专利名称：Iir滤波器的零相位实现方法及零相位iir滤波装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号处理领域，尤其是对生理信号中基线漂移成分进行零相位滤 波的方法。
背景技术：
在生理信号如心电信号的采集、放大、检测及记录过程中，来自外界的各种 干扰，主要有工频干扰、基线漂移、肌电干扰和各种高频干扰，对信号影响较大。 对心电信号基线漂移进行数字滤波，目前有很多种方法，[l]、吴翔明、吴筱辉、
宋水孝心电图基线漂移成因及其消除的实验研究《心电学杂志》1989年8巻 3期，起止页码191-192。 [2]、赵鹏心电图机发生基线漂移现象的分析《甘 肃科技纵横》2004年33巻6期，起止页码188-192。其中滑动平均滤波方法 简单，但需要的平均点数太多，计算量很大；插值拟合法是建立在P-R段特征 点正确识别的基础上的，如果特征点定位准确，效果较好，但如果波形识别不准 确，特征点寻找错误，该算法性能将严重下降；简单整系数滤波器采用IIR的递 归结构实现FIR滤波，所用系数均为整数，计算量相对较小，适合单片机实现， 采用FIR滤波器去除工频干扰的缺点是，处理延时较大；自适应滤波器其实为 一种特殊的陷波器，它能取得不错的效果，但是由于收敛因子e值很小，因此该 滤波器计算量很大；小波变换法是近年来发展起来的研究热点，它滤波效果好， 对波形无损，但是由于该方法较为复杂，需要用到小波分解和小波重构，因此计 算量同样很大。
基于正反向IIR的基线漂移滤波器，是目前见诸报道较多并已在部分心电图
机上应用的技术。其主要思想是首先使信号序列正向通过滤波器得到第一次滤 波的输出(S — T段有失真)，然后将第一次滤波的输出序列进行时域翻转，将时
域翻转后的序列通过同样的滤波器进行二次滤波，将正向滤波引起的失真的s
—T段还原为正常形态，二次滤波后的输出再次进行时域翻转，则可得到零相移 的信号。这样的处理方法保持了IIR滤波器陡直的幅频特性、递归实现滤波算法 的优点，同时也克服了其非线性相位响应的缺点。在离线心电信号处理中，这种 方法有一定的优势。但其固有的缺陷，反向IIR滤波不能实时实现，限制了其在 运动心电、连续心电等实时性要求高的场合下的运用。
美国专利US5318036公开了一种解决实时性问题的方案，其方法是数字 化数据被用第一个微处理器实现的一个IIR滤波器连续滤波；然后，(前向滤波 后的)数据被存储于一个缓冲器，缓冲器中的数据被按逆时间顺序、在相互交叠 的3秒段中读出；每一段被用于第二个IIR滤波器的输入，该滤波器用第二个微 处理器实现、实质上和第一个IIR滤波器有相同的代码；每一个反方向滤波段的 第一个1.5秒被忽略，以便滤波器输出的稳定。我们不加证明地指出，这种方法 虽然解决了实时滤波的问题，但是会引入一个周期性的噪声_一截短效应问题。
发明内容
针对现有技术的不足本发明提供一种基于IIR滤波器、同时又有良好相位线 性的实时方案。本发明的发明目的是要解决以下问题，1、后向滤波的实时性；2、 整个系统幅频特性波纹；3、 IIR滤波器截短效应问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是对采样频率为fs、无限长或 者有限长的心电信号s[n]，首先进行后向滤波，接着进行前向滤波，以解决后向 滤波的实时性问题；前向滤波器、后向滤波器传递函数是原正反向滤波器将正向 滤波器一阶实零点移到反向滤波器上而形成的，以解决整个系统幅频特性波纹问 题；后向滤波器滤波的结果通过另外一个IIR滤波器进行修正，以解决截短效应 问题。
本发明的有益效果是，对生理信号进行零相移的基线漂移滤波处理，不会 引起波形，特别是心电信号中的S—T段变形；且所有的滤波过程都是IIR滤波 器递归实现，每个输出点平均运算量少。
图1是本发明的输入数组In—Put定义及组成；
图2是本发明对一段实际心电信号进行处理时，In—Put数组内存储的数据 情况。
图3是本发明后向滤波器的直接II型实现；
图4是本发明对图2中的In_Put数组的后向滤波结果显示；
图5是本发明后向滤波传递函数修正函数的直接II型实现；
图6是本发明后向滤波传递函数修正函数对图2中In—Put数组的修正量； 图7是本发明后向滤波传递函数修正的系统框图； 图8是图4的结果经过图6中的修正量修正后结果的第一段； 图9是以图8作为输入信号进行前向滤波处理的输出； 图10中2是一段有限长度的输入信号(实线)，1是对2进行往复式线性相 位IIR滤波得到的基线漂移信号(虚线)，3是所得到的输出信号；
图11是本发明的整个系统幅频特性； 图12是本发明的整个系统相频特性； 图13是图12在0-3Hz处的局部放大。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明
如图1和图2所示，对采样频率为fs的心电信号s[n]，定义一个输入数组 In—Put，该数组可以被均匀分成N—block段，每段长度为Len一sto。 N一block的 选择与整个系统3dB截止频率fc、滤波器参数的选择相关。
当接收到一段长度为Len—sto的心电数据时，将In一Put数组中第二段 Len—sto个数据依次赋值给第一段，第三段给第二段，……，第N—block段每个 元素的值依次为所接收到的新的心电数据。之所以要这样进行处理，主要是为了 减小延迟的时间，同时兼顾计算的效率。
输入数组In—Put初始化为零，当接收到一段长度为Len_st0的心电数据时， In—Put数组内存储的数据情况。
如图3所示实施例中，示出了本发明后向滤波器的直接II型实现。本发明
后向滤波器的传递函数如下所示
<formula>formula see original document page 7</formula>它是由将正反向滤波器中，正向滤波器一阶实零点移到反向滤波器而得。这样做
的目的是为了减小后向滤波器单位脉冲响应有效数据的长度，从而减小对后向滤
波器单位脉冲响应直接截断时所产生的吉布斯效应。
图4为用图3中
<formula>formula see original document page 8</formula>对图2中In-Put数组进行后向滤波的处理结果。
图5所示实施例中，本发明后向滤波传递函数修正函数的直接II型实现，
cO=h(L)， cl=b2*h(L-l)+b3*h(L-2)， c2=b3*h(L-l)， c3=c4=0。其传递函数如下所示
<formula>formula see original document page 8</formula>
该传递函数的作用是保证后向滤波处理时，In—Put数组中每个样本的单位脉
冲响应长度一致，以减少截短效应。其输入信号是图1中的第NJ)lock段信号。
截短效应是由于对一段数据进行IIR滤波处理时直接对滤波结果进行有限长度
截断而造成的。因为直接进行截断处理时，数据段中每个样本的单位脉冲响应长
度呈现递减的关系。当周期性地进行截断处理时，这种递减关系也周期性地发生，
从而会引入一个周期信号。
图6是应用<formula>formula see original document page 8</formula>的修正函
数对图2中的In_Put数组中的第N_block段进行后向滤波处理所得的结果。 在图7中，示出了后向滤波处理修正的系统结构图，其中H(z)就是Hbackward，
L表示后向滤波器单位脉冲响应被截断的长度。
图8所示的是图4结果的第一段经过图6中的修正量修正后的结果。这一段
将被用作前向滤波处理的输入信号。
在图9中，以图8作为输入信号进行前向滤波。前向滤波的传递函数如下所 K是系统传递函数的归一化因子，其作用是保证整个系统传递函数在通带的幅频
响应的值为1。前向滤波器是由将正反向滤波器中的正向滤波器一阶实零点移到 反向滤波器而得。至此，调用一次往复式滤波器的处理过程结束。当整个系统再
次接收到Len—sto个心电信号时，再次重复上述过程就可以连续滤波处理。这里 的方法不仅对静息心电可以进行，对运动心电也可以进行。
图10中，2是一段有限长度的输入心电信号(实线)，1是对2连续进行滤波 处理后得到的基线漂移信号(虚线)，3是所得到的输出。可以看出，滤波不会对 心电信号造成失真。
图ll、 12、 13是本发明在当前参数值下的系统幅相特性，幅频特性的吉布 斯效应很小；在截止频率fc后，基本是零相位。
本发明的技术可应用在许多种形式的生理信号基线漂移滤波中。其它形式的 生理信号基线漂移滤波包括但不仅限于心电信号、呼吸信号、血氧信号。
上述的描述只是为了更方便的说明本发明，并非用以限定本发明的范围，凡 由本发明的说明书上所述的原理，做的简单修饰和等同变化均被本发明创作专利 的范围所涵盖。
权利要求
1、一种IIR滤波器实现零相位的方法，其特征是；对输入信号先进行后同IIR滤波并对滤波结果进行修正，再对修正后的信号前向IIR滤波。
2、 根据权利要求1所述的IIR滤波器实现零相位的方法，其特征是后向 IIR滤波器的传递函数分子多项式比前向IIR滤波器多了 N阶零点，分母多项式 相同。
3.根据权利要求2所述的IIR滤波器实现零相位的方法，其特征是所述 的N为2。
4、 根据权利要求1所述的IIR滤波器实现零相位的方法，其特征是对经 后向IIR滤波信号修正所用的滤波器是一个与后向IIR滤波器的单位脉冲响应相 关联的IIR滤波器。
5、 一种往复式零相位IIR滤波装置，其特征是包括一对输入信号进行后 向滤波的后向IIR滤波器， 一进行前向滤波的前向IIR滤波器和一对后向IIR滤 波器的滤波结果进行修正的修正IIR滤波器，输入信号经后向IIR滤波器后向滤 波后输入到修正IIR滤波器，信号修正后再经前向IIR滤波器进行前向滤波。
6、 根据权利要求5所述的往复式零相位IIR滤波装置，其特征是所述的 后向IIR滤波器的传递函数分子多项式比所述的前向IIR滤波器多了 N阶零点， 分母多项式相同。
7、根据权利要求6所述的往复式零相位IIR滤波装置，其特征是所述的 N为2。
8、根据权利要求5所述的往复式零相位IIR滤波装置，其特征是后向IIR 滤波修正所用的修正IIR滤波器是一个与后向IIR滤波器具有相同分母多项式， 其分子多项式系数的选择与后向IIR滤波器单位脉冲响应相关联。
9、根据权利要求5所述的往复式零相位IIR滤波装置，其特征是所述的信号为心电信号、呼吸信号或血氧信号，所述的生理信号为心电信号时用于心电信号基线去除；所述的生理信号为呼吸信号时用于呼吸信号基线去除；所述的生 理信号为血氧信号时用于血氧信号基线去除。
全文摘要
本发明公开了一种IIR滤波器零相位的实现方法，先对输入信号进行后向滤波，滤波信号经修正后再经前向IIR滤波器进行前向滤波，使得设计出的滤波装置在保持IIR滤波器陡直幅频特性的条件下，保持零相位，以减小非线性相位对滤波后波形的影响，该方法不仅适合于离线信号处理，更适合于在线信号处理。
文档编号A61B5/00GK101361650SQ200710075569
公开日2009年2月11日 申请日期2007年8月7日 优先权日2007年8月7日
发明者孔令锋, 魏大雪 申请人:深圳市理邦精密仪器有限公司