基于IIR濾波器的運動員心跳信號濾波處理

彭泉

隨著科技的發(fā)展，體育運動員成績的提高越來越依賴于科學技術(shù)，通過開發(fā)運動員的心跳信號檢測系統(tǒng)，為教練員提供運動員的心率，可以幫助教練員調(diào)整運動員的運動強度和運動方法，從而提高訓練效果，首先分析原始心跳信號樣本的頻譜，確定設計IIR濾波器的各項參數(shù)，通過IIR濾波器濾波得到處理后的心跳信號。用Matlab平臺進行仿真實驗，結(jié)果表明濾波效果明顯。

【關(guān)鍵詞】運動員心跳信號 Matlab IIR數(shù)字濾波器 信號濾波

目前，隨著科學技術(shù)水平的提高，體育運動員體育成績的提高更多的依靠科學技術(shù)。心跳信息對于教練指導運動員訓練是極其重要的，教練可以根據(jù)運動員的心跳信息來合理的安排訓練的長度及強度。基于此，一套運動員的心跳信號無線收發(fā)裝置被設計，系統(tǒng)包括無線收發(fā)裝置、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號處理模塊、計算機分析存貯顯示模塊，還有單通道D/A轉(zhuǎn)換、音頻輸出模塊。這套裝置可以幫助教練員更加科學的指導運動員的訓練，提高運動員的水平。為了開發(fā)研究該項目中的信號處理模塊，首先分析心跳信號樣本的頻譜，并根據(jù)分析的結(jié)果確定設計相應濾波器的各項參數(shù)，設計了一個IIR巴特沃斯數(shù)字濾波器對原始心跳信號進行濾波去噪。用Matlab對所有過程進行仿真效果，濾除原始心跳信號中的噪聲，獲得高信噪比的心跳信號。如圖1所示。

1 運動員心跳信號頻譜分析及設計濾波器的參數(shù)確定

所采集到的運動員心跳信號是一個頻率范圍在0～4KHZ內(nèi)的音頻信號，其抽樣頻率取8KHZ，這也是實際應用過程中對音頻信號進行采樣時所選取的頻率。原始心跳信號波形如圖2所示，該信號含有大量的噪聲，通過音頻率播放軟件進行播放，可以聽到較大的噪音，不能用于心率的計算分析，采用快速傅立葉變換FFT對原始心跳信號進行頻譜分析，可得原始信號的頻譜圖如圖3所示。

根據(jù)原始信號的頻譜圖確定所設計的數(shù)字濾波器參數(shù)如下：抽樣頻率8KHz，上阻帶頻率截止頻率1800Hz和下阻帶截止頻率是1930Hz，通帶頻率范圍是1800～1930Hz，根據(jù)實驗反復測定，通帶最大衰減為1dB，阻帶最小衰減為60dB。以上的參數(shù)作為設計IIR帶通濾波器的參數(shù)。

2 IIR濾波器的基本原理

IIR數(shù)字濾波器是一種離散時間系統(tǒng)，其系統(tǒng)函數(shù)為：

H（z）=

= Y（z） /X（z） （1-1）

假設M≤N，當M>N時，系統(tǒng)函數(shù)可以看作一個IIR的子系統(tǒng)和一個（M-N）的FIR子系統(tǒng)的級聯(lián)。IIR數(shù)字濾波器的設計實際上是求解濾波器的系數(shù)ak和bk ，它是數(shù)學上的一種逼近問題，即在規(guī)定意義上（通常采用最小均方誤差準則）去逼近系統(tǒng)的特性。如果在S平面上去逼近，就得到模擬濾波器；如果在z平面上去逼近，就得到數(shù)字濾波器。

通過上面的分析與調(diào)試，設計濾波器的類型和參數(shù)已經(jīng)確定，是要設計一個通帶頻率范圍是[1800～1930]HZ的帶通濾波器。根據(jù)確定的參數(shù)設計對應的IIR濾波器方法有很多種。一般IIR數(shù)字濾波器的設計具體步驟如下：

（1）按照一定的規(guī)則將給出的數(shù)字濾波器的技術(shù)指標轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器的技術(shù)指標。

（2）根據(jù)轉(zhuǎn)換后的技術(shù)指標設計模擬低通濾波器G（s）（G（s）是低通濾波器的傳遞函數(shù)，采用巴特沃斯低通濾器。

（3）再按照一定的規(guī)則將G（s）轉(zhuǎn)換成H（z）（這里采用雙線性不變法進行設計）。若設計的數(shù)字濾波器是低通的，上述的過程可以結(jié)束，若設計的是高通、帶通或者是帶阻濾波器，那么還需要下面的步驟：將高通、帶通或帶阻數(shù)字濾波器的技術(shù)指標轉(zhuǎn)換為低通模擬濾波器的技術(shù)指標，然后設計出低通G（s），再將G（s）轉(zhuǎn)換為H（z）。

3 實驗結(jié)果分析

用Matlab編程語言進行編程實現(xiàn)，通過反復實驗得到濾波后的運動員心跳信號波形如圖6所示，從濾波后的心跳信號可以看出濾波效果明顯，可以看出清晰的等間隔的心跳信號，只有少量上下波動的噪音信號在零值附近，在第2個信號與第3個信號干憂波動信號較大，但波動信號的幅度的最大值還不到0.01，而目標心跳信號比噪聲信號大的多，微小的噪音信號可以忽略不計。應用音頻播放軟件進行播放，心跳聲音清晰，處理后信噪比高的心跳信號可以用來計算心率，為系統(tǒng)的開發(fā)打下基礎。

參考文獻

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作者單位

湖南瀏陽市田家炳實驗中學 湖南省瀏陽市 410300endprint