生物医学实验室实验4.doc

生物医学工程实验室 实验指导说明书 （四） 实验名称：用于ECG分析的IIR数字滤波器 2005.6 一、实验名称：用于ECG分析的IIR数字滤波器 二、实验类型：综合性 三、实验学时：4学时 四、实验对象：本科生，研究生 五、实验目的：通过本次实验，了解双极点滤波器等IIR滤波器的特性，同时了解IIR滤波器的几种设计方法——包括传递函数的直接设定或设定滤波器零—极点位置来进行设计，用UW DigiScope 软件设计积分器和双极点滤波器。了解全通滤波器的设计和应用；比较3种积分器的使用条件及效果，比较3种滤波器的Q值，说明Q值对滤波器性能的影响。重点在于对实际的ECG信号处理时解决问题的能力培养。同时有一定的C语言IIR滤波器实现设计工作。 六、实验内容：1、了解IIR数字滤波器的特性和设计方法。 2、实际处理ECG信号，了解处理实际信号要考虑的问题。 3、认识滤波器的Q值及其测量。 4、认识有限字长效应对滤波器处理时造成的影响。 5、了解用C语言设计IIR滤波器的方法。 七、实验设备：UW DigiScope软件1套、TURBO C2.0或Visual C++ 6.0软件1套、使用PC电脑一台 八、实验原理： 1、UW DigiScope在IIR滤波器设计中的应用 运行UW DigiScope程序后，选择(F)ilters-(D)esign-(I)IR项。后，可以进行IIR滤波器的设计工作。 在IIR的设计中，可以设计双极点滤波器、整形滤波器、还可以通过对传递函数的直接设定或设定滤波器零—极点位置来进行设计。本次实验主要使用后两种方式来设计滤波器。 在当前菜单中选择(G)eneric项，可以通过设定传递函数的方式来设计滤波器：首先需要输入分子与分母的阶数，输入的系数是分子与分母中z的负指数中绝对值最大的数。其次将要输入每个具体的系数。输入皖后系统将自动产生滤波器的输出特性。这里需要注意的是，所设计的滤波器可能存在不稳定的现象，在这种情况下，电脑将自动提示（警告）。如果确认没有问题，可以忽略之。 举例如下： 要设计的滤波器传递函数是：（设T为0.005），设计步骤如下：将分子与分母的阶数分别设置为2与3；之后填入分子系数：3，12，3；最后填入分母系数：200，0，0，-200。此时电脑将给出一个警告，由于在单位圆上存在三个极点，忽略该警告，设计完成。 从上面的滤波器在填写分子系数时当然可以写成：0.00167（0.005/3，下面类似）,0.00667,0.00167，分母系数写成1，0，0，-1。但这样做将在设计时就引入了一定的误差，不利于滤波器的使用。 菜单中选择pz (P)lace项，可以用指定滤波器零—极点的方式设计滤波器。这时依次需要填写：零点个数，零点位置，极点个数，极点位置。零—极点位置可以用“实部—虚部”法给出，也可以用“模—幅角”的方式给出。需要注意的是，在设定零—极点位置位置时，一般来说除特殊情况复极（零）点是成对出现的，这样，如果设定点不是一个实数点，电脑将自动在其水平对称位置加入另一个点。此外，需要注意这种设计方法要求设计的滤波器是稳定的（极点的模要小于1）。 2、0延时全通滤波器的设计和应用 0延时全通滤波器是一种比较特殊的滤波器，其一般表达示是y(nT)=Kx(nT)，其实只是将输入放大了K倍后输出。这种滤波器可 滤波器特性改变：一个全通滤波器与一个低通滤波器相减，将得到一个高通滤波器，反之亦然；一个全通滤波器与一个带通滤波器相减，将得到一个带阻滤波器，反之亦然。 输入信号反向：令K=-1，则输出信号是输入信号的一个反相。 放大输出：令K为一个常数，输出信号是输入信号放大（或缩小）K倍后的输出。这在ECG的处理中比较有用：ECG信号在传感器的输出处可能比较小，用一个放大输出的全通滤波器可以将信号放大，便于处理。 Q值的介绍 作为一种测量滤波器的指标，Q值有非常重要的意义。滤波器的Q值用下式计算： 其中，fc是滤波器的中心频率，B是滤波器的带宽。Q值的选择将直接决定滤波器的通带（或阻带）特性。在下面的实验中将看到不同Q值的滤波器对输入信号的不同影响。 C语言的IIR滤波器的设计 C语言设计IIR滤波器时需要注意的问题与C语言设计FIR滤波器时需要注意的问题差不多。但要考虑更多的问题。主要是在求输出特性时可能出现幅度特性为无穷大的问题，这就需要用上一个实验中的方法处理之。 约定： 可以通过分析发现，ecg105.dat等信号文件的采样频率是200Hz，这在一些滤波器的设计中可能会用到，如果不能确定文件中输入信号的采样频率，可以用记事本将文件打开观察得到。注意，一定不能在记事本中修改文件，否则可能出现难以预料的后果。 以用FIR滤波器设计出来（详细说明见上一个实验）。下面给