Biomedicininio signalo skaitmeninis netiesinis filtravimas

Filtrai turi filtravimo ribinį parametrą ir nuo to priklauso praleidimoji ir slopinamoji zono, taip pat yra stabilūs, greiti bei užtikrina filtravimo kokybę. Filtrai pagal veikimo principą yra skirstomi į dvi pagrindines grupes: analoginius ir skaitmeninius. Analoginiai filtrai dažnai yra naudojami kaip prototipai kuriant skaitmeninius filtrus. Išsiaiškinti apie skaitmeninius filtrus, kokie būna jų tipai, kaip apskaičiuojami. Signalų atskyrimas reikalingas tada, kai duomenys esantys signale yra užgožiami kitų, informacijos nenešančių signalų. Pavyzdžiui, norint užrašyti kūdikio elektrokardiogramą, reikia atskirti motinos kardiogramos signalą nuo kūdikio kardiogramos. Signalų atkūrimui filtrai naudojami, kai dėl kokių nors priežasčių signalas išgadinamas. Pavyzdžiui, jei garso įrašas padarytas blogos kokybės aparatūra, tai filtravimas gali būti panaudotas geresniam garso atkūrimui.

Dažniams atrinkti - radijo imtuve reguliuojamas juostinis filtras leidžia klausytojui pasirinkti norimą radijo stotį. Analoginiai filtrai klasifikuojami į: žemųjų dažnių, aukštųjų dažnių, juostinius ir užtvarinius. Šie filtrai dažnai naudojami kaip prototipai kuriant skaitmeninius filtrus. Paprasčiausias analoginis žemųjų dažnių filtras - integruojamoji RC grandinėlė. Šio filtro dažninė amplitudės charakteristika gali būti išreikšta pagal formulę: R ir C apsprendžia grandinės atsako laiką. Šio filtro dažninės charakteristikos priklauso nuo parinktų grandinėlės elementų sandaugos RC. Integruojamosios RC grandinėlės schemoje sukeitę rezistorių ir kondensatorių vietomis, gausime diferencijuojamąją RC grandinėlę, t.y. aukštųjų dažnių filtrą. Diferencijuojamosios RC grandinėlės DACh gali būti apskaičiuota pagal formulę.

Skaitmeninis filtras - tai ne kas kita, kaip algoritmas (skaičiavimo procesas), keičiantis vieną skaičių seką x(n) į kitą y(n). Todėl skaitmeniniai filtrai gali būti naudojami ne tik reikiamam signalo dažniui filtruoti, bet ir kaip diferencijavimo, integravimo uždavinių sprendimo pagrindas. Sudėtingi filtrai gali būti realizuoti mažesnėmis sąnaudomis nei analoginiai filtrai. Kaip ir analoginiai filtrai, skaitmeniniai filtrai gali būti skirstomi į: žemųjų dažnių, aukštųjų dažnių, juostinius ir užtvarinius. Skaitmeniniai filtrai gali būti kuriami transformuojant analoginių filtrų prototipus įvairiais metodais. Skaitmeninio filtro poveikį įėjimo signalui apibūdina filtro impulsinė reakcija: x(n) - filtro įėjimo signalo vertė diskrečiojo laiko momentu n; M - filtro impulsinės reakcijos elementų skaičius (filtro eilė yra M-1). Skaitmeninių signalų teorijoje skaitmeniniai filtrai skirstomi pagal du požymius: impulsinę reakciją ir realizavimo būdus. Begalinės impulsinės reakcijos (BIR) filtrai žymimi IIR (Infinite Impulse Response), o ribotos impulsinės reakcijos (RIR) filtrai - FIR (Finite Impulse Response). BIR filtrų išėjimas priklauso nuo anksčiau buvusių išėjimo signalo reikšmių (sukuriamas grįžtamasis ryšys), o RIR filtrų - nepriklauso (koeficientai lygu 0).

Analoginiai filtrai ir jų prototipų vaidmuo

Analoginiai filtrai klasifikuojami į žemųjų dažnių, aukštųjų dažnių, juostinius ir užtvarinius. Jie dažnai naudojami kaip prototipai kuriant skaitmeninius filtrus. Paprasčiausias analoginis žemųjų dažnių filtras - integruojamoji RC grandinėlė, kurios atsakas priklauso nuo RC sandaugos. Integruojamosios RC grandinėlės schemoje sukeitus rezistorių ir kondensatorių vietomis gaunama diferencijuojamąją RC grandinėlė, t.y. aukštųjų dažnių filtras.

RIR ir IIR filtrai

Skaitmeniniai filtrai gali būti suskirstyti į BIR (IIR) ir ribotos impulsinės reakcijos (RIR, FIR) filtrus. IIR filtrų išėjimas priklauso nuo ankstesnių išėjimo reikšmių, todėl turi grįžtamąjį ryšį, o FIR filtrų išėjimas priklauso tik nuo įėjimo signalo koeficientų ir turi bešakėinį pobūdį. RIR filtrai yra lengvai įgyvendinami ir stabilūs, o IIR filtrai gali būti efektyvūs su mažesnėmis koeficientų apimtimis.

Filtro kūrimas langų metodu

Filtro kūrimas langų metodu apima prototipinio analoginio filtra perėjimą į skaitmeninį, taikant langų technikas koeficientams aprėpti. Langų metodas užtikrina filtrų stabilumą ir niterminę atkūrimą, o jo tikslumas priklauso nuo pasirinkto lango tipo ir prototipo charakteristikų.

RIR filtrų kūrimas dažnio diskretizavimo metodu

Dažnių diskretizavimo metodas leidžia tiesiogiai iš analogo filtro gauti FIR filtrą, naudojant laikinius diskretizavimo metodus. Šis požiūris dažnai taikomas, kai reikia paprastų ir stabiliai realizuojamų filtrų.

Išvados

Apibendrinant, biomedicininio signalo skaitmeninis netiesinis filtravimas apima tiek IIR, tiek FIR filtrus, o jų kūrimas gali vykti įvairiais būdais: langų metodu arba dažnio diskretizavimo metodu, priklausomai nuo taikymo reikalavimų ir resursų.

Literatūros šaltiniai ir papildomi duomenys pateikiami dokumente, kuriame aprašomos analogo filtrų prototipų pritaikymo galimybės skaitmeniniuose filtravimo uždaviniuose, taip pat pateikiama informacija apie filtrų klasifikaciją ir impulsinę reakciją.

Keletas pavyzdžių iš mokslinės literatūros rodo, kad ECG-based detections ir fotoplethysmography duomenų analizė dažnai remiasi filtravimo technologijomis siekiant pagerinti signalo kokybę ir išskirti svarbius modelius.

Dažnai naudingi modeliai rodo, kaip skaitmeniniai filtrai prisideda prie signalo atkūrimo, atskyrimo ir analizės tinkamose fiziologinėse situacijose.

tags: #biomedicininiu #signalu #skaitmeninis #netiesinis #filtravimas

Populiarūs įrašai:

• Naktinių prožektorių filtrai: kada juos taikyti ir kodėl svarbu fotografuose
• Kada reikia keisti degalų filtrą ir kodėl tai svarbu
• Kuginis filtrų skaitiklių veikimo principai
• UAB nuotekų valymas su vokiska įranga – straipsnyje
• Daugiafunkciniai mechaniniai vandens filtrai: kasetinių iki praplaunamų sprendimų apžvalga