基于LabVIEW的雙線程模式自適應相干模板法的實現

薛艷博，尤一鳴，熊 慧

（天津工業大學 電氣工程與自動化學院，天津300160）

隨著具有高速運算能力及靈活的界面顯示特性的虛擬儀器的迅速發展，數字濾波技術成為采集系統中一種簡化電路及降低成本的重要手段[1]。

采集系統中，工頻干擾是影響信號檢測質量的主要因素之一。在數字濾波技術領域，常用的工頻干擾濾除算法有陷波濾波法、工頻干擾回歸相減消除法（Regress-Subtraction）、自適應濾波法等[2]。參考文獻[3]提出的自適應相干模板法是一種有效濾除工頻干擾的算法，該算法以加法和減法為主，運算效率較高，可通過合理選擇采樣頻率來確定帶阻濾波器的中心頻率，通過改變模板長度，實現濾波器帶寬的調整[3]。但是在多數采集系統中，由于工頻干擾的頻率是不斷變化的，導致該算法在有效濾除工頻干擾的同時，不能保證濾波器較好的低頻特性。為此參考文獻[4]提出了一種改進算法——簡化FFT可跟蹤工頻干擾的自適應相干模板法，該算法通過跟蹤工頻干擾頻率的變化，不斷微調濾波器帶阻中心頻率，從而使濾波器同時具備了良好的低頻特性和工頻抑制特性。但是該算法能否達到良好的濾波效果，關鍵在于能否準確實時跟蹤工頻干擾頻率的變化，例如在有些工頻干擾頻率變化較快的采集系統中，該算法濾波效果會明顯變差。本文提出了一種基于LabVIEW的雙線程模式跟蹤工頻干擾的自適應相干模板法，即工頻干擾的跟蹤和濾除分別采用獨立線程，線程之間采用通知器進行協調。從而保證即使在工頻干擾變化較快的采集系統中，也能同時完成對工頻干擾的實時跟蹤和高速有效的濾除。

1 自適應相干模板算法基本原理分析

自適應相干模板法根據原始信號的相干特點，從原始信號中得到工頻干擾的模板，再減去該模板，從而實現工頻干擾的濾除。

設X(n)為原始信號，S(n)為有用信號，N(n)為工頻干擾信號，則X(n)=S(n)+N(n)，定義模板信號為：

式中，fS為采樣頻率；fg為周期性干擾頻率。對于自適應模板法，要求fS為fg的整數倍，即若工頻干擾fg為50 Hz，則要求 fS=L×fg，L為整數。 由于 N(n)為周期信號，若S(n)為零均值信號，當M足夠大時：

將式(2)代人式(1)中，可得：

由 X(n)=S(n)+N(n)可知，從 X(n)中減去模板信號M(n)可得到S(n)，達到濾除工頻干擾的目的。即：

對式(4)作Z變換，可得到對應的系統傳遞函數為：

令z=ejω，得到其對應的頻域表達式為：

式(6)可以看作是一全通濾波器減去帶通濾波器的形式，帶通濾波器幅頻響應由 sin(LMω)/(sin(Lω))決定，其分子項周期較短，隨ω變化而迅速變化，形成了高速抖動的波紋，并決定了濾波器的陷波帶寬，與之相比分母周期較長，變化緩慢，決定了通帶的位置。圖1為在不同M值時系統的幅頻響應特性。

由圖1可知，M值較大時，通頻帶的紋波系數較小，阻帶寬度也較窄，即系統幅頻特性較好。但在實際設計濾波器過程中，當M值大到超過某一值時，工頻干擾的濾波效果反而會變差，原因在于工頻干擾并非為理想的50 Hz，而是具有一定頻率變化范圍(49.5 Hz～50.5 Hz)[3]。 所以在有效濾除工頻干擾的同時，要保證濾波器具有足夠低的低端截止頻率，就必須對原算法進行改進。

由式(6)可知：濾波器帶阻中心頻率只跟L有關，所以可通過FFT跟蹤工頻干擾頻率的變化來實時調整濾波器陷波中心頻率，以達到同時濾除工頻干擾和基線漂移的效果。圖2為在微調采樣頻率時系統的幅頻特性。

2 自適應相干模板法在LabVIEW上的實現

根據上述算法原理，改進后的算法實現主要包括濾波器帶阻中心頻率的微調和工頻干擾濾除兩部分內容，在LabVIEW上實現可采用雙線程同時運行兩部分程序，線程之間通過事件通知控件進行協調和同步。這樣可以在提高程序運行效率的同時，實現快速實時跟蹤和濾除工頻干擾的目的。

2.1 濾波器陷波中心頻率微調

濾波器帶阻中心頻率主要根據FFT提取工頻干擾頻率的變化來微調，程序流程如圖3所示。首先預設一個采樣頻率fS，采集N個信號數據，通過FFT提取信號數據中工頻干擾頻率分量對應的頻譜位置。然后假設預估計工頻干擾頻率為 f，則由式 N×f／fS求得頻率 f對應頻譜線的位置。最后將當前工頻頻譜位置和預估計工頻頻譜位置做差，并以此來調節采樣頻率。

FFT提取工頻干擾分量在LabVIEW上的實現主要有兩種方法，一種是直接使用FFT功率譜測量控件，該方法運算時間較長、效率較低；另一種方法是通過調用Mathscriot節點編程實現，該方法在實現過程中，可采用簡化FFT算法實現工頻分量的提取[3]，大大降低了程序運算量。所以，本文選取后者來實現對工頻分量的實時提取。

2.2 工頻干擾濾除

工頻干擾濾除程序包括建立工頻模板、濾除工頻干擾、修改工頻干擾模板三步。為了達到快速、連續濾波的目的，需實時修改工頻干擾模板，在LabVIEW實現過程中可采用逐點隊列控件，通過合理設置隊列長度，利用隊列進棧和出棧進行模板快速修改。

假設采樣頻率fS為200 Hz，則 L值為4，即在一個工頻干擾周期內有4個采樣值。圖4為工頻干擾濾除的程序。

其中長度為3的逐點隊列用于工頻模板存放，反饋節點用于出棧數據的存放和累加。長度為1 024的逐點隊列用于原始采集數據的存放。程序運行過程如下：

(1)工頻模板建立：當采樣點數達到1 024個時，工頻模板隊列及反饋節點中的存儲正好為根據mod(n/4)(n=0，l，2，…，l 023)取值經過 256 次疊加的數據，即為初始工頻模板。

(4)實現整個信號工頻干擾濾除：重復(2)～(3)即可完成對整個信號的工頻干擾濾除。

3 采集系統設計

采集系統主要包括前置放大及濾波電路模塊、A/D模塊、MCU模塊、上位機模塊。系統框圖如圖5所示。

其中A/D模塊采用高性能Σ-Δ模數轉換器AD7760，其為綜合增量調制編碼 Σ-Δ型轉換器，不僅具有很高的精度(可高達24 bit)，而且還具有很高的速度(高達2.5 MS/s)和寬的輸入帶寬，廣泛地應用于高精度高速率的數據采集系統。

MCU采用飛思卡爾32位單片機MCF51QE128。為了進一步提高A/D精度，采用了過采樣技術，提高了4 bit精度，算法原理在參考文獻已有詳細說明，在此不再贅述[5]。另外由于串口傳輸速率有限，在下位機進行下抽樣，然后通過串口傳輸到上位機。

4 試驗結果

為了測試算法對工頻干擾的濾除效果，對頻率為20 Hz、幅值為200 μV的正弦信號進行采集試驗。結果如圖6所示。圖6(a)為未采用自適應相干模板法的波形圖及幅頻圖，圖6(b)為經過自適應相干模板法處理后的波形圖和幅頻圖。

跟蹤工頻干擾的自適應相干模板法能夠在有效濾除工頻干擾的同時，保證濾波器具有良好的低頻特性，但是在工頻干擾頻率變化較快時，工頻跟蹤實時性變差，從而導致濾波效果變差。為此，本文通過在LabVIEW上采用雙線程模式，同時實現了工頻干擾的快速實時跟蹤和濾除。通過對采集頻率20 Hz、幅值 200 μV的正弦信號進行試驗，結果證明，即使在工頻干擾頻率變化較快時，也能快速、實時地實現濾波且濾除效果很明顯。

[1]Wang Sanxiu，Jiang Shengtao.Removal of power line interference of ECG signal based on independent component analysis[C].2009 First International Workshop on Education Technology and Computer Science,2009:328-330.

[2]王兵，王魁，梁曉霖，等.腦電信號中工頻干擾去除的綜合研究[J].傳感技術學報，2010，23(1)：87-92.

[3]LI G，LI L，YU Q.A new algorithm of adaptive coherent modelfor removal of power-line interference[J].Chinese Journal of Biomedical Engineering,l997，16(3)：281.

[4]于超，李剛，林凌.基于簡化 FFT可跟蹤工頻干擾的自適應相干模板法的實現[J].生物醫學工程學雜志，2007，24(4)：780-784.

[5]李剛，張麗君，林凌，等.利用過采樣技術提高 ADC測量微弱信號時的分辨率[J].納米技術與精密工程，2009，7(1)：71-76.