基于Matlab的運動員心跳信號處理

劉曉林

（湖南永興縣第一中學 信息中心，湖南 永興 423300）

基于Matlab的運動員心跳信號處理

劉曉林

（湖南永興縣第一中學 信息中心，湖南 永興 423300）

檢測運動員在運動中的心跳頻率可以為教練員提供運動員的運動強度、訓練效果判斷依據，通過分析原始心跳信號樣本的頻譜，確定設計相應濾波器的各項參數，利用最大誤差最小化準則設計了最優化FIR濾波器。用Matlab進行原始心跳信號樣本濾波的仿真實驗，實驗結果顯示濾波效果良好。

計算機應用；運動員心跳信號；Matlab；最優化FIR數字濾波器；瑞米茲算法

0 引 言

隨著體育事業的迅猛發展，各國對體育行業的投入也越來越大。在運動員競技水平已經訓練到一個相當高的水平時，運動員體育成績的提高更多的依靠科學技術。運動心跳作為教練掌握運動員訓練運動強度，評價運動效果的一種有效方法[1]，一套運動員的心跳信號無線收發裝置被設計，系統包括無線收發裝置、A/D轉換模塊、數字信號處理模塊、計算機分析存貯顯示模塊，還有單通道D/A轉換、音頻輸出模塊。

圖1 運動員心跳信號檢測系統框圖

通過研究分析運動心跳信號的特點，制定相應的判別規則和設計合適的算法，濾除原始運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，根據其頻譜確定心跳信號所占的頻帶寬度；然后根據所占的頻帶的上下限頻率先用matlab中的sptool工具進行調試，進一步的確定具體設計的濾波器所必要的參數。第二步：研究濾波器的設計原理及具體的設計方法，采用最大誤差最小化準則進行設計，用瑞米茲算法來進行實現，第三步：對原始心跳信號波形和濾波后的心跳信號波進行比較分析。第四步：對設計的濾波器的性能進行綜合評價。

1 運動員心跳信號頻譜分析及設計濾波器的參數確定

所采集到的運動員心跳信號是一個頻率范圍在0～4KHZ內的音頻信號所以其抽樣頻率取8KHZ，這也是實際應用過程中對音頻信號進行采樣時所選取的頻率。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對原始信號進行頻譜分析，可得原始信號的頻譜圖如圖3所示。

根據原始信號的頻譜圖確定所設計的數字濾波器參數如下：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 瑞米茲優化算法設計FIR濾波器步驟

瑞米茲（Remez）算法過程如下[2]：

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

圖2 原始運動員心跳信號

圖3 原始運動員心跳信號頻譜

利用重心形式的拉格朗日內插公式得到P(ω)。

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

3 實驗結果分析

用Matlab進行編程實現[3-4]，濾波后的運動員心跳信號波形如圖5所示，噪聲信號濾除，目標信號清晰，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，而目標信號遠遠大于該值的（目標信號的最大值可以達到0.5），所以相對于目標信號而言該微小的噪音信號可以忽略不計。 所以總的來說所設計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行播放，心跳聲清晰無雜音，為系統的后續步驟設計提供了信噪比高的心跳信號。

圖4 瑞米茲最優算法設計FIR濾波器流程圖

圖5 濾波實驗效果圖

[1]伍亞舟,吳寶明,何慶華,等.基于想象左右手運動腦電特征提取及其統計特性分析[J].北京生物醫學工程,2007,(2):202-205.

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

[3]劉彬.MATLAB環境下IIR濾波器設計仿真與驗證[J].電子測量技術,2011,34(4):7-10.

[4]申艷,陳后金,薛健,等.基于Matlab加噪語音的FIR濾波器設計[J].電氣電子教學報,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，從事計算機程序設計研究。

book=65,ebook=57

（責任編校：劉志壯）