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基于IIR滤波器的运动员心跳信号滤波处理

2015-02-04彭泉

电子技术与软件工程 2014年22期

彭泉

随着科技的发展,体育运动员成绩的提高越来越依赖于科学技术,通过开发运动员的心跳信号检测系统,为教练员提供运动员的心率,可以帮助教练员调整运动员的运动强度和运动方法,从而提高训练效果,首先分析原始心跳信号样本的频谱,确定设计IIR滤波器的各项参数,通过IIR滤波器滤波得到处理后的心跳信号。用Matlab平台进行仿真实验,结果表明滤波效果明显。

【关键词】运动员心跳信号 Matlab IIR数字滤波器 信号滤波

目前,随着科学技术水平的提高,体育运动员体育成绩的提高更多的依靠科学技术。心跳信息对于教练指导运动员训练是极其重要的,教练可以根据运动员的心跳信息来合理的安排训练的长度及强度。基于此,一套运动员的心跳信号无线收发装置被设计,系统包括无线收发装置、A/D转换模块、数字信号处理模块、计算机分析存贮显示模块,还有单通道D/A转换、音频输出模块。这套装置可以帮助教练员更加科学的指导运动员的训练,提高运动员的水平。为了开发研究该项目中的信号处理模块,首先分析心跳信号样本的频谱,并根据分析的结果确定设计相应滤波器的各项参数,设计了一个IIR巴特沃斯数字滤波器对原始心跳信号进行滤波去噪。用Matlab对所有过程进行仿真效果,滤除原始心跳信号中的噪声,获得高信噪比的心跳信号。如图1所示。

1 运动员心跳信号频谱分析及设计滤波器的参数确定

所采集到的运动员心跳信号是一个频率范围在0~4KHZ内的音频信号,其抽样频率取8KHZ,这也是实际应用过程中对音频信号进行采样时所选取的频率。原始心跳信号波形如图2所示,该信号含有大量的噪声,通过音频率播放软件进行播放,可以听到较大的噪音,不能用于心率的计算分析,采用快速傅立叶变换FFT对原始心跳信号进行频谱分析,可得原始信号的频谱图如图3所示。

根据原始信号的频谱图确定所设计的数字滤波器参数如下:抽样频率8KHz,上阻带频率截止频率1800Hz和下阻带截止频率是1930Hz,通带频率范围是1800~1930Hz,根据实验反复测定,通带最大衰减为1dB,阻带最小衰减为60dB。以上的参数作为设计IIR带通滤波器的参数。

2 IIR滤波器的基本原理

IIR数字滤波器是一种离散时间系统,其系统函数为:

H(z)=

= Y(z) /X(z) (1-1)

假设M≤N,当M>N时,系统函数可以看作一个IIR的子系统和一个(M-N)的FIR子系统的级联。IIR数字滤波器的设计实际上是求解滤波器的系数ak和bk ,它是数学上的一种逼近问题,即在规定意义上(通常采用最小均方误差准则)去逼近系统的特性。如果在S平面上去逼近,就得到模拟滤波器;如果在z平面上去逼近,就得到数字滤波器。

通过上面的分析与调试,设计滤波器的类型和参数已经确定,是要设计一个通带频率范围是[1800~1930]HZ的带通滤波器。根据确定的参数设计对应的IIR滤波器方法有很多种。一般IIR数字滤波器的设计具体步骤如下:

(1)按照一定的规则将给出的数字滤波器的技术指标转换为模拟低通滤波器的技术指标。

(2)根据转换后的技术指标设计模拟低通滤波器G(s)(G(s)是低通滤波器的传递函数,采用巴特沃斯低通滤器。

(3)再按照一定的规则将G(s)转换成H(z)(这里采用双线性不变法进行设计)。若设计的数字滤波器是低通的,上述的过程可以结束,若设计的是高通、带通或者是带阻滤波器,那么还需要下面的步骤:将高通、带通或带阻数字滤波器的技术指标转换为低通模拟滤波器的技术指标,然后设计出低通G(s),再将G(s)转换为H(z)。

3 实验结果分析

用Matlab编程语言进行编程实现,通过反复实验得到滤波后的运动员心跳信号波形如图6所示,从滤波后的心跳信号可以看出滤波效果明显,可以看出清晰的等间隔的心跳信号,只有少量上下波动的噪音信号在零值附近,在第2个信号与第3个信号干忧波动信号较大,但波动信号的幅度的最大值还不到0.01,而目标心跳信号比噪声信号大的多,微小的噪音信号可以忽略不计。应用音频播放软件进行播放,心跳声音清晰,处理后信噪比高的心跳信号可以用来计算心率,为系统的开发打下基础。

参考文献

[1]侯志荣,吕振肃.IIR 数字滤波器设计的粒子群优化算法[J].电路与系统学报,2003,8(4):16-20..

[2]程佩青.数字信号处理教程(第三版)[M].北京:清华大学出版社,2007.

[3]丁磊,潘贞存,丛伟.基于 MATLAB 信号处理工具箱的数字滤波器设计与仿真[J]. 继电器,2003,31(9):49-51..

[4]刘彬.MATLAB环境下IIR滤波器设计,仿真与验证[J].电子测量技术,2011,34(4):7-10.

[5]徐红,李刚,黄朝耿.一种设计IIR数字滤波器的参数化方法[J].电子学报,2012,4(4):847-851.

作者单位

湖南浏阳市田家炳实验中学 湖南省浏阳市 410300endprint