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1、信号与系系统课程程设计报报告课题二 心电信信号分析析系统的的设计与与仿真班级：姓名：学号：组号及同同组人：指导教师师：王宝宝珠日期：220155年1月月5日心电信号号分析系系统的设设计与仿仿真摘要：本本文利用用MATTLABB对MIIT-BBIH数数据库中中的心电电信号进进行分析析，利用用MATTLABB软件、ssimuulinnk平台台、GUUI图形形用户界界面、LLABVVIEWW软件对对心电信信号进行行读取、插插值、高高通低通通滤波等等处理。并并画出时时域、频频域波形形进行比比较分析析。同时时将滤波波器的系系统函数数进行读读取，分分析，画画出滤波波的信号号流程图图，并画画出系统统的冲击击
2、响应、幅幅频响应应、相位位响应和和零极点点图来判判断系统统的稳定定性。关键词：MATTLABB，siimullinkk，心电电信号，数字滤滤波器，GGUI，LLABVVIEWWAbsttracct:TThissartticlle mmakees uuse of MATTLABB too annalyyzeEECG siggnallof MITT-BIIH ECGG Daatabbasee.TTo EECG siggnall .wwe ccolllectt itt fiirstt.thhen we makkelinnearr innterrpollatiion.finnallly wwe cca
3、rrry aa vaariaablee off fillterr inncluudinng lowwpasss aandHiggh PPasss.wee wiill commparre ddifffereencees aafteer ppainntinng tthe timme ddomaain andd frrequuenccy ddomaain wavvefoorm .att thhe ssamee tiime we reaad aand anaalyzzethe sysstemm fuuncttionn off fiilteer wwithh paainttingg itts tthe
4、floow ccharrt oof tthe siggnall.faanallly we paiint sysstemm shhockk reespoonseealoong witthammpliitudde-ffreqquenncy ressponnse andd phhasee reespoonsee.wee juudgee syysteem sstabbiliity by Zerro ppolee fiigurre.Key worrds:MATTLABB, ssimuulinnk,ECGGsiggnall, diigittalfillterr, GGUI, LAABVIIEW一、 课程设
5、计计目的、意意义本设计课课题主要要研究数数字心电电信号的的初步分分析方法法及滤波波器的设设计与应应用。通通过完成成本课题题的任务务，拟主主要达到到以下几几个目的的：1了解解MATTLABB软件的的特点和和使用方方法，熟熟悉基于于Simmuliink的的动态建建模和仿仿真的步步骤和过过程；2. 了了解LaabVIIEW虚虚拟仪器器软件的的特点和和使用方方法，熟熟悉采用用LabbVIEEW进行行信号分分析、系系统设计计及仿真真的方法法。3了解解人体心心电信号号的时域域特征和和频谱特特征；4通过过设计具具体的滤滤波器进进一步加加深对滤滤波器性性能的理理解；5掌握握数字心心电信号号的分析析方法，学学会
6、系统统设计与与软件仿仿真方法法；6通过过本课题题的训练练，培养养学生运运用所学学知识分分析和解解决实际际问题的的能力。二、课程程设计任任务及要要求（一）基基于Mattlabb的简单单心电信信号分析析系统设设计1.对原原始数字字心电信信号进行行读取，由由数字信信号数据据绘制出出其时域域波形并并加以分分析。2.对数数字信号号数据做做一次线线性插值值，使其其成为均均匀数字字信号，以以便后面面的信号号分析。3.根据据心电信信号的频频域特征征（自己己查阅相相关资料料），设设计相应应的滤波波器去除除噪声。4.绘制制进行信信号处理理前后的的频谱，做做频谱分分析，得得出相关关结论。5.使用用GUII进行系系统
7、的图图形用户户界面设设计，（包包含以上上功能）。（二）基基于LaabVIIEW虚虚拟仪器器的简单单心电信信号分析析系统设设计1.进行行心电信信号的频频谱分析析，根据据心电信信号的频频域特征征（自己己查阅相相关资料料），设设计相应应的滤波波器去除除噪声。要要求给出出系统的的前面板板和框图图，并记记录仿真真结果。 2.根根据心电电信号的的特征，针针对系统统进行功功能拓展展，记录录仿真结结果，并并进行相相应的分分析。三、设计计方案过过程及论论证（一）mmatllab部部分 1.设计流流程：开始采集原始心电信号线性插值带通滤波器低通滤波器带阻滤波器高通滤波器带阻滤波器绘图结束2.程序序（1）MM文件%
8、读取心心电信号号并转化化为数组组形式funcctioon t,XXn=duqqushhujuu(w)fid=foppen(w)C=teextsscann(fiid,%8cc %f %*ff,heeadeerliiness,22)%去去除前两两行fcloose(fidd);a=C2;b=C1;k=leengtth(bb);for i=11:k c(ii)=sstrrreadd(b(i,:),%*ss %ff,deelimmiteer,:);endc=c;d=cc,a;t=d(:,11); %时间Xn=dd(:,2); %幅度度%线性插插值funcctioon t3,Xn33=xxiannxinn
9、gchhazhhi(tt,Xnn)m=maax(tt);t3=00:0.0011:m;t3=tt3;Xn3=intterpp1(tt,Xnn,t33);%低通滤滤波器funcctioon H,ff=dditoongllvbooqi(wp,ws,Rp,As,Xn11)T=0.0011;f=1./T;N,WWc=butttorrd(wwp,wws,RRp,AAs,s);b,aa=bbuttter(N,WWc,s);f=(00:leengtth(XXn1)-1)*f/lenngthh(Xnn1);w=f*2*ppi;H=frreqss(b,a,ww);%高通滤滤波器funcctioon H,ff=g
10、gaottongglvbboqii(wpp,wss,Rpp,Ass,Xnn1)T=0.0011;fs=11/T;N,WWc=butttorrd(wwp,wws,RRp,AAs,s);b,aa=bbuttter(N,WWc,higgh,s);f=(00:leengtth(XXn1)-1)*fss/leengtth(XXn1);w=f*2*ppi;H=frreqss(b,a,ww);%带通滤滤波器funcctioon H,ff=dditoongllvbooqi(wp,ws,Rp,As,Xn11)T=0.0011;f=1./T;N,WWc=butttorrd(wwp,wws,RRp,AAs,s);b
11、,aa=bbuttter(N,WWc,s);f=(00:leengtth(XXn1)-1)*f/lenngthh(Xnn1);w=f*2*ppi;H=frreqss(b,a,ww);%带阻滤滤波器funcctioon H,ff=ddaizzulvvboqqi(wwp,wws,pp,s,Xn11)T=0.0011;f=1./T;N,WWc=butttorrd(wwp,wws,pp,s,s)b,aa=bbuttter(N,WWc,stoop,s);f=(00:leengtth(XXn1)-1)*f/lenngthh(Xnn1);w=f*2*ppi;H=frreqss(b,a,ww);%滤波器器的幅
12、值值响应、相相位响应应及群延延迟响应应funcctioon db,magg,phha,ww=ffreqqz_mm(b,a);H,ww=ffreqqz(bb,a,10000,whoole); %在00-2*pi之之间选取取N个点点计算频频率响应应H=(HH(1:5011); %频率率响应 w=(ww(1:5011); %频频率mag=abss(H); %响响应幅度度db=220*llog110(magg+epps)/maxx(maag); %增增益pha=anggle(H); %变直接接形式为为级联形形式 funcctioon b0,B,AA=ddir22cass(b,a)b0=bb(1);b=
13、b/bb0;aa0=aa(1);a=a/aa0;bb0=bb0/aa0; %以上上步骤求求出系数数b0M=leengtth(bb); N=lenngthh(a);if NNM bb=bb zeeross(1,N-MM);elseeif MNN aa=aa zeeross(1,M-NN);elsee NNM=00;endK=flloorr(N/2); B=zerros(K,33); A=zerros(K,33);if KK*2=N bb=bb 0; a=a 00;endbrooots=cpllxpaair(rooots(b); %以下下程序将将每两个个极点和和两个零零点组合合成二阶阶因子aroo
14、ots=cpllxpaair(rooots(a); % rrootts：求求多项式式的根for i=11:2:2*KK BBroww=brrootts(ii:1:i+11,:); Broow=rreall(pooly(Broow); BB(fiix(ii+1)/2,:)=Broow; AAroww=arrootts(ii:1:i+11,:); AAroww=reeal(polly(AAroww); AA(fiix(ii+1)/2,:)=Aroow;End%读取22.5SS心电信信号并转转化为数数组形式式funcctioon t,XXn=duqqushhujuu1(ww)fid=foppen(w
15、)C=teextsscann(fiid,%8cc %f %*ff,heeadeerliiness,22)%去去除前两两行fcloose(fidd);a=C2;b=C1;k=leengtth(bb);for i=11:k c(ii)=sstrrreadd(b(i,:),%*ss %ff,deelimmiteer,:);endc=c;d=cc,a;for i=11:kif cc(i)=22.5; %读读取2.5秒 e(ii,:)=d(i,:);elseebreeak;endendt=e(:,11); %时间Xn=ee(:,2); %幅度度（2）（3） 主程序%主函数数 %将信号号通过低低通、高高通
16、、带带阻滤波波器程序序t,XXn=duqqushhujuu(1117.txtt); %读读取原心心电信号号fid=foppen(Xnn.txxt,wtt); %保存原原信号fpriintff(fiid,%gn,Xn);fcloose(fidd);t1,Xn11=xxiannxinngchhazhhi(tt,Xnn); %线线性插值值fid=foppen(Xnn1.ttxt,wtt); %保存存插值后后信号 fpriintff(fiid,%gn,Xn11);fcloose(fidd);shurru=t1,Xn11 figuure(1)subpplott(2,2,11)plott(t,Xn)tit
17、lle(初始信信号时域域波形) %原心电电信号时时域波形形subpplott(2,2,22)Y=ffft(XXn);plott(abbs(YY)titlle(初始信信号频谱谱) %原原时域信信号频谱谱subpplott(2,2,33)plott(t11,Xnn1)titlle(插值信信号时域域波形)Y1=ffft(Xn11);subpplott(2,2,44)plott(abbs(YY1)titlle(插值信信号频谱谱)wp=990*22*pii; %低通滤滤波器滤滤波ws=999*22*pii;p=1;s=300;H1,f=dittongglvbboqii(wpp,wss,p,s,XXn1)
18、;wp=11*2*pi; %高通通滤波器器滤波ws=00.255*2*pi;p=1;s=800;H2,f=gaootonnglvvboqqi(wwp,wws,pp,s,Xn11);wp=48,53*2*pi; %带阻滤滤波器ws=49,51*2*pi;p=1;s=355;H3,f=daiizullvbooqi(wp,ws,p,ss,Xnn1);H=abbs(HH1).*abbs(HH2).*abbs(HH3); %低通通和高通通和带阻阻组合的的滤波网网络Y=H.*aabs(fftt(Xnn1); f1=iifftt(Y); %滤波波后心电电信号时时域波形形figuure(2)subpplott
19、(2,2,11)plott(f,abss(H11)axiss(00,1550,00,1.5)titlle(低通滤滤波器)subpplott(2,2,22)plott(f,abss(H22)axiss(00,500,0,1.55)titlle(高通滤滤波器)subpplott(2,2,33)plott(f,abss(H33)axiss(00,1550,00,1.5)titlle(带阻滤滤波器)subpplott(2,2,44)plott(f,abss(H)axiss(00,1000,00,1.5)titlle(混合滤滤波器)figuure(3)plott(f,abss(Y)axiss(00,10
20、00,00,800)titlle(滤波后后心电信信号频谱谱)figuure(4)subpplott(2,1,11)plott(t11,Xnn1)titlle(滤波前前信号)subpplott(2,1,22)plott(t11,abbs(ff1)titlle(滤波后后信号)axiss(00,100,0,0.55)图 1图 2图 3图 4图 5%直接通通过带通通滤波器器程序后后通过550HZZ工频陷陷波器t,XXn=duqqushhujuu(1117.txtt);fid=foppen(Xnn.txxt,wtt);fpriintff(fiid,%gn,Xn);fcloose(fidd);t1,Xn1
21、1=xxiannxinngchhazhhi(tt,Xnn);fid=foppen(Xnn1.ttxt,wtt);fpriintff(fiid,%gn,Xn11);fcloose(fidd); wp=1,886*2*ppi;ws=0.225,999*2*ppi;p=1; %带通s=300;H1,f=daiitonnglvvboqqi(wwp,wws,pp,s,Xn11); wp=48,53*2*pi;ws=49,51*2*pi;H2,f=daiizullvbooqi(wp,ws,p,ss,Xnn1); %500HZ工工频陷波波器设计计H=H11.*HH2 Y=H11.*H2.*aabs(fftt
22、(Xnn1); %经经过滤波波后心电电信号频频谱y=iffft(Y); %滤滤波后心心电信号号时域波波形figuure(1)subpplott(1,2,11)plott(f,abss(H11)axiss(00,2000,00,1.5)titlle(带通滤滤波器)subpplott(1,2,22)plott(f,abss(H22)axiss(00,1550,00,1.5)titlle(50HHZ工频频陷波器器设计)figuure(2)plott(f,abss(Y)axiss(00,1000,00,800)titlle(滤波后后心电信信号频谱谱)figuure(3)subpplott(2,1,11
23、)plott(t11,Xnn1)titlle(滤波前前信号)subpplott(2,1,22) %6阶阶带阻滤滤波器plott(t11,y)titlle(滤波后后信号) axxis(0,10,0,00.5)图 6图 7图 8图 9%直接通通过带通通滤波器器滤波程程序t,XXn=duqqushhujuu(1117.txtt);fid=foppen(Xnn.txxt,wtt);fpriintff(fiid,%gn,Xn); fcloose(fidd);t1,Xn11=xxiannxinngchhazhhi(tt,Xnn);fid=foppen(Xnn1.ttxt,wtt);fpriintff(fi
24、id,%gn,Xn11);fcloose(fidd);shurru=t1,Xn11 ;figuure(1)subpplott(2,2,11)plott(t,Xn)titlle(初始信信号时域域波形)subpplott(2,2,22)Y=ffft(XXn);plott(abbs(YY)titlle(初始信信号频谱谱)subpplott(2,2,33)plott(t11,Xnn1)titlle(插值信信号时域域波形)Y1=ffft(Xn11);subpplott(2,2,44)plott(abbs(YY1)titlle(插值信信号频谱谱)wp=1,886*2*ppi;ws=0.225,999*2*
25、ppi;p=1;s=300;H1,f=daiitonnglvvboqqi(wwp,wws,pp,s,Xn11);H=abbs(HH1); %29阶阶带通滤滤波器Y=H.*aabs(fftt(Xnn1); %经经过滤波波后心电电信号频频谱y=iffft(Y); %滤滤波后心心电信号号时域波波形figuure(2)subpplott(1,2,11)plott(f,abss(H11)axiss(00,2000,00,1.5)titlle(带通滤滤波器)subpplott(1,2,22)plott(f,abss(Y)axiss(00,1000,00,800)titlle(滤波后后心电信信号频谱谱)fi
26、guure(3)subpplott(2,2,11)plott(t11,Xnn1)titlle(滤波前前信号)subpplott(2,2,22)plott(t11,abbs(yy)axiss(00,100,0,0.55)titlle(滤波后后信号)subpplott(2,2,33)plott(t11,Xnn1)axiss(00,1.5,-1.55,1.5)titlle(滤波前前截取的的一部分分信号)subpplott(2,2,44)plott(t11,abbs(yy)axiss(00,1.5,-1.55,1.5)titlle(滤波后后截取一一部分信信号)图 10图 11%将信号号通过低低通、高高
27、通组合合成的带带通滤波波器程序序t,XXn=duqqushhujuu(1117.txtt);fid=foppen(Xnn.txxt,wtt);fpriintff(fiid,%gn,Xn);fcloose(fidd);t1,Xn11=xxiannxinngchhazhhi(tt,Xnn);fid=foppen(Xnn1.ttxt,wtt);fpriintff(fiid,%gn,Xn11);fcloose(fidd); %画画原始信信号和插插值后信信号波形形和频谱谱 xy=t11,Xnn1; wp=90*2*ppi; %低通滤滤波器滤滤波 ws=99*2*ppi; p=11; s=330; H11
28、,f=diitonnglvvboqqi(wwp,wws,pp,s,Xn11); wp=1*22*pii; %高高通滤波波器滤波波 ws=0.225*22*pii; p=11; s=880; H22,f=gaaotoongllvbooqi(wp,ws,p,ss,Xnn1); H=aabs(H1).*aabs(H2); %低通通和高通通组合的的带通 Y=HH.*abss(ffft(XXn1); %经过滤滤波后心心电信号号频谱 y=iifftt(Y); %滤滤波后心心电信号号时域波波形 figguree(1) subbploot(22,2,1) ploot(ff,abbs(HH1) axiis(0,
29、1100,0,11.5) tittle(低通通滤波器器) subbploot(22,2,2) ploot(ff,abbs(HH2) axiis(0,1100,0,11.5) tittle(高通通滤波器器) subbploot(22,2,3) ploot(ff,abbs(HH) axiis(0,1100,0,33) tittle(组合合 带通通滤波器器) subbploot(22,2,4) ploot(ff,abbs(YY) axiis(0,1100,0,2260) tittle(滤波波后心电电信号频频谱) figguree(2) subbploot(22,1,1) ploot(tt1,XXn1
30、) tittle(滤波波前信号号) subbploot(22,1,2) ploot(tt1,yy) tittle(滤波波后信号号) axiis(0,110,00,0.5)图 12图 13图 14wp=1,990*2*ppi;ws=0.225,999*2*ppi;p=1; %带通s=300;N,WWc=elllipoord(wp./10000,ws./10000,p,ss);b,aa=eelliip(NN,p,s,WWc) h1=iimpzz(b,a); figuure(1)subpplott(1,2,11)plott(h11)axiss(00,100,-00.3,0.55)titlle(带通h
31、h(n)subpplott(1,2,22)dsteep(bb,a,2000)titlle(带通阶阶跃响应应)figuure(2)db,magg,phha,ww=ffreqqz_mm(b,a);subpplott(1,2,11)plott(maag)axiss(00,5000,00,2)titlle(带通幅幅频特性性)subpplott(1,2,22)B1=rrootts(bb) %求出出系统的的零点A1=rrootts(aa) %求出出系统的的极点zplaane(b,aa) %zzplaane函函数画出出零极点点图titlle(带通幅幅零极点点图)b0,B,AA=ddir22cass(b,a)
32、 p=rrootts(AA1) %求H(z)的的极点pm=aabs(p); %求H(z)的的极点的的模if mmax(pm)1 dissp(系统因因果稳定定), ellsedispp(系系统不因因果稳定定), enndb0 = 0.116722B = 1.000000 1.05660 11.00000 1.000000 0.61225 11.00000 1.000000 -1.99997 11.00000 1.000000 -1.99998 11.00000 1.000000 0.00000 -11.00000A = 1.000000 0.39773 00.93370 1.000000 0.0
33、4333 00.61182 1.000000 -1.98883 00.98889 1.000000 -1.99883 00.99987 1.000000 -1.26449 00.29960 运行结结果：系统不因因果稳定定图 15图 16（4） 扩展题%主函数数 %将信号号通过低低通、高高通、带带阻滤波波器程序序t,XXn=duqqushhujuu1(1177.txxt); %读取22.5SS原心电电信号fid=foppen(Xnn.txxt,wtt); %保存原原信号fpriintff(fiid,%gn,Xn);fcloose(fidd);t1,Xn11=xxiannxinngchhazhhi
34、(tt,Xnn); %线线性插值值fid=foppen(Xnn1.ttxt,wtt); %保存存插值后后信号 fpriintff(fiid,%gn,Xn11);fcloose(fidd);shurru=t1,Xn11 wp=990*22*pii; %低通滤滤波器滤滤波ws=999*22*pii;p=1;s=300;H1,f=dittongglvbboqii(wpp,wss,p,s,XXn1);wp=11*2*pi; %高通通滤波器器滤波ws=00.255*2*pi;p=1;s=800;H2,f=gaootonnglvvboqqi(wwp,wws,pp,s,Xn11);wp=48,53*2*pi
35、; %带阻滤滤波器ws=49,51*2*pi;p=1;s=355;H3,f=daiizullvbooqi(wp,ws,p,ss,Xnn1);H=abbs(HH1).*abbs(HH2).*abbs(HH3); %低通通和高通通和带阻阻组合的的滤波网网络Y=H.*aabs(fftt(Xnn1); f1=iifftt(Y); %滤波波后心电电信号时时域波形形figuure(1)subpplott(2,2,11)plott(f,abss(H11)axiss(00,1550,00,1.5)titlle(低通滤滤波器)subpplott(2,2,22)plott(f,abss(H22)axiss(00,500,0,1.55)titlle(高通滤滤波器)subpplott(2,2,33)plott(f,abss(H33)axiss(00,1550,00,1.5)titlle(带阻滤滤波器)subpplott(2,2,44)plott(f,abss(H)axiss(00,1000,00,1.5)titlle(混合滤滤波器)figuure(2)plott(f,abss(Y)axiss(00,1000,00,800)titlle(滤波后后心电信信号频谱谱)figuure(3)subpplott(2,1,11)plott(t11,Xnn1)titlle(滤波前前信号)subpp