄漏對(duì)信號(hào)頻譜的影響。使用工具函數(shù)IFFT將以上頻譜信號(hào)做反變換，并畫出各自波形圖。做信號(hào)exp(-t)與階躍信號(hào)u(t)卷積，畫出波形圖；然后分別畫出exp(-t)和u(t)信號(hào)的頻譜圖，將二者頻譜相乘，即用傅立葉變換驗(yàn)證卷積。

4.用工具函數(shù)B=fir1(M,Wn,’窗函數(shù)’)，以及filter,freqz等設(shè)計(jì)FIR數(shù)字

濾波器。首先畫出信號(hào)x(t)=sin(20?t)+cos(100?t)的波形圖，做離散傅立葉變換并畫出幅度譜相位譜，然后做濾波器，并畫出濾波器的頻譜圖，濾波器的頻譜達(dá)到要求，再將原信號(hào)濾波，并畫出濾波后的波形圖，頻譜圖。分析濾波是否達(dá)到要求。心電干擾信號(hào)：首先使用工具函數(shù)ecg畫出心電信號(hào)波形圖，然后加50Hz噪聲信號(hào)，確定采樣率和截?cái)嚅L(zhǎng)度，做出新店干擾信號(hào)的波形圖以及頻譜圖，設(shè)計(jì)一FIR低通數(shù)字濾波器，選擇哈明窗函數(shù)，并畫出濾波器的頻譜圖，再將信號(hào)濾波，并畫出濾波后的信號(hào)波形圖以及頻譜圖，與原心電圖對(duì)比，分析濾波是否成功。

5.設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器，首先確定濾波頻率的參數(shù)，ws,wp,as,rp,然后可直接

使用工具函數(shù)[N,W]=buttord(wp,ws,rp,as)和[B,A]=butter（n,wn，’low’）設(shè)計(jì)巴特沃斯低通濾波器，還可以用butter函數(shù)設(shè)計(jì)帶通，帶阻，高通濾波器等。用巴特沃斯帶通濾波器濾除心電干擾信號(hào)，步驟如4，只需將濾波器設(shè)計(jì)為IIR濾波器即可。

六、實(shí)習(xí)結(jié)論：

學(xué)習(xí)信號(hào)分析與處理，首先要學(xué)好信號(hào)與系統(tǒng)這門課為基礎(chǔ)，掌握信號(hào)的卷積，傅立葉變換等知識(shí)。編程時(shí)要先預(yù)習(xí)，頭腦清醒思路清晰，每一條

命令都要清楚它的必要性，出現(xiàn)問(wèn)題盡量自己解決問(wèn)題，實(shí)在解決不了再找同學(xué)老師幫忙。這次實(shí)習(xí)主要使用Matlab軟件，但是我們的難點(diǎn)卻不是如何使用該軟件，而是如何分析和處理信號(hào)，而應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分析與處理只是學(xué)習(xí)一種工具的使用方法。

七.實(shí)習(xí)體會(huì)

通過(guò)信號(hào)分析與處理的實(shí)習(xí)，我掌握了Matlab的基本使用方法，能夠熟練的用Matlab處理一些簡(jiǎn)單的信號(hào)。在學(xué)習(xí)卷積的過(guò)程中出現(xiàn)一個(gè)疑問(wèn)，幅值變化，當(dāng)時(shí)老師講課說(shuō)要把卷積后的幅值乘以采樣間隔，后來(lái)學(xué)習(xí)離散傅立葉變換，幅值也是反生變化，然而這時(shí)卻要將變換后的幅值除以采樣的點(diǎn)數(shù)，為此，我不解。但是后來(lái)經(jīng)過(guò)思考研究，和同學(xué)討論，得出結(jié)論。因?yàn)橹v卷積老師截?cái)嚅L(zhǎng)度僅為0~1，而此時(shí)幅值乘以采樣間隔和除以采樣數(shù)是一樣的效果，然而后續(xù)學(xué)習(xí)的信號(hào)處理截?cái)嚅L(zhǎng)度并不是0~1，因此將變換后的幅值除以采樣點(diǎn)數(shù)是通用的算法。我認(rèn)為做信號(hào)分析與處理首要注意的就是定采樣間隔，和截?cái)嚅L(zhǎng)度，以及邊值點(diǎn)取舍問(wèn)題。其次再分析各種變量的變化問(wèn)題。

第二篇：信號(hào)實(shí)習(xí)報(bào)告

信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)習(xí)大綱二○九年十二月十二日1.課程實(shí)習(xí)任務(wù)3 1.1課程實(shí)習(xí)任務(wù)：3 1.2MATLAB語(yǔ)言及應(yīng)用3 1.3、MATLAB的基本命令3矩陣的創(chuàng)建3繪圖函數(shù)3 1.4信號(hào)運(yùn)算的表示方法4 1.相加4 2.相乘4 3.時(shí)移5 4.反褶5 5.尺度變換5 1.5信號(hào)與系統(tǒng)中基本函數(shù)的命令表示方法5 1.沖擊函數(shù)：Impuse(t)5 2.階躍函數(shù)：heaviside(t)5 3.卷積：c=conv(a,b)5 4.積分：6 5.微分：6 2.連續(xù)系統(tǒng)表示方法6 2.1求解零狀態(tài)響應(yīng)命令6 2.2階躍函數(shù)和沖擊函數(shù)命令7 3.傅里葉表示方法7 4.S域表示方法8 5.離散系統(tǒng)的表示方法10 5.1線性時(shí)不變(LTI)離散時(shí)間系統(tǒng)10 5.3沖激響應(yīng)10 5.4階躍響應(yīng)10 6.總結(jié)11 7.參考文獻(xiàn)11 1.課程實(shí)習(xí)任務(wù)1.1課程實(shí)習(xí)任務(wù)：了解MATLAB的基本命令及使用方法，并熟悉連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的表示方法，信號(hào)實(shí)習(xí)報(bào)告。1.2MATLAB語(yǔ)言及應(yīng)用1.3、MATLAB的基本命令矩陣的創(chuàng)建簡(jiǎn)單矩陣：a=a=求矩陣的行列式：det求矩陣的逆：inv特殊命令：zero(m,n)表示創(chuàng)建一個(gè)m行n列的全零矩陣ones(m,n)表示創(chuàng)建一個(gè)m行n列的全1矩陣eye表示創(chuàng)建一個(gè)單位陣rand(n)表示創(chuàng)建一個(gè)隨機(jī)均勻分布的矩陣，矩陣元素為(0~1)繪圖函數(shù)plot(x1,y1…)表示繪制一個(gè)二維圖像plot3(x1,y1…)表示繪制一個(gè)三位圖像圖像加標(biāo)注：圖例框legned Legned(曲線1,曲線2,0)0表示標(biāo)注在所繪制圖像的最佳位置1表示標(biāo)注在所繪制圖像的右上角2表示標(biāo)注在所繪制圖像的左上角3表示標(biāo)注在所繪制圖像的左下角4表示標(biāo)注在所繪制圖像的右下角-1表示標(biāo)注在所繪制圖像的右側(cè)為坐標(biāo)軸加標(biāo)注：Xlabel(x軸)Ylabel(y軸)為圖像加標(biāo)題：Title(正弦函數(shù))創(chuàng)建子圖：subplot(m,n,p)此命令表示創(chuàng)建一個(gè)圖像有m行n列個(gè)子圖，p表示第p個(gè)子圖創(chuàng)建網(wǎng)格：grid創(chuàng)建坐標(biāo)軸范圍：Axis()表示橫坐標(biāo)1 x2,3 y4在這段程序中，繪制的曲線時(shí)，時(shí)間坐標(biāo)值作為元素保存在矢量中。表達(dá)式exp(-.1*t)和sin(2/3*t)分別產(chǎn)生一個(gè)矢量，各矢量中的元素等于對(duì)應(yīng)不同時(shí)間點(diǎn)處表達(dá)式的值。由這兩個(gè)表達(dá)式生成的兩個(gè)矢量的對(duì)應(yīng)元素相乘得到矢量，然后用plot命令繪出該信號(hào)的時(shí)域波形。plot命令可以將點(diǎn)與點(diǎn)間用直線連接，當(dāng)點(diǎn)與點(diǎn)間的距離很小時(shí)，繪出的圖形就成了光滑的曲線，如圖。1.4信號(hào)運(yùn)算的表示方法如前說(shuō)述，MATLAB可以有兩種方法來(lái)表示連續(xù)時(shí)間信號(hào)。用這兩種方法均可實(shí)現(xiàn)連續(xù)信號(hào)的時(shí)域運(yùn)算和變換，但用符號(hào)運(yùn)算的方法則較為簡(jiǎn)便。下面分別介紹各種運(yùn)算、變換的符號(hào)運(yùn)算的MATLAB實(shí)現(xiàn)方法。1.相加s=symadd(f1,f2)或s=f1+f2 ezplot(s)上面是用MATLAB的符號(hào)運(yùn)算命令來(lái)表示兩連續(xù)信號(hào)的相加，然后用ezplot命令繪制出其結(jié)果波形圖。其中f1,f2是兩個(gè)用符號(hào)表達(dá)式表示的連續(xù)信號(hào)，s為相加得到的和信號(hào)的符號(hào)表達(dá)式。2.相乘w=symmul(f1,f2)或w=f1*f2 ezplot(w)上面是用MATLAB的符號(hào)運(yùn)算命令來(lái)表示兩連續(xù)信號(hào)的相乘，然后用ezplot命令繪制出其結(jié)果波形圖。其中f1,f2是兩個(gè)用符號(hào)表達(dá)式表示的連續(xù)信號(hào)，w為相乘得到的積信號(hào)表達(dá)式。3.時(shí)移y=subs(f,t,t-t0)；ezplot(y)上面的命令是實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間信號(hào)的平移及其結(jié)果的可視化，其中f是用符號(hào)表達(dá)式表示的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，t是符號(hào)變量，subs命令則將連續(xù)時(shí)間信號(hào)中的時(shí)間變量t用t-t0替換。4.反褶y=subs(f,t,-t)；ezplot(y)上面的命令是實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間信號(hào)的反褶及其結(jié)果的可視化，其中f是用符號(hào)表達(dá)式表示的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，t是符號(hào)變量。5.尺度變換y=subs(f,t,a*t)；ezplot(y)上面的命令是實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間信號(hào)的尺度變換及其結(jié)果的可視化，其中f是用符號(hào)表達(dá)式表示的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，t是符號(hào)變量。1.5信號(hào)與系統(tǒng)中基本函數(shù)的命令表示方法1.沖擊函數(shù)：Impuse(t)2.階躍函數(shù)：heaviside(t)3.卷積：c=conv(a,b)例：求出f1(t)*f2(t)的數(shù)值近似，并繪出其時(shí)域波形圖，如圖2所示，實(shí)習(xí)報(bào)告《信號(hào)實(shí)習(xí)報(bào)告》。實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程的MATLAB命令如下：p=0.01；k1=0：p：2；f1=0.5*k1；k2=k1；f2=f1；=sconv(f1,f2,k1,k2,p)4.積分：d=int(x)5.微分：y=diff(x)2.連續(xù)系統(tǒng)表示方法2.1求解零狀態(tài)響應(yīng)命令MATLAB中的函數(shù)lsim()能對(duì)微分方程描述的LTI連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行仿真。該函數(shù)能繪制連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)在指定的任意時(shí)間范圍內(nèi)系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)域波形圖，還能求出連續(xù)例：描述某連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的微分方程為解：MATLAB命令如下：a=；b=；p=0.5；t=0：p：5；x=exp(-2*t)；lsim(b,a,x,t)；hold on p=0.3；t=0：p：5；x=exp(-2*t)；lsim(b,a,x,t)；p=0.01；t=0：p：5；x=exp(-2*t)；lsim(b,a,x,t)；hold off系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)的仿真波形圖如圖3所示：圖3 2.2階躍函數(shù)和沖擊函數(shù)命令沖激響應(yīng)：y=impulse(sys,t)；階躍響應(yīng)：y=step(sys,t).3.傅里葉表示方法MATLAB的Symbolic Math Toolbox提供了能直接求解傅立葉變換及與變換的函數(shù)fourier()與ifourier()。在調(diào)用fourier()與ifourier()之前，要用syms命令對(duì)所用到的變量進(jìn)行說(shuō)明，即要將這些變量說(shuō)明成符號(hào)變量。對(duì)fourier()中的函數(shù)f及ifourier()的函數(shù)F，也要用符號(hào)定義符syms將f和F說(shuō)明為符號(hào)表達(dá)式。若f或F是MATLAB中的通用函數(shù)表達(dá)式，則不必用sym加以說(shuō)明。例：求f(t)=e-2|t|的傅立葉變換，試畫出f(t)及其幅度頻譜圖。解：MATLAB命令為：syms t；x=exp(-2*abs(t))；F=fourier(x)；subplot(211)；ezplot(t)；subplot(212)；ezplot(F)；f(t)的幅度頻譜圖如圖所示：4.S域表示方法拉普拉斯變換是分析連續(xù)時(shí)間信號(hào)的有效手段。信號(hào)的拉普拉斯變換定義為：其中，若以為橫坐標(biāo)(實(shí)軸)，為縱坐標(biāo)(虛軸)，復(fù)變量就構(gòu)成了一個(gè)復(fù)平面，稱為平面。(2)部分分式展開法求拉普拉斯逆變換如果是的實(shí)系數(shù)有理真分式，則可寫為：式中分母多項(xiàng)式稱為系統(tǒng)的特征多項(xiàng)式，方程稱為特征方程，它的根稱為特征根，也稱為系統(tǒng)的固有頻率(或自然頻率)。為將展開為部分分式，要先求出特征方程的個(gè)特征根，這些特征根稱為極點(diǎn)。根據(jù)的極點(diǎn)或特征根的分布情況，可以將展開成不同的部分分式。利用Matlab中的residue函數(shù)可對(duì)復(fù)雜的域表示式進(jìn)行部分分式展開，其調(diào)用形式為：=residue(num,den)其中，num(numerator)、den(denominator)分別為分子多項(xiàng)式和分母多項(xiàng)式的系數(shù)向量，r為所得部分分式展開式的系數(shù)向量，p為極點(diǎn)，k為分式的直流分量。解：MATLAB程序如下：a=；b=；=residue(b,a)；impulse(b,a)運(yùn)行結(jié)果為：r=1-3 2p=-2-1 0k=可見，系統(tǒng)函數(shù)有三個(gè)實(shí)極點(diǎn)，可以根據(jù)程序運(yùn)行結(jié)果直接寫出系統(tǒng)的沖激響應(yīng)為：5.離散系統(tǒng)的表示方法5.1線性時(shí)不變(LTI)離散時(shí)間系統(tǒng)用常系數(shù)線性差分方程進(jìn)行描述：其中，f和y分別表示系統(tǒng)的輸入和輸出，N=max(n,m)是差分方程的階數(shù)。在已知差分方程的初始狀態(tài)以及輸入的條件下，可以通過(guò)編程由下式迭代算出系統(tǒng)的輸出：5.2系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)就是在系統(tǒng)初始狀態(tài)為零條件下微分方程的解。在零初始狀態(tài)下，MATLAB控制系統(tǒng)工具箱提供了一個(gè)filter函數(shù)，可以計(jì)算差分方程描述的系統(tǒng)的響應(yīng)，其調(diào)用形式為：y=filter(b,a,f)其中，、分別是系統(tǒng)差分方程左、右端的系數(shù)向量，f表示輸入向量，y表示輸出向量。注意，輸出序列的長(zhǎng)度與輸入序列的長(zhǎng)度相同。5.3沖激響應(yīng)：h=impz(b,a,K)，其中的h表示系統(tǒng)的單位序列響應(yīng)，、分別是系統(tǒng)差分方程左、右端的系數(shù)向量，K表示輸出序列的時(shí)間范圍。5.4階躍響應(yīng)：g=stepz(b,a,N)，其中的g表示系統(tǒng)的單位階躍序列響應(yīng)，b和a的含義與上相同，N表示輸出序列的長(zhǎng)度。6.總結(jié)通過(guò)對(duì)MATLAB的窗口界面的認(rèn)識(shí)、了解和操作，對(duì)MATLAB的功能和基本命令有了些了解，對(duì)一些例題的分析和操作，使自己對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)里的傅里葉變換和S域的變換有了更深刻的理解。7.參考文獻(xiàn)

1、《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)--MATLAB語(yǔ)言及應(yīng)用》作者薛定宇出版社清華大學(xué)出版社出版時(shí)間2000.4 2、3、

第三篇：通信信號(hào)處理課程報(bào)告

MIMO技術(shù)及其在下一代移動(dòng)通信中的應(yīng)用

一、前言：

MIMO技術(shù)是無(wú)限移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。MIMO技術(shù)能在不增加寬帶的情況下，成倍的提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。隨著世界各國(guó)對(duì)該技術(shù)的不斷研究完善，我們有理由相信MIMO技術(shù)將成為新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)所必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。

MIMO技術(shù)源于無(wú)限通信天線分集技術(shù)與智能天線技術(shù)，它是多入單出（MISO）與單入多出（SIMO）技術(shù)的結(jié)合，具有兩者的優(yōu)勢(shì)和特征。MIMO系統(tǒng)在發(fā)端和收端均采用多天線單元，運(yùn)用先進(jìn)的無(wú)線傳輸與信號(hào)處理技術(shù)，利用無(wú)限信道的多徑傳播，因勢(shì)利導(dǎo)，開發(fā)空間資源，建立空間并行傳輸通道，在不增加帶寬與發(fā)射功率的情況下，成倍地提高無(wú)線通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)速率，堪稱現(xiàn)代通信領(lǐng)域的重要技術(shù)突破。

MIMO技術(shù)已不是傳統(tǒng)的無(wú)線通信智能天線，其優(yōu)勢(shì)已非常規(guī)智能天線所及。

二、MIMO技術(shù)：

1、MIMO信道模型：

MIMO系統(tǒng)在基站和移動(dòng)端都采用了天線陣列，可為移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來(lái)更大的系統(tǒng)容量，更好地保障了通信質(zhì)量以及提供更高的頻譜利用率。MIMO系統(tǒng)能夠在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的前提下，提供未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)所需要的大容量高速率傳輸。當(dāng)發(fā)射功率和傳輸帶寬固定時(shí)，MIMO系統(tǒng)的最大容量或容量上限將隨天線數(shù)目的增加而增加，可以提高無(wú)線信道的容量。

以基站和移動(dòng)臺(tái)作為發(fā)射端和接收端來(lái)分析。上圖1所示的兩個(gè)線性天線陣列，假定基站有NT根天線、移動(dòng)臺(tái)有NR根天線。在基站的天線陣列上的信號(hào)表示為：

xj(t)=[x1（t），x2（t），…xt（t）]T

式中，符號(hào)[.]T為矢量或矩陣的轉(zhuǎn)置，xj(t)為移動(dòng)臺(tái)的第i根天線端口的信號(hào)。

同理，yj(t)= [y1（t），y2（t），…yR（t）]T 式中，yj(t)為移動(dòng)臺(tái)得第j根天線端口的信號(hào)。

2、MIMO系統(tǒng)的容量：

系統(tǒng)的容量是表征通信系統(tǒng)性能最重要的標(biāo)志之一，即表示了通信系統(tǒng)的最大傳輸率。MIMO系統(tǒng)自身具有的一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)是，它能夠提供其他任何系統(tǒng)所不能達(dá)到的容量?jī)?yōu)勢(shì)。

對(duì)于P個(gè)發(fā)射天線和Q個(gè)接收天線的MIMO系統(tǒng)，信道容量的公式為：

C=log2[det（IQ+SNR/P*H*H）]b/s/Hz 其中，IQ 表示單位矩陣，SNR表示接收天線的平均信噪比，“*”表示共軛轉(zhuǎn)置，H是P×Q的信道響應(yīng)矩陣。上式是在假設(shè)P個(gè)相等功率的不相關(guān)的天線條件下成立的。那么，在MIMO系統(tǒng)傳輸信號(hào)過(guò)程中，每個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)流的傳輸過(guò)程是相互獨(dú)立的，每個(gè)接收天線接收到的信號(hào)也是相互獨(dú)立的，沒(méi)有任何的干擾，這樣可以提高接收信號(hào)質(zhì)量。一般地，對(duì)于發(fā)射天線為P，接收天線為Q的MIMO系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，則信道容量為：

*C=[min(P,Q)B log2(SNR/2)] b/s/Hz 其中，B為信道帶寬，SNR為接收平均信噪比。上式表明：當(dāng)發(fā)射功率和傳輸帶寬固定時(shí)，MIMO系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨較小天線數(shù)目的增加而線性增加。

信道信噪比SNR與信道容量C的關(guān)系：

1、仿真結(jié)果：

圖為：信噪比為-5, 0, 5, 100 分析：在實(shí)驗(yàn)仿真時(shí)，可以得出以下結(jié)果：

當(dāng)天線數(shù)目一定時(shí),隨著信噪比的增大信道容量也增大，信道容量的增加速度越來(lái)越慢；當(dāng)信噪比一定時(shí),隨著天線數(shù)目的增加信道容量也增大，信道容量的增加速度越來(lái)越慢；當(dāng)天線達(dá)到一定數(shù)目時(shí)，信道容量趨于一個(gè)穩(wěn)定值，不再隨天線數(shù)目增加而增加。MIMO信道容量的大小與信噪比以及天線數(shù)目有關(guān)。當(dāng)天線數(shù)目較少時(shí)，信道容量與天線數(shù)目成正比，當(dāng)天線數(shù)目大到一定值時(shí)，信道容量達(dá)到飽和狀態(tài)，不再隨天線數(shù)目的增加而改變。

3、MIMO信道估計(jì)： 在MIMO系統(tǒng)中，常用的信道估計(jì)的方法包括最小二乘估計(jì)、最大似然估計(jì)、最大后驗(yàn)概率估計(jì)以及最小均方誤差估計(jì)：

下面以最小二乘估計(jì)、最大似然估計(jì)為例進(jìn)行分析：（1）最小二乘信道估計(jì)算法：

一個(gè)MT*MR 系統(tǒng)，接收的向量由下式給出

式1 其中，維數(shù)為，是由MT 個(gè)發(fā)射天線上的訓(xùn)練序列組，成的訓(xùn)練矩陣。Mp為訓(xùn)練期間接收天線所收到的接收信號(hào)矩陣，維數(shù)為H是訓(xùn)練期間的信道系數(shù)矩陣，與前面定義相同，維數(shù)為Mr×Lt，其中每個(gè)元素服從Ryaelihg分布，Vp 為0均值、方差為的高斯白噪聲矩陣。

采用LS方法進(jìn)行信道估計(jì)的代價(jià)函數(shù)為: 式2 使 式2所示的代價(jià)函數(shù)達(dá)到最小的就是H的LS估計(jì)，也即:

進(jìn)一步將公式2中的代價(jià)函數(shù)對(duì)求H偏導(dǎo)且令其等于O，可以求得H的LS估計(jì) 值

其中。

將式1代入上式，可得:

其中，為估計(jì)的誤差矩陣。由此可以看出信道系數(shù)矩陣的估計(jì)值真實(shí)值H受到一個(gè)同維數(shù)的高斯矩陣擾動(dòng)的結(jié)果。

(2)最大似然信道估計(jì)算法

ML估計(jì)在估計(jì)理論中占有非常重要的地位，ML估計(jì)適用于非隨機(jī)參數(shù)或者未知 先驗(yàn)分布的參數(shù)估計(jì)。

實(shí)際上是其若要對(duì)H進(jìn)行最大似然估計(jì)，可以先得到最大似然估計(jì)的性能函數(shù)者達(dá)為:，通常采用后一種對(duì)數(shù)似然函數(shù)，則H的ML估計(jì)解

或可以表

當(dāng)噪聲為復(fù)高斯噪聲

可以轉(zhuǎn)化為:

式3

其中，為Rv噪聲的協(xié)方差矩陣。將式3所示的代價(jià)函數(shù)對(duì)待估量H求偏導(dǎo)等于零，就可以估計(jì)出相應(yīng)的化簡(jiǎn)求

式4 在噪聲為O均值的加性復(fù)高斯白噪聲的情況下，對(duì)于MIMO平坦衰落信道的估計(jì)而言，信道系數(shù)矩陣H的最大似然估計(jì)值

和最小二乘估計(jì)值

是相等的，由于噪聲為0均值的復(fù)高斯白噪聲，因此可以它們有相同的表達(dá)形式。

4、MIMO信道的均衡：

以球形譯碼為例分析MIMO信道的均衡：

球形譯碼的基本思想是在以一個(gè)矢量為中心的半徑為的多維球內(nèi)搜索格點(diǎn)。通過(guò)限制或者減少搜索半徑從而減少搜索的點(diǎn)數(shù),進(jìn)而縮短計(jì)算時(shí)間。與ML 檢測(cè)相比,球譯碼算法的優(yōu)點(diǎn)在于它不需要對(duì)整個(gè)格內(nèi)的所有格點(diǎn)進(jìn)行搜索,而只需要在一個(gè)事先設(shè)定的有限球形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行搜索, 如果該區(qū)域所包含的點(diǎn)數(shù)相對(duì)于整個(gè)格內(nèi)的總點(diǎn)數(shù)是相當(dāng)小的, 那么搜索時(shí)間就會(huì)大大減少。多符號(hào)判決反饋球譯碼算法

由于MIIMO 頻率選擇性衰落信道的均衡無(wú)法直接應(yīng)用SDA,因此本文提出了多符號(hào)判決反饋球譯碼算法。即:對(duì)于接收信號(hào),有

（1）

其中, H是信道傳輸系數(shù)矩陣, 是0 均值的高斯白噪聲矩陣, 為各對(duì)天線間最大可分辨多徑數(shù)。若要檢測(cè)符號(hào)矢量,假定及其以后的符號(hào)矢量已知, 在研究中采用軟判決譯碼方式, 即假設(shè)已知的符號(hào)矢量取值均為線性均方誤差均衡后未進(jìn)行硬判決的值,對(duì)(1)式處理后得:

(2)其中。

通過(guò)上述變換可對(duì)表達(dá)式直接應(yīng)用SDA,求出后,代入表達(dá)式,對(duì)表達(dá)式應(yīng) 用SDA,可以檢測(cè)出,以此類推,我們可以對(duì)其它符號(hào)矢量進(jìn)行逐個(gè)檢測(cè)。仿真與結(jié)果分析：

圖1 在2 徑衰落信道下MIMO 系統(tǒng)的線性均衡和判決反饋均衡的性能

圖2 在2 徑衰落信道下MIMO 系統(tǒng)

MIMO 系統(tǒng)采用BPSK 調(diào)制,信道為2 徑的頻率選擇性衰落信道,線性均衡濾波器的長(zhǎng)度是5,判決反饋濾波器的前饋抽頭系數(shù)為3,反饋抽頭系數(shù)是1,不同信噪比(SNR)下的誤比特率BER)曲線如圖1?；贛MSE 準(zhǔn)則的線性均衡和判決反饋均衡不能完全消除符號(hào)間干擾(ISI);隨著接收端天線數(shù)目增加,MIMO 系統(tǒng)獲得分級(jí)增益提高,誤碼率性能隨之得到改善。如:判決反饋均衡器在誤碼率為時(shí),接收端天線數(shù)每增加2,誤碼率性能就得到3~5dB 的改善。相同天線配置情況下,非線性的判決反饋均衡效果優(yōu)于線性均衡的效果。為了研究系統(tǒng)在不同的均衡檢測(cè)方式下的性能, 對(duì)一個(gè)2 發(fā)3 收的MIMO 系統(tǒng)在BPSK 調(diào)制下進(jìn)行仿真,BER 曲線如圖2。

三、MIMO技術(shù)在下一代通信的應(yīng)用：

MIMO技術(shù)是無(wú)限移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。MIMO技術(shù)能在不增加寬帶的情況下，成倍的提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。隨著世界各國(guó)對(duì)該技術(shù)的不斷研究完善，我們有理由相信MIMO技術(shù)將成為新一代即4G移動(dòng)通信系統(tǒng)所必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。這與MIMO技術(shù)優(yōu)點(diǎn)有著不可分割的因素： MIMI技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)可以包括以下幾點(diǎn)：

（1）頻譜效率高。MIMO技術(shù)能夠在不增加額外功率或者帶寬的前提下增加容量，即提供空分復(fù)用增益。通過(guò)在不同的發(fā)射天線上傳輸不同的數(shù)據(jù)流，在特定信道條件下，使系統(tǒng)容量與min{成線性增長(zhǎng)}。

（2）覆蓋范圍廣。對(duì)所有天線陣元上的接收信號(hào)進(jìn)行相干合并，可以獲得天線陣列或者波束成型增益，它正比于接收天線的數(shù)目。通過(guò)增加接收端的信噪比，MIMO技術(shù)可以擴(kuò)大WLAN的覆蓋范圍。

（3）功耗低。采用發(fā)射波束成型等方法可以獲得較低的功率消耗。

（4）鏈路可靠性高。采用多天線可以增加空間分集對(duì)抗多徑衰落。發(fā)射分集技術(shù)，如空時(shí)編碼技術(shù)、發(fā)射波束成型等時(shí)對(duì)抗信道衰落和提高系統(tǒng)容量及鏈路可靠性的新技術(shù)之一。

MIMO多天線系統(tǒng)是指發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線的通信系統(tǒng)，它可有效地利用隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率。其核心技術(shù)是空時(shí)信號(hào)處理，即利用在空間中分布的多個(gè)時(shí)間域和空間域結(jié)合進(jìn)行信號(hào)處理。因此，可以被看作是常規(guī)智能天線的擴(kuò)展。

4G系統(tǒng)應(yīng)用智能天線的優(yōu)勢(shì)是可以去除更多的干擾，提供更高的信道和系統(tǒng)容量，增加小區(qū)吞吐量，降低系統(tǒng)對(duì)功率的要求，增強(qiáng)通信的抗干擾特性以及降低比特費(fèi)率等。而4G系統(tǒng)應(yīng)用智能天線的缺點(diǎn)是增加了收發(fā)信機(jī)以及無(wú)線資源管理的復(fù)雜性，同時(shí)需要高層的支持。

智能天線是建立在自適應(yīng)天線基礎(chǔ)之上的新一代天線系統(tǒng)，其目標(biāo)是通過(guò)抑制干擾和對(duì)抗衰落來(lái)增加系統(tǒng)容量，進(jìn)而提高頻譜利用率，這不僅涉及智能化接收，還包括智能化發(fā)射。

4G系統(tǒng)的接入層會(huì)允許用戶使用各種終端通過(guò)各種形式接入到4G通信系統(tǒng)中，這是移動(dòng)通信革命性的演進(jìn)。對(duì)于這種演進(jìn)，如果仍采用常規(guī)的智能天線技術(shù)已不足以解決4G系統(tǒng)的大容量與高可靠性需求問(wèn)題。此時(shí)，結(jié)合空時(shí)處理的多天線技術(shù)——MIMO天線技術(shù)，提供了解決問(wèn)題的新途徑。可以說(shuō)，MIMO多天線系統(tǒng)是常規(guī)智能天線演進(jìn)的必然成果。

參考文獻(xiàn)：

1、《多用戶.多小區(qū)MIMO通信技術(shù)》 邱玲等編著 人民電郵出版社

2、《MIMO技術(shù)原理及應(yīng)用》 林云、何豐等編著 人民電郵出版社

3、《MIMO通信系編碼》 Ali.Ghraryeb(加)Tolga M.Duman(美)著 艾渤 唐世剛 譯 電子工業(yè)出版社

4、《MIMO相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用》 黃韜 等著 機(jī)械工業(yè)出版社

5、《MIMO多天線無(wú)線通信系統(tǒng)》 肖揚(yáng) 著 人民電郵出版社

第四篇：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理

1.生物醫(yī)學(xué)簡(jiǎn)述

1.1生物醫(yī)學(xué)信號(hào)概述

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是人體生命信息的體現(xiàn)，是了解探索生命現(xiàn)象的一個(gè)途徑。因此，深入進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理理論與方法的研究對(duì)于認(rèn)識(shí)生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、探索疾病預(yù)防與治療的新方法以及發(fā)展醫(yī)療儀器這一高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)都具有極其重要的意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)處理理論與方法的研究都給予極大的重視。人體給出的信號(hào)非常豐富，每一種信號(hào)都攜帶著對(duì)應(yīng)的一個(gè)或幾個(gè)器官的生理病理信息。由于人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此可以從人體的不同的“層次”得到各類信號(hào)，如器官的層次、系統(tǒng)的層次以及細(xì)胞的層次,這些信號(hào)大致分為電生理信號(hào)、非電生理信號(hào)、人體生理信號(hào)、生化信號(hào)、生物信息以及醫(yī)學(xué)圖像[1]。1.2生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，它是由復(fù)雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號(hào)，從信號(hào)本身特征、檢測(cè)方式到處理技術(shù)，都不同于一般的信號(hào)。

⑴信號(hào)弱，如心電信號(hào)在mV級(jí)，腦電信號(hào)在μV級(jí)，而誘發(fā)電位信號(hào)的幅度更小。⑵噪聲強(qiáng)，人體是電的導(dǎo)體，易感應(yīng)出工頻噪聲；其次是信號(hào)記錄時(shí)受試者移動(dòng)所產(chǎn)生的肌電噪聲，由此引起電極移動(dòng)所產(chǎn)生的信號(hào)基線漂移。另外，凡是記錄中所含有的不需要成分都是噪聲，如記錄胎兒心電時(shí)混入的母親的心電。⑶隨機(jī)性強(qiáng)且一般是非平穩(wěn)信號(hào)，由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)要受到生理和心理的影響，因此屬于隨機(jī)信號(hào)。

⑷非線性，非線性信號(hào)源于非線性系統(tǒng)的輸出，人體體表采集到的電生理信號(hào)都是細(xì)胞膜電位通過(guò)人體系統(tǒng)后在體表疊加的結(jié)果，因此這些信號(hào)嚴(yán)格地說(shuō)都是非線性信號(hào)，但目前都是把他們當(dāng)作線性信號(hào)來(lái)處理[2]。

2.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)是對(duì)生物體中包含地生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)和成分等信息進(jìn)行檢測(cè)和量化地技術(shù)，涉及到人機(jī)接口技術(shù)、低噪聲和抗干擾技術(shù)、信號(hào)拾取、分析與處理技術(shù)等工程領(lǐng)域。絕大部分生物醫(yī)學(xué)信號(hào)都是信噪比很低地微弱信號(hào)，且一般都是伴隨著噪聲和干擾地信號(hào),對(duì)于此類信號(hào)必須采用抑制噪聲地處理技術(shù)。由于生物系統(tǒng)十分復(fù)雜，生物體內(nèi)的信息豐富，生物信號(hào)檢測(cè)技術(shù)十分重要。生物信號(hào)的檢測(cè)一般需要通過(guò)以下步驟：①生物醫(yī)學(xué)信號(hào)通過(guò)電極拾取或通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；②放大器及預(yù)處理器進(jìn)行信號(hào)放大和預(yù)處理；③經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)；④輸入計(jì)算機(jī)；⑤通過(guò)各種數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行信號(hào)分析處理，得到有意義的結(jié)果[3]。

圖1 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)流程

生物醫(yī)學(xué)的檢測(cè)技術(shù)分為以下幾類：①無(wú)創(chuàng)檢測(cè)、微創(chuàng)檢測(cè)、有創(chuàng)檢測(cè)；②在體檢測(cè)、離體檢測(cè)；③直接檢測(cè)、間接檢測(cè)；④非接觸檢測(cè)、體表檢測(cè)、體內(nèi)檢測(cè)；⑤生物電檢測(cè)、生物非電檢測(cè)；⑥形態(tài)檢測(cè)、功能檢測(cè)；⑦處于拘束狀態(tài)下的生物體檢測(cè)、處于自然狀態(tài)下的生物體檢測(cè)；⑧透射法檢測(cè)、反射法檢測(cè)；⑨一維信號(hào)檢測(cè)、多維信號(hào)檢測(cè)；⑩分子級(jí)檢測(cè)、細(xì)胞級(jí)檢測(cè)、系統(tǒng)級(jí)檢測(cè)[4]。

3.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是研究被干擾和噪聲淹沒(méi)的信號(hào)中提取有用的生物醫(yī)學(xué)信息的特征并作模式分類的方法。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的目的是要區(qū)分正常信號(hào)與異常信號(hào)，在此基礎(chǔ)上診斷疾病的存在。近年來(lái)對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理廣泛地使用了數(shù)字信號(hào)分析處理方法。以下為幾種常用地處理方法：

⑴小波變換方法。在信號(hào)處理、圖像處理、語(yǔ)音分析、模式識(shí)別、量子物理及眾多非線性科學(xué)領(lǐng)域小波變換受到廣泛地應(yīng)用，被認(rèn)為是近年來(lái)在工具及方法上地重大突破。所謂地小波變換是指把某一被稱作為基本小波地函數(shù)作位移τ后，在不同尺度α下與待分析信號(hào)作內(nèi)積[5]。小波變換具有以下特點(diǎn)：時(shí)頻局部化特點(diǎn)，即可以同時(shí)提供時(shí)域和頻域局部化信息;多分辨率，即多尺度的特點(diǎn)，可以由粗到細(xì)逐步觀察信號(hào)；帶通濾波的特點(diǎn)，可以根據(jù)中心頻率的變化調(diào)節(jié)帶寬，中心頻率的高低與帶寬成反向變化，可以觀測(cè)出信號(hào)的低頻緩變部分和高頻突變部分[6]。這種變焦特性決定了它對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)處理的特殊功能。在生物醫(yī)學(xué)工程中的信號(hào)處理，信號(hào)壓縮，醫(yī)學(xué)圖像處理中，小波變換均有應(yīng)用。

⑵頻域?yàn)V波。頻域?yàn)V波是數(shù)字濾波中常用的一種方法，是消除生物醫(yī)學(xué)信號(hào)中噪聲的另一種有效方法，當(dāng)信號(hào)頻譜與噪聲頻譜不相重疊時(shí)，或雖有重疊，但信號(hào)在重疊部分的能量很小時(shí)，可用頻域?yàn)V波法來(lái)消除干擾。數(shù)字濾波器由于可做到非因果性，所以具有較模擬濾波器更為優(yōu)越的頻響特性，較之能更接近理想濾波器對(duì)數(shù)字濾波器的要求時(shí)相頻線性，通帶平坦，過(guò)度帶窄[7]。

⑶生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的混沌測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)以線性方法為主，強(qiáng)調(diào)的是平穩(wěn)、平衡和均勻性。而非線性系統(tǒng)是在不穩(wěn)定、非平衡的狀態(tài)中提取信息、處理信息，從而顯示它特有的優(yōu)點(diǎn)?；煦缬糜跍y(cè)量可以說(shuō)是一種嘗試，也許人們很難想象一個(gè)極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng)，其檢測(cè)靈敏度卻明顯超出目前的科技水平，這是一個(gè)全新的測(cè)量概念，是很有發(fā)展前途的領(lǐng)域。該方法的最大的特點(diǎn)是初值敏感性和參數(shù)敏感性，即蝴蝶效應(yīng)。其基本的思路就是把蝴蝶效應(yīng)倒過(guò)來(lái)應(yīng)用，將敏感元件作為混沌電路的一部分，其敏感參數(shù)隨待測(cè)量變化而變化，并使系統(tǒng)的混沌軌道變化，測(cè)出混沌軌道的變化就可得到待測(cè)量。

⑷人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN),人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指由大量簡(jiǎn)單元件廣泛相互連接而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很多具體模型，其共同的基本特征是以大規(guī)模并行處理為主，采用分布式存儲(chǔ)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性和聯(lián)想功能，強(qiáng)調(diào)自適應(yīng)過(guò)程和學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程[8]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最新發(fā)展使其成為信號(hào)處理的強(qiáng)有力工具，對(duì)于那些用其他信號(hào)處理技術(shù)無(wú)法解決的問(wèn)題，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域，許多ANN的算法和它們的應(yīng)用已廣泛的在自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域被應(yīng)用。這些網(wǎng)絡(luò)模型中，多層感知器被認(rèn)為是最有用的學(xué)習(xí)模型，廣泛應(yīng)用于腦電信號(hào)、心電信號(hào)的處理中。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以把專家知識(shí)和先驗(yàn)知識(shí)結(jié)合進(jìn)一個(gè)數(shù)學(xué)框架來(lái)完成特征提取和分類識(shí)別等功能，而不需要任何對(duì)數(shù)據(jù)和噪聲的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)假設(shè)，也不需要把專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)歸納成嚴(yán)密清晰的條文，所以最適應(yīng)用于研究和分析生物醫(yī)學(xué)信號(hào)。

4.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的應(yīng)用及發(fā)展前景

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)至今已在臨床和生命學(xué)科的研究中獲得了廣泛的應(yīng)用，而基于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的醫(yī)療儀器已成為現(xiàn)代醫(yī)院的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已由過(guò)去的定性診斷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)定量診斷。而定量診斷的依據(jù)即是病人的生理信號(hào)、醫(yī)學(xué)圖像和生化指標(biāo)等。

4.1心電信號(hào)的應(yīng)用 心電信號(hào)中最重要的特征是R波、P波、T波的位置、幅度和形態(tài)，此外還有S-T段的形態(tài)、Q波、S波、QRS寬度、U波、心室晚電位及T波交替等。心電R波檢測(cè)是所有其他心電特征檢測(cè)和自動(dòng)診斷的基礎(chǔ)，其檢測(cè)的精度直接影響到儀器的性能，檢測(cè)精度至少在99%以上。R波自動(dòng)檢測(cè)已有近40年的歷史，從早期的差分域值法、模板匹配法、積分法、濾波器法，發(fā)展到20世紀(jì)90年代，基于小波變換的算法逐漸成為主流。至今新的R波檢測(cè)算法仍然在不斷的被提出，例如將R波檢測(cè)和心電數(shù)據(jù)壓縮相結(jié)合的算法，目的是使算法在用于可穿戴心電監(jiān)護(hù)儀時(shí)具有實(shí)時(shí)分析功能并降低儀器的功耗，算法對(duì)R波的檢測(cè)精度達(dá)到了99.64%。由于P、S、T等波形的幅度遠(yuǎn)低于P波，且形態(tài)多變，因此，用于對(duì)它們的檢測(cè)非常困難。完成了P、Q、R、S和T等波形的檢測(cè)，即可算出R-R間隔，從而得到瞬時(shí)心率以及P-R間隙、QRS寬度、P-T間隙以及S-T段形態(tài)等參數(shù)。這些參數(shù)總的又可分為兩類：①心電形態(tài)學(xué)的信息②心電節(jié)律的信息，它們時(shí)心電圖臨床診斷的重要依據(jù)。根據(jù)檢測(cè)出的參數(shù)、心臟疾病的原理和醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，建立起各種心律異常的數(shù)學(xué)模型，從而對(duì)心電信號(hào)作出判別，決定是否異常，若異常時(shí)屬于哪一種異常。這一工作即是心電的自動(dòng)診斷，它也是信號(hào)處理的應(yīng)用。

4.2腦電信號(hào)的應(yīng)用

人類大腦無(wú)疑是自然界中最精密也是最復(fù)雜的巨系統(tǒng)。開展腦科學(xué)研究的目的：①闡明腦的功能和機(jī)理；②保護(hù)大腦，即腦疾病的預(yù)防、治療及延緩衰老；③進(jìn)一步開發(fā)大腦；腦科學(xué)的研究主要有兩大研究方向：①微觀層次的研究，包括神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等學(xué)科；②宏觀層次的研究，即通過(guò)大腦宏觀層次的測(cè)量來(lái)分析大腦內(nèi)部隱含的生理、病理信息。目前，大腦宏觀層次的測(cè)量主要是腦電圖和腦部成像兩大類。腦電圖是無(wú)創(chuàng)并低價(jià)的腦測(cè)量手段，無(wú)論是在神經(jīng)內(nèi)科還是在神經(jīng)外科都獲得了廣泛的應(yīng)用，幾乎是神經(jīng)門診的必做項(xiàng)目之一，同時(shí)它在腦的認(rèn)知研究中也起著重要的作用。

5.結(jié)語(yǔ)

由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)來(lái)自于人體器官、組織及細(xì)胞，因此存在信號(hào)的多樣性、復(fù)雜性及應(yīng)用的特殊性等突出特點(diǎn)。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對(duì)定量診斷和精確治療的要求越來(lái)越高，因此，生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越迅速擴(kuò)展。正因?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號(hào)的上述屬性，因此吸引了眾多學(xué)科的信號(hào)處理工作者到該領(lǐng)域來(lái)探索?？梢哉f(shuō)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域充滿了挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新機(jī)會(huì)，其給科研工作者帶來(lái)了勇攀高峰的激情和期待。

參考文獻(xiàn)

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生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志 第３３卷

［ Ｊ］．自動(dòng)化儀表，２０１３，３４（１１）： １３ － １６

第五篇：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器課程設(shè)計(jì)報(bào)告.

漳州師范學(xué)院 《模擬電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì) 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 系 別： 專 業(yè)： 年 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 2012年4月3日 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 摘要

利用集成電路LM324設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)所需技術(shù)參數(shù)的各種波形發(fā)生電路。根據(jù)電壓比較器可以產(chǎn)生方波，方波再繼續(xù)經(jīng)過(guò)基本積分電路可產(chǎn)生三角波，三角波經(jīng)過(guò)低通濾波可以產(chǎn)生正弦波。經(jīng)測(cè)試，所設(shè)計(jì)波形發(fā)生電路產(chǎn)生的波形與要求大致相符。

關(guān)鍵詞：波形發(fā)生器；集成運(yùn)放；RC 充放電回路；滯回比較器；積分電路 目錄

中文摘要..........................................................錯(cuò)誤！未定義書簽。1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)........................................................................................4

1.1設(shè)計(jì)指標(biāo)................................................................................................................................4 1.2方案論證與比較....................................................................................................................4 2.單元電路設(shè)計(jì)................................................................................5 2.1方波的設(shè)計(jì)............................................................................................................................5 2.2三角波的設(shè)計(jì)........................................................................................................................8 2.3正弦波的設(shè)計(jì)........................................................................................................................8 3．參數(shù)選擇....................................................................................11 3.1方波電路的元件參數(shù)選擇...................................................................................................11 4.系統(tǒng)測(cè)試......................................................................................11 4.1正弦波波形測(cè)試..................................................................................................................11 4.2方波波形測(cè)試......................................................................................................................11 4.3三角波波形測(cè)試..................................................................................................................12 5．結(jié)果分析....................................................................................12

6．工作總結(jié)....................................................................................12 7．參考文獻(xiàn)....................................................................................13 8．附錄............................................................................................13 1.系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.1設(shè)計(jì)指標(biāo) 1.1.1 電源特性參數(shù) ①輸入：雙電源 12V ②輸出：正弦波V pp >1V，方波V pp ≈12 V，三角波V pp ≈5V，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小。

1.1.2工作頻率

工作頻率范圍：10 HZ～100HZ ,100 HZ～1000HZ 1.2方案論證與比較

1.2.1 方案1：采用集成運(yùn)放電路設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生要求的波形

主要是應(yīng)用集成運(yùn)放LM324，其芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由4個(gè)集成運(yùn)放所組成的, 通過(guò)RC 文氏電橋可產(chǎn)生正弦波，通過(guò)滯回比較器能調(diào)出方波, 并再次通過(guò)積分電路就可以調(diào)試出三角波，此電路方案能實(shí)現(xiàn)基本要求和擴(kuò)展總分的功能，電路較簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，是一個(gè)優(yōu)秀的可實(shí)現(xiàn)的方案。

1.2.2 方案2：采用集成運(yùn)放電路設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生要求的波形

主要是應(yīng)用集成運(yùn)放LM324, 其芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由4個(gè)集成運(yùn)放所組成的, 通過(guò)電壓比較器可以形成方波, 方波經(jīng)過(guò)積分之后可以形成三角波, 三角波再經(jīng)過(guò)低

通濾波可以形成正弦波, 此電路方案能實(shí)現(xiàn)基本要求和擴(kuò)展總分的功能, 電路較簡(jiǎn)單, 調(diào)試方便, 相比第一方案, 其操作成功率較低.2.單元電路設(shè)計(jì) 2.1方波的設(shè)計(jì) 2.1.1原理圖

2.1.2工作原理

矩形波發(fā)生電壓只有兩種狀態(tài), 不是高電平, 就是低電平, 所以電壓比較器是它的重要成分;因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩, 就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換, 所以電路中必須引入反饋, 因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定時(shí)間間隔交替變化, 即產(chǎn)生周期性變化, 所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來(lái)確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間.圖所示的矩形波放生電路, 它由反相輸入的滯回比較器和RC 電路組成.RC 回路既作為延遲環(huán)節(jié), 又作為反饋網(wǎng)絡(luò), 通過(guò)RC 充放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換.設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+Ut。Uo 通過(guò)R3對(duì)電容C 正向充電，反相輸入端電位隨時(shí)間t 增長(zhǎng)而逐漸升高，當(dāng)t 趨近于無(wú)窮時(shí)，Un 趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo 就從+Uz躍變?yōu)椤猆z，與此同時(shí)Up 從+Ut躍變?yōu)椤猆t。隨后，Uo 又通過(guò)R3對(duì)電容C 反向充電，或者說(shuō)放電。反相輸入端電位Un 隨時(shí)間t 增長(zhǎng)而逐漸降低，當(dāng)t 趨于無(wú)窮時(shí)，Un 趨于—Uz ；但是，一旦Un=—Ut, 再稍減小，Uo 就從—Uz 躍變?yōu)?Uz，與此同時(shí)Up 從—Ut 躍變?yōu)?Ut，電容又開始正向充電。上述過(guò)程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。

圖2.3滯回比較器的電壓傳輸特性

2.2.2工作原理

積分電路是一種運(yùn)用較為廣泛的模擬信號(hào)運(yùn)算電路，它是組成各種模擬電子電路的重要基本單元，它不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微分方程的模擬，同時(shí)在控制和測(cè)量

2.6方波-三角波發(fā)生電路波形圖系統(tǒng)中，積分電路也有著廣泛運(yùn)用，利用其充放電過(guò)

程可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)，定時(shí)以及各種波形的產(chǎn)生.積分電路還可用于延時(shí)和定時(shí)。在圖2.3所示三角波發(fā)生電路圖中，將方波電壓作為積分運(yùn)算電路的輸入，在積分運(yùn)算電路的輸出就得到三角波電壓。.U O 3=-? I C 1 =-U O 2dt C RC ?(式2.10

U O 3=-1 U O 2(t 1-t 0+U O 2(t 0(R 4+R W C(式2.11 式中 U O 2(t 0 為初始狀態(tài)時(shí)的輸出電壓。設(shè)初始狀態(tài)時(shí)U O 2正好從-U Z 躍變?yōu)?+U Z，則式2.10應(yīng)寫成 U O 3=-1 U Z(t 1-t 0+U O 2(t 0(R 4+R W C(式2.12 積分電路反向積分, U O 2隨時(shí)間的增長(zhǎng)線性下降，根據(jù)圖2.4所示電壓傳輸特性，一旦U O 2=U T-，再稍減小，U O 2將從+U Z 躍變?yōu)?U Z。使得式2.10變?yōu)?/p>

U O 3=-1 U Z(t 2-t 1+U O 2(t 1(R 4+R W C(式2.13 為 U O 2(t 1

U O 2 產(chǎn)生躍變時(shí)的輸出電壓。積分電路正向積分，U O 2 隨時(shí)間的增

長(zhǎng)線性增大，根據(jù)圖2.3的電壓傳輸特性，一旦U O 2=U T +，再稍增大, U O 2將從-U Z 躍變?yōu)?U Z，回到初態(tài)，積分電路又開始反向積分。

2.3正弦波的設(shè)計(jì)

2.3.1工作原理

采用低通濾波的方法將三角波變換為正弦波。圖中采用的是簡(jiǎn)單的二階低通濾波電路，與同相輸入端電路類似，增加RC 環(huán)節(jié)，可以使濾波器的過(guò)渡帶變窄，衰減斜率的值加大，電路如圖所示。

輸出三角波。三角波再經(jīng)R10、C1積分網(wǎng)絡(luò)，輸出近似的正弦波?？偟脑韴D

4C 3．參數(shù)選擇

3.1方波電路的元件參數(shù)選擇 3.2.1 穩(wěn)壓管

由于要求方波輸出電壓約等于12V，所以采用的穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓約等于6V，所以應(yīng)采用6.2V 的穩(wěn)壓管兩支。

電容

庫(kù)房里可以提供0.1uF 的電容，所以電路里都采用0.1uF 的電容，電阻

頻率范圍是10HZ ～100HZ ,100HZ～1000HZ, 根據(jù)公式f=R2/(4*R1*R3*C取 R1=2K R2=5K R3=100 RW1=5K Rw2=100K

經(jīng)過(guò)公式計(jì)算后得到接近的電阻阻值，再把數(shù)據(jù)代入到仿真軟件進(jìn)行仿真調(diào)整，得到正確的波形圖和數(shù)值。

4.系統(tǒng)測(cè)試 4.1方波波形測(cè)試

由于在電路圖中方波的幅值約等于+12V，所以只要電路沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，阻值選擇合適，那么波形就可以出來(lái)。

4.2三角波波形測(cè)試

同樣保持電路完整，接入電源，通過(guò)調(diào)節(jié)RW1可改變?nèi)遣ǚ导邦l率，通過(guò)調(diào)整RW2使電路的周期發(fā)生變化，同時(shí)頻率也發(fā)生變化。

4.3正弦波波形測(cè)試

將電源電路接入變壓器使雙電源輸出 12V，通過(guò)調(diào)節(jié)RW1、RW2可調(diào)節(jié)正弦波的峰峰值和頻率。

5.結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)先所設(shè)定的參數(shù)存在一定的誤差，其中跟元器件的選擇參數(shù)有關(guān)，在電子仿真軟件中的電阻參數(shù)在庫(kù)房里沒(méi)有相吻合的參數(shù)，其次在實(shí)驗(yàn)焊接過(guò)程中也可導(dǎo)致誤差，庫(kù)房所提供的電阻其本身誤差較大，綜合各方面的考慮，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差不可避免，而制作出來(lái)的電路板所能出現(xiàn)的波形，在一定程度上會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。

6.工作總結(jié)

在這次課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)會(huì)了怎樣去根據(jù)課題的要求去設(shè)計(jì)電路和調(diào)試電路。動(dòng)手能力得到很大的提高。從中我發(fā)現(xiàn)自己并不能很好的熟練去使用我所學(xué)到的模電知識(shí)。在以后學(xué)習(xí)中我要加強(qiáng)對(duì)使用電路的設(shè)計(jì)和選用能力。但由于電路比較簡(jiǎn)

單、定型，而不是真實(shí)的生產(chǎn)、科研任務(wù)，所以我們基本上能有章可循，完成起來(lái)并不困難。把過(guò)去熟悉的定型分析、定量計(jì)算逐步，元器件選擇等手段結(jié)合起來(lái)，掌握工程設(shè)計(jì)的步驟和方法，了解科學(xué)實(shí)驗(yàn)的程序和實(shí)施方法。這對(duì)今后從事技術(shù)工作無(wú)疑是個(gè)啟蒙訓(xùn)練。通過(guò)這種綜合訓(xùn)練，我們可以掌握電路設(shè)計(jì)的基本方法，提高動(dòng)手組織實(shí)驗(yàn)的基本技能，培養(yǎng)分析解決電路問(wèn)題的實(shí)際本領(lǐng)，為以后畢業(yè)設(shè)計(jì)和從事電子實(shí)驗(yàn)實(shí)際工作打下基礎(chǔ)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中收益最大的就是懂得如何去調(diào)試電路，查找電路的缺陷和看PCB 圖，通過(guò)自己動(dòng)手更能對(duì)電路有更深刻的了解。

7.參考文獻(xiàn) 元件清單表 附錄1 器件清單

附錄2 原理圖

4C 附錄3 電子仿真 3.1輸出方波電路的仿真 圖 輸出方波電路的仿真 3.2方波—三角波電路的仿真

3.3 正弦波電路的仿真 16 17