350 rub
Journal Biomedical Radioelectronics №10 for 2009 г.
Article in number:
Multirate Digital Biosignal Filtering
Authors:
A.V. Kobelev, S.I. Shchukin
Abstract:
Digital signal processing is a well-known part of electrical engineering and it is widely used in biomedical applications for increase signal-to-noise ratio, extract some signal-s features and so on.
In conventional FIR filter design, too many coefficients needed to шьздуьуте high-quality filter (i.e. achieve narrow transition bands relative to sample rate). Most often such filters are impossible to implement due to finite-word-length effects (round-off noise and coefficient sensitivity).
In the last years, digital signal processing has been further stimulated by multirate techniques. Multirate filters are based on conventional FIR (or IIR) digital filters and two specific operations: decimation and interpolation.
The process of lowering the sample rate has been called decimation; similarly the process of raising the sample rate has been called interpolation. Both processed and their side-effects are discussed in the first part of this article.
A key characteristic of multirate filtering is high computational efficiency, especially in case of breaking up a multirate system so that the processing occurs in a series of stages. Increased efficiency results primary from the relaxed filter design requirements on all stages. Discussion about choosing appropriate series of stage can be found in the second part of this article.
The last part illustrates how the multirate digital techniques can be applied for high-quality low-pass filtration of breath pattern. We optimize not only computation efficiency, but also group delay time. As result, mulltirate filtration of breath pattern exceeds approaches existed (i.e. conventional linear filter and non-linear spline interpolation) in terms of efficiency and quality.
In conclusion, multistage biosignal filtering makes it possible to simplify complexity of input analog circuits; get rid of phase correction; decrease power consumption and overall dimensions of biotechnical systems.
Pages: 24-34
References
- Морозов А.А. Методы анализа биосигналов: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2006. 232 с.
- Джонсон Д., Джонсон Дж., Мур Г. Справочник по активным фильтрам / пер. с англ. под ред. И.Н. Теплюка. М.: Энергоатомиздат. 1983.
- Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: пер. с англ. М.: Мир. 1984.
- Гольденберг Л.П., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов: справочник. М.: Радиоисвязь. 1985.
- Proakis J.G., Manolakis D.G. Digital Signal Processing, 2nd Edition. New York: Macmillan. 1992.
- Rabiner L.R. Cooley J.W., Helms H.D., Jackson L.B., Kaiser J.F., Rader C.M., Schafer R.W., Steiglitz K. and Weinstein C.J. Terminology in digital signal processing // IEEE Trans. Audio Electroacoustics. 1972. V.20 (December). P. 322 - 337.
- Морозов А.А., Беляев К.Р. Коррекция фазовых искажений и обработка биомедицинских сигналов // Вестник МГТУ. 1993. № 4. С. 40 - 53.
- Herrman O., Rabiner R.L., Chan D.S.K. Practical design rules for optimum finite impulse response digital filters // Bell System Technical J. 1973. V. 52.P. 769 - 799.
- Crochiere R.E., Rabiner L.R. Multirate Digital Signal Processing. Englewood Cliffs NJ: Prentice-Hall, 1983.
- Crochiere R.E., Rabiner L.R. Interpolation and decimation of digital signals: a tutorial review // Proc. IEEE. V.69 (3).P. 300 - 331.
- McClellan J.H., Parks T.W., Rabiner L.R. A computer program for designing optimum FIR linear phase digital filters // IEEE Trans. Audio Electroacoustics. 1973. V.21. P. 506-526.
- Ljiljana Milic. Multirate filtering for digital signal processing, MATLAB applications. Information Science Reference: Hershey. New York. 2009.
- Айфичер Э.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание.: пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильямс». 2004. 992 с.
- Щукин С.И., Зубенко В.Г., Беляев К.Р., Морозов А.А. Реокардиомониторные системы // Биомедицинская радиоэлектроника. 1999. № 3. С. 46 - 60.
- Сафонова Л.П., Щукин С.И. Разработка и исследование информативности нового метода импедансного прекордиального картирования // Технологии живых систем. 2005. Т.2. № 6. С. 46 - 53.
- Беляев К.Р. Биотехническая система для диагностики сердечно-сосудистой системы и биосинхронизированной электромагнитной терапии. Дисс. - на степень канд. техн. наук. МГТУ. Москва. 1996.
- Беляев К.Р., Кузьминых Н.Ю. Методы выделения паттерна дыхания в системах неинвазивного мониторинга параметров центральной гемодинамики // Биомедицинская радиоэлектроника. 1999. № 3. С. 33 - 45.
- Зубенко В.Г., Стрелков В.Б., Щукин С.И. и др. Исследование индивидуальной вариабельности параметров насосной функции сердца с учетом нестабильности кардиодинамики // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2003. № 9. С. 26 - 35.
- Сафонова Л.П., Сергеев И.К., Щукин С.И. Система и технология многоканального импедансного картирования биомеханической активности сердца // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2006. № 10. С. 4 - 14.
- Кобелев А.В., Щукин С.И., Кирпиченко Ю.Е., Тимохин Д.П., Сергеев И.К. Особенности импедансного картирования передней стенки правого желудочка сердца // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2008. № 10. С. 4 - 13.