Matlab數(shù)字信號(hào)處理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
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1綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例
1.1讀取心電信號(hào)
本文采用的心電信號(hào)來(lái)源于美國(guó)提供的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)。為了讀取簡(jiǎn)單方便，采用其txt格式的數(shù)據(jù)文件作為我們的源心電信號(hào)數(shù)據(jù)。教師可提前下載供學(xué)生使用。要求學(xué)生利用matlab自帶的textread或textscan函數(shù)，讀取txt數(shù)據(jù)文件中的信號(hào)，并畫(huà)出心電信號(hào)波形。
1.2對(duì)心電信號(hào)線性插值
由于心電信號(hào)數(shù)據(jù)不是等間隔采樣而得到的，而Matlab中用數(shù)字濾波器被處理的數(shù)據(jù)應(yīng)該都是等間隔的，因此，首先對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行線性插值處理，使其變?yōu)榈乳g隔的數(shù)據(jù)。t=0∶0.001∶2.5；F=interp1（x，y，t）；%x，y為插值點(diǎn)，F(xiàn)為在被插值點(diǎn)t處的插值結(jié)果。插值前后的心電信號(hào)時(shí)域波形及頻譜。
1.3設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器
由于人體心電信號(hào)易受到儀器、人體活動(dòng)等因素的影響，所采集的信號(hào)常伴有干擾。比如，人的說(shuō)話呼吸，常常會(huì)混有約為0.1Hz到0.25Hz頻段的干擾。設(shè)計(jì)濾波器的目的是對(duì)這些干擾進(jìn)行濾除。在此，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生確定濾波器的類型及指標(biāo)并畫(huà)出幅頻特性圖。設(shè)計(jì)低通濾波器的參考程序如下：[N，wc]=buttord（wp，ws，Rp，As,'s'）[B，A]=butte（rN，wc，'s'）Hk=freqs（B，A，wk）；設(shè)計(jì)高通濾波器的參考程序如下：[N，wc]=buttord（wp，ws，Rp，As，'s'）[B0，A0]=butte（rN，wc，'s'）；[BH，AH]=lp2hp（B，A，wph）；設(shè)計(jì)好濾波器之后，利用matlab的filter函數(shù)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行濾波，如Y=filte（rB，A，X）；%B為的分子系數(shù)；B為濾波器的分母系數(shù)；X為濾波前的信號(hào)；Y為濾波后的結(jié)果。比較濾波前后信號(hào)的時(shí)域波形圖及頻譜圖，引導(dǎo)學(xué)生從信號(hào)平滑及延時(shí)等角度觀察濾波前后信號(hào)的變化。如濾波效果不明顯，則需變動(dòng)濾波器參數(shù)指標(biāo)，重新設(shè)計(jì)濾波器。理想的濾波結(jié)果。
1.4系統(tǒng)分析
最后，教師可要求學(xué)生畫(huà)出各濾波器的沖激響應(yīng)、幅度響應(yīng)及相位響應(yīng)。并將各濾波器級(jí)聯(lián)后畫(huà)出零極點(diǎn)圖判斷級(jí)聯(lián)后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。參考程序如下：H1=impz（b，a)；%求系統(tǒng)的沖激響應(yīng)H2=impz（b1，a1）；Hn=conv（H1，H2）；%將系統(tǒng)一與系統(tǒng)二級(jí)聯(lián)[H，f]=freqz（B，A，N，fs）；%求系統(tǒng)的幅頻特性曲線。其中，B、A是離散系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)分子、分母多項(xiàng)式的系數(shù)向量；N為點(diǎn)數(shù)，默認(rèn)為512；fs是采樣頻率。mag=abs（H）；%幅度響應(yīng)ph=angle（H）；%相位響應(yīng)zr=roots（B）；%求系統(tǒng)的零點(diǎn)pk=roots（A）；%求系統(tǒng)的極點(diǎn)zplane（B，A）；%畫(huà)出系統(tǒng)的零極點(diǎn)圖高、低通濾波器的幅度響應(yīng)、相位響應(yīng)。
2結(jié)語(yǔ)
該綜合實(shí)驗(yàn)將信號(hào)的讀取、頻譜分析、IIR和FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)分析等數(shù)字信號(hào)理論知識(shí)融為一個(gè)整體，工作量較大且有一定難度，建議學(xué)生2～4人一組。首先由教師給出實(shí)驗(yàn)思路，實(shí)驗(yàn)方案由各組學(xué)生提出，通過(guò)查閱文獻(xiàn)合力完成。實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)是如何確定數(shù)字濾波器的指標(biāo)并設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器。該綜合實(shí)驗(yàn)既有助于對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固，更有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)，還能夠發(fā)掘一些有創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，這為推薦和培養(yǎng)其參加各種全國(guó)的比賽又能起到促進(jìn)作用。
作者：王路露 陳英 劉光燦 單位：長(zhǎng)沙學(xué)院