01 / 導讀
導讀
引用
Semmlow, J. (2024). Circuits, Signals, and Systems for Bioengineers: A MATLAB-Based Introduction (4th ed.). Academic Press.
章節概要
第4版共15章，另有7個附錄（推導、轉換表、三角及其他公式、換算係數、複數、一款運算放大器的規格，以及行列式與克萊姆法則），篇幅近790頁。作者約翰·塞姆洛在羅格斯大學生物醫學工程系和羅伯特·伍德·約翰遜醫學院外科任教32年，研究領域包括心血管診斷和人體運動控制。全書分為三部分，順序與許多電氣工程課程不同：先講訊號，再講系統，最後講電路。出版方介紹說，本書講解生物醫學系統、醫療器材、生物控制和生物醫學訊號分析背後的電氣工程原理，並透過計算方法讓學生用MATLAB探索相關、卷積、傅立葉轉換和傳遞函數等運算。配套資料包括習題解答、講義投影片，以及解題所需的MATLAB資料和函式。
第一部分：訊號（第1–4章：整體：生物工程中的訊號與系統；時域訊號分析；頻域訊號分析：傅立葉級數與傅立葉轉換；頻域訊號分析：含義與應用）
第1章勾勒生物工程中訊號與系統的整體圖景。第2章約65頁，是全書最長的一章，在時域中分析訊號。第3章和第4章先引入傅立葉級數和傅立葉轉換，再討論其含義與應用。
第二部分：系統（第5–11章：時域線性系統分析：卷積；頻域線性系統分析：傳遞函數；複頻域中的線性系統：拉普拉斯轉換；離散線性系統分析：z轉換及其在濾波器中的應用；系統建模與Simulink；隨機、非平穩與非線性系統和訊號；二維訊號：基礎影像分析）
這是全書的核心，也是篇幅最長的部分。線性系統先後用三種方法分析：時域中的卷積、頻域中的傳遞函數和拉普拉斯轉換；隨後第8章轉向離散系統、z轉換和數位濾波器。第9章介紹用Simulink進行系統建模；出版方提到生物控制方面的應用，以呼吸系統等生理系統建模為例。第10章超出線性、確定性訊號的範圍，討論噪聲以及隨機、非平穩和非線性訊號；第11章把方法推廣到二維訊號和基礎影像分析。第10章和第11章是在第3版中新增的。
第三部分：電路（第12–15章：電路元件與電路變數；類比電路與模型的分析；電路化簡；類比電子學基礎：運算放大器）
最後一部分從元件和變數出發建立電路分析，分析類比電路和電路模型，討論電路化簡，並以運算放大器收尾。附錄給出了一款具體運放LF356的規格。
核心概念
第一部分：訊號
- 時域訊號分析：直接把訊號作為時間函數來描述和比較，包括相關運算。
- 傅立葉級數與傅立葉轉換：用頻率成分表示訊號。
- 頻域的含義：訊號頻譜揭示了什麼，以及在實踐中如何使用。
第二部分：系統
- 卷積：在時域中由衝激響應計算線性系統的輸出。
- 傳遞函數：透過系統對各頻率的改變來描述線性系統。
- 拉普拉斯轉換：傳遞函數在複頻域的推廣，用於分析瞬態行為。
- z轉換與數位濾波器：適用於離散取樣系統的對應工具。
- Simulink建模：建構並模擬系統模型，包括生理控制系統。
- 隨機與非平穩訊號：噪聲以及特性隨時間變化的訊號。
- 基礎影像分析：把訊號處理應用於二維訊號。
第三部分：電路
- 電路元件與電路變數：分析類比電路所用的元件和物理量。
- 電路化簡：把網路簡化為等效形式。
- 運算放大器：類比電子學的基本構件。
評析
優點
- 以計算為中心。 正如副標題所示，本書以MATLAB為基礎。出版方強調，相關、卷積、傅立葉轉換和傳遞函數等運算都透過計算來展開，配套資料包括解題所需的資料和函式。
- 貫穿全書的生物醫學背景。 出版方對第3版和第4版的介紹都強調生物學、生理學和醫學例項，生物控制部分以生理系統建模為依託。
- 三門學科的統一講解。 一本書就能讓學生從訊號分析出發，經由線性系統和離散系統，學到電路和運算放大器——這正是生物工程專業常常不得不壓縮排一兩門課的電氣工程基礎。
- 歷經四版而趨於成熟。 第3版新增了影像分析以及噪聲與隨機過程的章節；據出版方介紹，第4版全面修訂以求表述更清晰，並增加了新的醫學例項。
局限
- 篇幅大。 近790頁，內容超過一個學期，教師需要在各部分之間取捨。
- 電路放在最後。 需要儘早學習電路分析的專業（例如在儀器實驗課之前）只能打亂順序閱讀第三部分，這偏離了本書的編排順序。
- 進階主題只是入門。 隨機與非線性訊號、影像分析各只有約40頁的一章；認真處理生物訊號或影像的學生需要專門教材。
- 依賴MATLAB和Simulink。 例題和配套資料都假定讀者能夠使用這些商業工具。
在課程中的定位
在本課程書單中，本書是生物醫學訊號處理的基礎教材，講授其他書所預設的訊號、系統和電路基礎。塞姆洛與格里菲爾的《Biosignal and Medical Image Processing》是同一作者的自然後續，同樣使用MATLAB，講解生理訊號的濾波、頻譜分析和時頻分析，進而討論醫學影像。蘭加揚的《Biomedical Signal Analysis》是更高階、以案例驅動的教材，從臨床問題出發，把方法應用於真實記錄，討論心電、腦電、肌電等訊號。
史密斯的《The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing》可從作者網站免費獲取，用最少的數學講解取樣、卷積、傅立葉分析和數位濾波器；對覺得第3–8章吃力的學生來說是很好的輔助讀物。湯普金斯的《Biomedical Digital Signal Processing》是一本圍繞PC上的C程式和實驗編寫的較老的書，其例子主要具有歷史意義，但仍能展示經典生物訊號濾波器當年是如何實現的。
如何使用本書
本書面向初次接觸訊號、系統和電路的生物工程和生物醫學工程學生，也適合其他領域的在職技術人員和工程師。需要微積分和基礎物理知識；複數和行列式可在附錄中複習。做例題需要MATLAB，第9章還需要Simulink。
實用計畫：
- 訊號課程： 完整學習第一部分，然後學習第二部分的第5–8章（卷積、傳遞函數、拉普拉斯轉換、z轉換與濾波器）。
- 系統或生理建模課程： 第5–7章，然後是講Simulink建模的第9章；如果課程關注噪聲和變異性，再加上第10章。
- 電路或儀器課程的準備： 第三部分，它自成一體，可以不按順序閱讀。
- 選讀： 討論影像的第11章，是通向醫學影像處理的橋梁。
閱讀時執行MATLAB例題並改變其參數；本書的設計意圖是讓學生透過實際計算來理解卷積和傅立葉轉換等運算。做章末習題時，使用隨書提供的資料檔案，而不是自己合成的資料。