[發(fā)明專利]一種基于模糊邏輯濾除工頻干擾的自適應(yīng)濾波系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310655931.0
• 申請(qǐng)日: 2013-12-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104702243A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 湯烈;樊建平;張金勇;蔡錦和;王磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): H03H21/00
• 分類號(hào): H03H21/00
• 代理公司: 深圳市科進(jìn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44316
• 代理人: 沈祖鋒;郝明琴

技術(shù)領(lǐng)域

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)

工頻干擾是生物信號(hào)采集中一重要干擾源，恰落入多種生物小信號(hào)的主要信號(hào)頻率范圍內(nèi)，隨時(shí)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(hào)信號(hào)檢測(cè)中的工頻干擾尤為關(guān)鍵。近年來(lái)，已經(jīng)有多種濾除工頻干擾的方法應(yīng)用在生物小信號(hào)信號(hào)檢測(cè)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(hào)量化為數(shù)字信號(hào)后，再利用頻譜插值法、自適應(yīng)濾波、小波變換等進(jìn)行濾波處理。

美國(guó)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(kāi)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(huì)科學(xué)的各個(gè)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(guó)工程師E.H.Mamdani將模糊控制成功地應(yīng)用到鍋爐和蒸汽機(jī)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(dāng)中。

由于模糊邏輯可以模仿人的思維，通過(guò)模糊規(guī)則能對(duì)只有良好的控制經(jīng)驗(yàn)而沒(méi)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(shí)質(zhì)就是利用模糊邏輯系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)中的不確定項(xiàng)進(jìn)行有效的處理。模糊控制是基于知識(shí)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(shí)別，但在信號(hào)處理領(lǐng)域還較少。

模糊邏輯理論對(duì)于不確定項(xiàng)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(shí)際情況中噪聲具有不同的統(tǒng)計(jì)特性，單一的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)往往無(wú)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(huì)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。

目前，常見(jiàn)的濾除生物小信號(hào)檢測(cè)中工頻干擾的設(shè)計(jì)如下：

（1）、在檢測(cè)硬件電路上采用模擬陷波器實(shí)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(jì)”；

（2）、采用數(shù)字濾波的方法，使用小波變換，“面肌電信號(hào)處理和模式識(shí)別方法研究”，頻譜插值法進(jìn)行工頻干擾的濾除；

（3）、采用自適應(yīng)濾波器，“消除心電信號(hào)工頻干擾的IIR自適應(yīng)陷波器設(shè)計(jì)”，對(duì)工頻干擾進(jìn)行濾除。

上述濾除工頻干擾存在以下缺點(diǎn)：（1）、使用模擬濾波器進(jìn)行降噪，由于電子元器件在不同溫度精度會(huì)受影響，且電子元器件隨時(shí)間過(guò)程會(huì)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（1）存在的缺點(diǎn)，具有多分辨率分析及能應(yīng)對(duì)信號(hào)噪聲突變，但一旦選擇一個(gè)小波進(jìn)行整個(gè)數(shù)據(jù)處理，會(huì)產(chǎn)生很多偽諧波分量，降低被檢測(cè)信號(hào)的信噪比；而且，選擇一個(gè)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(guò)可調(diào)整系數(shù)的濾波器將輸入信號(hào)加權(quán)后產(chǎn)生一個(gè)輸出，與期望的參考或訓(xùn)練信號(hào)進(jìn)行比較，形成誤差信號(hào)；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

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(wèn)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)。

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(hào)；對(duì)所述生物信號(hào)經(jīng)信號(hào)濾波單元進(jìn)行有源濾波濾除噪聲；對(duì)濾波處理的數(shù)字信號(hào)進(jìn)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。

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(hào)具體為，所述帶前置放大器的表貼電極放置在待測(cè)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(hào)濾波單元。

優(yōu)選地，所述信號(hào)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。

優(yōu)選地，所述模糊邏輯分析包括，確定噪聲統(tǒng)計(jì)特性：進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特性的分析，設(shè)置濾波參數(shù)；所述統(tǒng)計(jì)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(hào)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(jìn)行模糊推理和去模糊化處理；確定最大濾波噪聲。

優(yōu)選地，所述模糊推理和去模糊化處理具體為：計(jì)算所述數(shù)字信號(hào)幅度抽樣值0，1的隸屬度值u0和u1，其中，u0為抽樣值對(duì)幅度0的隸屬度值，u1為抽樣值對(duì)幅度1的隸屬度值；若隸屬度值u0大于隸屬度值u1，則去模糊化輸出0，若隸屬度值u0小于隸屬度值u1，則去模糊化輸出1。