清醒与睡状态脉搏信号分析.doc

数字信号处理综合训练 说 明 书 题目：清醒与睡意状态脉搏信号分析 学院：电气工程与信息工程学院 班级：电子信息科学与技术（2）班 姓名：吴永凯 学号 指导老师：张爱华 2012年5月31日 目录 1 摘要.............................................2 2 脉搏信号处理的内容要求…………………………….3 3信号预处理……………………………………………..3 4 脉搏信号的时域分析…………………………………..4 5 脉搏信号频域分析……………………………………..5 6程序清单………………………………………………..5 7 结果分析………………………………………………..24 8心得体会，致谢………………………………................25 9参考文献...........................................................................26 1 摘要 睡意是伴随着体力疲劳或精神疲劳 而出现的一种状态。睡意会大大降低人的警觉度，决策能力和记忆力。在许多危险性操作和对精度要求比较高的作业环境，如车辆驾驶，航空航天，内外科手术，高空风险作业等，如果操作人员跌入睡意状态，后果将不堪设想。因此，对睡意状态的准确检测和实时估计具有重要的科学意义和迫切的现实需求。 生理信号可以很好的反映出身体各子系统的生理状态和病理变化，广泛地应用于各种临床病症的检测和诊断之中。通过生理记录仪采集脉搏、心电等信号，采用数字滤波、特征提取、分类等方法，对受试者在清醒状态和睡意状态下的脉搏信号进行分析，探讨睡意对脉搏心电信号的影响，以期为睡意检测和评估奠定基础。 2 脉搏信号处理的内容要求 （1）设计滤波器，实现对脉搏信号的噪声抑制。 （2）时域分析：波形特征检测。 （3）功率谱分析：对消噪后的信号进行功率谱分析。要求计算信号的功率谱，峰值频率和多频段能量。 （4）信号特征分析。 3信号预处理 人体的脉搏信号是一种微弱的信号，信噪比比较的低，正常人的脉象信号在0~20Hz的频率范内，且大约99%的能量分布在0~10Hz，在检测和采集时，由于受到仪器，人体方面的影响，所采集的信号中通常包括干扰信号,如图2.1中的脉搏信号，其中最主要的干扰信号有： （1）基线漂移、人体呼吸等低频干扰，频率小于1Hz； （2）工频干扰，是固定频率的干扰，频率为50Hz； （3）其他一些干扰信号，主要是高频干扰。 所以，为了对信号做准确的分析，在分析处理之前必须做一些必要的预处理。针对信号中存在噪声的特点，基线漂移和呼吸等低频干扰在1Hz 以下，而脉搏信号主要在低频范围。 在设计滤波器前，介绍一下常用数字滤波器知识： 数字滤波器可分为无限冲激响应数字滤波器（IIR）和有限冲激响应数字滤波器（FIR），其具体设计过程不再详述，就一些性能区别作简介。 从性能上说，IIR数字滤波器可用较低的阶数获得高的选择性，幅频特性好，但缺点是相位不是严格线性的。相反，FIR滤波器却可以得到严格的线性相位，但FIR只能用较高的阶数达到高的选择性；对于同样的滤波器设计指标，FIR滤波器所要求的阶数可以比IIR滤波器高5到10倍，成本较高，信号延时也较大。 综合我们选用IIR滤波器，对常用一些IIR滤波器性能做比较。 利用Butterworth滤波器、Chebysheve I型滤波器、Che-bysheveⅡ型滤波器、椭圆滤波器都可以进行低通、高通、带通、带阻滤波器的设计，但是各有特点。 其中Butterworth滤波器通带内的幅频响应曲线能得到最大限度的平滑，但牺牲了截止频率的坡度；Chebysheve I型滤波器通带内等波纹，阻带内单调；ChebysheveⅡ型滤波器通带内单调，然而阻带内等波纹；椭圆滤波器阻带和通带内都是等波纹的，但下降的坡度更大，而且可以以更低的阶数实现和其他两类滤波器一样的性能指标。 设计滤波器时要根据实际情况综合考虑截止特性和相位失真的要求等要求。截止特性好的，相位失真就严重，两者不可兼得。 Matlab信号工具箱提供直接设计IIR数字滤波器的函数，直接调用这些函数就可以很方便地设计满足我们要求的滤波器。 本设计中设计的低通滤波器的参数为：Wp = 30/