基于Matlab的运动员心跳信号处理

刘晓林

（湖南永兴县第一中学 信息中心，湖南 永兴 423300）

基于Matlab的运动员心跳信号处理

刘晓林

（湖南永兴县第一中学 信息中心，湖南 永兴 423300）

检测运动员在运动中的心跳频率可以为教练员提供运动员的运动强度、训练效果判断依据，通过分析原始心跳信号样本的频谱，确定设计相应滤波器的各项参数，利用最大误差最小化准则设计了最优化FIR滤波器。用Matlab进行原始心跳信号样本滤波的仿真实验，实验结果显示滤波效果良好。

计算机应用；运动员心跳信号；Matlab；最优化FIR数字滤波器；瑞米兹算法

0 引 言

随着体育事业的迅猛发展，各国对体育行业的投入也越来越大。在运动员竞技水平已经训练到一个相当高的水平时，运动员体育成绩的提高更多的依靠科学技术。运动心跳作为教练掌握运动员训练运动强度，评价运动效果的一种有效方法[1]，一套运动员的心跳信号无线收发装置被设计，系统包括无线收发装置、A/D转换模块、数字信号处理模块、计算机分析存贮显示模块，还有单通道D/A转换、音频输出模块。

图1 运动员心跳信号检测系统框图

通过研究分析运动心跳信号的特点，制定相应的判别规则和设计合适的算法，滤除原始运动心跳信号中的噪声。包含四个步骤，第一步：分析原始心跳信号频谱，根据其频谱确定心跳信号所占的频带宽度；然后根据所占的频带的上下限频率先用matlab中的sptool工具进行调试，进一步的确定具体设计的滤波器所必要的参数。第二步：研究滤波器的设计原理及具体的设计方法，采用最大误差最小化准则进行设计，用瑞米兹算法来进行实现，第三步：对原始心跳信号波形和滤波后的心跳信号波进行比较分析。第四步：对设计的滤波器的性能进行综合评价。

1 运动员心跳信号频谱分析及设计滤波器的参数确定

所采集到的运动员心跳信号是一个频率范围在0～4KHZ内的音频信号所以其抽样频率取8KHZ，这也是实际应用过程中对音频信号进行采样时所选取的频率。原始心跳信号波形如图2所示，该信号含有大量的噪声，采用快速傅立叶变换FFT对原始信号进行频谱分析，可得原始信号的频谱图如图3所示。

根据原始信号的频谱图确定所设计的数字滤波器参数如下：抽样频率8KHz,带阻频率范围是0～1700Hz和2000～4000Hz，通带频率范围是1800～1900Hz，通带最大衰减为1dB，阻带最小衰减为60dB。

2 瑞米兹优化算法设计FIR滤波器步骤

瑞米兹（Remez）算法过程如下[2]：

Step1设定r+1个极值点频率ωk的初始猜测值。它是按等间隔设定的，这些频率位于通带区间和阻带区间内。假定这些频率点上的误差函数的值均为δ，其符号正负交错出现。则对于给定的一组极值点频率ωk，需要求解以下方程：

图2 原始运动员心跳信号

图3 原始运动员心跳信号频谱

利用重心形式的拉格朗日内插公式得到P(ω)。

Step3在求出P(ω)的内插后，根据3式计算出E(ω)。若这组频率的所有频率上皆有|E(ω)|≤δ，则最佳逼近已经得到，而δ是波纹的极值，且ω1，ω2，ω3，。。。，ωr的初始假设值是交错点组频率。但实际上第一次不会恰好得此结果，在该频率组的某些频率处总会出现|E(ω)|＞δ，这时就找出误差曲线上的r+1个极值频率点，以它们作为新的极值频率点代替原来的初始猜测值，重新进行计算。

3 实验结果分析

用Matlab进行编程实现[3-4]，滤波后的运动员心跳信号波形如图5所示，噪声信号滤除，目标信号清晰，虽然在两个相邻心跳信号之间围绕0值有少量上下波动的噪音信号，特别是在第2个信号与第3个信号之间其波动比较明显，但是这之间波动信号的幅度的最大值还不到0.01，而目标信号远远大于该值的（目标信号的最大值可以达到0.5），所以相对于目标信号而言该微小的噪音信号可以忽略不计。 所以总的来说所设计的滤波器对原始心跳信号的滤波效果好，通过音频播放软件进行播放，心跳声清晰无杂音，为系统的后续步骤设计提供了信噪比高的心跳信号。

图4 瑞米兹最优算法设计FIR滤波器流程图

图5 滤波实验效果图

[1]伍亚舟,吴宝明,何庆华,等.基于想象左右手运动脑电特征提取及其统计特性分析[J].北京生物医学工程,2007,(2):202-205.

[2]程佩青.数字信号处理教程（第三版）[M].北京:清华大学出版社,2007.

[3]刘彬.MATLAB环境下IIR滤波器设计仿真与验证[J].电子测量技术,2011,34(4):7-10.

[4]申艳,陈后金,薛健,等.基于Matlab加噪语音的FIR滤波器设计[J].电气电子教学报,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

刘晓林（1968－），男，湖南郴州人，中级职称，从事计算机程序设计研究。

book=65,ebook=57

（责任编校：刘志壮）