CN104579239A - 一种滤波系统的过滤方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滤波系统的过滤方法，所述滤波系统包括依次连接的一进多出的LIFO队列、第一个IIR滤波器、一进一出的LIFO队列和第二个IIR滤波器，所述过滤方法首先根据实际应用获取IIR滤波器的系统函数H(z)，并根据采用的精度确定系统函数H(z)所需要的等长片段长度L；之后，对于采样频率为fs的心电信号x(n)，设置与心电信号x(n)对应的输入数组Div_x(n)，将该数组划分为N_block段，每段长度为M，且M=L/2；之后，将每一段数据流通过滤波系统进行过滤。本发明在减少滤波器的个数同时减少滤波的延时。

Description

一种滤波系统的过滤方法

技术领域

本发明涉及心电信号处理领域，特别是一种滤波系统的过滤方法。

背景技术

在心电信号的采集过程中，不可避免地会混入各种噪声。工频干扰、高频等来自外界的干扰对心电信号的采集及进一步的准确分析诊断造成了不良的影响。因此，在实际采集、分析心电信号的过程中，要对这些干扰进行滤除处理。在实际滤除过程中，往往希望不改变波形或减少波形的失真，又由于心电信号对相位比较敏感，因而就要求设计的滤波器最好是拥有良好的线性相位响应。

目前有很多种方法都可以滤除心电信号的基线漂移干扰和工频信号的干扰，主要的方式有：

一、FIR滤波器，即有限脉冲响应滤波器。虽然FIR滤波器有良好的线性相位的特性，但一般要采用高阶数的FIR滤波器才能满足设计需求，因此FIR滤波器计算量大，滤波延时较长，在实际应用中对芯片要求高，不利于实际应用。

二、采用小波变换来处理心电信号，但是其方法运算量大，而且重构信号时容易产生信号的失真。

三、采用IIR滤波器，即无限脉冲响应滤波器。一般采用H(z^-1)H(z)的形式，使得整个滤波器算法的相位近似为0相位。由于其计算量小，对芯片要求不高，有利于实际的应用，且心电波形通过滤波器后失真度小，因此，是一种实用的技术。但其滤波效果与选取的信号片段长度有关，现有技术采用滤波延时为4倍的信号片段长度，对应使用滤波器的个数为3个，但其算法具有较长时间的延时，不利于实时信号处理，并不是一种最优的解决方案。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种滤波系统的过滤方法，在减少滤波器个数的同时，降低滤波的延迟。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

一种滤波系统的过滤方法，所述滤波系统包括依次连接的一进多出的LIFO队列、第一个IIR滤波器、一进一出的LIFO队列和第二个IIR滤波器，所述过滤方法包括：

（1）根据实际应用获取两个IIR滤波器的系统函数H(z)，并根据采用的精度确定系统函数H(z)所需要的等长片段长度L；

（2）对于采样频率为fs的心电信号x(n)，设置与心电信号x(n)对应的输入数组Div_x(n)，将该数组划分为N_block段，每段长度为M，且M=L/2；

（3）将每一段数据流通过滤波系统进行过滤。

进一步，所述步骤（3）包括：

（31）将每一段数据通过一进多出的LIFO队列进行处理；

（32）将步骤（31）处理后的每一段数据通过第一个IIR滤波器进行滤波和延时叠加处理，使处理后的数据变为一进一出；

（33）将步骤（32）处理后的每一段数据通过一进一出的LIFO队列进行处理；

（34）将步骤（33）处理后的每一段数据通过第二个IIR滤波器进行过滤。

进一步，所述一进多出的LIFO队列的缓存长度为M，且为1进3出，所述步骤（31）中循环将每一段数据通过一进多出的LIFO队列进行处理时，具体为：

所述LIFO队列中的指针1指向缓存的头部，指针2指向缓存的尾部，进行1进3出的LIFO处理时，指针1先指向缓存的尾部，而指针2还未指向缓存的头部时，输出0直到指针2指向缓存的头部为止，此时指针1指向缓存的尾部，指针2指向缓存的头部，以同样的方式进行循环处理，即当指针1先指向缓存的头部，而指针2还未指向缓存的尾部时，则输出0直到指针2指向缓存的尾部为止，每输出3个数据点则写入1个数据点，所述步骤（31）对每一段数据进行处理，使每一段数据后面连接2个长为M的0数组。

进一步，所述步骤（32）对每一段输出的长度为3M的3个滤波点进行过滤时，对应IIR滤波器每计算完3M个长度数据后，对应缓存清零并再次输入新的数据点，同时，对应IIR滤波器对滤波后的数据进行延时叠加处理，使得得3M个长度的数据变成M个长度的数据，将处理后的数据变为一进一出。

进一步，所述步骤（32）中对应IIR滤波器求解系统响应时，所述系统响应包括零状态响应和零输入响应，对于N’_block数组的零状态响应：

在第N’_block个数组输入前，对应的IIR滤波器的缓存已经清零，因此，N’_block数组输入到对应IIR滤波器所产生的响应即为N’_block数组产生的零状态响应；

对于N’_block数组的零输入响应：

所述N’_block数组当前时刻所产生的零输入响应来源具有两个，第一个是前一时刻即N-1’_block数组后的第1组0数组输入滤波系统所产生的响应，第二个是前二时刻即N-2’_block数组后的第2个0数组输入滤波系统所产生的响应；

最终，N’_block数组输入对应IIR滤波器所产生的响应为：

N’_block数组输入到对应IIR滤波器所产生的零状态响应

加上

N-1’_block数组后的第1个0数组输入到对应IIR滤波器所产生的零输入响应

再加上

N-2’_block数组后的第2个0数组输入到对应IIR滤波器所产生的零输入响应。

本发明的有益效果是：

本发明采用一种滤波系统的过滤方法，滤波算法其滤波延时为2倍的信号片段长度，滤波器的使用个数为2个，通过一个一进多出的LIFO(后进先出)进行时序反转，采用多进一出的方式来进行滤波求和，在减少滤波器的个数同时减少滤波的延时。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明所述滤波系统的结构连接示意图；

图2是本发明所述将心电信号x(n)与对应输入数组Div_x(n)的关系示意图；

图3是所述对应图2中数组Div_x(n)由第一个LIFO队列处理后的示意图；

图4是数据通过一进多出的LIFO队列和第一个IIR滤波器的流程示意图；

图5是数据通过一进一出的LIFO队列和第二个IIR滤波器处理后的示意图，图中T为滤波系统总延时；

图6是图1中所述滤波系统的幅频特性图；

图7是图1中所述滤波系统的相频特性图；

图8是作为输入信号x(n)的标准心电信号图；

图9是图8中的标准心电信号通过本发明所述方法滤波后的效果示意图；

图10是采用滤波延时为4倍的信号片段长度、其使用滤波器的个数为3个时，将图8中的标准心电信号过滤后的效果示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种滤波系统的过滤方法，参照图1所示，所述滤波系统包括依次连接的一进多出的LIFO队列、第一个IIR滤波器、一进一出的LIFO队列和第二个IIR滤波器。所述心电信号x(n)经一进多出的LIFO队列处理后生成数据b(n)，b(n)经第一个IIR滤波器FILTER1进行过滤后输出d(n)，之后，d(n)进入一进一出的LIFO队列处理后，由第二个IIR滤波器FILTER2进行过滤生成最终的信号y(n)。

所述滤波系统的过滤方法包括：

（1）根据实际应用获取IIR滤波器的系统函数H(z)，并根据采用的精度确定系统函数H(z)所需要的等长片段长度L。

其中，根据实际需要确定其性能指标求得IIR滤波器的系统函数H(z)，再根据采用的精度确定系统函数所需要的等长片段长度L。L的选择与整个系统的3dB截止频率fc、滤波器参数的选择相关。H(z)与L的选取可以参考论文Scott R.Powell and Paul M.Chau《A Technique for Realizing Linear Phase IIR Filters》IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING. VOL. 39. NO. I I , NOVEMBER 1991。

（2）对于采样频率为fs的心电信号x(n)，设置与心电信号x(n)对应的输入数组Div_x(n)，将该数组划分为N_block段，每段长度为M，且M=L/2。

参照图2所示为对输入信号进行分段处理后的示意图。

（3）将每一段数据流通过滤波系统进行过滤。

所述步骤（3）依次对每一段数据进行处理，具体包括：

（31）循环将每一段数据通过一进多出的LIFO队列进行处理；

（32）将步骤（31）处理后的每一段数据通过第一个IIR滤波器进行滤波和延时叠加处理，使处理后的数据变为一进一出；

（33）将步骤（32）处理后的每一段数据通过一进一出的LIFO队列进行处理；

（34）将步骤（33）处理后的每一段数据通过第二个IIR滤波器进行过滤。

本发明设置所述一进多出的LIFO队列的缓存长度为M，且为1进3出，所述步骤（31）中循环将每一段数据通过一进多出的LIFO队列进行处理时，具体为：

所述LIFO队列中的指针1指向缓存的头部，指针2指向缓存的尾部，进行1进3出的LIFO处理时，指针1先指向缓存的尾部，而指针2还未指向缓存的头部时，输出0直到指针2指向缓存的头部为止，此时指针1指向缓存的尾部，指针2指向缓存的头部，以同样的方式进行循环处理，即当指针1先指向缓存的头部，而指针2还未指向缓存的尾部时，则输出0直到指针2指向缓存的尾部为止，每输出3个数据点则写入1个数据点，所述步骤（31）循环对第一段数据进行处理，使每一段数据后面连接2个长为M的0数组。处理结果参照图3所示。

其中，图3中的N’_block表示对图2中的第N个数组的数据做了后进先出处理，而且每个数组后面都带了两组同等长度的0数组；然后对后进先出所输出的3个数据点做滤波处理，使其通过FILTER1。当FILTER 1每计算完3M个长度数据时，FILTER 1滤波器的缓存清零一次再输入新的数据点。对应的，所述步骤（32）对每一段输出的长度为3M的3个滤波点进行过滤时，对应IIR滤波器每计算完3M个长度数据后，对应缓存清零并再次输入新的数据点，同时，对应IIR滤波器对滤波后的数据进行延时叠加处理，使得得3M个长度的数据变成M个长度的数据，将处理后的数据变为一进一出。

通常而言，求解滤波器的响应分解分为求解滤波器系统的零状态响应和零输入响应。所谓零状态响应只与输入激励有关，而与滤波器系统起始储能无关；所谓零输入响应只与滤波系统的储能相关，而与输入激励无关，即只与过去时刻滤波系统残留的能量相关所产生的响应。

因此，所述步骤（32）中对应IIR滤波器求解系统响应时，所述系统响应包括零状态响应和零输入响应，对于N’_block数组的零状态响应：

在第N’_block个数组输入前，对应的IIR滤波器的缓存已经清零，因此，N’_block数组输入到对应IIR滤波器所产生的响应即为N’_block数组产生的零状态响应；

对于N’_block数组的零输入响应：

所述N’_block数组当前时刻所产生的零输入响应来源具有两个，第一个是前一时刻即N-1’_block数组后的第1组0数组输入滤波系统所产生的响应，第二个是前二时刻即N-2’_block数组后的第2个0数组输入滤波系统所产生的响应；

最终，N’_block数组输入对应IIR滤波器所产生的响应为：

N’_block数组输入到对应IIR滤波器所产生的零状态响应

加上

N-1’_block数组后的第1个0数组输入到对应IIR滤波器所产生的零输入响应

再加上

N-2’_block数组后的第2个0数组输入到对应IIR滤波器所产生的零输入响应。

以图3中的N’_block数组为例，求解滤波器系统的零输入响应和零状态响应时，N’_block数组在输入前，FILTER 1中缓存器已经清零了一次，因此N’_block数组输入到FILTER 1所产生的响应称为N’_block数组产生的零状态响应。

求解零输入响应时，N’_block数组当前时刻所产生的零输入响应来源有两个，第一个是前一时刻即N-1’_block数组后的第1组0数组(中M个0)输入滤波系统所产生的响应，第二个是前二时刻即N-2’_block数组后的第2个0数组(后M个0)输入滤波系统所产生的响应。因此，N’_block数组输入滤波器FILTER 1，所产生的响应为：

N’_block数组输入到FILTER 1所产生的输状态响应

加上

N-1’_block数组后的第1个0数组(中M个0)输入到FILTER 1所产生的零输入响应

再加上

N-2’_block数组后的第2个0数组(后M个0)输入到FILTER 1所产生的零输入响应。

图4为N=3、N=4时FILTER 1响应求和实例示意图。对于图4所示，求解FILTER1系统响应亦可理解为：

r(n)为通过FILTER1后的数据，把r(n)延时2M个数据点得到k(n)，再把k(n)延时2M个数据点得到v(n)，把r(n)、k(n)、v(n)对应的纯灰色部分相加得到d(n)为信号通过FILTER1所得到的响应。

把d(n)进行一次时间反转和再通过FILTER2滤波处理得到y(n)，图5中的T为滤波系统总延时，y(n)为图1所示滤波系统的所求结果。

第一个IIR滤波器由于通过了一个一进多出的LIFO队列，使得其系统响应被明显分裂开，因此通过以上方法求解零输入响应和零状态响应。将步骤（31）和步骤（32）做为一个整体来看，信号通过步骤（31）和步骤（32）后是一进一出的，只是由于有后进先出处理，其数据流的方向是反向的。因此，信号再通过步骤（33）处理后，其数据流的方向为原始信号进入滤波系统的方向，故而第二个IIR滤波器的零输入响应和零状态响应不需要分开进行求解。因此，步骤（33）中第二个滤波器求解系统响应时，不需要对滤波器清零的处理，而是直接求解零输入响应和零状态响应，即数据流通过第二个IIR滤波器后产生的响就是：零输入响应+零状态响应。

图6和图7给出了本发明图1中所示滤波系统的幅频特性图，图6为对应的幅频特性图，图7为对应的相频特性图。

为了便于实际对比，图8给出了输入信号x(n)的标准心电信号，图9是图8中的标准心电信号通过本发明所述方法滤波后的效果示意图；图10是图8中的标准心电信号通过《A Technique for Realizing Linear Phase IIR Filters》所提出滤波方法后的效果图，即采用滤波延时为4倍的信号片段长度、其使用滤波器的个数为3个过滤后的效果图。从图9与图10的直接对比可知，本发明所述滤波的方法可极大缩短滤波算法的延时。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1. 一种滤波系统的过滤方法，其特征在于，所述滤波系统包括依次连接的一进多出的LIFO队列、第一个IIR滤波器、一进一出的LIFO队列和第二个IIR滤波器，所述过滤方法包括：

（1）根据实际应用获取两个IIR滤波器的系统函数H(z)，并根据采用的精度确定系统函数H(z)所需要的等长片段长度L；

（2）对于采样频率为fs的心电信号x(n)，设置与心电信号x(n)对应的输入数组Div_x(n)，将该数组划分为N_block段，每段长度为M，且M=L/2；

（3）将每一段数据流通过滤波系统进行过滤。

2.根据权利要求1所述的滤波系统的过滤方法，其特征在于，所述步骤（3）包括：

（31）将每一段数据通过一进多出的LIFO队列进行处理；

（32）将步骤（31）处理后的每一段数据通过第一个IIR滤波器进行滤波和延时叠加处理，使处理后的数据变为一进一出；

（33）将步骤（32）处理后的每一段数据通过一进一出的LIFO队列进行处理；

（34）将步骤（33）处理后的每一段数据通过第二个IIR滤波器进行过滤。

3.根据权利要求2所述的滤波系统的过滤方法，其特征在于，所述一进多出的LIFO队列的缓存长度为M，且为1进3出，所述步骤（31）中将每一段数据通过一进多出的LIFO队列进行处理时，具体为：

所述LIFO队列中的指针1指向缓存的头部，指针2指向缓存的尾部，进行1进3出的LIFO处理时，指针1先指向缓存的尾部，而指针2还未指向缓存的头部时，输出0直到指针2指向缓存的头部为止，此时指针1指向缓存的尾部，指针2指向缓存的头部，以同样的方式进行循环处理，即当指针1先指向缓存的头部，而指针2还未指向缓存的尾部时，则输出0直到指针2指向缓存的尾部为止，每输出3个数据点则写入1个数据点，所述步骤（31）对每一段数据进行处理，使每一段数据后面连接2个长为M的0数组。

4.根据权利要求3所述的滤波系统的过滤方法，其特征在于，所述步骤（32）对每一段输出的长度为3M的3个滤波点进行过滤时，对应IIR滤波器每计算完3M个长度数据后，对应缓存清零并再次输入新的数据点，同时，对应IIR滤波器对滤波后的数据进行延时叠加处理，使得得3M个长度的数据变成M个长度的数据，将处理后的数据变为一进一出。

5.根据权利要求4所述的滤波系统的过滤方法，其特征在于，所述步骤（32）中对应IIR滤波器求解系统响应时，所述系统响应包括零状态响应和零输入响应，对于N’_block数组的零状态响应：

在第N’_block个数组输入前，对应的IIR滤波器的缓存已经清零，因此，N’_block数组输入到对应IIR滤波器所产生的响应即为N’_block数组产生的零状态响应；

对于N’_block数组的零输入响应：

所述N’_block数组当前时刻所产生的零输入响应来源具有两个，第一个是前一时刻即N-1’_block数组后的第1组0数组输入滤波系统所产生的响应，第二个是前二时刻即N-2’_block数组后的第2个0数组输入滤波系统所产生的响应；

最终，N’_block数组输入对应IIR滤波器所产生的响应为：

N’_block数组输入到对应IIR滤波器所产生的零状态响应

加上

N-1’_block数组后的第1个0数组输入到对应IIR滤波器所产生的零输入响应

再加上

N-2’_block数组后的第2个0数组输入到对应IIR滤波器所产生的零输入响应。