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1、燕山大学（论文）任务书院（系）：基层教学单位：电气丁程系学号学生姓名专业（班级）设计题目基于MATLAB的心音信号频谱分析及滤波处理设计 技 术参 数1、心音信号经低通滤波器滤波：fs=22050;fcl=1100;2、心音信号经高通滤波器滤波：fc2=4900;设计要求掌握MATALAB、心音信号、数字滤波概念及基本原理；读懂频谱分析及数字滤波程序；得到处理结果，对比分析得出结论。工作量学习概念基本知识，编写相应软件，完成课程设计报告一份工 作 计 划1天方案调研；2-4天软件设计与编写调试.5天系统总结、答辩、完成报告参考资料1黄文梅，熊佳林，杨勇编著.信号分析与处理MATALB言及应用.
2、长沙：国防科技大学出版社，20002钱同惠编著.数字信号处理.北京：机械工业出版社，20043姚天任，江太辉编著.数字信号处理.第2版.武汉：武汉理工大学出版社，2000指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份lw摘要：心音信号是人体最重要的信号之一，能反映心脏的变时性和变力 性，可应用于心血管疾病的诊断和心肌收缩能力的评估；同时心音信号检测 方便、无创、花费极少，可作为心脏疾病检测、预防的有效手段。因此，研 制一种能简易、方便地检测心音信号的数字式心音分析滤波器，对于满足医 院和病人的需要，有着极大的社会价值和经济价值。本课程设计在MATL
3、AB环 境下，设计出FIR滤波器，可以很好的分析、处理、显示、统计心音信号的 信息，充分发挥了微机强大的功能和软件设计的灵活性。经过运行程序，测 试结果显示能够实现从一个包含多种频率成分的心音信号中提取出所需的单 一频率心音信号的功能。关键词：心音信号 MATLAB FIR滤波器目录1、实验原理51.1心音信号51.2数字滤波器51.3 MATLAB72、实验步骤82.1心音信号的采集82.2心音信号的频谱分析92.3信号经低通滤波器滤波102.4信号经高通滤波器滤波122.5回放心音信号143、结论:154、参考文献161、实验原理：1.1心音信号从生理上讲，心音信号1是一种机械振动信号，是
4、心脏舒缩运动中心脏 瓣膜和大血管的机械振动产生的，在心脏的窦房结发生有节律的电兴奋后，电 兴奋沿神经传导，并发生电-肌肉耦联，引起心肌的收缩舒张运动。正常人的 心音随着心脏搏动呈现周期性变化，临床上分为第一心音(S1)、第心音(S2)、 第三心音(S3)和第四心音(S4),多数情况下只能听到S1和S2。正常人的S1 发生于心室收缩，心室压略大于心房压，房室瓣关闭的过程。S2产生于半月瓣 关闭，主动脉和肺动脉内血流减速的过程中；S3产生于舒张早期心室快速充盈 时，心房血液急速进入心室，引起心室壁振动；S4是由心房收缩和心室振动产 生。从临床的角度，心动周期分为：收缩期和舒张期。收缩期从听到第一音
5、时 开始，第二音开始前终止；舒张期从第二音开始，在次一个第二音开始前终止。 任何发生于第一音开始后和第二音开始前的声音，表示在收缩期；任何发生在 第二音开始后和第一音开始前的声音，表示在舒张期。上述心动周期指的是心 室而非心房。但是心房也有收缩期和舒张期，当心室舒张时，心房收缩，当心 室收缩时，心房舒张。L 2数字滤波器数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一，与模拟滤波相比，它 具有精度和稳定性高、系统函数容易改变、灵活性强、便于大规模集成和可实 现多维滤波等优点。在信号的过滤、检测和参数的估计等方面，经典数字滤波 器是使用最广泛的一种线性系统。数字滤波器是指完成信号滤波处理功能的，用有
6、限精度算法实现的离散时 间线性非时变系统,其输入是一组数字量,其输出是经过变换的另一组数字量。 因此，数字滤波器本身既可以是用数字硬件装配成的一台完成给定运算的专用 的数字计算机，也可以将所需要的运算编成程序，让通用计算机来执行。从数字滤波器的单位冲击响应来看，可以分为两大类:有限冲击响应(FIR) 数字滤波器和无限冲击响应(IIR)数字滤波器。滤波器按功能上分可以分为低 通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BSF) 0在很多实际应用中如语音和音频信号处理中，数字滤波器来实现选频功 能。因此，指标的形式应为频域中的幅度和相位响应。在通带中，通常希望具 有
7、线性相位响应。在FIR滤波器中可以得到精确的线性相位。FIR滤波器传递函 数的极点是固定在原点,是不能动的，它只能靠改变零点位置来改变它的性能, 所以要达到高的选择性，必须用高的阶数，对于同样的滤波器设计指标，fir 滤波器所要求的阶数可能比IIR滤波器高5-10倍，结果成本高，信号延时也较 大，如果按线性相位要求来说，则HR滤波器就必须加全通网络进行相位校正, 同样大大增加了滤波器的阶数和复杂性。而FIR滤波器却可以得到严格的线性 相位。不论是IIR滤波器还是FIR滤波器的设计都包括三个步骤:（1）按照实际任务的要求，确定滤波器的性能指标。（2）用一个因果、稳定的离散线性时不变系统的系统函数
8、去逼近这一性能 指标。根据不同的要求可以用IIR系统函数，也可以用FIR系统函数去逼近。（3）利用有限精度算法实现系统函数，包括结构选择、字长选择等。1. 3 MATLABMATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。除具备卓越的数值计算 能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时 控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中 常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C, FORTRAN等语言完相同 的事情简捷得多，工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化
9、建模仿真，文字处理及实 时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理 工具包，通信工具包等都属于此类。MATLAB具有许多的优点比如：语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其 丰富；MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和 if语句），又有面向对象编程的特性;程序的可移植性很好，基本上不做修改就 可以在各种型号的计算机和操作系统上运行，等等优点。MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、 测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MAT
10、LAB环境，以解决这些应用领域 内特定类型的问题。2、实验步骤：2. 1心音信号的采集(1) 将心音信号文件“xinyin.wav”复制到计算机装有MATLAB软件的磁 盘中相应MATLAB目录中的“work”文件夹中。(2) 打开开始一程序MATLAB 7.0.4,打开软件。(3) 在菜单栏中选择“FilenewM-File”打开m文件编辑器。(4) 在m文件编辑器中输入相应的指令将心音信号导AMATLAX作台。(5) 编写程序显示原始心音信号波形图。在MATLA中实现的程序如下: y=wavread( xinyin. wav*); subplot (2, 1,1);titleC原始心音信号
11、)；plot(y)2. 2心音信号的频谱分析实验程序：xl, Fs, bits=wavread ( xinyin. wav，);%sound(y, Fs, bits);figure(1);Plot(xl) ; %做原始语音信号的时域图形title (原始语音信号，);xlabel (时间 n) ; ylabel (音量 n，);figure(2);yl=fft (xl) ; %做length (xl)点的FFTyl=fftshift(yl);%平移，是频率中心为0derta_Fs = Fs/length (xl) ;%设置频谱的间隔，分辨率plot (Fs/2: derta_Fs : Fs/2
12、-derta_Fs, abs (yl) ;%画出原始语音信号的频谱图titleC原始语音信号的频谱）；grid on;2. 3心音信号经低通滤波器滤波fs=22050;fcl=1100;wcl=2*pi*fcl/fs;wpl二2*pi*1000/fs;wsl=2*pi*1200/fs;N1二ceil(200*2*pi/wsl-wpl);Window=boxcar (N1+1) ; %长度为N1 的矩形窗Windowbl=firl (Nl, wcl/pi, Window);figure (3);freqz (bl, 1, 512);title (低通滤波器的频率响应)；xl_low = filt
13、er(bl, 1, xl) ;%对信号进行低通滤波figure (4);plot (xl_low) ; title (信号经过低通滤波器(时域)；figure (5);plot(-Fs/2:derta_Fs:Fs/2-derta_Fs, abs(fftshift(fft(xl_low);title(信号经过低通滤波器(频域)；Eil Edit Yi w Xnscrt Tools fiesktop Window Hlp、己IQGS身 以|段食物 曼| S | a Q心音信号经过低通滤波髀频域）I ? Fi e 4-Ini xFile Edit ViewIns er t Tools Desktop
14、 Window Help O S | O | Mg E | QFile Edi t Vi ew Insert Tools Desktop Window Help o芦耐与 fe e W |竖| 匡11 口回2.4心音信号经高通滤波器滤波fc2=4900;wc2=2*pi*fc2/fs;wp2二2*pi*4800/fs;ws2二2*pi*5000/fs;N2=ceil(4*pi/(ws2wp2);Window=boxcar(N2+1);b2=firl(N2, wc2/pi, Window);figure(6);freqz (b2, 1, 512) ；%数字滤波器频率响应titleC高通滤波器的频
15、率响应）；xl_high = filter(b2, 1, xl) ;%对信号进行高通滤波figure (7) :plot (xl_high) : title C 信号经过高通滤波器(时域)；figure(8):plot(Fs/2:derta_Fs:Fs/2-derta_Fs, abs(fftshift(fft( xl_high);title (信号经过高通滤波器(频域)；File Edi t Vi ew Ins er t Tools Desktop Window Help h e 田| 回500-50高通滤波器的频率响应0.10.20.30.40.50.60.70.80.9Normalized Frequency (xti rad/sample)-100 0-50000.10.20.30.40.50.60.70.
