專利名稱：Iir濾波器的零相位實(shí)現(xiàn)方法及零相位iir濾波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其是對(duì)生理信號(hào)中基線漂移成分進(jìn)行零相位濾 波的方法。
背景技術(shù)：
在生理信號(hào)如心電信號(hào)的采集、放大、檢測及記錄過程中，來自外界的各種 干擾，主要有工頻干擾、基線漂移、肌電干擾和各種高頻干擾，對(duì)信號(hào)影響較大。 對(duì)心電信號(hào)基線漂移進(jìn)行數(shù)字濾波，目前有很多種方法，[l]、吳翔明、吳筱輝、
宋水孝心電圖基線漂移成因及其消除的實(shí)驗(yàn)研究《心電學(xué)雜志》1989年8巻 3期，起止頁碼191-192。 [2]、趙鵬心電圖機(jī)發(fā)生基線漂移現(xiàn)象的分析《甘 肅科技縱橫》2004年33巻6期，起止頁碼188-192。其中滑動(dòng)平均濾波方法 簡單，但需要的平均點(diǎn)數(shù)太多，計(jì)算量很大；插值擬合法是建立在P-R段特征 點(diǎn)正確識(shí)別的基礎(chǔ)上的，如果特征點(diǎn)定位準(zhǔn)確，效果較好，但如果波形識(shí)別不準(zhǔn) 確，特征點(diǎn)尋找錯(cuò)誤，該算法性能將嚴(yán)重下降；簡單整系數(shù)濾波器采用IIR的遞 歸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)FIR濾波，所用系數(shù)均為整數(shù)，計(jì)算量相對(duì)較小，適合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)， 采用FIR濾波器去除工頻干擾的缺點(diǎn)是，處理延時(shí)較大；自適應(yīng)濾波器其實(shí)為 一種特殊的陷波器，它能取得不錯(cuò)的效果，但是由于收斂因子e值很小，因此該 濾波器計(jì)算量很大；小波變換法是近年來發(fā)展起來的研究熱點(diǎn)，它濾波效果好， 對(duì)波形無損，但是由于該方法較為復(fù)雜，需要用到小波分解和小波重構(gòu)，因此計(jì) 算量同樣很大。
基于正反向IIR的基線漂移濾波器，是目前見諸報(bào)道較多并已在部分心電圖
機(jī)上應(yīng)用的技術(shù)。其主要思想是首先使信號(hào)序列正向通過濾波器得到第一次濾 波的輸出(S — T段有失真)，然后將第一次濾波的輸出序列進(jìn)行時(shí)域翻轉(zhuǎn)，將時(shí)
域翻轉(zhuǎn)后的序列通過同樣的濾波器進(jìn)行二次濾波，將正向?yàn)V波引起的失真的s
—T段還原為正常形態(tài)，二次濾波后的輸出再次進(jìn)行時(shí)域翻轉(zhuǎn)，則可得到零相移 的信號(hào)。這樣的處理方法保持了IIR濾波器陡直的幅頻特性、遞歸實(shí)現(xiàn)濾波算法 的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了其非線性相位響應(yīng)的缺點(diǎn)。在離線心電信號(hào)處理中，這種 方法有一定的優(yōu)勢(shì)。但其固有的缺陷，反向IIR濾波不能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，限制了其在 運(yùn)動(dòng)心電、連續(xù)心電等實(shí)時(shí)性要求高的場合下的運(yùn)用。
美國專利US5318036公開了一種解決實(shí)時(shí)性問題的方案，其方法是數(shù)字 化數(shù)據(jù)被用第一個(gè)微處理器實(shí)現(xiàn)的一個(gè)IIR濾波器連續(xù)濾波；然后，(前向?yàn)V波 后的)數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)于一個(gè)緩沖器，緩沖器中的數(shù)據(jù)被按逆時(shí)間順序、在相互交疊 的3秒段中讀出；每一段被用于第二個(gè)IIR濾波器的輸入，該濾波器用第二個(gè)微 處理器實(shí)現(xiàn)、實(shí)質(zhì)上和第一個(gè)IIR濾波器有相同的代碼；每一個(gè)反方向?yàn)V波段的 第一個(gè)1.5秒被忽略，以便濾波器輸出的穩(wěn)定。我們不加證明地指出，這種方法 雖然解決了實(shí)時(shí)濾波的問題，但是會(huì)引入一個(gè)周期性的噪聲_一截短效應(yīng)問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足本發(fā)明提供一種基于IIR濾波器、同時(shí)又有良好相位線 性的實(shí)時(shí)方案。本發(fā)明的發(fā)明目的是要解決以下問題，1、后向?yàn)V波的實(shí)時(shí)性；2、 整個(gè)系統(tǒng)幅頻特性波紋；3、 IIR濾波器截短效應(yīng)問題。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是對(duì)采樣頻率為fs、無限長或 者有限長的心電信號(hào)s[n]，首先進(jìn)行后向?yàn)V波，接著進(jìn)行前向?yàn)V波，以解決后向 濾波的實(shí)時(shí)性問題；前向?yàn)V波器、后向?yàn)V波器傳遞函數(shù)是原正反向?yàn)V波器將正向 濾波器一階實(shí)零點(diǎn)移到反向?yàn)V波器上而形成的，以解決整個(gè)系統(tǒng)幅頻特性波紋問 題；后向?yàn)V波器濾波的結(jié)果通過另外一個(gè)IIR濾波器進(jìn)行修正，以解決截短效應(yīng) 問題。
本發(fā)明的有益效果是，對(duì)生理信號(hào)進(jìn)行零相移的基線漂移濾波處理，不會(huì) 引起波形，特別是心電信號(hào)中的S—T段變形；且所有的濾波過程都是IIR濾波 器遞歸實(shí)現(xiàn)，每個(gè)輸出點(diǎn)平均運(yùn)算量少。


圖1是本發(fā)明的輸入數(shù)組In—Put定義及組成；
圖2是本發(fā)明對(duì)一段實(shí)際心電信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，In—Put數(shù)組內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù) 情況。
圖3是本發(fā)明后向?yàn)V波器的直接II型實(shí)現(xiàn)；
圖4是本發(fā)明對(duì)圖2中的In_Put數(shù)組的后向?yàn)V波結(jié)果顯示；
圖5是本發(fā)明后向?yàn)V波傳遞函數(shù)修正函數(shù)的直接II型實(shí)現(xiàn)；
圖6是本發(fā)明后向?yàn)V波傳遞函數(shù)修正函數(shù)對(duì)圖2中In—Put數(shù)組的修正量； 圖7是本發(fā)明后向?yàn)V波傳遞函數(shù)修正的系統(tǒng)框圖； 圖8是圖4的結(jié)果經(jīng)過圖6中的修正量修正后結(jié)果的第一段； 圖9是以圖8作為輸入信號(hào)進(jìn)行前向?yàn)V波處理的輸出； 圖10中2是一段有限長度的輸入信號(hào)(實(shí)線)，1是對(duì)2進(jìn)行往復(fù)式線性相 位IIR濾波得到的基線漂移信號(hào)(虛線)，3是所得到的輸出信號(hào)；
圖11是本發(fā)明的整個(gè)系統(tǒng)幅頻特性； 圖12是本發(fā)明的整個(gè)系統(tǒng)相頻特性； 圖13是圖12在0-3Hz處的局部放大。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明
如圖1和圖2所示，對(duì)采樣頻率為fs的心電信號(hào)s[n]，定義一個(gè)輸入數(shù)組 In—Put，該數(shù)組可以被均勻分成N—block段，每段長度為Len一sto。 N一block的 選擇與整個(gè)系統(tǒng)3dB截止頻率fc、濾波器參數(shù)的選擇相關(guān)。
當(dāng)接收到一段長度為Len—sto的心電數(shù)據(jù)時(shí)，將In一Put數(shù)組中第二段 Len—sto個(gè)數(shù)據(jù)依次賦值給第一段，第三段給第二段，……，第N—block段每個(gè) 元素的值依次為所接收到的新的心電數(shù)據(jù)。之所以要這樣進(jìn)行處理，主要是為了 減小延遲的時(shí)間，同時(shí)兼顧計(jì)算的效率。
輸入數(shù)組In—Put初始化為零，當(dāng)接收到一段長度為Len_st0的心電數(shù)據(jù)時(shí)， In—Put數(shù)組內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)情況。
如圖3所示實(shí)施例中，示出了本發(fā)明后向?yàn)V波器的直接II型實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明
后向?yàn)V波器的傳遞函數(shù)如下所示
<formula>formula see original document page 7</formula>它是由將正反向?yàn)V波器中，正向?yàn)V波器一階實(shí)零點(diǎn)移到反向?yàn)V波器而得。這樣做
的目的是為了減小后向?yàn)V波器單位脈沖響應(yīng)有效數(shù)據(jù)的長度，從而減小對(duì)后向?yàn)V
波器單位脈沖響應(yīng)直接截?cái)鄷r(shí)所產(chǎn)生的吉布斯效應(yīng)。
圖4為用圖3中
<formula>formula see original document page 8</formula>對(duì)圖2中In-Put數(shù)組進(jìn)行后向?yàn)V波的處理結(jié)果。
圖5所示實(shí)施例中，本發(fā)明后向?yàn)V波傳遞函數(shù)修正函數(shù)的直接II型實(shí)現(xiàn)，
cO=h(L)， cl=b2*h(L-l)+b3*h(L-2)， c2=b3*h(L-l)， c3=c4=0。其傳遞函數(shù)如下所示
<formula>formula see original document page 8</formula>
該傳遞函數(shù)的作用是保證后向?yàn)V波處理時(shí)，In—Put數(shù)組中每個(gè)樣本的單位脈
沖響應(yīng)長度一致，以減少截短效應(yīng)。其輸入信號(hào)是圖1中的第NJ)lock段信號(hào)。
截短效應(yīng)是由于對(duì)一段數(shù)據(jù)進(jìn)行IIR濾波處理時(shí)直接對(duì)濾波結(jié)果進(jìn)行有限長度
截?cái)喽斐傻摹Ｒ驗(yàn)橹苯舆M(jìn)行截?cái)嗵幚頃r(shí)，數(shù)據(jù)段中每個(gè)樣本的單位脈沖響應(yīng)長
度呈現(xiàn)遞減的關(guān)系。當(dāng)周期性地進(jìn)行截?cái)嗵幚頃r(shí)，這種遞減關(guān)系也周期性地發(fā)生，
從而會(huì)引入一個(gè)周期信號(hào)。
圖6是應(yīng)用<formula>formula see original document page 8</formula>的修正函
數(shù)對(duì)圖2中的In_Put數(shù)組中的第N_block段進(jìn)行后向?yàn)V波處理所得的結(jié)果。 在圖7中，示出了后向?yàn)V波處理修正的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中H(z)就是Hbackward，
L表示后向?yàn)V波器單位脈沖響應(yīng)被截?cái)嗟拈L度。
圖8所示的是圖4結(jié)果的第一段經(jīng)過圖6中的修正量修正后的結(jié)果。這一段
將被用作前向?yàn)V波處理的輸入信號(hào)。
在圖9中，以圖8作為輸入信號(hào)進(jìn)行前向?yàn)V波。前向?yàn)V波的傳遞函數(shù)如下所 K是系統(tǒng)傳遞函數(shù)的歸一化因子，其作用是保證整個(gè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)在通帶的幅頻
響應(yīng)的值為1。前向?yàn)V波器是由將正反向?yàn)V波器中的正向?yàn)V波器一階實(shí)零點(diǎn)移到 反向?yàn)V波器而得。至此，調(diào)用一次往復(fù)式濾波器的處理過程結(jié)束。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)再
次接收到Len—sto個(gè)心電信號(hào)時(shí)，再次重復(fù)上述過程就可以連續(xù)濾波處理。這里 的方法不僅對(duì)靜息心電可以進(jìn)行，對(duì)運(yùn)動(dòng)心電也可以進(jìn)行。
圖10中，2是一段有限長度的輸入心電信號(hào)(實(shí)線)，1是對(duì)2連續(xù)進(jìn)行濾波 處理后得到的基線漂移信號(hào)(虛線)，3是所得到的輸出。可以看出，濾波不會(huì)對(duì) 心電信號(hào)造成失真。
圖ll、 12、 13是本發(fā)明在當(dāng)前參數(shù)值下的系統(tǒng)幅相特性，幅頻特性的吉布 斯效應(yīng)很??；在截止頻率fc后，基本是零相位。
本發(fā)明的技術(shù)可應(yīng)用在許多種形式的生理信號(hào)基線漂移濾波中。其它形式的 生理信號(hào)基線漂移濾波包括但不僅限于心電信號(hào)、呼吸信號(hào)、血氧信號(hào)。
上述的描述只是為了更方便的說明本發(fā)明，并非用以限定本發(fā)明的范圍，凡 由本發(fā)明的說明書上所述的原理，做的簡單修飾和等同變化均被本發(fā)明創(chuàng)作專利 的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1、一種IIR濾波器實(shí)現(xiàn)零相位的方法，其特征是；對(duì)輸入信號(hào)先進(jìn)行后同IIR濾波并對(duì)濾波結(jié)果進(jìn)行修正，再對(duì)修正后的信號(hào)前向IIR濾波。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的IIR濾波器實(shí)現(xiàn)零相位的方法，其特征是后向 IIR濾波器的傳遞函數(shù)分子多項(xiàng)式比前向IIR濾波器多了 N階零點(diǎn)，分母多項(xiàng)式 相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的IIR濾波器實(shí)現(xiàn)零相位的方法，其特征是所述 的N為2。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的IIR濾波器實(shí)現(xiàn)零相位的方法，其特征是對(duì)經(jīng) 后向IIR濾波信號(hào)修正所用的濾波器是一個(gè)與后向IIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)相 關(guān)聯(lián)的IIR濾波器。
5、 一種往復(fù)式零相位IIR濾波裝置，其特征是包括一對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行后 向?yàn)V波的后向IIR濾波器， 一進(jìn)行前向?yàn)V波的前向IIR濾波器和一對(duì)后向IIR濾 波器的濾波結(jié)果進(jìn)行修正的修正IIR濾波器，輸入信號(hào)經(jīng)后向IIR濾波器后向?yàn)V 波后輸入到修正IIR濾波器，信號(hào)修正后再經(jīng)前向IIR濾波器進(jìn)行前向?yàn)V波。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的往復(fù)式零相位IIR濾波裝置，其特征是所述的 后向IIR濾波器的傳遞函數(shù)分子多項(xiàng)式比所述的前向IIR濾波器多了 N階零點(diǎn)， 分母多項(xiàng)式相同。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的往復(fù)式零相位IIR濾波裝置，其特征是所述的 N為2。
8、根據(jù)權(quán)利要求5所述的往復(fù)式零相位IIR濾波裝置，其特征是后向IIR 濾波修正所用的修正IIR濾波器是一個(gè)與后向IIR濾波器具有相同分母多項(xiàng)式， 其分子多項(xiàng)式系數(shù)的選擇與后向IIR濾波器單位脈沖響應(yīng)相關(guān)聯(lián)。
9、根據(jù)權(quán)利要求5所述的往復(fù)式零相位IIR濾波裝置，其特征是所述的信號(hào)為心電信號(hào)、呼吸信號(hào)或血氧信號(hào)，所述的生理信號(hào)為心電信號(hào)時(shí)用于心電信號(hào)基線去除；所述的生理信號(hào)為呼吸信號(hào)時(shí)用于呼吸信號(hào)基線去除；所述的生 理信號(hào)為血氧信號(hào)時(shí)用于血氧信號(hào)基線去除。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種IIR濾波器零相位的實(shí)現(xiàn)方法，先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行后向?yàn)V波，濾波信號(hào)經(jīng)修正后再經(jīng)前向IIR濾波器進(jìn)行前向?yàn)V波，使得設(shè)計(jì)出的濾波裝置在保持IIR濾波器陡直幅頻特性的條件下，保持零相位，以減小非線性相位對(duì)濾波后波形的影響，該方法不僅適合于離線信號(hào)處理，更適合于在線信號(hào)處理。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101361650SQ200710075569
公開日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2007年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月7日
發(fā)明者孔令鋒, 魏大雪 申請(qǐng)人:深圳市理邦精密儀器有限公司