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基于可编程逻辑器件的脑电信号自适应滤波技术的研究

作　者: 古良玲
导　师: 杨永明
学　校: 重庆大学
专　业: 电气工程
关键词: 脑电波 FPGA 自适应滤波 基线漂移
分类号: TN713
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 243次
引　用: 2次
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内容摘要


脑电图仪(electrorencephalography)是现代医学上用于预防、诊断和治疗癫痫等脑疾病的重要仪器,同时也是探索人脑思维、智力训练等深层次问题的重要手段。由于脑电信号的微弱性以及它的强干扰背景,目前大多数医院仍然采用专用脑电屏蔽室进行检测,这使得对病人的监护缺乏实时性,不能随时监测病人的病情。现在已有部分医院脱离屏蔽室采用新型数字化脑电图仪进行检测,但还未达到普及,且抗干扰效果还不够理想。为克服这种局面,有必要研究一种能在强干扰背景下提取脑电信号的脑电图仪。本论文对脑电信号进行了特征分析,并对脑电信号所处的噪声背景进行了讨论,在此基础上,提出了系统的总体设计方案。该方案将系统划分为模拟预处理部分、数字处理硬件设计、数字处理软件设计以及上位机采集部分这四个部分进行研究。其主要工作和结论如下:首先,根据脑电测试中干扰的特点,对固定滤波器的结构及性能进行了分析和仿真研究。在此基础上,针对固定滤波器存在的问题,提出了将自适应滤波技术应用于脑电测试中,并进行了理论研究和仿真研究,设计出了能较好地滤除50Hz强干扰的自适应陷波滤波器和去基线漂移的自适应滤波器。其次,对自适应滤波原理进行了理论分析,并通过软件仿真,证明了自适应滤波器用于脑电信号采集中的优越性和灵活性;第三,研制了高共模抑制比的脑电信号模拟采集系统并取得了良好的效果;第四,设计了数字采集系统硬件电路,编写了数字采集系统的自适应滤波算法程序以及控制程序,通过D/A转换观察到更为清晰的脑电波形,同时,通过串行通信把脑电数据传送至上位机,用虚拟仪器来观察脑电波形,并对不同状态下的脑电波进行了频率分析。本论文的重点是自适应滤波的理论分析及其FPGA(Field programmable gates array,现场可编程门阵列芯片)实现。运用自适应滤波技术主要是滤除50 Hz工频干扰和去基线漂移,自适应滤波的可行性通过软件仿真来论证,并结合硬件特点来确定各参数。算法的FPGA实现包括硬件电路的实现和软件编程。在硬件电路中,使用ALTERA公司的EPF10K30E作为核心控制及运算单元。为符合运算的特点,A/D转换器和D/A转换器均采用补码运算电路模式;另外,为满足滤波器对干扰信号频率的跟踪性,在硬件设计中50 Hz陷波的参考信号采用交流电源衰减所得。去基线漂移程序中的固定参考电平采用片内ROM存储固定数据。运算和控制程序分块设计,采用VHDL语言和原理图进行设计,并在MAXPLUSⅡ软件中进行单元仿真。本论文完成了一个通道的实验样机,脑电信号测试结果表明,自适应滤波算法

全文目录


摘 要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-15
  1.1 课题研究的意义  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-14
  1.3 课题研究的主要内容  14-15
2 脑电信号采集原理  15-20
  2.1 脑电图的一般性质和分类  15-16
  2.2 脑电产生的机理  16-17
  2.3 导联方法  17-18
  2.4 脑电测量中的伪差及其抗干扰措施  18-19
  2.5 脑电信号采集系统设计方案  19-20
3 自适应滤波原理及仿真实现  20-36
  3.1 固定滤波器的设计及性能分析  20-23
  3.2 自适应陷波滤波器原理  23-27
  3.3 参数的选择  27
  3.4 自适应滤波器对脑电及心电信号的处理  27-31
  3.5 参考信号频率对滤波的影响  31-33
  3.6 自适应去基线漂移仿真实验  33-36
4 模拟预处理系统的设计与测试  36-39
  4.1 2000 倍前置级放大电路  36-37
  4.2 高通滤波电路  37
  4.3 40 HZ 低通滤波电路  37-38
  4.4 电平迁移及主放大电路  38-39
5 基于FPGA 的自适应数字信号处理系统  39-59
  5.1 基于FPGA 的数字信号处理硬件电路  39-48
  5.2 基于FPGA 的数字信号处理系统设计  48-54
  5.3 自适应去基线漂移运算及D/A 转换控制模块  54-55
  5.4 分时运算时钟选择模块  55
  5.5 并串转换模块  55-56
  5.6 顶层设计  56-58
  5.7 波形测试  58-59
6 脑电信号的采集与测试  59-66
  6.1 基于LABVIEW 的采集平台  59-60
  6.2 基于虚拟仪器平台的脑电波测量  60-66
7 结论与展望  66-68
  7.1 主要结论  66-67
  7.2 后续研究工作的展望  67-68
致谢  68-69
参考文献  69-72
附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  72-73
独创性声明  73
学位论文版权使用授权书  73

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 滤波技术、滤波器
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