CN111585530A - 一种共模信号去除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种共模信号去除方法，解决现有高共模抑制比方法难以减去共模信号，导致无法得到准确期望信号的问题。该共模信号去除方法包括，步骤一、采用同一基准电压和同一时钟，同步采集两路期望信号和共模信号，得到两路混合信号，分别记住A路信号和B路信号；步骤二、分别对A路信号和B路信号进行傅里叶变换；步骤三、对FFT变换后的B路信号进行幅值移位和相位移位；幅值移位是将B路信号上的每一个点扩大或者缩小到原来的VA/VB倍；相位移位是将B路信号左移n个点或者右移n个点；步骤四、当B路信号的幅值移位和相位移位完成后，对FFT变换后的A路信号和步骤三处理后的B路信号做减法得到期望信号。

Description

一种共模信号去除方法
技术领域
本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种共模信号去除方法。
背景技术
现有可穿戴式设备的电极包括两种，一种为接触式，另一种为非接触式。接触式要求电极直接紧贴在人体上，非接触式也要求电极隔着衣服与人体紧贴。
目前，以检测心电图为目的的可穿戴设备尚未得到应用，一旦要实现可穿戴式心电检测，那么就需要考虑电极与人体的舒适度以及检测的准确性。为什么实现可穿戴式心电检测如此艰难？因为一旦电极与人体之间的间距发生变化，心电信号的幅值就会发生变化，那么从变化的且较大的50Hz工频当中提取微弱的心电信号就变得更加艰难。因此，如何从较大的50Hz工频中提取微弱的心电信号，是可穿戴式心电图检测设备实现的关键。
目前，去除50Hz工频的方法包括3种，通过仪表放大器的高共模抑制比、右腿驱动电路以及损害心电信号的50Hz陷波器。现有仪表放大器的高共模抑制比方法对采集的两路信号直接做减法，以此来去除50Hz共模信号，但是该方法却难以准确的减去50Hz共模信号，导致无法得到准确的心电信号。此外，语音信号、脑电信号、温度、压力、湿度、速度、流量、声音等模拟信号也存在类似的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有高共模抑制比方法难以减去共模信号，导致无法得到准确期望信号的问题，提供一种共模信号去除方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。
一种共模信号去除方法，包括以下步骤；
步骤一、采用同一基准电压和同一时钟，同步采集两路期望信号和共模信号的混合信号，分别记住A路信号和B路信号；
步骤二、分别对A路信号和B路信号进行傅里叶变换；
A路信号经傅里叶变换后，得到共模信号的幅值VA、相位
Figure BDA0002446138880000021
B路信号经傅里叶变换后，得到共模信号的幅值VB、相位
Figure BDA0002446138880000022
步骤三、对傅里叶变换后的B路信号进行幅值移位和相位移位；
幅值移位是将B路信号上的每一个点扩大或者缩小到原来的VA/VB倍；
相位移位是将B路信号左移n个点或者右移n个点，n通过下式计算：
Figure BDA0002446138880000023
其中，Fs为采样频率；
步骤四、当B路信号的幅值移位和相位移位完成后，对傅里叶变换后的A路信号和步骤三处理后的B路信号做减法得到期望信号。
进一步地，步骤三中，采样频率Fs为10kSPS～20MSPS，采样频率越高，误差越小。
进一步地，步骤二中，通过MATLAB中的FFT函数分别对A路信号和B路信号进行傅里叶变换。
进一步地，步骤一中，所述期望信号为心电信号。
进一步地，步骤一中，用两路ADC同步采集期望信号和共模信号，得到两路混合信号。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明共模信号去除方法利用两路ADC同步采集得到两路混合信号，对两路混合信号当中的共模信号进行幅值的拉伸和相位的移位后，最后两路信号做减法去除共模信号，该方法避免了传统方法直接做减法去除共模信号的缺陷，提高了期望信号的准确性。
2.本发明共模信号去除方法不仅可以用于去除心电信号当中的50Hz共模信号，也可以用于去除语音信号、脑电信号当中的共模信号，还可以用于温度、压力、湿度、速度、流量、声音等模拟信号的前端去除共模信号的处理，用途范围较广。
附图说明
图1为本发明共模信号去除方法的流程图；
图2为本发明移位做减法的MATLAB仿真示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
为什么人体的50Hz共模信号如此难以抑制，研究发现，人体不同位置处的50Hz共模信号具有幅值差和相位差，并对此进行了实验验证。仪表放大器对两路信号直接做减法，那么一旦两路信号当中的50Hz共模具有幅值差和相位差，那么即使仪表放大器共模抑制比再高，也很难减去人体的50Hz共模。本发明针对仪表放大器难以消除50Hz共模信号的问题，提出了一种消除心电信号当中50Hz工频干扰的方法，该方法也可以用来去除其它共模信号，可以用于环境中温度、压力、湿度、速度、流量、声音等模拟信号的前端去除共模信号的处理。例如，可以用于去除语音信号当中的共模信号，可以用于去除脑电信号当中的共模信号。本发明共模信号去除方法中，用两路ADC同步采集，对得到的两个信号序列通过微小的移位，减去50Hz共模信号，避免了仪表放大器直接做减法的缺点。
如图1所示，以下通过心电信号为例，对本发明方法原理进行阐述。
首先，将两个电极放在人体不同的位置，取出微弱心电信号和较大共模信号的混合信号，分别进入两个ADC(ADC是Analog-to-Digital Converter的缩写，指模拟/数字转换器)；两个ADC同步采集，且采用同一基准电压和同一时钟，但是由于人体体表不同位置处的50Hz共模信号存在幅值差和相位差，如果直接做减法，就很难最大程度得减去50Hz共模信号，因此，对采集的两路混合信号进行如下处理；
其次，ADC同步采集所得到的两路混合信号，分别记住A路信号和B路信号，对A路信号和B路信号进行快速傅里叶变换，A路信号经过FFT变换后，得到50Hz共模信号的幅值为VA，相位为
Figure BDA0002446138880000041
B路信号经过FFT变换后，得到50Hz共模信号的幅值为VB，相位为
Figure BDA0002446138880000042
MATLAB当中的FFT函数，可以进行快速傅里叶变换，可以把信号从时域变换到频域，这样就可以从混合信号中提取出50Hz的幅值和相位。心电信号经过ADC采样之后，就会变成数字信号，此时奈奎斯特采样定理要求采样率应该大于信号频率的2倍。对于采到的数字信号，就能够进行FFT变换。N个采样点就可以得到N个点的FFT结果，通常为了方便进行FFT运算，N取2的整数次方。FFT变换后的结果就是一组N个点的复数，其中复数的模就是幅度，复数的角度就是相位。其中第一个点表示直流分量，它的模值是原信号直流分量的N倍。除了第一个点以外，FFT变换结果的每一个点的模值都是原信号中所对应频率分量幅度的N/2倍。假设采样频率为Fs，那么每两个点之间的频率间隔为Fs/N，也就是说可以通过增加点数来提高频率分辨率，可以推导出第n个点所对应的频率为：
Figure BDA0002446138880000043
式中：Fs——采样频率；N——进行FFT变换的点数。
再次，A路信号保持不变，对FFT变换后的B路信号进行幅值移位和相位移位。幅值移位是将B路信号上的每一个点扩大或者缩小到原来的VA/VB倍。相位移位是将B路信号左移n个点或者右移n个点，保证它与A路信号的50Hz相位尽可能相同，n通过下式计算可能：
Figure BDA0002446138880000044
最后，当B路信号幅值移位和相位移位完成后，对A路信号和B路信号做减法，就可以得到有用的心电信号。
基于上述原理，本发明提供一种共模信号去除方法，包括以下步骤；
步骤一、采用同一基准电压和同一时钟，采用两路ADC同步采集期望信号和共模信号，得到两路混合信号，分别记住A路信号和B路信号；
步骤二、分别对A路信号和B路信号进行傅里叶变换；
A路信号经过傅里叶变换后，得到共模信号的幅值VA、相位
Figure BDA0002446138880000051
B路信号经过傅里叶变换后，得到共模信号的幅值VB、相位
Figure BDA0002446138880000052
步骤三、对傅里叶变换后的B路信号进行幅值移位和相位移位；
幅值移位是将B路信号上的每一个点扩大或者缩小到原来的VA/VB倍；
相位移位是将B路信号左移n个点或者右移n个点，保证它与A路信号的共模信号的相位尽可能相同；n通过下式计算：
Figure BDA0002446138880000053
其中，Fs为采样频率；采样频率Fs具体10kSPS～20MSPS；
步骤四、当B路信号的幅值移位和相位移位完成后，对FFT变换后的A路信号和步骤四处理后的B路信号做减法得到期望信号。
仿真验证
使用MATLAB模拟心电信号和共模信号。心电信号是通过描点的方法，大致构造出来的心电信号；共模信号是50Hz及其倍频的正弦信号，仿真结果如图2所示。在图2中，共模加正心电信号，为了清楚显示，向上平移了30个单位，在图中用Ⅰ显示；共模加负心电信号，为了清楚显示，向上平移了20个单位，在图中用Ⅱ显示；在软件上非同步减法所得到的效果，为了清楚显示，向上平移了10个单位，在图中用Ⅲ显示；本发明同步减法所得到的效果，在图中用Ⅳ显示。
实验结果表明：同步减法很重要，要实现同步减法，相关算法微小移位是必须的，因此高采样率也是必须的。因为心电信号的频带范围是0.05Hz到100Hz，所以传统心电检测方法的采样率250SPS到1kSPS即可，本发明使用10kSPS的采样率，也可以高于10kSPS，采样频率越高，误差越小。

Claims (5)

1.一种共模信号去除方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一、采用同一基准电压和同一时钟，同步采集两路期望信号和共模信号的混合信号，分别记住A路信号和B路信号；
步骤二、分别对A路信号和B路信号进行傅里叶变换；
A路信号经傅里叶变换后，得到共模信号的幅值VA、相位
Figure FDA0002446138870000011
B路信号经傅里叶变换后，得到共模信号的幅值VB、相位
Figure FDA0002446138870000012
步骤三、对傅里叶变换后的B路信号进行幅值移位和相位移位；
幅值移位是将B路信号上的每一个点扩大或者缩小到原来的VA/VB倍；
相位移位是将B路信号左移n个点或者右移n个点，n通过下式计算：
Figure FDA0002446138870000013
其中，Fs为采样频率；
步骤四、当B路信号的幅值移位和相位移位完成后，对傅里叶变换后的A路信号和步骤三处理后的B路信号做减法得到期望信号。
2.根据权利要求1所述的共模信号去除方法，其特征在于：步骤三中，采样频率Fs为10kSPS～20MSPS。
3.根据权利要求1或2所述的共模信号去除方法，其特征在于：步骤二中，通过MATLAB中的FFT函数分别对A路信号和B路信号进行傅里叶变换。
4.根据权利要求3所述的共模信号去除方法，其特征在于：步骤一中，所述期望信号为心电信号。
5.根据权利要求4所述的共模信号去除方法，其特征在于：步骤一中，用两路ADC同步采集期望信号和共模信号，得到两路混合信号。
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