1980_Coherence Improvement in White Noise Analysis by the Use1
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7/21/2019 1980_Coherence Improvement in White Noise Analysis by the Use1
1/3
IEEE
TRANSACTIONS
ON BIOMEDICAL
ENGINEERING,
VOL. B M E - 2 7 , NO. 1 ,
JANUARY
1 9 8 0
Communications.
C o h e r e n c e
I m p r o v e m e n t
i n W h i t e
N o i s e A n a l y s i s
b y
t h e
U s e
o f
a
R e p e a t e d
R a n d o m
S e q u e n c e G e n e r a t o r
A . S . FRENCH
A b s t r a c t - A d e v i c e
i s d e s c r i b e d w h i c h
a l l o w s t h e a v e r a g i n g
o f t h e
o u t p u t
o f a n u n k n o w n
s y s t e m i n
r e s p o n s e t o i d e n t i c a l
b u r s t s o f p s e u d o -
r a n d o m
n o i s e .
T h e u s e o f t h i s
t e c h n i q u e p r o d u c e s a n i m p r o v e m e n t i n
t h e m e a s u r e d
c o h e r e n c e
f u n c t i o n
f o r
t h e
s y s t e m a n d
a r e d u c t i o n i n
t h e
v a r i a n c e o f
t h e e s t i m a t e d s y s t e m
p a r a m e t e r s .
T h e
u s e
o f w h i t e
n o i s e
a s
a n e x p e r i m e n t a l
s t i m u l u s h a s b e -
c o m e a
s t a n d a r d
m e a n s o f a n a l y z i n g t h e
b e h a v i o r o f b i o l o g i c a l
s y s t e m s
1 1 ] .
C o n v e n t i o n a l l i n e a r
s y s t e m s
a n a l y s i s a n d n o n -
l i n e a r a n a l y s i s
u s i n g
t h e W i e n e r k e r n e l t e c h n i q u e
c a n
b o t h b e
e f f i c i e n t l y
a p p l i e d
t o
t h e
c h a r a c t e r i z a t i o n
o f
unknown
i n p u t -
o u t p u t s y s t e m s
b y t h e u s e
o f
a
r a n d o m l y v a r y i n g
s t i m u l u s
[ 2 1 ,
[ 3 ] .
U n f o r t u n a t e l y ,
many b i o l o g i c a l s y s t e m s
p o s s e s s s i g n i f i -
c a n t i n t r i n s i c v a r i a b i l i t y ,
a n d s o t h e i r
r e s p o n s e t o
a n
i n p u t
s i g n a l c o n t a i n s
n o i s e c o m p o n e n t s
w h i c h a r e
a d d e d t o
t h e
r e s p o n s e .
When
l i n e a r
s y s t e m s
a n a l y s i s
i s c o n d u c t e d
i n t h e
f r e q u e n c y
d o m a i n ,
u s i n g a r a n d o m
s t i m u l u s ,
t h e p r e s e n c e
o f
i n h e r e n t
v a r i a b i l i t y
may b e d e t e c t e d
b y
a r e d u c t i o n
i n
t h e
v a l u e o f t h e
c o h e r e n c e f u n c t i o n
9 2 ( f )
w h i c h i s
a
n o r m a l i z e d
m e a s u r e
o f
t h e l i n e a r c o r r e l a t i o n
b e t w e e n
t h e i n p u t
a n d o u t -
p u t s i g n a l s
a s a f u n c t i o n
o f f r e q u e n c y
f
[ 4 ] .
A c o h e r e n c e
f u n c t i o n
o f u n i t y i n d i c a t e s
a
l i n e a r
n o i s e - f r e e s y s t e m , w h i l e
t h e p r e s e n c e o f i n h e r e n t
n o i s e
o r
n o n l i n e a r
c o n t r i b u t i o n s
t o
t h e o u t p u t s i g n a l
l e a d
t o
r e d u c t i o n
o f t h e c o h e r e n c e
f u n c t i o n
v a l u e .
A n a l o g o u s c o h e r e n c e f u n c t i o n s
may
a l s o
b e d e r i v e d
f o r
m u l t i p l e
i n p u t - o u t p u t s y s t e m s a n d
f o r
s e c o n d - o r d e r a n d
h i g h e r
o r d e r n o n l i n e a r s y s t e m s .
T h e
c o h e r e n c e
f u n c t i o n
d o e s
n o t
d i s c r i m i n a t e
b e t w e e n i n -
h e r e n t
n o i s e
a n d
n o n l i n e a r
s i g n a l m o d i f i c a t i o n .
S i n c e
many
b i o l o g i c a l s y s t e m s
g e n e r a t e
b o t h t y p e s
o f o u t p u t
d i s t o r t i o n
i t w o u l d b e v a l u a b l e
t o b e a b l e t o
s e l e c t i v e l y r e d u c e
t h e
i n -
h e r e n t
n o i s e
c o m p o n e n t
o f t h e o u t p u t
s i g n a l . A r e d u c t i o n
i n
t h e
i n h e r e n t n o i s e w i l l c a u s e
a n i m p r o v e m e n t
i n t h e c o h e r e n c e
a n d
t h i s
i s
e x p e r i m e n t a l l y
d e s i r a b l e s i n c e t h e c o h e r e n c e
f u n c -
t i o n d e f i n e s
t h e c o n f i d e n c e
l i m i t s
s u r r o u n d i n g
t h e e s t i m a t e d
p a r a m e t e r s
r e s u l t i n g
f r o m
t h e
a n a l y s i s
[ 5 1 .
We
h a v e
r e c e n t l y
c o n d u c t e d e x p e r i m e n t s
w i t h
a s y s t e m w h o s e i n h e r e n t
v a r i a b i l -
i t y m a d e
i t v e r y d i f f i c u l t
t o a c c u r a t e l y
c h a r a c t e r i z e
t h e f r e -
q u e n c y r e s p o n s e i n t h e
f r e q u e n c y
r a n g e o f t h e o r e t i c a l
i n t e r e s t
[ 6 1
a n d
t h i s
e x p e r i e n c e l e a d
t o
t h e
p r e s e n t
w o r k .
When
a
b i o l o g i c a l
s y s t e m i s
s t i m u l a t e d w i t h
a
r a n d o m l y
v a r y i n g
i n p u t s i g n a l ,
t h e c h a r a c t e r i z a t i o n
o f i t s b e h a v i o r
c a n
b e
a c c o m p l i s h e d
e i t h e r
b y c r o s s c o r r e l a t i o n s
b e t w e e n t h e i n p u t
a n d
o u t p u t
s i g n a l s
o r
b y
d i r e c t l y
t r a n s f o r m i n g
b o t h s i g n a l s
i n t o t h e f r e q u e n c y
d o m a i n
a n d
t h e n
p r o c e e d i n g
t o c o m p u t e
t h e
p o w e r
s p e c t r a
a n d c r o s s s p e c t r a .
A n u m b e r o f
e x a m p l e s o f
b o t h
m e t h o d s a r e
g i v e n
i n
[ 7 ] .
Some
a d v a n t a g e s
o f u s i n g
M a n u s c r i p t r e c e i v e d
M a r c h 1 9 , 1 9 7 9 ; r e v i s e d
A u g u s t
6 , 1 9 7 9 . T h i s
w o r k
w a s
s u p p o r t e d b y
g r a n t s f r o m
t h e M e d i c a l
R e s e a r c h C o u n c i l
o f
C a n a d a .
T h e a u t h o r
i s w i t h
t h e
D e p a r t m e n t
o f
P h y s i o l o g y ,
U n i v e r s i t y
o f
A l b e r t a , E d m o n t o n ,
A l t a . , C a n a d a .
w h i t e n o i s e
a r e t h e e f f i c i e n c y
o f
t h e c h a r a c t e r i z a t i o n , w h i c h
i s
s i g n i f i c a n t
f o r
u n s t a b l e
e x p e r i m e n t a l
s i t u a t i o n s ,
a n d
t h a t
s y s t e m s w h i c h a r e
p a r t i a l l y
n o n l i n e a r
t e n d
t o
b e h a v e
m o r e
l i n e a r l y w i t h
a
r a n d o m
s t i m u l u s .
T h i s l a t t e r
p r o p e r t y h a s l e d
t o t h e a d d i t i o n
o f w h i t e
n o i s e t o p e r io d i c
s i g n a l s
t o
i m p r o v e
t h e l i n e a r i t y
o f t h e
r e s p o n s e [ 8 1 . T h e d i r e c t
m e t h o d o f
s p e c t r a l e s t i m a t i o n
i n
t h e
f r e q u e n c y
d o m a i n
h a s
b e e n
made
p o s s i b l e
b y t h e r e d i s c o v e r y o f t h e f a s t F o u r i e r t r a n s f o r m
[ 9 ] ,
a n d
b e s i d e s
b e i n g t h e m o s t e f f i c i e n t
m e a n s o f
c h a r a c t e r i z i n g
a n
unknown
s y s t e m ,
i t
i s a d v a n t a g e o u s
when t h e
i n p u t s i g n a l
i s
n o t
p e r f e c t l y w h i t e
[ 1 0 1 a s
w e l l a s g i v i n g t h e
c o h e r e n c e
f u n c -
t i o n a s a b y - p r o d u c t
o f t h e
a n a l y s i s .
S i n c e i t
i s e x p e r i m e n t a l l y i m p o s s i b l e
t o
u s e
w h i t e n o i s e ,
a l l
p r a c t i c a l
i m p l e m e n t a t i o n s o f t h e
t e c h n i q u e
m u s t u s e some
a p p r o x i m a t i o n
t o
i t .
On e w i d e l y u s e d
m e t h o d i s
t h e p s e u d o -
r a n d o m b i n a r y
s e q u e n c e g e n e r a t o r
[
I
1
] ,
1 2 1
i n
w h i c h
a s h i f t
r e g i s t e r
w i t h f e e d b a c k
g e n e r a t e s
a
b i n a r y
s i g n a l
w h o s e
t w o
s t a t e s o c c u r f o r
v a r y i n g
t i m e s . T h i s b i n a r y s i g n a l c a n
b e
p a s s e d
t h r o u g h a n
a n a l o g
l o w - p a s s f i l t e r
t o
g i v e a
s i g n a l w h i c h
c l o s e l y
a p p r o x i m a t e s
a b a n d - l i m i t e d w h i t e
G a u s s i a n
p r o c e s s .
Many
b i o l o g i c a l
s y s t e m s p o s s e s s
i n h e r e n t n o i s e
o r v a r i a b i l i t y
t o a n
e x t e n t
t h a t i n t e r f e r e s
w i t h c h a r a c t e r i z a t i o n
o f
t h e i r
d y n a m i c
b e h a v i o r .
An a d v a n t a g e
o f
t h e u s e
o f p e r i o d i c
s t i m u l i
s u c h
a s s i n e
w a v e s
t o
s t i m u l a t e
s u c h a
p r e p a r a t i o n
i s t h a t t h e
i n h e r e n t n o i s e i s
u n c o r r e l a t e d
w i t h t h e p e r i o d
o f
t h e
s t i m u l u s
a n d c a n , t h e r e f o r e ,
b e r e d u c e d
t o
a n y
d e s i r a b l e
l e v e l
b y
a v e r a g -
i n g t h e
r e s p o n s e
o v e r many
p e r i o d s [ 2 ]
T h i s a p p r o a c h i s n o t
i m m e d i a t e l y
a v a i l a b l e
t o t h e w h i t e
n o i s e m e t h o d
s i n c e t h e i n -
p u t s t i m u l u s
i s
r a n d o m . H o w e v e r ,
i f t h e p r e p a r a t i o n
c a n
b e
s t i m u l a t e d
w i t h
r e p e a t e d
i d e n t i c a l b u r s t s
o f a p s e u d o r a n d o m
p r o c e s s
a n d t h e o u t p u t
a v e r a g e d r e l a t i v e t o
t h e s t a r t
o f
t h e
b u r s t s ,
t h e n
a
s i m i l a r
r e d u c t i o n
i n
t h e
s i g n i f i c a n c e
o f i n h e r e n t
n o i s e c a n b e
a c c o m p l i s h e d . T h e
u s e o f
s u c h r e p e a t e d b u r s t s
o f
n o i s e g e n e r a t e d
b y a t a p e r e c o r d e r
h a s b e e n
u s e d b e f o r e t o
p r o d u c t h i s t o g r a m s
o f n e u r o n a l f i r i n g [ 1 3 ] .
T h e
d e v i c e
d e -
s c r i b e d
h e r e p r o v i d e s
a r e l a t i v e l y s i m p l e
m e a n s o f
p r o d u c i n g
a
w i d e r a n g e
o f d i f f e r e n t r e p e a t e d
n o i s e s e q u e n c e s .
When
c o m -
b i n e d
w i t h a n
a v e r a g i n g
d e v i c e
s u c h
a s
a
d i g i t a l
c o m p u t e r ,
i t
c a n b e
u s e d f o r a v e r a g i n g
a n a l o g
r e s p o n s e s t o r e p e a t e d
b u r s t s ,
f o r
h i s t o g r a m m i n g s p i k e r e s p o n s e s ,
o r f o r
c o n v e n t i o n a l n o n -
a v e r a g e d
n o i s e
a n a l y s i s .
F i g .
1
i s
a b l o c k d i a g r a m
o f t h e
r e p e a t e d
s e q u e n c e g e n e r a t o r .
A p s e u d o r a n d o m b i n a r y
s e q u e n c e
i s g e n e r a t e d
b y
a 3 1
b i t
s h i f t
r e g i s t e r
w i t h i t s i n p u t
f e d
f r o m
t h e
E x c l u s i v e O r o f
b i t s
3 a n d
3 1 1 1 4 1 .
T h e
b i n a r y
o u t p u t
f r o m
t h e
s h i f t
r e g i s t e r
i s
f i l t e r e d
b y
a 9
p o l e
a c t i v e
l o w - p a s s
f i l t e r
t o
p r o d u c e
n o i s e i n
t h e
b a n d -
w i d t h
r e q u i r e d
f o r t h e e x p e r i m e n t .
I n
o u r i m p l e m e n t a t i o n
w e
u s e d
a
c l o c k
r a t e
o f
1
kHz
a n d
a
f i l t e r
w i t h
a
p a s s b a n d
o f
0 -
5 0 0
H z .
T h e c l o c k
p u l s e
a l s o
d r i v e s
a
d i v i d e r
c h a i n
w h o s e
o u t p u t s
c a n
b e
u s e d
t o
l o a d
a
c o m p l e t e
s e t
o f
3 1
b i t s
f r o m
a
memory
e l e m e n t i n t o t h e
s h i f t
r e g i s t e r ,
a n d a l s o t o
r e s e t t h e
d i v i d e r
c h a i n .
S i n c e t h e s h i f t
r e g i s t e r
i s
a
d e t e r m i n i s t i c
d e v i c e ,
i t w i l l g e n e r a t e
a n i d e n t i c a l b i n a r y p a t t e r n f o l l o w i n g
e a c h
l o a d -
i n g
o f t h e s a m e
3 1
b i t s ,
w h e r e
e a c h b i t may
b e
0 o r 1 . T h e
p u l s e f r o m
t h e d i v i d e r c h a i n
i s a l s o u s e d f o r
s y n c h r o n i z a t i o n
o f
a n
e x t e r n a l a v e r a g i n g
d e v i c e a t
t h e
s t a r t
o f
e a c h
s e q u e n c e .
I n
c a s e t h e
i n t e r v a l s
a v a i l a b l e f r o m t h e
d i v i d e r
c h a i n
a r e
n o t
s u i t a b l e
f o r
a
p a r t i c u l a r
e x p e r i m e n t , t h e
s w i t c h p r o v i d e s
f o r
c o n n e c t i o n t o a n e x t e r n a l
s o u r c e
o f l o a d i n g
p u l s e s .
When
t h e
s w i t c h i s
s e t
t o
t h e
g r o u n d e d
p o s i t i o n
t h e r e w i l l
b e n o
r e l o a d i n g
0 0 1 8 - 9 2 9 4 / 8 0 / 0 1 0 0 - 0 0 5 1
0 0 . 7 5
1 9 8 0
I E E E
5 1
-
7/21/2019 1980_Coherence Improvement in White Noise Analysis by the Use1
2/3
IEEE
TRANSACTIONS ON
BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL. BME-27,
NO. 1 ,
JANUARY
1 9 8 0
. z
I -
-J
L L I
i x
0)
F i g .
1 . B l o c k
d i a g r a m
o f t h e r e p e a t e d
p s e u d o r a n d o m
b i n a r y
s e q u e n c e
g e n e r a t o r . T h e p r o t o t y p e
v e r s i o n
w a s
c o n s t r u c t e d
f r o m s t a n d a r d
TTL
l o g i c
e x c e p t
f o r t h e
a n a l o g
f i l t e r
w h i c h u s e d
o p e r a t i o n a l
a m p l i -
f i e r s . T h e s h i f t
r e g i s t e r
w a s
a s s e m b l e d
f r o m f o u r 7 4 1 9 9
c i r c u i t s
a n d
t h e
d i v i d e r
c h a i n
f r o m
f o u r
7 4 1 6 1 c o u n t e r c i r c u i t s . T h e memory
e l e m e n t
c o n s i s t e d o f t w o
BCD
t h u m b w h e e l
s w i t c h e s
w i t h t h e i r
o u t -
p u t s
c o n n e c t e d t o t h e i n p u t s
o f b i t s 1 , 5 , 9 ,
1 3 ,
1 7 ,
2 1 , 2 5 ,
a n d 2 9
o f t h e
s h i f t r e g i s t e r . A l l
o t h e r i n p u t s
t o t h e s h i f t r e g i s t e r
w e r e c o n -
n e c t e d t o
a l o g i c a l 1 . T h e memory
d i s p l a y c o n s i s t e d
o f t w o BCD
s e v e n
s e g m e n t
d i s p l a y s
c o n n e c t e d
t o t h e
t h u m b w h e e l
s w i t c h e s .
o f t h e s h i f t
r e g i s t e r ,
a n d i t
w i l l
c o n t i n u e
t o
g e n e r a t e
a
l o n g
b i n a r y
s e q u e n c e
a s
i n
a
c o n v e n t i o n a l
g e n e r a t o r .
Th e
s t r u c t u r e
o f t h e
memory
e l e m e n t
may
v a r y
w i t h
t h e d e m a n d s
o f
t h e
u s e r .
I n
t h e
p r o t o t y p e
i t w a s
d e c i d e d t o h a v e
1 0 0
d i f f e r e n t
s e q u e n c e s
a v a i l a b l e
s i n c e
t h i s
w o u l d
b e more t h a n
a d e q u a t e
f o r
a l l
o f t h e
e x p e r i m e n t s c u r r e n t l y e n v i s i o n e d . A
s h i f t r e g i s t e r
h a v i n g
3 1
b i t s
c a n
c o n t a i n 2 3 1 d i f f e r e n t
s t a t e s ,
a n d s o a
c o m p l e t e c y c l e
t h r o u g h
a l l
p o s s i b l e s t a t e s
( e x c e p t i n g
a l l
z e r o s ) w i l l , t h e r e f o r e ,
t a k e 2 3 1
-
1 ,
o r
a p p r o x i m a t e l y
2 . 1
5 X
1 0 9 ,
s h i f t s .
W i t h a s h i f t
r a t e
o f
1
k H z ,
t h i s
w i l l
t a k e a
l i t t l e
o v e r 2 1
d a y s .
I t w o u l d b e
i d e a l l y
d e s i r a b l e t o d i v i d e t h e
t o t a l
a v a i l a b l e
s e q u e n c e u p
i n t o
s u b s e q u e n c e s
o f
i d e n t i c a l
l e n g t h .
H o w e v e r ,
t h i s w o u l d
i n v o l v e
h a v i n g a f u l l 3 1
b i t memory
f o r
t h e
s t a r t i n g
p o i n t o f
e a c h
s e q u e n c e , a s w e l l a s w o r k i n g o u t
e x a c t
b i t
p a t t e r n s
a t
e v e n l y
s p a c e d
p o i n t s
i n
t h e s e q u e n c e .
I n
t h e p r o t o t y p e
t h e
memory
c o n s i s t s o f 2
b i n a r y
c o d e d
d e c i m a l
t h u m b w h e e l
s w i t c h e s
w h i c h
c o n t r o l
8
b i t s ,
a n d t h e
r e m a i n i n g
2 3
b i t s
a r e
f i x e d a t t h e
l o g i c a l
I s t a t e .
T h e
8 b i t s
f r o m t h e s w i t c h e s
a r e d i s t r i b u t e d
t h r o u g h
t h e
memory
e l e m e n t w i t h
a
s p a c i n g
o f
I
s w i t c h e d b i t
e v e r y
4
b i t s . S i n c e e a c h
s w i t c h
h a s
1 O
p o s i t i o n s ,
t h e r e a r e 1 0 0
d i f f e r e n t a v a i l a b l e
s t a r t i n g
p o i n t s .
I n o r d e r
t o
t e s t
t h e
r e s u l t s
o f t h i s
d e s i g n ,
a
s i m u l a t i o n
o f
t h e
d e v i c e
w a s
c a r r i e d
o u t
u s i n g
a
d i g i t a l
c o m p u t e r .
E a c h
o f t h e
1 0 0
s e q u e n c e s
w a s
s t a r t e d a n d
t h e
s h i f t i n g o p e r a t i o n p e r f o r m e d
u n t i l
t h e
s t a r t i n g
p o i n t
o f
a n o t h e r
o f t h e
1 0 0
s e q u e n c e s
w a s
r e a c h e d .
T h e
a v e r a g e l e n g t h
o f
t h e
1 0 0
s e q u e n c e s
w a s
2 . 1 5
X
1 0 7
s h i f t s ,
a s
e x p e c t e d ,
a n d
t h e maximum a n d minimum
l e n g t h s
o f
t h e d i f f e r e n t
s e q u e n c e s
w e r e
8 . 6 5
X
10 7 a n d 2 . 0 7
X
1 0 5
s h i f t s .
W i t h a c l o c k r a t e o f
1
k H z ,
t h e
u s e r
i s ,
t h e r e f o r e ,
s u r e
o f
a
s e q u e n c e
b e i n g
u n i q u e
f o r
a t
l e a s t
2 0 0
s .
S i n c e t h e
b a n d w i d t h
p r o d u c e d
b y
t h i s
c l o c k
r a t e i s 5 0 0
H z ,
t h e d a t a
w o u l d h a v e
t o
b e
s a m p l e d
a t I
kHz
t o
s a t i s f y
t h e
N y q u i s t
s a m p l i n g
l i m i t
[ 4 1 ,
a n d s o
more t h a n
2
X
1 0 5 d a t a
p o i n t s
c o u l d b e
g a t h e r e d .
I t
i s
v e r y
u n l i k e l y
t h a t
l o n g e r s e q u e n c e s
w o u l d
b e
r e q u i r e d e x p e r i m e n t a l l y ,
b u t
t h e y
c o u l d b e
p r o d u c e d e i t h e r
b y
e n l a r g i n g
t h e b a s i c
s h i f t
r e g i s t e r ,
o r
b y u s i n g
a m o r e
s o p h i s t i c a t e d
memory
e l e m e n t
s u c h
a s
a
r e a d - o n l y memory
o r
a
d i g i t a l c o m p u t e r
t o
b r e a k
t h e
l o n g
s e q u e n c e u p
i n t o
s e g m e n t s
o f
more
e v e n l y '
d i s t r i b u t e d
l e n g t h .
T h e
s e c o n d m o d e l
b e i n g
c o n s t r u c t e d
i n
t h i s
l a b o r a t o r y
h a s tw o
b i n a r y
c o d e d d e c i m a l
c o u n t e r c i r c u i t s
r e p l a c i n g
t h e t h u m b -
w h e e l
s w i t c h e s s o
t h a t
a
c o m p u t e r
c a n
s e l e c t
t h e
n e x t
s t a r t i n g
p a t t e r n
b y s e n d i n g
a
s i n g l e p u l s e
t o
t h e
g e n e r a t o r
a t
t h e e n d
o f e a c h
a v e r a g i n g
s e s s i o n .
A l t h o u g h
e a c h
o f
t h e
n o i s e
s e q u e n c e s
i s
d i f f e r e n t
f r o m
a l l
o f t h e
o t h e r s , t h e y
a r e b o u n d
t o
h a v e
s t r o n g s i m i l a r i t i e s
f o r
0
_ *
*
.
O
S
L
0
. 5
.
*
.
* .
s
5 0
M I L L I S E C O N D S
I
1 0 0
F i g . 2 . C o r r e l a t i o n
b e t w e e n t h e 1 0 0
d i f f e r e n t n o i s e s e q u e n c e s
p r o d u c e d
b y t h e p r o t o t y p e
d u r i n g t h e i n i t i a l 1 0 0 ms f o l l o wi n g t h e
s y n c h r o n i -
z a t i o n
p u l s e .
T h e
h i g h
c o r r e l a t i o n b e t w e e n
t h e
d i f f e r e n t p a t t e r n s
a t
s h o r t t i m e s
i s
d u e
t o t h e l a r g e n u m b e r
o f
s i m i l a r
b i t s
e m e r g i n g f r o m
t h e
s h i f t r e g i s t e r
d u r i n g t h e i n i t i a l
3 1 s h i f t s . H o w e v e r , b y t h e
t i m e
t h a t
1 0 0
s h i f t s
h a v e
o c c u r r e d t h e
p a t t e r n s
h a v e
d i v e r g e d
t o
b e
r e l a t i v e l y
u n c o r r e l a t e d
w i t h
e a c h o t h e r .
t h e
f i r s t f e w
s h i f t s b e c a u s e s o m a n y o f
t h e b i t s w i l l b e common
b e t w e e n
a n y two
s t a r t i n g
s t a t e s . I n
o r d e r t o e x a m i n e
t h i s
p r o b l e m ,
w e
s a m p l e d e a c h o f t h e 1 0 0 n o i s e
p a t t e r n s f r o m t h e
g e n e r a t o r a t 1
ms
i n t e r v a l s
f o r t h e f i r s t 1 0 0 ms
o f e a c h
s e q u e n c e .
Th e
n o i s e w a s
s a m p l e d a f t e r p a s s i n g
t h r o u g h
t h e
a n a l o g f i l t e r
a n d
a f t e r t h e mean
l e v e l o f t h e
s i g n a l
h a d
b e e n a d j u s t e d
t o
z e r o . A
c o r r e l a t i o n f u n c t i o n
w a s t h e n
d e r i v e d
f r o m
x i ,
t
X y ,
d 1 X i t
x i , d
w h e r e
x i , t
i s
t h e
a m p l i t u d e o f t h e o u t p u t
s i g n a l
a t t i m e
t i n
t h e
i t h
s e q u e n c e a n d
4
i n d i c a t e s
a n e n s e m b l e
a v e r a g e . T h i s
c o r -
r e l a t i o n
f u n c t i o n
b e t w e e n
t h e
d i f f e r e n t
s e q u e n c e s i s
shown
i n
F i g . 2 . T h e r e
a r e
s t r o n g
c o r r e l a t i o n s
b e t w e e n t h e s i g n a l s
f o r
t h e i n i t i a l
5 0
m s , b u t a f t e r t h i s
t i m e t h e y b e c o m e
i n d e p e n d e n t .
B e c a u s e
o f t h i s
f i n d i n g , we
a l w a y s
a l l o w a p e r i o d o f
1 0 0
ms
f r o m
t h e
s t a r t o f a
s y n c h r o n i z a t i o n p u l s e t o
t h e t i m e
t h a t
w e
b e g i n s a m p l i n g
t h e
i n p u t
a n d
o u t p u t s i g n a l s .
I f t h e
s y s t e m
u n d e r
i n v e s t i g a t i o n
p o s s e s s e d t i m e c o n s t a n t s o f 5 0
ms o r m o r e ,
i t
w o u l d
b e n e c e s s a r y t o u s e
a
l o n g e r i n i t i a l
d e l a y .
H o w e v e r ,
s u c h a
s y s t e m w o u l d
p r o b a b l y b e i n v e s t i g a t e d
w i t h
a l o w e r
b a n d w i d t h s i g n a l , a n d s o
a s l o w e r c l o c k r a t e
w o u l d
a l s o
b e
u s e d .
I n o r d e r
t o
t e s t
t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e r e pe a t i n g
s e q u e n c e
g e n e r a t o r
q u a n t i t a t i v e l y , a
h a r d w a r e
s i m u l a t i o n s y s t e m w a s
c o n s t r u c t e d i n
w h i c h
a n
i n d e p e n d e n t
n o i s e
s o u r c e w a s
a d d e d
t o t h e
s t i m u l u s
n o i s e
s o u r c e a n d
t h e
summed
n o i s e s i g n a l
t r e a t e d
a
t h e
s y s t e m
r e s p o n s e .
T h e
a m p l i t u d e s
o f
t h e two
n o i s e s i g n a l s w e r e
a p p r o x i m a t e l y
e q u a l .
T h e
c o h e r e n c e
f u n c
t i o n
o f
t h e
s y s t e m
w a s
d e t e r m i n e d b y
p r o c e s s i n g
2 5
s e g m e n t s
o f
d a t a ,
e a c h
c o n t a i n i n g
5 1 2
p a i r s
o f
s a m p l e s
o f
t h e i n p u t ' a n d
o u t p u t
s i g n a l s
t a k e n a t 1
ms i n t e r v a l s w i t h
a c o n t i n u o u s
p s e u d o -
r a n d o m
s i g n a l a s
t h e
i n p u t . T h e c o h e r e n c e
f u n c t i o n f r o m
t h i s
e x p e r i m e n t m e a s u r e d
a p p r o x i m a t e l y 0 . 5 a t a l l
f r e q u e n c i e s .
F o r a
l i n e a r
s y s t e m
t h e c o h e r e n c e
f u n c t i o n
m a y
b e
r e l a t e d
t o
t h e
s i g n a l - t o - n o i s e
r a t i o
b y
l y 2
( f )
=
[
1
+N f
) I S ( f )
w h e r e
N f
)
i s
t h e
i n h e r e n t n o i s e p o w e r
a n d
S
( f
) i s
t h e c o -
h e r e n t s i g n a l p o w e r
a t f r e q u e n c y f [ 4 ] .
S i n c e t h e
s i g n a l
a n d
t h e
i n h e r e n t
n o i s e w e r e o f
a p p r o x i m a t e l y e q u a l
a m p l i t u d e ,
t h e
c o h e r e n c e f u n c t i o n v a l u e
o f 0 . 5 i s t o
b e e x p e c t e d . I n a
s e c o n d
e x p e r i m e n t , t h e
r e p e a t e d
s e q u e n c e g e n e r a t o r w a s u s e d
a n d
t h e
5 2
1
-
7/21/2019 1980_Coherence Improvement in White Noise Analysis by the Use1
3/3
I E E E
TRANSACTIONS
ON BIOMEDICAL
ENGINEERING,
VOL. B M E - 2 7 , N O . 1 ,
JANUARY
1 9 8 0
I r -
w
z
w
I
C- )
O t
1 0 2 0
5 0
10 0
2 00
FREQUENCY ( H z )
F i g .
3 . T h e c o h e r e n c e
f u n c t i o n 7 2 ( f )
f o r p h o t o t r a n s d u c t i o n
i n a
r e t i n u l a c e l l
o f t h e c o m p o u n d e y e
o f t h e
f l y
P h o r m i a
r e g i n a .
T h e
l o w e r t r a c e s h o w s
t h e e s t i m a t e d
c o h e r e n c e
w i t h o u t a v e r a g i n g
t o
r e p e a t e d
b u r s t s a n d
t h e
u p p e r
t r a c e
s h o w s
t h e e s t i m a t e d
c o h e r e n c e
w i t h a v e r a g i n g
t o 1 0 i d e n t i c a l b u r s t s
f o r e a c h m e a s u r e m e n t .
o u t p u t
d a t a
s e g m e n t s
w e r e e a c h o b t a i n e d b y a v e r a g i n g
2 0
r e -
s p o n s e s o f t h e s y s t e m
t o
e a c h
n o i s e s e g m e n t .
A s e x p e c t e d ,
t h e
c o h e r e n c e
f u n c t i o n
w a s n o w
g r e a t e r
t h a n
0 . 9
a t
a l l
f r e q u e n c i e s .
I n o r d e r
t o
d e m o n s t r a t e
t h e
e f f e c t i v e n e s s
o f t h e r e p e a t e d
s e q u e n c e m e t h o d
o n
a b i o l o g i c a l
p r e p a r a t i o n ,
a n e x p e r i m e n t
w a s p e r f o r m e d t o
m e a s u r e
t h e
c o h e r e n c e
f u n c t i o n f o r
l i g h t
t r a n s d u c t i o n
i n
a
r e t i n u l a
c e l l
o f t h e compound
e y e
o f P h o r m i a
r e g i n a ,
w h i c h
h a s b e e n s h o w n b e f o r e
t o p o s s e s s s i g n i f i c a n t
i n h e r e n t n o i s e .
T h e
e x p e r i m e n t a l
a r r a n g e m e n t
w a s
i d e n t i c a l
t o t h a t
w h i c h h a s
b e e n
d e s c r i b e d
p r e v i o u s l y
[ 1 5 ]
w i t h t h e
s t i m u l u s
b e i n g
d e l i v e r e d v i a a g r e e n
l i g h t - e m i t t i n g
d i o d e a n d
t h e
r e s p o n s e
m e a s u r e d i n t r a c e l l u l a r l y
b y
a
g l a s s
m i c r o e l e c t r o d e .
T h e
i n p u t
a n d
o u t p u t
s i g n a l s
w e r e s a m p l e d a t
I
m s i n t e r v a l s
a n d
2 5
s e g m e n t s
o f d a t a w e r e
t a k e n ,
e a c h
o f
5 1 2 p a i r s o f i n p u t
a n d
o u t p u t s a m p l e s .
T h e
e x p e r i m e n t
w a s
c a r r i e d
o u t
u s i n g
a
n o r m a l
n o i s e s i g n a l a n d
a l s o b y
t a k i n g 1 0 a v e r a g e s o f
t h e
r e s p o n s e t o r e p e a t e d p s e u d o r a n d o m
s e q u e n c e s .
F i g .
3
s h o w s
t h e
r e s u l t a n t
c o h e r e n c e
f u n c t i o n s
f o r
t h e
two
e x p e r i m e n t s ,
a n d i t i s c l e a r
t h a t
a s u b s t a n t i a l
i m p r o v e m e n t
i n
t h e
c o h e r e n c e
f u n c t i o n
r e s u l t s
f r o m a v e r a g i n g
o u t t h e
i n h e r e n t n o i s e .
I n
c o n c l u s i o n ,
a v e r a g i n g t h e o u t p u t
o f a n
unknown s y s t e m
t o r e p e a t e d
b u r s t s
o f i d e n t i c a l
r a n d o m
n o i s e ma y b e
u s e d t o
s u b s t a n t i a l l y
r e d u c e
t h e
e f f e c t s o f
i n h e r e n t v a r i a b i l i t y a n d t o
i m p r o v e
t h e
m e a s u r e d v a l u e o f
t h e c o h e r e n c e
f u n c t i o n . T h e
d e v i c e d e s c r i b e d h e r e
p r o v i d e s
a
r e l a t i v e l y s i m p l e
m e a n s
o f
p r o d u c i n g
t h e
r e q u i r e d
b u r s t s o f
i d e n t i c a l
p s e u d o r a n d o m
n o i s e .
ACKNOWLEDGMENT
T h e
a u t h o r
w i s h e s
t o
t h a n k B . B e n n e t t
f o r h i s
e x p e r t
t e c h -
n i c a l a s s i s t a n c e .
REFERENCES
[ 1 ]
P . Z . M a r m a r e l i s a n d
V . Z .
M a r m a r e l i s , A n a l y s i s o f P h y s i o l o g i c a l
S y s t e m s ,
T h e
W h i t e N o i s e
A p p r o a c h .
Ne w Y o r k : P l e n u m ,
1 9 7 8 .
[ 2 ] A .
S .
F r e n c h ,
A . V . H o l d e n , a n d
R .
B .
S t e i n ,
T h e e s t i m a t i o n
o f t h e
f r e q u e n c y
r e s p o n s e
f u n c t i o n o f
a
m e c h a n o r e c e p t o r ,
K y b e r n e t i k ,
v o l .
1 1 , p p . 1 5 - 2 3 ,
1 9 7 2 .
[ 3 ]
A .
S .
F r e n c h a n d
E . G . B u t z , M e a s u r i n g
t h e W i e n e r k e r n e l s
o f a
n o n l i n e a r
s y s t e m u s i n g
t h e f a s t
F o u r i e r t r a n s f o r m
a l g o r i t h m ,
I n t . J .
C o n t r o l ,
v o l .
1 7 ,
p p . 5 2 9 - 5 3 9 ,
1 9 7 3 .
[ 4 1
J . S .
B e n d a t a n d
A .
G .
P i e r s o l ,
M e a s u r e m e n t
a n d
A n a l y s i s o f
Random D a t a . Ne w
Y o r k :
W i l e y ,
1 9 6 6 .
[ 5 1
G .
M . J e n k i n s
a n d
D .
G .
W a t t s ,
S p e c t r a l A n a l y s i s
a n d
I t s
A p p l i -
c a t i o n s . S a n
F r a n c i s c o ,
C A :
H o l d e n - D a y , 1 9 6 8 .
[ 6 ]
A . S .
F r e n c h a n d
M .
J a r v i l e h t o ,
T h e
d y n a m i c
b e h a v i o u r
o f
p h o t o -
r e c e p t o r
c e l l s i n t h e f l y i n r e s p o n s e t o
r a n d o m ( w h i t e n o i s e )
s t i m u l a t i o n a t a r a n g e o f t e m p e r a t u r e s ,
J .
P h y s i o l . , v o l . 2 7 4 ,
p p . 3 1 1 - 3 2 2 , 1 9 7 8 .
[ 7 1
P r o c .
1 s t
S y m p .
T e s t i n g
I d e n t i f i c a t i o n o f
N o n l i n e a r
S y s t . ,
G .
D .
McCann
a n d
P . Z . M a r m a r e l i s ,
E d s .
P a s a d e n a ,
C A : C a l i -
f o r n i a
I n s t i t u t e
o f
T e c h n o l o g y
P r e s s , 1 9 7 5 .
[ 8 1
H .
S p e k r e i j s e ,
R e c t i f i c a t i o n
i n
t h e
g o l d f i s h
r e t i n a : A n a l y s i s b y
s i n u s o i d a l a n d
a u x i l i a r y
s t i m u l a t i o n ,
V i s i o n R e s .
v o l . 9 , p p .
1 4 6 1 - 1 4 7 2 ,
1 9 6 9 .
[ 9 1
1 .
W .
C o o l e y
a n d J .
W .
T u k e y , An a l g o r i t h m
f o r t h e
m a c h i n e
c a l c u l a t i o n
o f c o m p l e x
F o u r i e r
s e r i e s ,
M a t h . C o m p u t i n g ,
v o l .
1 9 ,
p p .
2 9 7 - 3 0 1 ,
1 9 6 5 .
[ 1 0 ]
A .
S .
F r e n c h a n d
R .
K .
S . W o n g ,
N o n l i n e a r a n a l y s i s
o f
s e n s o r y
t r a n s d u c t i o n
i n
a n
i n s e c t m e c h a n o r e c e p t o r ,
B i o l .
C y b e r n . ,
v o l .
2 6 ,
p p .
2 3 1 - 2 4 0 , 1 9 7 7 .
[ 1 1 ]
W .
D .
T .
D a v i e s , S y s t e m
I d e n t i f i c a t i o n
f o r
S e l f A d a p t i v e C o n t r o l .
Ne w
Y o r k : W i l e y , 1 9 7 0 .
[ 1 2 ]
D .
P .
O ' L e a r y a n d
V . H o n r u b i a ,
O n - l i n e i d e n t i f i c a t i o n
o f
s e n s o r y
s y s t e m s
u s i n g p s e u d o r a n d o m
b i n a r y n o i s e
p e r t u r b a t i o n s , B i o -
p h y s . J . , v o l .
1 5 ,
p p . 5 0 5 - 5 3 2 ,
1 9 7 5 .
[ 1 3 1
P .
Z .
M a r m a r e l i s
a n d
K .
I . N a k a , W h i t e n o i s e
a n a l y s i s o f
a
n e u r o n
c h a i n :
An
a p p l i c a t i o n
o f t h e W i e n e r
t h e o r y ,
S c i e n c e ,
v o l .
1 7 5 , p p . 1 2 7 6 - 1 2 7 8 ,
1 9 7 2 .
[ 1 4 ]
H . R .
B e a s t a l l ,
W h i t e
n o i s e
g e n e r a t o r ,
W i r e l e s s W o r l d ,
v o l . 7 8 ,
p p . 1 2 7 - 1 2 8 , 1 9 7 2 .
[ 1 5 1
A .
S . F r e n c h , T h e
e f f e c t o f l i g h t a d a p t a t i o n
o n t h e d y n a m i c
p r o p e r t i e s
o f p h o t o t r a n s d u c t i o n
i n t h e f l y ,
P h o r m i a r e g i n a ,
B i o l .
C y b e r n . , v o l .
3 2 ,
p p .
1 1 5 - 1 2 3 , 1 9 7 9 .
I m p l a n t a b l e
E l e c t r o d e P a i r
f o r
R e c o r d i n g
f r o m
I n t a c t S m a l l
N e r v e s
ROBERT
B .
BANZETT
A b s t r a c t - T h e
c o n s t r u c t i o n o f
a n
i m p l a n t a b l e
e l e c t r o d e
p a i r
s u i t a b l e
f o r
r e c o r d i n g s p o n t a n e o u s
m u l t i p l e
f i b e r a c t i v i t y
i n
i n t a c t s m a l l
n e r v e s
i s
d e s c r i b e d . F a b r i c a t i o n
o f
t h e
e l e c t r o d e s i s
n o t
d i f f i c u l t ,
a n d
i m p l a n -
t a t i o n
i s
s t r a i g h t f o r w a r d
a n d
c a u s e s
l i t t l e
n e r v e t r a u m a . T h e s e
e l e c -
t r o d e s
g i v e
g o o d s i g n a l / n o i s e
r a t i o ,
a n d a r e
s t a b l e
o v e r
s e v e r a l
h o u r s .
T h e y a l l o w
t h e
e x p e r i m e n t e r
t o
move
t h e a n i m a l d u r i n g r e c o r d i n g .
INTRODUCTION
I
h a v e
d e v e l o p e d
a n
i m p l a n t a b l e
e l e c t r o d e
p a i r
f o r
r e c o r d i n g
m u l t i p l e
f i b e r
e l e c t r i c a l
a c t i v i t y
o f
i n t a c t
s m a l l n e r v e s
d u r i n g
a c u t e
e x p e r i m e n t s .
T h e s e
e l e c t r o d e s
may
a l s o
b e
u s e d f o r
s t i m u l a t i o n
o f n e r v e b u n d l e s .
T h e
e l e c t r o d e
p a i r
d e s c r i b e d
h e r e i s m o r e
e a s i l y f a b r i c a t e d
t h a n t h o s e d e s i g n e d
f o r c h r o n i c
i m p l a n t a t i o n
[ 1 ] ,
[ 2
] ,
a n d i s e a s i e r t o i m p l a n t
w i t h o u t
c a u s i n g
t r a u m a
t o
s m a l l
n e r v e s .
U s i n g
t h e s e e l e c t r o d e s
I
h a v e r e c o r d e d
t h e
a c t i v i t y
o f
a
s i n g l e
r o o t o f
t h e
p h r e n i c
n e r v e
i n
a n e s t h e -
t i z e d
r a b b i t s
f o r
s e v e r a l h o u r s
w i t h
l i t t l e
o r
no
d e c r e m e n t
i n
s i g n a l
s t r e n g t h
( F i g . 1 ) .
D u r i n g
t h e
c o u r s e o f
t h e s e
e x p e r i -
m e n t s t h e
a n i m a l
i s
t u r n e d
f r o m
p r o n e
t o
s u p i n e ,
a n d
v a r i o u s
r e s p i r a t o r y
m a n e u v e r s
a r e
d o n e
w i t h o u t
d i s t u r b i n g
t h e
o u t p u t
o f t h e e l e c t r o d e s .
T h i s e l e c t r o d e
p a i r
c a n
b e
a d a p t e d
t o
many
M a n u s c r i p t
r e c e i v e d
Ma y
2 9 ,
1 9 7 9 ;
r e v i s e d
A u g u s t
2 7 ,
1 9 7 9 .
T h i s
w o r k w a s s u p p o r t e d
b y
t h e N a t i o n a l
I n s t i t u t e s
o f
H e a l t h u n d e r
G r a n t s
HL 1 4 5 8 0 a n d
HL
5 0 1 4 - 0 2 .
T h e
a u t h o r
i s
w i t h
t h e
D e p a r t m e n t
o f
P h y s i o l o g y ,
H a r v a r d
S c h o o l
o f
P u b l i c
H e a l t h ,
B o s t o n ,
MA 0 2 1 1 5 .
0 0 1 8 -9 2 9 4 / 8 0 / 0 1 0 0 -0 0 5 3 0 0 . 7 5
41 9 8 0
IEEE
5 3
