Matlab數(shù)字信號處理綜合實驗設(shè)計
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1.1讀取心電信號
本文采用的心電信號來源于美國提供的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫。為了讀取簡單方便，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，并畫出心電信號波形。
1.2對心電信號線性插值
由于心電信號數(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，首先對心電信號進行線性插值處理，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，F(xiàn)為在被插值點t處的插值結(jié)果。插值前后的心電信號時域波形及頻譜。
1.3設(shè)計數(shù)字濾波器
由于人體心電信號易受到儀器、人體活動等因素的影響，所采集的信號常伴有干擾。比如，人的說話呼吸，常常會混有約為0.1Hz到0.25Hz頻段的干擾。設(shè)計濾波器的目的是對這些干擾進行濾除。在此，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生確定濾波器的類型及指標(biāo)并畫出幅頻特性圖。設(shè)計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)計好濾波器之后，利用matlab的filter函數(shù)對心電信號進行濾波，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；Y為濾波后的結(jié)果。比較濾波前后信號的時域波形圖及頻譜圖，引導(dǎo)學(xué)生從信號平滑及延時等角度觀察濾波前后信號的變化。如濾波效果不明顯，則需變動濾波器參數(shù)指標(biāo)，重新設(shè)計濾波器。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)。并將各濾波器級聯(lián)后畫出零極點圖判斷級聯(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、分母多項式的系數(shù)向量；N為點數(shù)，默認為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pk=roots（A）；%求系統(tǒng)的極點zplane（B，A）；%畫出系統(tǒng)的零極點圖高、低通濾波器的幅度響應(yīng)、相位響應(yīng)。
2結(jié)語
該綜合實驗將信號的讀取、頻譜分析、IIR和FIR數(shù)字濾波器設(shè)計方法和系統(tǒng)分析等數(shù)字信號理論知識融為一個整體，工作量較大且有一定難度，建議學(xué)生2～4人一組。首先由教師給出實驗思路，實驗方案由各組學(xué)生提出，通過查閱文獻合力完成。實驗難點是如何確定數(shù)字濾波器的指標(biāo)并設(shè)計數(shù)字濾波器。該綜合實驗既有助于對基礎(chǔ)知識進行復(fù)習(xí)和鞏固，更有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識解決實際問題的能力。同時，還能夠發(fā)掘一些有創(chuàng)新能力、動手能力強的學(xué)生，這為推薦和培養(yǎng)其參加各種全國的比賽又能起到促進作用。
作者：王路露 陳英 劉光燦 單位：長沙學(xué)院