Аналогово-цифровое преобразование сигналов в медицинских приборно-компьютерных системах

Цифровая обработка сигналов

В современной технике существуют два основных метода обработки сигналов: аналоговый и цифровой. На примере электрокардиограммы (ЭКГ) рассмотрим основные различия этих методов обработки сигнала. Потенциалы, снимаемые электродами кардиографа, в каждый момент времени характеризуются некоторой величиной. Графическая запись этой величины во времени представляет собой ЭКГ: определенной величине потенциала соответствует вполне определенное смещение пера самописца (как правило 10 мм соответствует 1 мВ). В любой момент времени нам известна величина зарегистрированного потенциала. Такой непрерывный сигнал называется аналоговым. Техника, используемая для его обработки, также называется аналоговой. В таких системах в любой момент времени присутствует образ, точно соответствующий исходному сигналу.

Предположим, что мы смогли достаточно часто, через определенные малые промежутки времени, и очень точно измерять значения этого сигнала. Поскольку сигнал изменяется во времени и измерения производятся достаточно часто, то в результате мы получим последовательность отдельных (дискретных) измерений (отсчетов), которые будут характеризовать текущие значения сигнала. Компьютер с обработкой таких последовательностей чисел справляется гораздо легче, нежели с непрерывным аналоговым сигналом.

Процесс, в результате которого из непрерывного (аналогового) сигнала получают последовательность числовых значений, носит название дискретизации или аналогово-цифрового преобразования. Если в процессе таких преобразований соблюдались определенные правила, оба сигнала будут полностью соответствовать друг другу. Пример аналогово-цифрового преобразовнаия электрокардиограммы представлено на рисунке 1. Дискретный сигнал, помимо достоинства, связанного с простотой его компьютерной обработки, обладает еще несколькими преимуществами. Например, его удобнее передавать по линиям связи, он более устойчив к искажениям, а при определенных условиях его можно даже восстанавливать, или, по крайней мере, обнаруживать сбои, происшедшие во время трансляции.

Какие же параметры процесса дискретизации оказывают наибольшее влияние на точность взаимного соответствия аналогового и цифрового сигналов? Таких параметров два: частота, с которой производится измерение сигнала, и точность этих измерений. Первый параметр носит название частоты дискретизации или частоты выборок (sampling rate). Конечно, чем выше частота дискретизации и чем точнее измерения, тем в большей степени результат преобразования соответствует исходному сигналу. Однако увеличение значений обоих параметров приводит к существенному возрастанию количества передаваемой или обрабатываемой информации. Поэтому на практике ограничиваются некоторыми приемлемыми в данной конкретной ситуации значениями показателей частоты дискретизации и точности измерений. Существуют специальные стандарты, которые устанавливают минимальные требования на точность преобразования для различных сигналов.

Некоторое время назад вся диагностическая аппаратура вообще не содержала в себе цифровых элементов, а работала с аналоговыми сигналами. Однако с внедрением микропроцессоров, т.е. с того момента, когда появились достаточно миниатюрные электронно-вычислительные блоки (приблизительно с середины 70-х годов), произошли существенные изменения в технологии обработки сигналов. Способность в течении очень небольшого времени и с приемлемым уровнем затрат (цена микропроцессоров не очень высока, поскольку они выпускаются сотнями тысяч) производить большие объемы вычислений оказалась настолько новой, что стало возможно говорить, по существу, о новом качестве всей техники.

Дата добавления: 2014-11-20