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关于表面肌电信号的降噪处理
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关于表面肌电信号的降噪处理
摘 要 目的：本文重点讨论了SEMG去除频带外噪声的问题。方法：根据SEMG的幅值频率特性，利用幅值频率可调振荡器做信号源，分析由低通和高通滤波器串联组成的带通滤波器的除噪效果。结论：本文设计的带通滤波器能够有效放大频带内信号和消除频带外噪声，提高了SEMG的质量。
关键词 SEMG；幅值频率可调振荡器；带通滤波器
中图分类号O4 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）115-0113-02
0 引言
SEMG具有低频性、微弱性和交变性等特点，频率范围大致为10Hz～500Hz，信号能量主要集中在50Hz～150Hz[1]。从皮肤表面检测到的SEMG通常只有mV级甚至uV级，与噪声幅值相比，要低两三个数量级[2]，因此如何从强大的噪声中提取更为有效的信号成为研究SEMG的关键技术之一。为了使验证过程方便，滤波效果直观，本文利用频率幅值可调振荡器代替SEMG作信号源，主要验证带通滤波器滤除频带外噪声的效果。
1 幅值频率可调振荡器介绍
如图1所示，该电路是频率幅度可调正弦波振荡电路。调整电位器R12可改变输出正弦波形的幅值，调节R4和R8可以改变输出波形频率，频率的调节不影响振幅的稳定性[4]。电路振荡频率为，本次设计需要的频率范围是2Hz-1kHz。实验中，调节输出幅值至200mv，此时符合SEMG初级放大后的幅值。
1.1 滤波器设计选型
根据SEMG的频率特性，滤除频带外噪声的带通滤波器的通频带应为10Hz～500Hz。有源带通滤波器的构成方法有两种：一种是采用单个集成运放构成的压控电压源二阶带通滤波器；另一种是将低通滤波器与高通滤波器串联得到的带通滤波器。本文采用第二种方法，原因如下。
假设采用第一种方法：已知带通滤波器截止频率，通带放大倍数：；中心频率：①
品质因数：②；通频带宽：③[5] ；由①②③式得：；由，得：；所以使用这种方法的必要条件：。本文中设计的带通滤波器要求：，明显不满足使用此方法的条件。所以本设计采用第二种方法来构造带通滤波器。
1.2 低通滤波器
采用压控电压源二阶低通滤波器[5]，令，已知：特征频率：；品质因数：；时，不产生自激震荡，取，此时；电压放大倍数，设截止频率为fp，根据其定义，令，得：，令，可求得RC的值，为R，C选取合适的参数就可得到截止频率为500Hz的低通滤波器。
用Multisim仿真出幅频特性图，鼠标拖动垂直光标，可以测得相应位置数据。测得：通带增益为7.959dB
f=f0=337Hz处，幅值增益为13.951dB；f=fp=500Hz处，幅值增益为4.959dB，符合计算的理论值。
1.3 高通滤波器
采用压控电压源二阶高通滤波电路[5]，电路参数计算和选取与压控电压源二阶低通滤波器类似，电路的品质因数：Q=2；特征频率：，截止频率：fp≈0.6736f0≈10Hz；用垂直光标测量幅频特性曲线：通带增益为7.959dB；f=f0=14.85Hz处，幅值增益为13.963dB；f=fp=10Hz处，幅值增益为4.906dB ；
1.4 带通滤波器
将上述低通与高通滤波器串联，得到通频带为10Hz-500Hz的带通滤波器。用Multisim仿真可得出幅值特性曲线。将振荡电路输出端接到带通滤波器的输入端，用螺丝刀调节振荡器中R4和R8改变振荡器输出频率，带通滤波器输出端接示波器观察输出波形的幅值和频率。在每十倍频中均匀选取频率点来测量幅值，计算出相应频率的放大倍数与增益衰减。测量十次并取平均值如下表I所示：
根据表中数据，用Matlab使用三次样条差值法对这些实际测量到的数据进行曲线拟合，得到如右图2所示的曲线，与用Multisim对滤波电路仿真得到的幅频特性曲线是吻合的。
2 结论
由以上分析可知：在SEMG采集系统中，对于10Hz-500Hz带通滤波器的设计，单个放大器芯片组成的压控电压源二阶带通滤波器不符合设计要求，本文选取了压控电压源二阶低通滤波器和高通滤波器串联构成的带通滤波器，通过Multisim对原理电路仿真、实际电路数据测量结合Matlab拟合曲线的方法，验证了本设计有比较理想的放大频带内信号和去除频带外噪声的作用。其优点是电路简单，成本低；缺点是电路对元器件的精度和匹配要求较高，否则对电路的选频特性会有一定的影响。
参考文献
[1]基于SEMG 信号的外骨骼式机器人上肢康复系统研究 李庆玲 哈尔滨工业大学工学博士论文，2009，6.
[2]邹晓阳.动作SEMG的非线性特性研究.上海交通大学工学硕士论文，2012，2.
[3]付聪，李强，李博.SEMG采集与降噪处理.现代生物医学进展，Vol.11 No.20 OCT.2011：3951-3953.
[4]任骏原.RC桥式正弦波振荡电路的输出幅值分析.电子设计工程，Vol.21 No.14 Jul，2013：107-110.
[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：364-370.
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电信号
降噪
表面
2022/0510/50604
摘 要 目的：本文重点讨论了SEMG去除频带外噪声的问题。方法：根据SEMG的幅值频率特性，利用幅值频率可调振荡器做信号源，分析由低通和高通滤波器串联组成的带通滤波器的除噪效果。结论：本文设计的带通滤波器能够有效放大频带内信号和消除频带外噪声，提高了SEMG的质量。
关键词 SEMG；幅值频率可调振荡器；带通滤波器
中图分类号O4 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）115-0113-02
0 引言
SEMG具有低频性、微弱性和交变性等特点，频率范围大致为10Hz～500Hz，信号能量主要集中在50Hz～150Hz[1]。从皮肤表面检测到的SEMG通常只有mV级甚至uV级，与噪声幅值相比，要低两三个数量级[2]，因此如何从强大的噪声中提取更为有效的信号成为研究SEMG的关键技术之一。为了使验证过程方便，滤波效果直观，本文利用频率幅值可调振荡器代替SEMG作信号源，主要验证带通滤波器滤除频带外噪声的效果。
1 幅值频率可调振荡器介绍
如图1所示，该电路是频率幅度可调正弦波振荡电路。调整电位器R12可改变输出正弦波形的幅值，调节R4和R8可以改变输出波形频率，频率的调节不影响振幅的稳定性[4]。电路振荡频率为，本次设计需要的频率范围是2Hz-1kHz。实验中，调节输出幅值至200mv，此时符合SEMG初级放大后的幅值。
1.1 滤波器设计选型
根据SEMG的频率特性，滤除频带外噪声的带通滤波器的通频带应为10Hz～500Hz。有源带通滤波器的构成方法有两种：一种是采用单个集成运放构成的压控电压源二阶带通滤波器；另一种是将低通滤波器与高通滤波器串联得到的带通滤波器。本文采用第二种方法，原因如下。
假设采用第一种方法：已知带通滤波器截止频率，通带放大倍数：；中心频率：①
品质因数：②；通频带宽：③[5] ；由①②③式得：；由，得：；所以使用这种方法的必要条件：。本文中设计的带通滤波器要求：，明显不满足使用此方法的条件。所以本设计采用第二种方法来构造带通滤波器。
1.2 低通滤波器
采用压控电压源二阶低通滤波器[5]，令，已知：特征频率：；品质因数：；时，不产生自激震荡，取，此时；电压放大倍数，设截止频率为fp，根据其定义，令，得：，令，可求得RC的值，为R，C选取合适的参数就可得到截止频率为500Hz的低通滤波器。
用Multisim仿真出幅频特性图，鼠标拖动垂直光标，可以测得相应位置数据。测得：通带增益为7.959dB
f=f0=337Hz处，幅值增益为13.951dB；f=fp=500Hz处，幅值增益为4.959dB，符合计算的理论值。
1.3 高通滤波器
采用压控电压源二阶高通滤波电路[5]，电路参数计算和选取与压控电压源二阶低通滤波器类似，电路的品质因数：Q=2；特征频率：，截止频率：fp≈0.6736f0≈10Hz；用垂直光标测量幅频特性曲线：通带增益为7.959dB；f=f0=14.85Hz处，幅值增益为13.963dB；f=fp=10Hz处，幅值增益为4.906dB ；
1.4 带通滤波器
将上述低通与高通滤波器串联，得到通频带为10Hz-500Hz的带通滤波器。用Multisim仿真可得出幅值特性曲线。将振荡电路输出端接到带通滤波器的输入端，用螺丝刀调节振荡器中R4和R8改变振荡器输出频率，带通滤波器输出端接示波器观察输出波形的幅值和频率。在每十倍频中均匀选取频率点来测量幅值，计算出相应频率的放大倍数与增益衰减。测量十次并取平均值如下表I所示：
根据表中数据，用Matlab使用三次样条差值法对这些实际测量到的数据进行曲线拟合，得到如右图2所示的曲线，与用Multisim对滤波电路仿真得到的幅频特性曲线是吻合的。
2 结论
由以上分析可知：在SEMG采集系统中，对于10Hz-500Hz带通滤波器的设计，单个放大器芯片组成的压控电压源二阶带通滤波器不符合设计要求，本文选取了压控电压源二阶低通滤波器和高通滤波器串联构成的带通滤波器，通过Multisim对原理电路仿真、实际电路数据测量结合Matlab拟合曲线的方法，验证了本设计有比较理想的放大频带内信号和去除频带外噪声的作用。其优点是电路简单，成本低；缺点是电路对元器件的精度和匹配要求较高，否则对电路的选频特性会有一定的影响。
参考文献
[1]基于SEMG 信号的外骨骼式机器人上肢康复系统研究 李庆玲 哈尔滨工业大学工学博士论文，2009，6.
[2]邹晓阳.动作SEMG的非线性特性研究.上海交通大学工学硕士论文，2012，2.
[3]付聪，李强，李博.SEMG采集与降噪处理.现代生物医学进展，Vol.11 No.20 OCT.2011：3951-3953.
[4]任骏原.RC桥式正弦波振荡电路的输出幅值分析.电子设计工程，Vol.21 No.14 Jul，2013：107-110.
[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：364-370.
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