一種基于模糊邏輯濾除工頻干擾的自適應(yīng)濾波系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物電控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于模糊邏輯濾除工頻干擾的自適應(yīng)濾波系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]工頻干擾是生物信號采集中一重要干擾源，恰落入多種生物小信號的主要信號頻率范圍內(nèi)，隨時間相位和頻率發(fā)生變化的工頻噪聲更加難以濾除，使得濾除生物小信號信號檢測中的工頻干擾尤為關(guān)鍵。近年來，已經(jīng)有多種濾除工頻干擾的方法應(yīng)用在生物小信號信號檢測中，包括:利用帶阻濾波器在電路上濾除工頻干擾；利用數(shù)字陷波器，將采集的模擬信號量化為數(shù)字信號后，再利用頻譜插值法、自適應(yīng)濾波、小波變換等進行濾波處理。
[0003]美國加利福尼亞大學(xué)的控制論專家L.A.Zadeh教授1965提出了模糊集合的概念，開創(chuàng)了模糊數(shù)學(xué)以及模糊推理的歷史，其理論方法也日益完善，并廣泛應(yīng)用到自然科學(xué)和社會科學(xué)的各個領(lǐng)域。1972年，模糊邏輯首次應(yīng)用于控制領(lǐng)域，自1974年英國工程師E.H.Mamdani將模糊控制成功地應(yīng)用到鍋爐和蒸汽機控制，模糊邏輯理論得到了飛速的發(fā)展并成功的應(yīng)用到諸多的領(lǐng)域當中。
[0004]由于模糊邏輯可以模仿人的思維，通過模糊規(guī)則能對只有良好的控制經(jīng)驗而沒有精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)具有良好的控制作用。因此模糊控制的實質(zhì)就是利用模糊邏輯系統(tǒng)對復(fù)雜控制系統(tǒng)中的不確定項進行有效的處理。模糊控制是基于知識或基于模糊規(guī)則，模仿人的模糊推理和決策，模糊邏輯理論雖然早已廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)及模式識別，但在信號處理領(lǐng)域還較少。
[0005]模糊邏輯理論對于不確定項的有效控制，是可穩(wěn)定的控制自適應(yīng)濾波器中的參考輸入，并有效得提高濾波精度和濾波質(zhì)量。在實際情況中噪聲具有不同的統(tǒng)計特性，單一的數(shù)字濾波器設(shè)計往往無法有效的去除工頻干擾。而自適應(yīng)濾波能良好的跟隨工頻干擾的頻率變化，結(jié)合模糊邏輯，將會提高自適應(yīng)濾波器的精度，具備有效的去除變化頻率，變化幅度的工頻噪聲的能力。
[0006]目前，常見的濾除生物小信號檢測中工頻干擾的設(shè)計如下:
[0007](I)、在檢測硬件電路上采用模擬陷波器實現(xiàn)，一般是采用二階有源50Hz陷波濾波器，“濾除50Hz工頻干擾的濾波電路設(shè)計”；
[0008](2)、采用數(shù)字濾波的方法，使用小波變換，“面肌電信號處理和模式識別方法研究”，頻譜插值法進行工頻干擾的濾除；
[0009](3)、采用自適應(yīng)濾波器，“消除心電信號工頻干擾的IIR自適應(yīng)陷波器設(shè)計”，對工頻干擾進行濾除。
[0010]上述濾除工頻干擾存在以下缺點:(1)、使用模擬濾波器進行降噪，由于電子元器件在不同溫度精度會受影響，且電子元器件隨時間過程會有不同程度的老化，因此在一定程度上將影響濾波的性能；(2)、采用小波變換的數(shù)字濾波器，雖然可以避免上述(I)存在的缺點，具有多分辨率分析及能應(yīng)對信號噪聲突變，但一旦選擇一個小波進行整個數(shù)據(jù)處理，會產(chǎn)生很多偽諧波分量，降低被檢測信號的信噪比；而且，選擇一個合適的小波函數(shù)也是非常不容易的；(3)、自適應(yīng)濾波器通過可調(diào)整系數(shù)的濾波器將輸入信號加權(quán)后產(chǎn)生一個輸出，與期望的參考或訓(xùn)練信號進行比較，形成誤差信號；而前述自適應(yīng)濾波器往往收斂較慢，具有高穩(wěn)態(tài)誤差及不穩(wěn)定的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于，為克服現(xiàn)有的技術(shù)存在的上述問題，提供一種基于模糊邏輯濾除工頻干擾的自適應(yīng)濾波系統(tǒng)。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案包括一種基于模糊邏輯濾除工頻干擾的自適應(yīng)濾波系統(tǒng)，包括，使用帶前置放大器的表貼電極，采集生物信號；對所述生物信號經(jīng)信號濾波單元進行有源濾波濾除噪聲；對濾波處理的數(shù)字信號進行模糊邏輯分析，構(gòu)建匹配的濾波器；輸入自適應(yīng)濾波器，完成濾波。
[0013]優(yōu)選地，所述使用帶前置放大器的表貼電極，采集生物信號具體為，所述帶前置放大器的表貼電極放置在待測肌肉的五處不同位置，所述電極間距為20mm，且采用屏蔽線輸出至所述信號濾波單元。
[0014]優(yōu)選地，所述信號濾波單元為有源帶通濾波器，所述有源帶通濾波器的通帶頻率是 20Hz-500Hz。
[0015]優(yōu)選地，所述模糊邏輯分析包括，確定噪聲統(tǒng)計特性:進行統(tǒng)計特性的分析，設(shè)置濾波參數(shù)；所述統(tǒng)計特性為三角分布；單值濾波；構(gòu)建模糊化模塊，將數(shù)字信號變換成相應(yīng)的隸屬度分析；模糊推理和去模糊化:采用判別隸屬度大小進行模糊推理和去模糊化處理；確定最大濾波噪聲。
[0016]優(yōu)選地，所述模糊推理和去模糊化處理具體為:計算所述數(shù)字信號幅度抽樣值0，I的隸屬度值UO和Ul，其中，u0為抽樣值對幅度O的隸屬度值，Ul為抽樣值對幅度I的隸屬度值；若隸屬度值u0大于隸屬度值ul,則去模糊化輸出O,若隸屬度值u0小于隸屬度值Ul，則去模糊化輸出I。
[0017]優(yōu)選地，所述確定最大濾波噪聲具體為:濾波噪聲的O隸屬度函數(shù)最右邊參數(shù)和I隸屬度最左邊參數(shù)相等時，為最大濾波噪聲的門限值。
[0018]優(yōu)選地，所述自適應(yīng)濾波器狀態(tài)包括:
[0019]狀態(tài)一、上升沿出現(xiàn)至下一狀態(tài)時，移位寄存器B和寄存器C的片選信號CSl從高電平轉(zhuǎn)為低電平；數(shù)據(jù)選擇器A的控制信號SEL為低電平，選擇外部數(shù)據(jù)輸入；累加器E為下一狀態(tài)時清零；
[0020]狀態(tài)二、移位寄存器B中存放數(shù)據(jù)，所述片選信號CSl保持有效，所述控制信號SEL為高電平，數(shù)據(jù)選擇器A接收移位寄存器B傳輸?shù)淖钣叶藬?shù)據(jù)；移位寄存器K的片選信號CS2與累加器E的片選信號CS3變?yōu)橛行В奂悠鱁的清零信號CLR變?yōu)楦唠娖?；累加器E不清零，此時乘法器D完成乘法運算，累加器E繼續(xù)加法運算，所述加法運算結(jié)果送入累加器E中寄存；乘法器1、數(shù)據(jù)選擇器L、加法器J對權(quán)系數(shù)進行更新實現(xiàn)對移位寄存器K數(shù)據(jù)的更新；
[0021]狀態(tài)三、在一個運算周期內(nèi)，更新輸出序列；數(shù)據(jù)選擇器A的片選信號CS3變?yōu)榈碗娖?，片選信號CS2、片選信號CS2、累加器的片選信號CS3變?yōu)闊o效；數(shù)據(jù)選擇器A的控制信號SEL變?yōu)榈碗娖?，選擇外部數(shù)據(jù)輸入；累計器E的清零信號CLR變?yōu)榈碗娖剑粸V波器進入等待狀態(tài)，直到下一濾波周期開始。
[0022]本發(fā)明的有益效果包括:基于模糊邏輯的自適應(yīng)濾波器，在濾除生物信號采集檢測中的工頻干擾，對不同標準偏差的工頻噪聲具有優(yōu)良的濾波性能，檢測精確性方面:通過模糊邏輯系統(tǒng)分析，再次使用自適應(yīng)濾波，能在一定程度上提高信噪比。通過FPGA實現(xiàn)該數(shù)字濾波器，適應(yīng)濾波器自身可對頻率變化的工頻噪聲良好跟隨并消除。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實施例的自適應(yīng)工頻干擾濾波系統(tǒng)的流程圖。
[0024]圖2為本發(fā)明實施例的表貼電極的位置布置圖。
[0025]圖3為本發(fā)明實施例的有源帶通濾波器的電路圖。
[0026]圖4為本發(fā)明實施例的自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖5為本發(fā)明實施例的自適應(yīng)濾波器的原理圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種基于模糊邏輯濾除工頻干擾的自適應(yīng)濾波系統(tǒng)，包括，
[0030]采樣放大電路:使用帶前置放大器的表貼電極，采集生物信號；有源濾波單元:對所述生物信號經(jīng)信號濾波單元進行有源濾波濾除噪聲；模糊邏輯系統(tǒng):對濾波處理的數(shù)字信號進行模糊邏輯分析，構(gòu)建匹配的濾波器；自適應(yīng)濾波:輸入自適應(yīng)濾波器，完成濾波。
[0031]本發(fā)明實施例，基于模糊邏輯的自適應(yīng)濾波器，在濾除生物信號采集檢測中的工頻干擾，對不同標準偏差的工頻噪聲具有優(yōu)良的濾波性能，檢測精確性方面:通過模糊邏輯系統(tǒng)分析，再次使用自適應(yīng)濾波，能在一定程度上提高信噪比。通過FPGA實現(xiàn)該數(shù)字濾波器，適應(yīng)濾波器自身可對頻率變化的工頻噪聲良好跟隨并消除。
[0032]優(yōu)選地，所述使用帶前置放大器的表貼電極，采集生物信號具體為，所述帶前置放大器的表貼電極放置在待測肌肉的五處不同位置，所述電極間距為20mm，且采用屏蔽線