彭泉

隨著科技的發(fā)展，體育運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的提高越來(lái)越依賴于科學(xué)技術(shù)，通過(guò)開發(fā)運(yùn)動(dòng)員的心跳信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，為教練員提供運(yùn)動(dòng)員的心率，可以幫助教練員調(diào)整運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)方法，從而提高訓(xùn)練效果，首先分析原始心跳信號(hào)樣本的頻譜，確定設(shè)計(jì)IIR濾波器的各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)IIR濾波器濾波得到處理后的心跳信號(hào)。用Matlab平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明濾波效果明顯。

【關(guān)鍵詞】運(yùn)動(dòng)員心跳信號(hào) Matlab IIR數(shù)字濾波器 信號(hào)濾波

目前，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，體育運(yùn)動(dòng)員體育成績(jī)的提高更多的依靠科學(xué)技術(shù)。心跳信息對(duì)于教練指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練是極其重要的，教練可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的心跳信息來(lái)合理的安排訓(xùn)練的長(zhǎng)度及強(qiáng)度。基于此，一套運(yùn)動(dòng)員的心跳信號(hào)無(wú)線收發(fā)裝置被設(shè)計(jì)，系統(tǒng)包括無(wú)線收發(fā)裝置、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、計(jì)算機(jī)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(xué)的指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練，提高運(yùn)動(dòng)員的水平。為了開發(fā)研究該項(xiàng)目中的信號(hào)處理模塊，首先分析心跳信號(hào)樣本的頻譜，并根據(jù)分析的結(jié)果確定設(shè)計(jì)相應(yīng)濾波器的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)IIR巴特沃斯數(shù)字濾波器對(duì)原始心跳信號(hào)進(jìn)行濾波去噪。用Matlab對(duì)所有過(guò)程進(jìn)行仿真效果，濾除原始心跳信號(hào)中的噪聲，獲得高信噪比的心跳信號(hào)。如圖1所示。

1 運(yùn)動(dòng)員心跳信號(hào)頻譜分析及設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)確定

所采集到的運(yùn)動(dòng)員心跳信號(hào)是一個(gè)頻率范圍在0～4KHZ內(nèi)的音頻信號(hào)，其抽樣頻率取8KHZ，這也是實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)所選取的頻率。原始心跳信號(hào)波形如圖2所示，該信號(hào)含有大量的噪聲，通過(guò)音頻率播放軟件進(jìn)行播放，可以聽到較大的噪音，不能用于心率的計(jì)算分析，采用快速傅立葉變換FFT對(duì)原始心跳信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可得原始信號(hào)的頻譜圖如圖3所示。

根據(jù)原始信號(hào)的頻譜圖確定所設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)反復(fù)測(cè)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(shè)計(jì)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(shí)間系統(tǒng)，其系統(tǒng)函數(shù)為：

H（z）=

= Y（z） /X（z） （1-1）

假設(shè)M≤N，當(dāng)M>N時(shí)，系統(tǒng)函數(shù)可以看作一個(gè)IIR的子系統(tǒng)和一個(gè)（M-N）的FIR子系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)際上是求解濾波器的系數(shù)ak和bk ，它是數(shù)學(xué)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(zhǔn)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(guò)上面的分析與調(diào)試，設(shè)計(jì)濾波器的類型和參數(shù)已經(jīng)確定，是要設(shè)計(jì)一個(gè)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(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的IIR濾波器方法有很多種。一般IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)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(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)。

（2）根據(jù)轉(zhuǎn)換后的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)）。若設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器是低通的，上述的過(guò)程可以結(jié)束，若設(shè)計(jì)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(biāo)轉(zhuǎn)換為低通模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)，然后設(shè)計(jì)出低通G（s），再將G（s）轉(zhuǎn)換為H（z）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用Matlab編程語(yǔ)言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到濾波后的運(yùn)動(dòng)員心跳信號(hào)波形如圖6所示，從濾波后的心跳信號(hào)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(hào)，只有少量上下波動(dòng)的噪音信號(hào)在零值附近，在第2個(gè)信號(hào)與第3個(gè)信號(hào)干憂波動(dòng)信號(hào)較大，但波動(dòng)信號(hào)的幅度的最大值還不到0.01，而目標(biāo)心跳信號(hào)比噪聲信號(hào)大的多，微小的噪音信號(hào)可以忽略不計(jì)。應(yīng)用音頻播放軟件進(jìn)行播放，心跳聲音清晰，處理后信噪比高的心跳信號(hào)可以用來(lái)計(jì)算心率，為系統(tǒng)的開發(fā)打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]侯志榮，呂振肅.IIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的粒子群優(yōu)化算法[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2003，8（4）：16-20..

[2]程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程（第三版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3]丁磊，潘貞存，叢偉.基于 MATLAB 信號(hào)處理工具箱的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與仿真[J]. 繼電器，2003，31（9）：49-51..

[4]劉彬.MATLAB環(huán)境下IIR濾波器設(shè)計(jì)，仿真與驗(yàn)證[J].電子測(cè)量技術(shù)，2011，34（4）：7-10.

[5]徐紅，李剛，黃朝耿.一種設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的參數(shù)化方法[J].電子學(xué)報(bào)，2012，4（4）：847-851.

作者單位

湖南瀏陽(yáng)市田家炳實(shí)驗(yàn)中學(xué) 湖南省瀏陽(yáng)市 410300endprint