一种共模信号去除方法与流程

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。

技术实现要素：

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b路信号经傅里叶变换后，得到共模信号的幅值vb、相位

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：

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-digitalconverter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

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：

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：

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b路信号经过傅里叶变换后，得到共模信号的幅值vb、相位

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：

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。