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课题二 基于 MATLABDE 的心电信号分析系统的设计与仿真
一、
本课题的目的
本设计课题要紧研究数字心电信号的初步分析及滤波器的应用。通过完本钱课题的设
计,拟要紧达到以下几个目的:
(1)了解 MATLAB 软件的特点和利用方式,熟悉基于 Simulink 的动态建模和仿真的步骤
和进程;
(2)了解人体心电信号的时域特点和频谱特点;
(3)进一步了解数字信号的分析方式;
(4)通过应用具体的滤波器进一步加深对滤波器明白得;
(5)通过本课题的设计,培育学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。
二、课题任务
设计一个简单的心电信号分析系统。对输入的原始心电信号,进行必然的数字信号处置,
进行频谱分析。采纳 Matlab 语言设计,要求别离采纳两种方式进行仿真,即直接采纳 Matlab
语言编程的静态仿真方式、采纳 Simulink 进行动态建模和仿真的方式。依照具体设计要求
完成系统的程序编写、调试及功能测试。
(1)对原始数字心电信号进行读取,由数字信号数据绘制出其时域波形。
(2)对数字信号数据做一次线性插值,使其成为均匀数字信号,以便后面的信号分析。
(3)依照心电信号的频域特点(自己查阅相关资料),设计相应的低通和高通滤波器。
(4)编程绘制实现信号处置前后的频谱,做频谱分析,得出相关结论。
(5)对系统进行综合测试,整理数据,撰写设计报告。
三、要紧设备和软件
(1)PC 机一台。
(2) 以上版本软件,一套。
四、设计内容、步骤和要求
必做部份
利用 Matlab 对 MIT-BIH 数据库提供的数字心电信号进行读取,并还原实际波形
美国麻省理工学院提供的 MIT-BIH 数据库是一个权威性的国际心电图检测标准库,最
近几年来应用普遍,为我国的医学工程界所重视。MIT-BIH 数据库共有 48 个病例,每一个
病例数据长 30min,共计约有 116000 多个心拍,包括有正常心拍和各类异样心拍,内容丰

硕完整。
为了读取简单方便,采纳其 txt 格式的数据文件作为咱们的原心电信号数据。利用 Matlab
提供的文件 textread 或 textscan 函数,读取 txt 数据文件中的信号,而且还原实际波形。
对原始心电信号做线性插值
由于原始心电信号数据不是通过等距离采样取得的,也确实是说原始的心电数据并非是
均匀的,而用 Matlab 中提供的数字滤波器处置数据时,要求数据是等距离的。因此设计的
系统第一应对原始心电信号做线性插值处置,使其变成等距离的数字信号,不然直接处置后
会显现误差,依照心电信号的特点, 把时刻分隔成。添加的幅值点采纳一次线性插值。对二
维数据进行插值,相连幅值间数据的插值依照时刻进行,运算公式如下:
t t
i
t
i1
,
N t / 0.001
,
A A
i
A
i 1
,
t
j
t
j 1
0.001
,
A
j
A
j 1
A / N
其中
t
i
是第 i 个数据时刻点,A
i
是与之对应的数据,N 是两数据之间需要的插值数,
A
是
t
j 1
t
i 1
,A
j 1
A
i 1
,需要插值的两点数据差,
i 1,2,3,arraysize,j 1,2,3, N 1,
i,j 1
时数组
t
j
, A
j
依次排列,即取得了插值后等距离的新数据。
将插值后的幅值数据另存为 txt 文件,以供后续程序挪用。
依照心电信号的频域特点,设计相应的低通和带通滤波器
一样正常人的心电信号频率在~100HZ 范围内,幅度为
10
V
(胎儿)~5mV(成人)。人
体心电信号微弱,信噪比小,因此,在搜集心电信号时,易受到仪器、人体活动等因素的阻
碍,而且所搜集的心电信号常伴有干扰。搜集心电数据时,由于人的说话呼吸,常常会混有
约为到频段的干扰,关于这些低频干扰,能够让信号通过一个高频滤波器,低截止频率设置
为,来滤除低频信号,关于高频信号干扰,能够让信号再通过一个低频滤波器,其中截止频
率设置为 99Hz。也能够直接应用带通滤波器设计。
(1)依照以上指标,设计模拟巴特沃斯(切比雪夫)低通、高通或带通滤波器,画出
幅频特性(模拟滤波器幅频特性 freqs)。
(2)依照心电信号频谱范围设计一个 3 阶以上模拟滤波器对心电信号进行预滤波;
(3)采纳直接、级联或并联方式,实现该系统,并画出系统的信号流图;
(4)分析系统的时域特性(阶跃响应、冲击响应等),并用 Matlab 绘出相关波形;
(5)用 Matlab 分析幅频特性,并绘出相关波形;
(6)分析系统函数零极点与幅频特性的关系。
对处置前后的心电信号别离做频谱分析
利用 Matlab 软件对处置前后的心电信号编程显示其频谱,分析比较滤波前后的频谱,

得出结论。
若是分析频谱,滤波成效不明显,那么需变更滤波器参数指标,从头设计滤波器。通过
频谱分析,多次实验确信最适合的滤波器。
Simulink 仿真
依照前面的设计,进行基于 Simulink 的动态仿真设计。实现心电信号的分析和处置。
给出系统的基于 Simulink 的动态建模和仿真的系统方框图,同时记录系统的各个输出点的
波形和频谱图。
选作部份
减少分析数据的工作量实验
(1)只截取大约,三个周期左右,大约 800 个采样数据进行分析;
(2)利用 Matlab 编程实现对 10s 原始心电信号数据二次采样并进行结果分析。
simulink 仿真设计
(1)将 Matlab 语言编程进行线性插值后的心电信号结果,直接输入到 simulink 模块中
进行滤波处置及系统仿真;
(2)在仿真环境下,自己设计 simulink 的线性插值模块,直接输入原始心电信号,进
行插值处置再进行系统的功能仿真。
50Hz 工频陷波器设计
由于电子设备搜集到的信号常常会混有电源线干扰。电源线干扰是以 50 Hz 为中心的窄
带噪声,带宽小于 1Hz。设计相应的带阻滤波器滤除电源线干扰,并对处置后的信号做频谱
分析。
五、课程设计报告要求
(1)设计报告书包括内容:课程设计题目,课程设计目的和意义,设计方案,详细设
计步骤,设计结果(原理图等),测试和仿真结果(图形或数据)及其分析,其它有明确要
求的设计内容,结论,参考文献等。
(2)提交课程设计报告时应同时提交相关设计和仿真分析材料(程序、结果等)的电
子版。
六、参考文献
[1] 北京迪阳正泰科技进展公司.综合通信实验系统——信号与系统指导书(第二版) .
2006,6
[2] 丁玉美.数字信号处置(第二版).西安电子科技大学出版社,2001
[3] 吴大正. 信号与线性系统分析(第四版). 高等教育出版社,2005,8
[4] 谢嘉奎. 电子线路--线性部份(第四版). 高等教育出版社,2003,2

[5] 陈后金. 信号分析与处置实验. 高等教育出版社,2006,8
七、 附录——设计原理
1.心电信号的读取
txt 格式的数据文件内容合格式如图 1-1 所示(以为例)。
图
1-1 txt
格式的心电数据文件
其中文件的第一列为采样时刻,第二列是在以 MLII 这种导联方式所取得的采样数据,
第三列是以 V5 这种导联方式所取得的采样数据,全文件记录了约为10s 的心电数据,3600
个采样数据,每一行数据之间用 Tab 符分隔。
由于数据文件中后两列数据是对同一种心电信号进行不同的导联方式所取得的采样数
据,因此能够只采纳其中的一种采样数据,摒弃另外一种,即可完成对此心电信号的分析。
全数的心电文件记录时刻约为 10s,共计 12 个左右周期的心电信号。
实际设计心电信号数据文件时应注意:
(1)数据文件的前两行为说明说明文字,不是真正的信号数据,读取信号程序要能够
自动忽略前两行文字,只读取真正的数字信号数据( 严禁自己手动删除原心电数据文件中
的前两行数据,必需通进程序来实现忽略前两行文字的目的)。
(2)利用数组函数别离将文件的前两个列别离读入一个一维数组。
(3)最后利用已经转为数值的别离代表心电信号时刻和幅值的两个一维数组,图形化
还原原始心电信号波形,在此推荐利用 plot(x,y)函数对数据做图形化显示。
2.心电信号的线性插值处置
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