應(yīng)用Matlab對人體的心電信號進(jìn)行濾波

應(yīng)用Matlab對人體的心電信號進(jìn)行濾波實(shí)驗(yàn)?zāi)康?綜合應(yīng)用信號頻譜分析和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的知識，實(shí)現(xiàn)心電信號的濾波。加深理解信號時(shí)域和頻域分析的物理概念，理解設(shè)計(jì)指標(biāo)的工程概念，認(rèn)識不同類型濾波器的特性和適用范圍。實(shí)驗(yàn)環(huán)境 微型電子計(jì)算機(jī)〔PC〕；安裝Windows10操作系統(tǒng)，MATLAB等開發(fā)工具。實(shí)驗(yàn)原理首先對待濾波的心電信號進(jìn)行頻譜分析，觀察信號頻率分布的規(guī)律，從而確定數(shù)字濾波器的類型〔FIR濾波器、IIR濾波器、自適應(yīng)濾波器、小波濾波器等〕。在加性噪聲的情況下，假設(shè)信號的頻譜與噪聲的頻譜根本不重疊，可以采用頻率選擇濾波器〔FIR濾波器、IIR濾波器〕。假設(shè)信號的頻譜與噪聲的頻譜重疊較多，可以采用自適應(yīng)濾波、小波濾波等。假設(shè)為乘性噪聲，可以根據(jù)同態(tài)濾波的原理對信號進(jìn)行預(yù)處理，然后再按照加性噪聲的情況處理。在確定了數(shù)字濾波器的類型后，還需要根據(jù)信號時(shí)域特性、頻域特性、或時(shí)頻特性確定濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)字濾波器。最后，利用該數(shù)字濾波器對信號進(jìn)行濾波，在時(shí)域和頻域觀察信號濾波的主觀及客觀效果。假設(shè)主觀及客觀效果滿足要求，說明分析過程和濾波方法正確有效，假設(shè)不滿足要求，需要重新分析和設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和任務(wù)要求 人體的心電信號通常分布在200Hz的范圍內(nèi)，在測量過程中往往會受到工業(yè)高頻噪聲的干擾，所以必須經(jīng)過低通濾波處理后，才能作為判斷心臟功能的有用信息。假設(shè)一個(gè)實(shí)際心電信號的采樣序列樣本如下：x(n)={-4,-2,0,-4,-6,-4,-2,-4,-6,-6,-4,-4,-6,-6,-2,6,12,8,0,-16,-38,-60,-84,-90,-66,-32,-4,-2,-4,8,12,12,10,6,6,6,4,0,0,0,0,0,-2,-4,0,0,0,-2,-2,0,0,-2,-2,-2,-2,0}其中存在高頻干擾。要求：設(shè)計(jì)一個(gè)適宜的濾波器，對上述心電信號的采樣序列進(jìn)行濾波處理，濾除其中的干擾成分，畫出濾波器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線。分別顯示濾波前后心電信號的時(shí)域波形和幅度譜，觀察總結(jié)濾波作用與效果。實(shí)驗(yàn)分析此題綜合應(yīng)用信號頻譜分析和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的知識，實(shí)現(xiàn)心電信號的濾波。首先，我們通過查資料得到心電圖的抽樣頻率一般為1000Hz。對于任務(wù)1。我們從帶噪心電圖的頻譜出發(fā)〔進(jìn)行FFT運(yùn)算〕，觀察其幅度譜，從而確定應(yīng)該使用低通濾波器進(jìn)行濾波，于是我們設(shè)計(jì)了巴特沃斯低通濾波器。然后利用filter〔〕函數(shù)對原始信號進(jìn)行濾波，從而消除高頻噪音；對于任務(wù)2。我們利用FFT對濾波前后信號分別進(jìn)行離散傅里葉變幻，然后對結(jié)果進(jìn)行分析。Matlab代碼clc;closeall;clearall;%%生成原始信號并作頻譜分析fs=1000;T=1/fs;x=[-4,-2,0,-4,-6,-4,-2,-4,-6,-6,-4,-4,-6,-6,-2,6,12,8,0,-16,-38,-60,-84,-90,-66,-32,-4,-2,-4,8,12,12,10,6,6,6,4,0,0,0,0,0,-2,-4,0,0,0,-2,-2,0,0,-2,-2,-2,-2,0];N=length(x);L=1024;t=(0:N-1)/fs;n=0:L-1;f=(n/L-1/2)*fs;X=fftshift(fft(x,L));%%設(shè)計(jì)IIR濾波器并對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析wp=160*2/fs;ws=180*2/fs;Rp=3;Rs=15;[N,wc]=buttord(wp,ws,Rp,Rs);[b,a]=butter(N,wc);H=freqz(b,a,f*2*pi/fs);mag=abs(H);mag_dB=20*log10((mag+eps)/max(mag));pha=angle(H);%%對帶躁信號進(jìn)行濾波并作頻譜分析x1=filter(b,a,x);X1=fftshift(fft(x1,L));%%繪制圖像figure(1)subplot(2,2,1);plot(t,x);title('原始心電圖時(shí)域波形');xlabel('t/s');ylabel('xt');grid;subplot(2,2,2);plot(f,abs(X)*2/N);title('原始心電圖幅度譜');xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');grid;subplot(2,2,3);plot(t,x1);title('濾波后心電圖時(shí)域波形');xlabel('t/s');ylabel('xt');grid;subplot(2,2,4);plot(f,abs(X1)*2/N);title('濾波后心電圖幅度譜');xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');grid;figure(2)subplot(3,1,1);plot(f,mag);title('濾波器幅度譜');xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');grid;subplot(3,1,2);plot(f,mag_dB);title('濾波器幅度譜〔dB〕');xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');grid;subplot(3,1,3);plot(f,pha);title('濾波器相位譜');xlabel('f/Hz');ylabel('相位');grid;實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，濾波后的效果還是不錯的，從濾波前的信號幅度譜來看，高頻噪音主要集中在200Hz以上，于是利用低通濾波器將其去除。濾波后的心電圖更加符合心臟跳動的規(guī)律〔P波，QRS波，T波，U波〕。實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過本次實(shí)驗(yàn)，加深了我們對信號頻譜分析和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的知識的理解，并對濾波器有了更進(jìn)一步的認(rèn)識，掌握了