基于Matlab的運(yùn)動員心跳信號處理

劉曉林

（湖南永興縣第一中學(xué) 信息中心，湖南 永興 423300）

基于Matlab的運(yùn)動員心跳信號處理

劉曉林

（湖南永興縣第一中學(xué) 信息中心，湖南 永興 423300）

檢測運(yùn)動員在運(yùn)動中的心跳頻率可以為教練員提供運(yùn)動員的運(yùn)動強(qiáng)度、訓(xùn)練效果判斷依據(jù)，通過分析原始心跳信號樣本的頻譜，確定設(shè)計(jì)相應(yīng)濾波器的各項(xiàng)參數(shù)，利用最大誤差最小化準(zhǔn)則設(shè)計(jì)了最優(yōu)化FIR濾波器。用Matlab進(jìn)行原始心跳信號樣本濾波的仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示濾波效果良好。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用；運(yùn)動員心跳信號；Matlab；最優(yōu)化FIR數(shù)字濾波器；瑞米茲算法

0 引 言

隨著體育事業(yè)的迅猛發(fā)展，各國對體育行業(yè)的投入也越來越大。在運(yùn)動員競技水平已經(jīng)訓(xùn)練到一個相當(dāng)高的水平時(shí)，運(yùn)動員體育成績的提高更多的依靠科學(xué)技術(shù)。運(yùn)動心跳作為教練掌握運(yùn)動員訓(xùn)練運(yùn)動強(qiáng)度，評價(jià)運(yùn)動效果的一種有效方法[1]，一套運(yùn)動員的心跳信號無線收發(fā)裝置被設(shè)計(jì)，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(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。

圖1 運(yùn)動員心跳信號檢測系統(tǒng)框圖

通過研究分析運(yùn)動心跳信號的特點(diǎn)，制定相應(yīng)的判別規(guī)則和設(shè)計(jì)合適的算法，濾除原始運(yùn)動心跳信號中的噪聲。包含四個步驟，第一步：分析原始心跳信號頻譜，根據(jù)其頻譜確定心跳信號所占的頻帶寬度；然后根據(jù)所占的頻帶的上下限頻率先用matlab中的sptool工具進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)一步的確定具體設(shè)計(jì)的濾波器所必要的參數(shù)。第二步：研究濾波器的設(shè)計(jì)原理及具體的設(shè)計(jì)方法，采用最大誤差最小化準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，用瑞米茲算法來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，第三步：對原始心跳信號波形和濾波后的心跳信號波進(jìn)行比較分析。第四步：對設(shè)計(jì)的濾波器的性能進(jìn)行綜合評價(jià)。

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

所采集到的運(yùn)動員心跳信號是一個頻率范圍在0～4KHZ內(nèi)的音頻信號所以其抽樣頻率取8KHZ，這也是實(shí)際應(yīng)用過程中對音頻信號進(jìn)行采樣時(shí)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，采用快速傅立葉變換FFT對原始信號進(jìn)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(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器參數(shù)如下：抽樣頻率8KHz,帶阻頻率范圍是0～1700Hz和2000～4000Hz，通帶頻率范圍是1800～1900Hz，通帶最大衰減為1dB，阻帶最小衰減為60dB。

2 瑞米茲優(yōu)化算法設(shè)計(jì)FIR濾波器步驟

瑞米茲（Remez）算法過程如下[2]：

Step1設(shè)定r+1個極值點(diǎn)頻率ωk的初始猜測值。它是按等間隔設(shè)定的，這些頻率位于通帶區(qū)間和阻帶區(qū)間內(nèi)。假定這些頻率點(diǎn)上的誤差函數(shù)的值均為δ，其符號正負(fù)交錯出現(xiàn)。則對于給定的一組極值點(diǎn)頻率ωk，需要求解以下方程：

圖2 原始運(yùn)動員心跳信號

圖3 原始運(yùn)動員心跳信號頻譜

利用重心形式的拉格朗日內(nèi)插公式得到P(ω)。

Step3在求出P(ω)的內(nèi)插后，根據(jù)3式計(jì)算出E(ω)。若這組頻率的所有頻率上皆有|E(ω)|≤δ，則最佳逼近已經(jīng)得到，而δ是波紋的極值，且ω1，ω2，ω3，。。。，ωr的初始假設(shè)值是交錯點(diǎn)組頻率。但實(shí)際上第一次不會恰好得此結(jié)果，在該頻率組的某些頻率處總會出現(xiàn)|E(ω)|＞δ，這時(shí)就找出誤差曲線上的r+1個極值頻率點(diǎn)，以它們作為新的極值頻率點(diǎn)代替原來的初始猜測值，重新進(jìn)行計(jì)算。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用Matlab進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)[3-4]，濾波后的運(yùn)動員心跳信號波形如圖5所示，噪聲信號濾除，目標(biāo)信號清晰，雖然在兩個相鄰心跳信號之間圍繞0值有少量上下波動的噪音信號，特別是在第2個信號與第3個信號之間其波動比較明顯，但是這之間波動信號的幅度的最大值還不到0.01，而目標(biāo)信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該值的（目標(biāo)信號的最大值可以達(dá)到0.5），所以相對于目標(biāo)信號而言該微小的噪音信號可以忽略不計(jì)。 所以總的來說所設(shè)計(jì)的濾波器對原始心跳信號的濾波效果好，通過音頻播放軟件進(jìn)行播放，心跳聲清晰無雜音，為系統(tǒng)的后續(xù)步驟設(shè)計(jì)提供了信噪比高的心跳信號。

圖4 瑞米茲最優(yōu)算法設(shè)計(jì)FIR濾波器流程圖

圖5 濾波實(shí)驗(yàn)效果圖

[1]伍亞舟,吳寶明,何慶華,等.基于想象左右手運(yùn)動腦電特征提取及其統(tǒng)計(jì)特性分析[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2007,(2):202-205.

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

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

[4]申艷,陳后金,薛健,等.基于Matlab加噪語音的FIR濾波器設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)報(bào),2011,33(2):41-45.

Processing of theAthletes’Heart Signal Based on the Matlab

LIU Xiao-lin

（Information center,Hunan Yongxing county first middle school,Yongxing Hunan province,423300 China）

The criterion,which the coach exterminates the athletes’exercise intensity and exercise effect,is provided by detecting the heartbeat frequency,the parameters of the filter are decided by analyzing the frequency spectrum of the original heart signal,the optimized FIR filter is designed with the method of minimizing the maximum error.The simulating experiment of filtering the original heart signal is carried out with the Matlab program,the result of the experiment shows the effect of the filtering effect is excellent.

Computer application,Athletes’heart signal,Matlab,Optimization of FIR digital filter,Remez algorithmic

R478

A

1673-2219（2014）05-0063-03

2014－02－18

劉曉林（1968－），男，湖南郴州人，中級職稱，從事計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)研究。

book=65,ebook=57

（責(zé)任編校：劉志壯）