第一篇：生物醫(yī)學(xué)信號處理總結(jié)

一、生物醫(yī)學(xué)信號處理緒論

生物醫(yī)學(xué)信號處理的對象：由生理過程自發(fā)產(chǎn)生的；把人體作為通道，外界施加于人體產(chǎn)生的電生理信號和非電生理信號。

生物信號的主要特點：復(fù)雜性，隨機性強，噪聲干擾強，非平穩(wěn)性等

二、數(shù)字信號處理基礎(chǔ)

傅立葉變換的意義：把一個無論多復(fù)雜的輸入信號分解成復(fù)指數(shù)信號的線性組合，那么系統(tǒng)的輸出也能通過圖2.1的關(guān)系表達(dá)成相同復(fù)指數(shù)信號的線性組合，并且在輸出中的每一個頻率的復(fù)指數(shù)函數(shù)上乘以系統(tǒng)在那個頻率的頻率響應(yīng)值。使得分析、處理信號變得簡單。

數(shù)字濾波器的設(shè)計：IIR濾波器的設(shè)計：利用傳統(tǒng)的模擬濾波器設(shè)計方法。

切比雪夫低通濾波器：

%低通濾波器設(shè)計0~35Hz

wp=35;ws=45;%WP通帶截止頻率，WS阻帶截止頻率

Rp=1;Rs=71;%Rp通帶內(nèi)的最大衰減,Rs阻帶內(nèi)的最小衰減

fs=1000;%采樣頻率

[N,wn]=cheb1ord(wp/(fs/2),ws/(fs/2),Rp,Rs);

[B,A]=cheby1(N,Rp,wn);

freqz(B,A,[],fs)%幅頻特性

FIR濾波器設(shè)計：多采用窗函數(shù)和頻率取樣設(shè)計法。橢圓帶通濾波器

[b_alpha,a_alpha] = ellip(5,1,40,[8 13]*2/500);

freqz(b_alpha,a_alpha,[],500)

例題2-11選擇合適的窗設(shè)計FIR低通濾波器，畫出濾波器的單位脈沖響應(yīng)和該濾波器的幅度響應(yīng)：

解：

wp = 0.2*pi;ws = 0.3*pi;%給出通帶頻率和阻帶頻率

tr_width = ws-wp;%求過渡帶寬度

%，hamming window即可滿足該條件，查表求得窗長度

M = ceil(6.6*pi/tr_width);

n=[0:1:M-1];

wc =(ws+wp)/2;%求截止頻率

b= fir1(M,wc/pi);%求FIR低通濾波器的系數(shù)，默認(rèn)就是hamming window

h=b(1:end-1);

[hh,w] = freqz(h,[1],'whole');%求濾波器的頻率響應(yīng)

hhh=hh(1:255);ww=w(1:255);%由于對稱性，畫一半圖即可

% 畫圖

subplot(1,2,1);stem(n,h);title('實際脈沖響應(yīng)')

axis([0 M-1-0.1 0.3]);xlabel('n');ylabel('h(n)')

subplot(1,2,2);plot(ww/pi,20*log10(abs(hhh)));title('幅度響應(yīng)（單位： dB）');grid

axis([0 1-100 10]);xlabel('頻率（單位：pi）');ylabel('分貝')

set(gca,'XTickMode','manual','XTick',[0,0.2,0.3,1])

set(gca,'YTickMode','manual','YTick',[-50,0])

例2-12】最常碰到的信號處理任務(wù)是平滑數(shù)據(jù)以抑制高頻噪聲。求幾個數(shù)據(jù)點的平均值是減弱高頻噪聲的一種簡單方法，這種濾波器被稱為平滑濾波器或中值濾波器。

Y = MEDFILT1(X,N)，如果沒有給出N的值，則默認(rèn)N=3；

當(dāng)N是奇數(shù)時Y是X(k-(N-1)/2 : k+(N-1)/2)的平均；

當(dāng)N是偶數(shù)時，Y是X(k-N/2 : k+N/2-1)的平均。

三、隨機信號基礎(chǔ)

平穩(wěn)各態(tài)遍歷的隨機過程：如果隨機信號的統(tǒng)計特性與開始進行統(tǒng)計分析的時刻無關(guān)，則為平穩(wěn)隨機過程，否則為非平穩(wěn)隨機過程。

如果所有樣本在固定時刻的統(tǒng)計特征和單一樣本在全時間上的統(tǒng)計特征一致，則為各態(tài)遍歷的隨機過程。

隨機信號通過線性系統(tǒng)的四個關(guān)系式

1.Py(ej?)?H(ej?)Px(ej?)

2.Ry(m)?Rx(m)?h(?m)?h(m)

3.Pxy(ej?)?H(ej?)Px(ej?)

4.Rxy(m)?Rx(m)?h(m)

四、數(shù)字卷積和數(shù)字相關(guān)

卷積和相關(guān)運算的程序編寫實現(xiàn)

線性相關(guān)函數(shù)：2

rxy(m)?

n????x(n)y(n?m)??

相關(guān)函數(shù)和功率譜的估計

估計質(zhì)量的評估

五、維納濾波

相關(guān)函數(shù)法推導(dǎo)維納濾波器的維納－霍夫方程

FIR法解維納霍方程

預(yù)白化法解維納霍夫方程

六、卡爾曼濾波

卡爾曼濾波的狀態(tài)方程和量測方程

卡爾曼濾波的信號模型和估計模型

卡爾曼濾波的原理

七、隨機信號的參數(shù)建模

AR模型中Y-W方程的推導(dǎo)

Y-W方程的估計法：L-D算法推導(dǎo)和編程

八、自適應(yīng)濾波

LMS濾波過程

自適應(yīng)濾波的實現(xiàn)

第二篇：生物醫(yī)學(xué)信號處理

1.生物醫(yī)學(xué)簡述

1.1生物醫(yī)學(xué)信號概述

生物醫(yī)學(xué)信號是人體生命信息的體現(xiàn)，是了解探索生命現(xiàn)象的一個途徑。因此，深入進行生物醫(yī)學(xué)信號檢測與處理理論與方法的研究對于認(rèn)識生命運動的規(guī)律、探索疾病預(yù)防與治療的新方法以及發(fā)展醫(yī)療儀器這一高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)都具有極其重要的意義。國內(nèi)外對于生物醫(yī)學(xué)信號檢測處理理論與方法的研究都給予極大的重視。人體給出的信號非常豐富，每一種信號都攜帶著對應(yīng)的一個或幾個器官的生理病理信息。由于人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此可以從人體的不同的“層次”得到各類信號，如器官的層次、系統(tǒng)的層次以及細(xì)胞的層次,這些信號大致分為電生理信號、非電生理信號、人體生理信號、生化信號、生物信息以及醫(yī)學(xué)圖像[1]。1.2生物醫(yī)學(xué)信號的特點

生物醫(yī)學(xué)信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，它是由復(fù)雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號，從信號本身特征、檢測方式到處理技術(shù)，都不同于一般的信號。

⑴信號弱，如心電信號在mV級，腦電信號在μV級，而誘發(fā)電位信號的幅度更小。⑵噪聲強，人體是電的導(dǎo)體，易感應(yīng)出工頻噪聲；其次是信號記錄時受試者移動所產(chǎn)生的肌電噪聲，由此引起電極移動所產(chǎn)生的信號基線漂移。另外，凡是記錄中所含有的不需要成分都是噪聲，如記錄胎兒心電時混入的母親的心電。⑶隨機性強且一般是非平穩(wěn)信號，由于生物醫(yī)學(xué)信號要受到生理和心理的影響，因此屬于隨機信號。

⑷非線性，非線性信號源于非線性系統(tǒng)的輸出，人體體表采集到的電生理信號都是細(xì)胞膜電位通過人體系統(tǒng)后在體表疊加的結(jié)果，因此這些信號嚴(yán)格地說都是非線性信號，但目前都是把他們當(dāng)作線性信號來處理[2]。

2.生物醫(yī)學(xué)信號的檢測

生物醫(yī)學(xué)信號檢測是對生物體中包含地生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)和成分等信息進行檢測和量化地技術(shù)，涉及到人機接口技術(shù)、低噪聲和抗干擾技術(shù)、信號拾取、分析與處理技術(shù)等工程領(lǐng)域。絕大部分生物醫(yī)學(xué)信號都是信噪比很低地微弱信號，且一般都是伴隨著噪聲和干擾地信號,對于此類信號必須采用抑制噪聲地處理技術(shù)。由于生物系統(tǒng)十分復(fù)雜，生物體內(nèi)的信息豐富，生物信號檢測技術(shù)十分重要。生物信號的檢測一般需要通過以下步驟：①生物醫(yī)學(xué)信號通過電極拾取或通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號；②放大器及預(yù)處理器進行信號放大和預(yù)處理；③經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號；④輸入計算機；⑤通過各種數(shù)字信號處理算法進行信號分析處理，得到有意義的結(jié)果[3]。

圖1 生物醫(yī)學(xué)信號檢測流程

生物醫(yī)學(xué)的檢測技術(shù)分為以下幾類：①無創(chuàng)檢測、微創(chuàng)檢測、有創(chuàng)檢測；②在體檢測、離體檢測；③直接檢測、間接檢測；④非接觸檢測、體表檢測、體內(nèi)檢測；⑤生物電檢測、生物非電檢測；⑥形態(tài)檢測、功能檢測；⑦處于拘束狀態(tài)下的生物體檢測、處于自然狀態(tài)下的生物體檢測；⑧透射法檢測、反射法檢測；⑨一維信號檢測、多維信號檢測；⑩分子級檢測、細(xì)胞級檢測、系統(tǒng)級檢測[4]。

3.生物醫(yī)學(xué)信號的處理

生物醫(yī)學(xué)信號處理是研究被干擾和噪聲淹沒的信號中提取有用的生物醫(yī)學(xué)信息的特征并作模式分類的方法。生物醫(yī)學(xué)信號處理的目的是要區(qū)分正常信號與異常信號，在此基礎(chǔ)上診斷疾病的存在。近年來對生物醫(yī)學(xué)信號的處理廣泛地使用了數(shù)字信號分析處理方法。以下為幾種常用地處理方法：

⑴小波變換方法。在信號處理、圖像處理、語音分析、模式識別、量子物理及眾多非線性科學(xué)領(lǐng)域小波變換受到廣泛地應(yīng)用，被認(rèn)為是近年來在工具及方法上地重大突破。所謂地小波變換是指把某一被稱作為基本小波地函數(shù)作位移τ后，在不同尺度α下與待分析信號作內(nèi)積[5]。小波變換具有以下特點：時頻局部化特點，即可以同時提供時域和頻域局部化信息;多分辨率，即多尺度的特點，可以由粗到細(xì)逐步觀察信號；帶通濾波的特點，可以根據(jù)中心頻率的變化調(diào)節(jié)帶寬，中心頻率的高低與帶寬成反向變化，可以觀測出信號的低頻緩變部分和高頻突變部分[6]。這種變焦特性決定了它對非平穩(wěn)信號處理的特殊功能。在生物醫(yī)學(xué)工程中的信號處理，信號壓縮，醫(yī)學(xué)圖像處理中，小波變換均有應(yīng)用。

⑵頻域濾波。頻域濾波是數(shù)字濾波中常用的一種方法，是消除生物醫(yī)學(xué)信號中噪聲的另一種有效方法，當(dāng)信號頻譜與噪聲頻譜不相重疊時，或雖有重疊，但信號在重疊部分的能量很小時，可用頻域濾波法來消除干擾。數(shù)字濾波器由于可做到非因果性，所以具有較模擬濾波器更為優(yōu)越的頻響特性，較之能更接近理想濾波器對數(shù)字濾波器的要求時相頻線性，通帶平坦，過度帶窄[7]。

⑶生物醫(yī)學(xué)信號的混沌測量。傳統(tǒng)的測量技術(shù)以線性方法為主，強調(diào)的是平穩(wěn)、平衡和均勻性。而非線性系統(tǒng)是在不穩(wěn)定、非平衡的狀態(tài)中提取信息、處理信息，從而顯示它特有的優(yōu)點。混沌用于測量可以說是一種嘗試，也許人們很難想象一個極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng)，其檢測靈敏度卻明顯超出目前的科技水平，這是一個全新的測量概念，是很有發(fā)展前途的領(lǐng)域。該方法的最大的特點是初值敏感性和參數(shù)敏感性，即蝴蝶效應(yīng)。其基本的思路就是把蝴蝶效應(yīng)倒過來應(yīng)用，將敏感元件作為混沌電路的一部分，其敏感參數(shù)隨待測量變化而變化，并使系統(tǒng)的混沌軌道變化，測出混沌軌道的變化就可得到待測量。

⑷人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN),人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指由大量簡單元件廣泛相互連接而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很多具體模型，其共同的基本特征是以大規(guī)模并行處理為主，采用分布式存儲具有較強的容錯性和聯(lián)想功能，強調(diào)自適應(yīng)過程和學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程[8]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最新發(fā)展使其成為信號處理的強有力工具，對于那些用其他信號處理技術(shù)無法解決的問題，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域，許多ANN的算法和它們的應(yīng)用已廣泛的在自然科學(xué)的各個領(lǐng)域被應(yīng)用。這些網(wǎng)絡(luò)模型中，多層感知器被認(rèn)為是最有用的學(xué)習(xí)模型，廣泛應(yīng)用于腦電信號、心電信號的處理中。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以把專家知識和先驗知識結(jié)合進一個數(shù)學(xué)框架來完成特征提取和分類識別等功能，而不需要任何對數(shù)據(jù)和噪聲的先驗統(tǒng)計假設(shè)，也不需要把專家知識和經(jīng)驗歸納成嚴(yán)密清晰的條文，所以最適應(yīng)用于研究和分析生物醫(yī)學(xué)信號。

4.生物醫(yī)學(xué)信號處理的應(yīng)用及發(fā)展前景

生物醫(yī)學(xué)信號至今已在臨床和生命學(xué)科的研究中獲得了廣泛的應(yīng)用，而基于生物醫(yī)學(xué)信號處理、醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)和計算機的醫(yī)療儀器已成為現(xiàn)代醫(yī)院的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已由過去的定性診斷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺娬{(diào)定量診斷。而定量診斷的依據(jù)即是病人的生理信號、醫(yī)學(xué)圖像和生化指標(biāo)等。

4.1心電信號的應(yīng)用 心電信號中最重要的特征是R波、P波、T波的位置、幅度和形態(tài)，此外還有S-T段的形態(tài)、Q波、S波、QRS寬度、U波、心室晚電位及T波交替等。心電R波檢測是所有其他心電特征檢測和自動診斷的基礎(chǔ)，其檢測的精度直接影響到儀器的性能，檢測精度至少在99%以上。R波自動檢測已有近40年的歷史，從早期的差分域值法、模板匹配法、積分法、濾波器法，發(fā)展到20世紀(jì)90年代，基于小波變換的算法逐漸成為主流。至今新的R波檢測算法仍然在不斷的被提出，例如將R波檢測和心電數(shù)據(jù)壓縮相結(jié)合的算法，目的是使算法在用于可穿戴心電監(jiān)護儀時具有實時分析功能并降低儀器的功耗，算法對R波的檢測精度達(dá)到了99.64%。由于P、S、T等波形的幅度遠(yuǎn)低于P波，且形態(tài)多變，因此，用于對它們的檢測非常困難。完成了P、Q、R、S和T等波形的檢測，即可算出R-R間隔，從而得到瞬時心率以及P-R間隙、QRS寬度、P-T間隙以及S-T段形態(tài)等參數(shù)。這些參數(shù)總的又可分為兩類：①心電形態(tài)學(xué)的信息②心電節(jié)律的信息，它們時心電圖臨床診斷的重要依據(jù)。根據(jù)檢測出的參數(shù)、心臟疾病的原理和醫(yī)生的臨床經(jīng)驗，建立起各種心律異常的數(shù)學(xué)模型，從而對心電信號作出判別，決定是否異常，若異常時屬于哪一種異常。這一工作即是心電的自動診斷，它也是信號處理的應(yīng)用。

4.2腦電信號的應(yīng)用

人類大腦無疑是自然界中最精密也是最復(fù)雜的巨系統(tǒng)。開展腦科學(xué)研究的目的：①闡明腦的功能和機理；②保護大腦，即腦疾病的預(yù)防、治療及延緩衰老；③進一步開發(fā)大腦；腦科學(xué)的研究主要有兩大研究方向：①微觀層次的研究，包括神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等學(xué)科；②宏觀層次的研究，即通過大腦宏觀層次的測量來分析大腦內(nèi)部隱含的生理、病理信息。目前，大腦宏觀層次的測量主要是腦電圖和腦部成像兩大類。腦電圖是無創(chuàng)并低價的腦測量手段，無論是在神經(jīng)內(nèi)科還是在神經(jīng)外科都獲得了廣泛的應(yīng)用，幾乎是神經(jīng)門診的必做項目之一，同時它在腦的認(rèn)知研究中也起著重要的作用。

5.結(jié)語

由于生物醫(yī)學(xué)信號來自于人體器官、組織及細(xì)胞，因此存在信號的多樣性、復(fù)雜性及應(yīng)用的特殊性等突出特點。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對定量診斷和精確治療的要求越來越高，因此，生物醫(yī)學(xué)信號處理的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越迅速擴展。正因為生物醫(yī)學(xué)信號的上述屬性，因此吸引了眾多學(xué)科的信號處理工作者到該領(lǐng)域來探索。可以說生物醫(yī)學(xué)信號處理領(lǐng)域充滿了挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新機會，其給科研工作者帶來了勇攀高峰的激情和期待。

參考文獻(xiàn)

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生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志 第３３卷

［ Ｊ］．自動化儀表，２０１３，３４（１１）： １３ － １６

第三篇：淺談生物醫(yī)學(xué)信號及傳感器

淺談生物醫(yī)學(xué)信號及傳感器

導(dǎo)論：

人體存在高度精密而復(fù)雜的生物信號，每一種信號都在傳遞著身體的工作狀態(tài)，器官機能是否正常，呼吸、循環(huán)系統(tǒng)是否健全，人體是否處于一種健康狀態(tài)……隨著信息科技的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，產(chǎn)生了“高端”的醫(yī)生，它們通過接收人體信號，對人體信息進行檢測，實現(xiàn)疾病的診斷和防治。

生物醫(yī)學(xué)傳感器好比人的五官，人通過五官，即眼（視覺）、耳（聽覺）、鼻（嗅覺）、舌（味覺）和四肢（觸覺）感知和接受外界信息，然后通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞給大腦進行加工處理。傳感器則是一個測量控制系統(tǒng)的“電五官”，他感測到外界的信息，然后送給系統(tǒng)的處理器進行加工處理。如果一個系統(tǒng)沒有傳感器，就相當(dāng)于人沒有五官。

生物醫(yī)學(xué)信號處理是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的一個重要研究領(lǐng)域，也是近年來迅速發(fā)展的數(shù)字信號處理技術(shù)的一個重要的應(yīng)用方面，正是由于數(shù)字信號處理技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程的緊密結(jié)合，才使得我們在生物醫(yī)學(xué)信號特征的檢測、提取及臨床應(yīng)用上有了新的手段，因而也幫助我們加深了對人體自身的認(rèn)識。

生物醫(yī)學(xué)傳感器的認(rèn)識

一、定義

我們定義：傳感器是能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應(yīng)于被測量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的電子線路組成。也可把傳感器狹義地定義為：能把外界非電信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件或裝置。

二、分類

生物醫(yī)學(xué)傳感器是一類特殊的電子器件，它能把各種被觀測的生物醫(yī)學(xué)中的非電量轉(zhuǎn)換為易觀測的電量，擴大人地感官功能，是構(gòu)成各種醫(yī)療分析和診斷儀器與設(shè)備的關(guān)鍵部件。我們將生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)中常用的傳感器按被觀測的量劃分為以下三類：

（1）物理傳感器：用于測量和監(jiān)護生物體的血壓、呼吸、脈搏、體溫、心音、心電、血液的粘度、流速和流量等物理量的檢測。

（2）化學(xué)傳感器：用于生物體中氣味分子，體液（血液、汗液、尿液等）中的PH值，氧和二氧化碳含量（pO2、pCO2），Na+、K+、Ca2+、Cl-以及重金屬離子等化學(xué)量的檢測。

（3）生物傳感器：用于生物體中組織、細(xì)胞、酶、抗原、抗體、受體、激素、膽酸，乙酰膽堿、五羥色胺等神經(jīng)遞質(zhì)，DNA與RNA以及蛋白質(zhì)等生物量的檢測。

傳感器按尺寸劃分有：常規(guī)傳感器（毫米級，可用于組織檢測），微型傳感器（微米級，可用于細(xì)胞檢測）和納米傳感器（納米級，可用于細(xì)胞內(nèi)檢測）。

三、對傳感器的性能要求：

（1）有較高的靈敏度和信噪比。

靈敏度高時，輸入較小的信號即可產(chǎn)生較大的輸出信號。傳感器輸出信號電壓與噪聲電壓之比稱為信噪比。信噪比越高，說明獲得的有用的輸出信號就越大，信噪比越小，信號與噪聲越難分辨，嚴(yán)重時將出現(xiàn)信號被噪聲淹沒的現(xiàn)象，無法獲得有用的信號，測量無效。

（2）有良好的線性和較高的響應(yīng)速度

線性好是指傳感器的輸出信號在規(guī)定的工作范圍內(nèi)與輸出信號成比例關(guān)系，而不產(chǎn)生信號非線性失真。響應(yīng)速度快表明輸出和輸入的延遲時間短、實時性好。

（3）重復(fù)性、一致性和選擇性好

重復(fù)性好是指傳感器反復(fù)使用，其性能不變。一致性好是指傳感器的互換性強，在生產(chǎn)與修理中尤為重要。選擇性好是指傳感器只對確定目標(biāo)的變量有響應(yīng)，不受其他變量的影響。

（4）化學(xué)、物理性能好

傳感器必須與人體的化學(xué)成分相容，既不會腐蝕也不會給人體帶來毒性。傳感器的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)應(yīng)與待測部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，對被測對象的影響要小，使用時應(yīng)不損傷組織。

（5）電氣安全性好

傳感器要與人體有足夠的電絕緣，即使在傳感器損傷的情況下，人體收到的電擊也應(yīng)在安全之下。

（6）操作性好

傳感器應(yīng)操作簡單、維護方便、便于消毒。

生物醫(yī)學(xué)傳感器的意義

隨著生物傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，生物傳感器必將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域掀起一股熱潮。

（1）生物傳感器采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點。因此，這一技成本低，在連續(xù)使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣，術(shù)在很大程度上減輕病患醫(yī)療費用上的負(fù)擔(dān)。（2）生物傳感器專一性強，只對特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響，準(zhǔn)確度高，一般相對誤差可以達(dá)到1％；分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果。因此，這一技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上不僅提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，更是縮短了整個過程所需的時間，進一步提供了救治病人的先機。

（3）操作系統(tǒng)比較簡單，容易實現(xiàn)自動分析。在臨床中，許多操作對于病患來說是痛苦的，若能很好的利用生物傳感器的這一特點，我相信將為他們減少很多的痛苦。

當(dāng)前各種利用生物傳感技術(shù)開發(fā)的儀器也已問世，但是在應(yīng)用上還有許多技術(shù)需要深入研究。診斷各種疾病的醫(yī)用傳感器，還有待于引深研發(fā)，例如谷氨酸傳感器是一種穩(wěn)定的脫氫酶、轉(zhuǎn)氨酶、血氨的指示性傳感器，它在臨床急癥室等許多場合可取代光度法測定，有潛在應(yīng)用前景；測定胸外科病人乳酸指標(biāo)的生物傳感器也已開始應(yīng)用,與腎透析聯(lián)用的幾種生物傳感器也有產(chǎn)業(yè)化開發(fā)價值。今后這些生物傳感器將逐漸得到普及，給廣大病患帶來更多的福音。

生物醫(yī)學(xué)信號

生物醫(yī)學(xué)信號有一維、二維之分一般而言, 將一維信號稱為信號, 二維信號稱為圖像自然界廣泛存在的生物醫(yī)學(xué)信號是連續(xù)的, 由于計算機巨大的計算能力, 一般先用轉(zhuǎn)換器將

連續(xù)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, 然后在計算機內(nèi)用各種方法編制成的軟件進行分析處理限于篇幅, 這里只論一維生物醫(yī)學(xué)信號的處理方法。

信號處理的領(lǐng)域是相當(dāng)廣泛而又深人的, 已在不同程度上滲透到幾乎所有的醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域從預(yù)防醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)到臨床醫(yī)學(xué), 從醫(yī)療、科研到健康普查, 都已有許多成功的例子如心電圖分析, 腦電圖分析, 視網(wǎng)膜電圖分析, 光片處理, 圖像重建, 健康普查的醫(yī)學(xué)統(tǒng)計, 疾病的自動診斷, 細(xì)胞、染色體顯微圖像處理, 血流速度測定, 生物信號的混沌測量等等。

一、生物醫(yī)學(xué)信號特點

（1）信號弱：直接從人體中檢測到的生理電信號其幅值一般比較小。如從母體腹部取到的胎兒心電信號僅為10～50μV，腦干聽覺誘發(fā)響應(yīng)信號小于1μV，自發(fā)腦電信號約5～150μV，體表心電信號相對較大，最大可達(dá)5mV。

因此，在處理各種生理信號之前要配置各種高性能的放大器。

（2）噪聲強：噪聲是指其它信號對所研究對象信號的干擾。如電生理信號總是伴隨著由于肢體動作、精神緊張等帶來的干擾，而且常混有較強的工頻干擾；誘發(fā)腦電信號中總是伴隨著較強的自發(fā)腦電；從母腹取到的胎兒心電信號常被較強的母親心電所淹沒。這給信號的檢測與處理帶來了困難。

因此要求采用一系列的有效的去除噪聲的算法。

（3）頻率范圍一般較低：經(jīng)頻譜分析可知，除聲音信號（如心音）頻譜成分較高外，其它電生理信號的頻譜一般較低。如心電的頻譜為0.01～35Hz，腦電的頻譜分布在l～30Hz之間。

因此在信號的獲取、放大、處理時要充分考慮對信號的頻率響應(yīng)特性。

（4）隨機性強：生物醫(yī)學(xué)信號是隨機信號，一般不能用確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述，它的規(guī)律主要從大量統(tǒng)計結(jié)果中呈現(xiàn)出來，必須借助統(tǒng)計處理技術(shù)來檢測、辨識隨機信號和

估計它的特征。而且它往往是非平穩(wěn)的，即信號的統(tǒng)計特征（如均值、方差等）隨時間的變化而改變。這給生物醫(yī)學(xué)信號的處理帶來了困難。

因此在信號處理時往往進行相應(yīng)的理想化和簡化。當(dāng)信號非平穩(wěn)性變化不太快時，可以把它作為分段平穩(wěn)的準(zhǔn)平穩(wěn)信號來處理；如果信號具有周期重復(fù)的節(jié)律性，只是周期和各周期的波形有一定程度的隨機變異，則可以作為周期平穩(wěn)的重復(fù)性信號來處理。更一般性的方法是采用自適應(yīng)處理技術(shù)，使處理的參數(shù)自動跟隨信號的非平穩(wěn)性而改變。

二、生物醫(yī)學(xué)信號的檢測方法

（1）AEV方法

AEV方法原是通信研究中用于提高信噪比的一種疊加平均法, 在醫(yī)學(xué)研究中也叫平均誘發(fā)反應(yīng)法,簡稱方法所謂誘發(fā)反應(yīng)是指肌體對某個外加刺激所產(chǎn)生的反應(yīng),AEV方法常用來檢測那些微弱的生物醫(yī)學(xué)信號如希氏束電圖、腦電圖、耳蝸電圖等希氏束電圖的信號幅度僅一拼, 它們在用丫方法檢測出之前, 幾乎或完全淹沒在很強的噪聲中, 這些噪聲包括自發(fā)反應(yīng), 外界干擾, 儀器噪聲方法要求噪聲是隨機的, 并且其協(xié)方差為零, 信號是周期或可重復(fù)產(chǎn)生的, 這樣經(jīng)過平方次疊加, 信噪比可提高N倍, 使用方法的關(guān)鍵是尋找疊加的時間基準(zhǔn)點。

（2）生物醫(yī)學(xué)信號的混沌測量

傳統(tǒng)的測量技術(shù)以線性方法為主, 強調(diào)的是穩(wěn)定、平衡和均勻性而非線性系統(tǒng)是在不穩(wěn)定、非平衡的狀態(tài)中提取信息、處理信息, 從而顯示它特有的優(yōu)點混沌用于測量閉可以說是一種嘗試, 也許人們很難想象一個極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng)能進行精確的測量, 可是生物的感覺器官就是極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng), 其檢測靈敏度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前的科技水平, 這是一個全

混沌系統(tǒng)的最大特點是初值敏感性和參數(shù)敏感性, 即所謂蝴蝶效應(yīng)混沌測量的基本思路就是把蝴蝶效應(yīng)倒過來應(yīng)用將敏感元件作為混沌電路的一部分, 其敏感參數(shù)隨待測量變化而變化, 并使系統(tǒng)的混沌軌道變化, 測出餛沌軌道的變化就可得到待測量, 這是一種不同于傳統(tǒng)測量的新方法。

三、生物醫(yī)學(xué)信號的處理方法

簡單的信號處理是建立在線性時不變系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上的，這種理論只適用于平穩(wěn)信號的處理，非平穩(wěn)信號是多種多樣的。其中有一種是均值緩慢變化而方差不變的信號。由于生物體對處界刺激的適應(yīng)能力，生物體在接受外界刺激的適應(yīng)過程中產(chǎn)生的生物信號就具有這樣的特點。均值變化的規(guī)律稱為趨勢函數(shù)，一旦從這類信號中除去趨勢函數(shù)，信號就變成了平穩(wěn)的。因而在分析這種信號時，首先應(yīng)進行消除趨勢函數(shù)處理；另一類非平穩(wěn)的信號可近似地看成是分段平穩(wěn)的。腦電信號常具有這個特點，因為腦電信號隨著精神狀態(tài)的改變而改變，造成逐段平穩(wěn)的狀態(tài)。在處理這類信號的第一步是把它正確地分段，使它的每一段都可以認(rèn)為是平穩(wěn)的，再用平穩(wěn)信號處理方法處理它們。

由于計算機技術(shù)的普及與發(fā)展，以及數(shù)字處理方法的通用性和靈活性，數(shù)字信號處理技術(shù)己成了信號處理技術(shù)的主流。為了進行數(shù)字信號處理，必須在正式處理前先把模擬信號時間離散化、量化。在數(shù)字信號處理中已經(jīng)指出，采樣導(dǎo)致信號頻譜的周期延托，周期延拓結(jié)果造成頻譜混疊。對一個頻帶寬度有限的信號，只要采樣頻率大于信號最高頻率的兩倍，就可以避免這種頻譜混疊。然而，實際信號的頻譜并不像理想的那樣，在高于某個最高頻率的區(qū)域上幅度就截然變?yōu)榱悖皇潜容^小而已。因此，采樣定理只能近似地滿足，實際頻譜混疊仍然存在。為了克服這個問題，必須在采樣以前，將信號通過一個高頻抑制能力較理想的低溫濾波器(稱為抗混迭濾波器)進行限帶濾波處理。

根據(jù)信號處理系統(tǒng)任務(wù)要求，有時在取得信號后，不需立即得到處理結(jié)果，這時就可以來用離線處理。大多數(shù)情況下，要求處理結(jié)果在采集同時或采集結(jié)束后立即得到，就要用實時的或在線的處理方法。在實時和在線的處理中，處理(運算)速度要足夠快，占用內(nèi)存空間也有一定限制，均比離線處理要求高，有時為了實現(xiàn)足夠快的處理速度，不得不采用專用的硬件處理器。

參考文獻(xiàn)：

《現(xiàn)代儀器分析在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用》化學(xué)工業(yè)出版社錢小紅 謝劍煒 主編 《生物醫(yī)學(xué)測量與儀器》西安交通大學(xué)出版社李天鋼馬春排主編

《生物傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢》 馬莉萍毛斌 等著

《生物醫(yī)學(xué)信號數(shù)字處理技術(shù)及應(yīng)用》 科學(xué)出版社聶能 堯德中 等著

《生物醫(yī)學(xué)信號處理》 電子科技大學(xué)出版社 李凌 饒妮妮 著

第四篇：生物醫(yī)學(xué)信號采集實習(xí)教案

生物醫(yī)學(xué)信號采集實習(xí)

課程設(shè)計報告

心電信號采集

指導(dǎo)老師：

學(xué)號： 姓名： 學(xué)號： 姓名： 學(xué)號： 姓名：

起止日期：

目錄

一、前言 ———————————————————— 3

二、心電信號簡介 ———————————————— 3

三、實驗要求 —————————————————— 5

四、軟件設(shè)計及仿真 ——————————————— 6

五、硬件電路及仿真 ——————————————— 12

六、人體測量結(jié)果 ———————————————— 13

七、實驗總結(jié) —————————————————— 14

一、前言

心臟是人體血液循環(huán)的動力泵，心臟搏動是生命存在的重要標(biāo)志，心臟搏動節(jié)律也是人體生理狀態(tài)的重要標(biāo)志之一。心電信號是心臟電活動的一種客觀表示方式，是一種典型的生物電信號，具有頻率、振幅、相位、時間差等特征要素，比其他生物電信號更易于檢測，并具有一定的規(guī)律性。由于心電信號從不同方面和層次上反映了心臟的工作狀態(tài)，因此在心臟疾病的臨床診斷和治療過程中具有非常重要的參考價值。對心電信號的采集和分析一直是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究的一個熱點，是一項復(fù)雜的工程，涉及到降低噪聲和抗干擾技術(shù)，信號分析和處理技術(shù)等不同領(lǐng)域，也依賴于生命科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的研究進展。

人體體表的一定位置安放電極，按時間順序放大并記錄這種電信號，可以得到連續(xù)有序的曲線，這就是心電圖。心電信號的各種生理參數(shù)都是復(fù)雜生命體(人體)發(fā)出的強噪聲條件下的弱信號(除體溫等直接測量的參數(shù)外)，心電信號的幅度在10μV～4mV之間，頻率范圍為0.05～100Hz，淹沒在50Hz的工頻干擾和人體其他信號之中，檢測過程及方法較復(fù)雜。去除信號檢測過程的干擾和噪聲、進行心電信號的分析是心電儀器的重要功能之一，心電信號的放大質(zhì)量直接影響著分析儀器的性能和對人體心臟疾病的診斷。本次設(shè)計了一個心電信號檢測放大電路，充分考慮了人體心電信號的特點，采用三導(dǎo)聯(lián)輸入—前置放大電路—帶通濾波電路—次級放大電路組成的模式，并且利用軟件對相應(yīng)的電路進行仿真，實驗結(jié)果表明，電路能夠很好地完成人體心電信號的檢測放大。

關(guān)鍵詞：AD620、TL082CP、OP07CP、LM358、陷波、右腿驅(qū)動、NI ELVIS

二、心電信號簡介

1.心電圖

心肌是由無數(shù)個心肌細(xì)胞組成，由竇房結(jié)發(fā)出的興奮，按一定的途徑和時程，依次向心房和心室擴布，引起整個心臟的循環(huán)興奮。心臟各部分興奮過程中出現(xiàn)的電位變化的方向、途徑、次序、和時間均有一定的規(guī)律。由于人體為一個容積導(dǎo)體，這種電變化也必須擴布到身體表面。鑒于心臟在同一時間內(nèi)產(chǎn)生大量的電信號，因此，可以通過安放在身體表面的胸電極或四肢電極，將心臟產(chǎn)生的電位變化以時間為函數(shù)記錄下來，這種記錄曲線稱為心電圖，如下圖所示。心電圖反映心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中的生物電變化。心肌細(xì)胞的生物電變化時心電圖的來源，但是心電圖曲線與單個心肌細(xì)胞的膜電位曲線有明顯的區(qū)別。ECG波形是由不同的英文字母統(tǒng)一命名的。

心肌是由無數(shù)個心肌細(xì)胞組成，由竇房結(jié)發(fā)出的興奮，按一定的途徑和時程，依次向心房和心室擴布，引起整個心臟的循環(huán)興奮。心臟各部分興奮過程中出現(xiàn)的電位變化的方向、途徑、次序、和時間均有一定的規(guī)律。由于人體為一個容積導(dǎo)體，這種電變化也必須擴布到身體表面。鑒于心臟在同一時間內(nèi)產(chǎn)生大量的電信號，因此，可以通過安放在身體表面的胸電極或四肢電極，將心臟產(chǎn)生的電位變化以時間為函數(shù)記錄下來，這種記錄曲線稱為心電圖，如下圖所示。心電圖反映心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中的生物電變化。心肌細(xì)胞的生物電變化時

心電圖的來源，但是心電圖曲線與單個心肌細(xì)胞的膜電位曲線有明顯的區(qū)別。ECG波形是由不同的英文字母統(tǒng)一命名的。正常心電圖由一個P波、一個QRS波群和一個T波等組成。P波起因于心房收縮之前的心房極時的電位變化； QRS 波群起因于心室收縮之前的心室除極時的收位變化；T波為心室復(fù)極時的電位變化，其幅度不應(yīng)低于同一導(dǎo)聯(lián)R波的1/10，T波異常表示心肌缺血或損傷。ECG的持續(xù)時間由：P-R間期（或P-Q間期）為P波開始至QRS波群開始的持續(xù)時間，也就是心房除極開始至心室除極開始的間隔時間，正常值為0.12～0.20s，若P-R 期延長，則表示房室傳導(dǎo)阻滯；Q-T間期為 QRS波群的開始至T波的末尾的持續(xù)時間，意為心室除極和心室復(fù)極的持續(xù)時間，正常值為 0.32～0.44s；S-T段為從QRS波群終末導(dǎo)T波開始之間的線段，此時心室全部處于除極狀態(tài)，無電位差存在，所以正常時與基線平齊，稱為等電位線，若S-T段偏離等電位線一定QRS波群持續(xù)時間正常值約為0.06～0.11s范圍，則提示心肌損傷或缺血等病變；因此，實時的檢測心電信號，可以從所得出的心電圖上觀察心臟的變化，醫(yī)生就可以從所測的心電圖上判斷心臟各個部位的功能是否正常，所以心電圖是醫(yī)生治療心臟方面的疾病所不可或缺的依據(jù)。因此心電檢測就有了實際應(yīng)用的意義。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)心電圖圖例

2.人體心電信號的干擾

人體心電信號是一種弱電信號，信噪比低。一般正常的心電信號頻率范圍為0.05-100Hz，而90％的心電信號(ECG)頻譜能量集中在0.25-35 Hz之間。采集一種電信號時，會受到各種噪聲的干擾，噪聲來源通常有下面幾種：

(1)工頻干擾50 Hz工頻干擾是由人體的分布電容所引起，工頻干擾的模型由50Hz的正弦信號及其諧波組成。幅值通常與ECG峰峰值相當(dāng)或更強。

(2)電極接觸噪聲,電極接觸噪聲是瞬時干擾，來源于電極與肌膚的不良接觸，即病人與檢側(cè)系統(tǒng)的連接不好。其連接不好可能是瞬時的，如病人的運動和振動導(dǎo)致松動；也可能是檢測系統(tǒng)不斷的開關(guān)、放大器輸入端連接不

好等。電極接觸噪聲可抽象為快速、隨機變化的階躍信號，它按指數(shù)形式衰減到基線值，包含工頻成分。這種瞬態(tài)過渡過程可發(fā)生一次或多次、其特征值包括初始瞬態(tài)的幅值和工頻成分的幅值、衰減的時間常數(shù)；其持續(xù)時間一般的1s左右，幅值可達(dá)記錄儀的最大值。

(3)人為運動,人為運動是瞬時的(但非階躍)基線改變，由電極移動中電極與皮膚阻抗改變所引起。人為運動由病人的運動和振動所引起，造成的基線干擾形狀可認(rèn)為類似周期正弦信號，其峰值幅度和持續(xù)時間是變化的，幅值通常為幾十毫伏。

(4)肌電干擾(EMG),肌電干擾來自于人體的肌肉顫動，肌肉運動產(chǎn)生毫伏級電勢。EMG基線通常在很小電壓范圍內(nèi)。所以一般不明顯。肌電干擾可視為瞬時發(fā)生的零均值帶限噪聲，主要能量集中在30-300Hz范圍內(nèi)。

(5)基線漂移和呼吸時 ECG 幅值的變化 基線漂移和呼吸時 ECG 幅值的變化一般由人體呼吸、電極移動等低頻干擾所引起，頻率小于 5 Hz；其變化可視為一個加在心電信號上 的與呼吸頻率同頻率的正弦分量，在 O.015-O.3Hz 處基線變化變化幅度的為 ECG 峰峰值的 15％。

三、實驗要求

1.實驗儀器設(shè)備：

1)作圖工具：TINA原理圖編輯器

2)仿真工具：使用Multisim交互式地搭建電路，然后仿真。3)電路圖實驗設(shè)計：面包板

4)電路測試：使用NI ELVISmx提供電壓，顯示電路數(shù)據(jù)。

2.設(shè)計要求

體表心電信號是微弱信號，極易受到干擾，心電前置放大電路設(shè)計要求盡可以將外界干擾排除，再通過ELVIS平臺傳到上位機做數(shù)字信號處理和顯示。要求完成以下技術(shù)指標(biāo)

(一)電路的放大倍數(shù)：800~1000倍。(二)電路的共模抑制比：大于75(三)電路的輸入阻抗：大于20M(四)電路的信號的頻率響應(yīng)范圍：0.05~120Hz

我們要設(shè)計的是三導(dǎo)聯(lián)。心電前置放大電路一般會由兩~三級組成，第一級是CMRR很高的差動放大電路，主要用來抑制共模干擾，比如工頻電場干擾，但這一級放大倍數(shù)一般在10倍左右（為什么這么設(shè)定，請大家思考并查資料，采用什么電路方式來提高共模抑制比也可以查資料）。第二級通常是一個兩階低通濾波和放大10倍左右的電路。（請大家去找到合適的兩階濾波器電路，并選用合適的電容與電阻）。最后一級通常是可調(diào)放大倍數(shù)的放大電路，并提供一個低內(nèi)阻的輸出級。高通濾波一般在前端采用無源的一階濾波器。

四、軟件設(shè)計及仿真

1、前置放大電路和右腿驅(qū)動電路的設(shè)計

（1）前級放大電路是將采集到的心電信號直接放大，該信號包含了很多背景噪聲以及較高的共模信號，若這些干擾信號也隨著心電信號一起被放大，將導(dǎo)致心電信號完全被湮沒在噪聲信號中，因此前級放大電路是關(guān)鍵，它必須滿足高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲，低漂移等特點。因此選用儀用放大器AD620，它采用經(jīng)典的三運放改進設(shè)計，只需要一個電阻就能實現(xiàn)對增益的調(diào)節(jié)。它具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，能夠很好地達(dá)到要求。對于前級放大的增益不宜過大，否則會使干擾信號過強，不利于后期處理。

（2）右腿驅(qū)動電路專為針對50Hz工模干擾，提高CMRR而設(shè)計的，原理是采用人體為相加點的共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋，其方法是取出前置放大級中的共模電壓，經(jīng)驅(qū)動電路反相后在加回體表上，一般做法是將此反饋信號接到人體的右腿上，所以稱為右腿驅(qū)動。通常，病人在做正常的心電檢測時，空間電廠在人體產(chǎn)生的干擾電壓以及共模干擾是非常嚴(yán)重的，而用右腿驅(qū)動電路就能很好地解決了上述問題。

圖1 前置放大電路

由電路圖1可知1腳和8腳之間的等效電阻RG?20k??6.67k?，根據(jù)

3G?49.4k??1可得，該電路的增益RGG=8.41，其中電阻R1、R2的匹配性會直接影響到該放大電路的共模抑制比，因此要盡量保持阻值的相等。

圖3 仿真結(jié)果

由圖3仿真結(jié)果可以看出，輸入1mV，40HZ的交流電壓后，經(jīng)AD620芯片 放大測量出的信號值達(dá)到12mV左右，有效值為8.64mV，即實際放大倍數(shù)為8.64倍，與理論值相近。

2、濾波電路的設(shè)計

因為電路所要求的頻帶范圍為0.05Hz到100Hz，由于純粹的帶通濾波器的幅頻特性不好控制，因此選擇低通和高通兩個濾波器串聯(lián)，形成一個帶通濾波器。低通濾波器的截止頻率為100Hz，高通濾波器的截止頻率為0.5Hz。在芯片選擇方面，由于運放本身的頻帶范圍會影響所做濾波器的特性，因此選擇頻帶范圍較寬的TL082做為濾波器的運放。TL082是一種通用的J-FET雙運算放大器，能夠用一個芯片來完成低通和高通濾波。我們采用二階的濾波器，雖然濾波階數(shù)越高，濾波效果越好，但是，濾波階數(shù)過高了就會提高成本，而且階數(shù)越高濾波電路結(jié)構(gòu)會更加復(fù)雜，調(diào)試也更加有難度。二階低通濾波相對于一階來說，其濾波性能

1更加穩(wěn)定，效果更好。圖1為濾波電路。根據(jù)公式f?得，截止頻

2?R1R2C1C2率分別為49Hz和0.08Hz，并其增益都為1。

圖1 帶通濾波電路圖

通過過對實際信號的濾波來檢驗濾波器的特性，心電信號是屬于低頻信號，則前級要放大的信號必定為低幅值、低頻率的信號，由于信號的幅值和頻率都很小，更加容易受到噪聲的影響。在經(jīng)過高通和低通濾波之后，可以看出濾波器在截止頻率范圍內(nèi)提供了有效的濾波。

3、主放大電路設(shè)計

整個電路的放大部分主要由主放大來承擔(dān)，由于前級的放大倍數(shù)為8.6倍，因此將主放大的倍數(shù)定在100倍，整個電路總的增益為860倍（陷波器的增益不包括在內(nèi)）。這部分利用低偏置電壓的TL081CD來承擔(dān)。反向輸入端的1K和100K的電阻決定100倍增益，同相輸入端利用100K電阻平衡兩端電壓，增大共模抑制比。如圖1所示：

圖1 主放大電路仿真圖

在同相輸入端輸入60Hz,1mV Vpp的正弦信號，經(jīng)運算放大器放大后在6號腳測到信號Vpp約為10.1V，如圖2所示：主放大電路的實際放大倍數(shù)大約在100倍，與理論值的誤差是由芯片本身的特性以及電阻的失配引起。

圖2 主放大電路仿真結(jié)果 4、50HZ陷波器的設(shè)計

由于測得的心電信號中夾雜了工頻干擾，難以去除，并且干擾信號的幅值與心電信號相近，嚴(yán)重影響了心電信號的識別，因此在對信號進行第二級放大時采用了一個陷波器，用于除去工頻干擾。該陷波器的中心頻率為50Hz，并且具有1.5倍的增益。50HZ陷波電路電路圖如圖1所示：

圖1 陷波電路

圖2 仿真結(jié)果

理論上中心頻率50Hz左右時有比較明顯的衰減，而測量結(jié)果也跟理論相近，對于實際電路，采用頻率50Hz，峰峰值為1V的，正弦信號進行測試，從圖2中看出，經(jīng)過陷波器之后，原本峰峰值為1V的信號，在1.5的增益下應(yīng)該為1.5V，實際測得的增益為由于是50Hz的信號，衰減至0.1V，效果較明顯。

5、總體電路設(shè)計

圖1 心電采集設(shè)計框圖

電路設(shè)計中最重要的是抑制信號中噪聲的產(chǎn)生及對噪聲信號的濾除，使其對心電信號本身的影響達(dá)到最小。本次實驗中心電信號選擇為0.5至100Hz之間的頻帶。因為心電信號幅值大致都在1mV至3mV之間，電路供電電壓為±5V，因此選擇放大倍數(shù)為800至1000倍。總的電路圖設(shè)計如圖2所示：

圖2 心電采集電路總圖

圖3 仿真結(jié)果

理論上的放大倍數(shù)計算得出，前置放大倍數(shù)為8.41倍，主放大倍數(shù)為100倍，所以總體放大倍數(shù)約為841倍。然而從圖3的仿真結(jié)果看出，實際前置放大倍數(shù)約為7.57倍，這是因為帶通濾波模塊會衰減一部分信號，使總體的放大倍數(shù)減小，仿真實驗到此成功結(jié)束。

五、硬件電路及仿真

1、前置放大電路

在面包板上搭建了以AD620為中心的差動放大電路以后，用NI ELVIS軟件仿真，輸入一個頻率為25Hz，峰峰值為1V的正弦信號，得出的結(jié)果如圖1，可看出峰峰值放大了8倍左右，與軟件仿真結(jié)果相近。當(dāng)共模輸入信號時，測得的共模增益小于0.001，如圖2所示。

圖1 前置放大電路測試結(jié)果

圖2 共模輸入測試結(jié)果

2、帶通濾波電路

用一個低通濾波電路和一個高通濾波電路搭建好一個帶通濾波電路，軟件仿真計算出的帶通截止頻率在0.08Hz-49Hz之間，但由于是實際的電路做不到理想化，所以信號從30Hz就開始衰減，如圖1所示。

圖1 帶通濾波器測試結(jié)果 3、50Hz陷波電路

圖1 陷波測試結(jié)果

圖1可看出在中心頻率為51Hz左右時的信號有明顯的衰減，由于阻值的選擇不同，所以測試結(jié)果與軟件仿真結(jié)果存在一定的誤差。

4、后級放大電路

圖1 后級放大測試結(jié)果

搭建好電路以后，測試得出圖1的結(jié)果，由圖可看出，后級放大倍數(shù)在110倍左右，與理論值的誤差是由芯片本身的特性以及電阻R4和R5的失配引起。

5、總體電路

圖1 差模輸出 圖2 共模輸出

輸入為25Hz，10mV的正弦波。采用差模輸入時，輸出為11.13V左右，放大1113倍采；用共模輸入時，輸出為1.59mV，放大0.16倍。由公式CMRR?10?log(Ad2)可得，整個電路的共模增益為76.8dB。Ac

六、人體測量結(jié)果

圖1 實際測量結(jié)果

在實際測量時，電極貼的位置及個人的皮膚狀況也會影響測量結(jié)果。可以用清水濕潤皮膚，并用砂皮磨掉表面的死皮，這樣會使測量效果更加。同時被測人的體質(zhì)不同也會對測量結(jié)果有影響。

圖2 實際電路圖

在面包板上完成上述電路的搭建，并對每一部分都進行單獨調(diào)試。最終的電路實物圖如圖2所示。左上為前置放大，使用了AD620芯片，左下為右腿驅(qū)動電路，使用的芯片為TL082CP，中上和中部構(gòu)成了一個帶通濾波電路，使用了兩個TL082CP，中下為陷波電路，使用的芯片為OP07CP,右下為第二級放大，使用了TL082CP芯片。在實際測量時，采用三導(dǎo)聯(lián)的方式，一根接右腿，其余兩個分別接左右手，若分別接左右胸口效果會更佳，由于不是很方便就采用接左右手腕的方式。

七、實驗總結(jié)

1、難點

（1）前置放大電路中抑制共模信號的調(diào)制。

（2）消除隨機噪聲、工頻噪聲、內(nèi)部噪聲的干擾。（3）電路圖的設(shè)計，芯片、電阻等元件的選擇。

2、調(diào)試經(jīng)驗

（1）開始連接的電路沒有加入50Hz陷波電路，但在實際測量中有大量的工頻干擾，于是加入了該模塊，結(jié)果有效地一直掉了工頻干擾。

（2）原來選擇的低通濾波起的阻值為11K，理論計算出的截止頻率為97.6Hz，但實際測量中大量的干擾頻率在50Hz左右，于是修改了阻值，改為33K，這樣可以濾掉更多的干擾，有利于得出正常的心電圖。

（3）第一次沒有成功測出心電信號，經(jīng)討論才知道是因為前置放大器模塊沒有做好，導(dǎo)致大量的共模信號進入了電路，由于心電信號非常微小，就被這些干擾信號淹沒了，于是修改了差分輸入的阻值，選擇了兩個特別接近的阻值，以減小共模干擾，計算出前置放大器的共模抑制比在0.001dB左右，有效抑制了共模干擾，最終得出了正常的心電信號。

（4）雖然最后實驗成功了，但是還是存在一些干擾信號，說明濾波這一塊還需改進。心電測量電路中對噪聲的消除是十分重要的。外界噪聲很有可能在電路的任何一部分摻雜進來，所以在最后再加一個低通濾波器濾除高頻噪聲是必要的。（5）電極的放置對心電的影響也很大，放在一個準(zhǔn)確的位置可以很容易地從示波器上看到清晰的波形，反之，心電信號太過微弱會被噪聲完全淹沒。

（6）實驗中，有源濾波器比無源的濾波效果要好很多。兩個有源濾波器串聯(lián)構(gòu)成的帶通濾波器也比無源和有源串聯(lián)的效果好。

（7）對于電容的選擇：在本次實驗中，用瓷片電容的效果比電解電容要好一點。因為瓷片電容構(gòu)成的濾波器濾除高頻成分的性能好，電解電容構(gòu)成的濾波器濾除低頻成分的性能好。

第五篇：語音信號處理及加密課程總結(jié)

《語音信號處理及加密》課程總結(jié)

本學(xué)期，我選修了《語音信號處理及加密》這門課。在本門課程的學(xué)習(xí)中，我系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了現(xiàn)代語音編碼技術(shù)的基本概念和基本知識，如什么是語音編碼、對語音編碼的要求、現(xiàn)代語音編碼技術(shù)的作用和意義、現(xiàn)代語音編碼系統(tǒng)的構(gòu)成、分類以及主要性能指標(biāo)等等，使我對現(xiàn)代語音編碼有了初步的概要的了解。最近的二十幾年來，隨著數(shù)字通信、計算機、信號處理、微電子等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，語音編碼技術(shù)發(fā)展非常迅速，取得了一系列突破性的成果，極大地促進了數(shù)字通信的發(fā)展和普及，是現(xiàn)代通信以及信息技術(shù)的一個亮點。所謂的現(xiàn)代語音編碼技術(shù)，主要就是指最近二十幾年發(fā)展起來并得到廣泛應(yīng)用的語音編碼技術(shù)。

一、為什么要學(xué)習(xí)語音編碼技術(shù)？

由于PCM的編碼速率過高，不適應(yīng)通信和信息技術(shù)發(fā)展的需要，為了壓縮編碼速率，減少傳輸占用的帶寬，人們一直在致力于研究開發(fā)新的語音編碼技術(shù)。這種強烈的客觀需求是推動語音編碼技術(shù)發(fā)展的巨大動力。另一方面，最近二十幾年來，隨著計算機、微電子、信號處理等相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，尤其是隨著數(shù)字信號處理算法和器件（DSP芯片）的飛速發(fā)展和應(yīng)用，為中、低速率語音編碼器的發(fā)展和應(yīng)用準(zhǔn)備了必要條件。正是在這種情況下，從20世紀(jì)80年代以來的二十幾年間，語音編碼技術(shù)進入了一個飛速發(fā)展的時期。

現(xiàn)代語音編碼技術(shù)就是指20世紀(jì)80年代以來發(fā)展起來的新的語音編碼技術(shù)，這些新的語音編碼技術(shù)的出現(xiàn)，極大地推動了通信和信息技術(shù)的發(fā)展，是現(xiàn)代通信發(fā)展史中的一個閃光點。

學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代語音編碼技術(shù)的基礎(chǔ)知識、分析方法、關(guān)鍵技術(shù)和算法十分重要，只有了解和掌握這些已經(jīng)成熟或基本成熟的方法和技術(shù)，才能很好地適應(yīng)現(xiàn)代通信和信息技術(shù)發(fā)展的需要，才能研究開發(fā)新的方案和算法，提出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)方案。

二、我學(xué)到了什么？

語音編碼為信源編碼，就是對模擬的語音信號進行編碼，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，從而降低傳輸碼率并使之可以在數(shù)字信道中傳輸。語音編碼的目的是在保持一定得算法復(fù)雜程度和通信時延的前提下，占用盡可能少的通信容量，傳送盡肯能高質(zhì)量的語音。

語音編碼按照傳統(tǒng)的分類方法通常分為三類：波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼。(一)波形編碼

波形編碼是將時間域或頻率域或變換域信號直接編碼為數(shù)字信號，力求使重建語音波形保持原始語音信號的波形形狀。波形編碼具有語音質(zhì)量好、抗噪聲性能強等優(yōu)點。其缺點是所需用的編碼速率高，一般在64~16Kb/s之間。波形編碼是應(yīng)用最早、人們最熟悉的語音編碼技術(shù)。波形編碼通常包括時域波形編碼、頻域波形編碼和變換域波形編碼三種類型。在課程學(xué)習(xí)中，我對這三種編碼技術(shù)有了初步的了解。1)時域波形編碼

課程中介紹了幾種常用的時域波形編碼，即脈沖編碼調(diào)制（PCM）、增量調(diào)制（DM或?M）、差分脈沖調(diào)制（DPCM）和自適應(yīng)差分脈沖調(diào)制（ADPCM）。PCM是應(yīng)用最早和最廣泛的語音編碼技術(shù)，在很長一段時間內(nèi)，它一直在語音編碼中占據(jù)統(tǒng)治地位，對于通信的數(shù)字化起到過極為重要的推動作用。近年來語音編碼技術(shù)取得一系列突破性進展，出現(xiàn)了許多嶄新的編碼算法和技術(shù)，已經(jīng)動搖了PCM的統(tǒng)治地位，但在通信和信息系統(tǒng)中，PCM的應(yīng)用依然相當(dāng)普遍。其工作原理是：在譯碼端，輸入模擬信號經(jīng)過取樣、量化和編碼，實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，變換成為數(shù)字信號；到了譯碼端，再將接收到的數(shù)字信號通過譯碼、低通平滑濾波實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，恢復(fù)為模擬信號。

DPCM是對相鄰樣值之間的差值進行編碼，而不是對取樣值本身進行編碼，這樣就能夠降低編碼速率。由于它是對預(yù)測誤差信號進行編碼，而預(yù)測誤差信號的能量比輸入信號的能量小得多，因此量化限幅電平也可以小得多。這樣，在量化電平數(shù)不變的條件下，量化器的量化間隔就比輸入信號的量化間隔小得多，使得量化噪聲減少。而在保持信噪比不變的情況下，DPCM就可以通過減少量化比特數(shù)，降低編碼速率。

ADPCM是采用自適應(yīng)量化及高階自適應(yīng)預(yù)測技術(shù)的DPCM。自適應(yīng)線性預(yù)測以幀為單位進行，根據(jù)本幀語音波形的時間相關(guān)性確定預(yù)測系數(shù)，使得預(yù)測誤差信號的方差最小。

DM是DPCM的一種特殊形式。當(dāng)系統(tǒng)的取樣品率大于Nyquist頻率許多倍時，相鄰取樣值之間的相關(guān)性很強，差分信號的幅度值會在一個很小的范圍內(nèi)變化，于是就可以用正負(fù)兩個固定的電平來表示差分信號。因此，在DM中僅用1bit即可對差分信號進行量化，也就是只需指示出極性即可。2)子帶編碼

子帶編碼是一種應(yīng)用比較廣泛的語音編碼技術(shù)，也是一種典型的頻域波形編碼技術(shù)。它利用帶通濾波器（BPF）組首先將輸入信號分割成若干個不同的小的頻帶（稱為子帶），通過等效于單邊帶調(diào)幅的調(diào)制過程，將各子帶搬移到零頻率附近，形成低通信號后，再以Nyquist速率對各子帶輸出取樣，并對這些取樣值分別進行通常的數(shù)字編碼。在接收端，將各子帶編碼信號進行譯碼，并重新調(diào)制回原始位置，再將所有子帶輸出相加，恢復(fù)出原始信號。把語音信號分成若干子帶進行編碼主要有三個優(yōu)點。首先，如果對不同的子帶合理的分配比特數(shù)，就可能分別控制各子帶的量化電平數(shù)目以及相應(yīng)的重建信號的量化誤差方差值，使誤碼率更精確地與各子帶的信源統(tǒng)計特性相匹配。其次，通過調(diào)整不同子帶的比特分配數(shù)值，可以控制總的重建誤差頻譜形狀，使誤差譜的形狀適應(yīng)人耳聽覺特性，獲得更好的主觀聽音質(zhì)量。第三，子帶編碼的另一個優(yōu)點是各子帶內(nèi)的量化噪聲相互獨立，被束縛在自己的子帶內(nèi)，這樣就能避免輸入電平較低的子帶信號被其他子帶的量化噪聲所淹沒。這種情況在非子帶編碼中就會發(fā)生，除非專門采用噪聲譜形形成等技術(shù)來控制。3)變換域編碼。

變換域編碼又稱為變換域波形編碼，是語音編碼中經(jīng)常使用的編碼方式之一，尤其是在寬頻帶高音質(zhì)聲頻編碼中，變換編碼應(yīng)用更為廣泛。

變換域編碼是將通常在時域描寫的語音信號變換到另外一些變換域中描寫(這些變換通常采用正交變換)，然后再對變換后的信號進行量化和編碼。在接收端，首先對通過信道傳輸?shù)慕邮招盘栠M行譯碼，然后進行反變換以恢復(fù)出原始輸入的語音信號。在文獻(xiàn)資料中經(jīng)常介紹并在實際中獲得廣泛應(yīng)用的集中主要正交變換是：K-L變換（K-LT或KLT）、W-H變換（W-HT或WHT）、Haar變換（HT）、斜變換（ST）、離散余弦變換（DCT）和離散傅里葉變換（DFT）。(二)參數(shù)編碼

參數(shù)編碼又稱為聲源編碼或聲碼器，有時又成為分析-綜合編碼，它是將信源信號在頻域或其他變換與提取特征參數(shù)，然后對這些特征參數(shù)進行編碼或傳輸；在譯碼端再將收到的數(shù)字信號譯成特征參數(shù)，根據(jù)這些特征參數(shù)重建語音信號。參數(shù)編碼是通過對語音信號特征參數(shù)的提取和編碼，力求使重建語音信號具有盡可能高的可懂度，即保持原語音信號的語意，但重建語音信號的波形語言語音信號波形卻相差甚遠(yuǎn)。參數(shù)編碼的有點是可實現(xiàn)低速率語音編碼，其編碼速率可低至2.4kb/s以下。其缺點是語音質(zhì)量差，自然度較低，即使是熟人一般也定不出來講話的人是誰。此外，參數(shù)編碼的堅韌性也不夠好。

參數(shù)編碼的基礎(chǔ)是語音的產(chǎn)生模型。根據(jù)這一模型對語音信號進行分析，就可以得到語音的譜包絡(luò)、基音周期以及清濁音判決等參數(shù)。然后就可以對這些參數(shù)進行編碼和傳輸。譯碼中所使用的聲道濾波器的形式，與編碼器中的譜包絡(luò)分析器的形式必須相對應(yīng)，才能夠在同樣的語音產(chǎn)生模型基礎(chǔ)上合成出發(fā)送端的語音信號。(三)混合編碼

語音混合編碼是在采用線性預(yù)測編碼（LPC）技術(shù)的語音參數(shù)編碼的基礎(chǔ)上，通過采用許多改進措施，使用合成分析法而形成的一種新的編碼技術(shù)，是最近二十幾年來在語音編碼技術(shù)上的一種突破性進展，收到人們的普遍重視，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。它克服了波形編碼和參數(shù)編碼的缺點，吸收了它們的長處，在16~4kb/s速率上能夠得到高質(zhì)量的合成語音。多脈沖激勵線性預(yù)測（MPE-LP）編碼、規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測（RPE-LP）編碼和碼激勵線性預(yù)測（CELP）編碼等都屬于混合編碼。

多脈沖激勵線性預(yù)測（MPE-LP）編碼是一種高音質(zhì)語音編碼算法，是第一個實用、有效的ABS-LPC類型的算法。在MPELPC中，不論是清音還是濁音，都用一幀中的有限多個脈沖經(jīng)過最優(yōu)化估值后作為激勵信號。

規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測（RPE-LP）編碼是在MPELPC的基礎(chǔ)上進一步改進而得到的。RPE-LTP編碼方案的特點是算法簡單，語音質(zhì)量好，MOS分為4.0分。它是利用預(yù)測殘差、感覺加權(quán)濾波器的單位沖擊響應(yīng)、位置脈沖模式等信息通過解線性方程組求得激勵脈沖序列的，因此其算法較簡單。

碼激勵線性預(yù)測（CELP）編碼是目前應(yīng)用最多的混合編碼技術(shù)。CELPC采用分幀技術(shù)進行編碼，幀長一般為20~30ms。CELPC基于合成分析（ABS）法的搜索過程、感覺加權(quán)、矢量量化（VQ）和線性預(yù)測（LP）技術(shù)。它用從碼書中搜索出來的最佳碼矢量，乘以最佳增益，代替線性預(yù)測的殘差信號（余量信號）作為激勵信號源。CELPC通常將每一語音幀分為2~5個子幀，在每個子幀內(nèi)搜索最佳的碼矢量最為激勵信號。

三．學(xué)習(xí)體會

在現(xiàn)代通信中，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，圖像、數(shù)據(jù)等非話音信息在通信信息中所占的比例大大提高，而且這種提高的趨勢仍然會繼續(xù)下去。但是，到目前為止，在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，傳輸醉倒的信息仍然是語音信號。在可以預(yù)見的未來的通信中，盡管語音信號在通信信息總量中所占的比例會有所下降，但仍然會是傳輸最多的信息。

語音編碼技術(shù)在數(shù)字通信中的作用至關(guān)重要，現(xiàn)代語音編碼技術(shù)已經(jīng)成為通信技術(shù)中一個相當(dāng)重要的學(xué)科，在各種通信網(wǎng)絡(luò)中都得到廣泛應(yīng)用。在學(xué)習(xí)了這門課程之后，我對語音編碼技術(shù)有了粗略的概念性的了解，并通過實驗深入理解了語音編碼及處理的基本原理，更加深刻地認(rèn)識到語音編碼的作用與意義。只有學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代語音編碼技術(shù)，我們才能更好地向著“降低編碼速率，減少傳輸占用的帶寬”的目標(biāo)前進，推動語音編碼技術(shù)的發(fā)展。