数字信号处理肌电信号的分析
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4
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
第 4 章 肌电信号的频域处理方法及其分析方法
4.1 FFT 分析：
FFT 是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域。有些信 号在时域上是很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特 征了。这就是很多信号分析采用 FFT 变换的原因。另外，FFT 可以将一个信号的 频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常用的。一个模拟信号，经过 ADC 采样 之后，就变成了数字信号。采样得到的数字信号，就可以做 FFT 变换了。N 个采 样点，经过 FFT 之后，就可以得到 N 个点的 FFT 结果。为了方便进行 FFT 运算， 通常 N 取 2 的整数次方。假设采样频率为 Fs，信号频率 F，采样点数为 N。那么 FFT 之后结果就是一个为 N 点的复数。每一个点就对应着一个频率点。这个点的 模值，就是该频率值下的幅度特性。假设原始信号的峰值为 A，那么 FFT 的结果 的每个点（除了第一个点直流分量之外）的模值就是 A 的 N/2 倍。而第一个点就 是直流分量，它的模值就是直流分量的 N 倍。而每个点的相位就是在该频率下的 信号的相位。如果要要提高频率分辨率，就需要增加采样点数，也即采样时间。 频率分辨率和采样时间是倒数关系。 Matlab 实现：
用于随机过程,必须对过程的样本函数做某些限制，最简单的一种方法是应用截
取函数。设过程 t 的截取函数T t （截取的随机过程）为：
T
t
t
0
t T 2
其他
则截取函数的傅里叶变换为：
指导教师：
学号
学生姓名
（专业）班级
设计题目 肌电信号分析及动作识别
设
计
1、独立完成设计任务。
技
2、编程，上机调试。
术
3、连接硬件实验线路，实现所要求的功能。
参
4、完成设计，提交课程设计报告。
数
1、利用肌电传感器采集人体肌电信号，利用 Matlab 软件对肌电
信号进行时域和频域(包括 FFT，功率谱，倒谱)分析，计算均值、
它属于随机信号的一种，用数字信号处理的方法和 Matlab 软件对其进行分 析后，可以得到许多有用的信息，对于诊断疾病有非常重要的参考价值。
关键字：信号处理 肌电信号 Matlab
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
目录 第 1 章 绪论………………………………………………1 第2章 系统总体设计方案 ……………………………2 第3章肌电信号的时域处理及其分析方法………………3 第 4 章肌电信号的频域处理方法及其分析方法…………5
均值：
对于一组随机变量来说，均值是一个很重要的数值特征，用来描述一组变 量的平均水平。其严格的数学定义非常简单，就是一个随机变量关于概率 测度的积分。因此，在此处，均值表示肌电信号的平均水平。公式如下
标准差：
标准差（Standard Deviation） ，也称均方差（mean square erLeabharlann Baiduor），是各 数据偏离平均数的距离的平均数，它是离均差平方和平均后的方根，用 σ 表示。标准差是方差的算术平方根。标准差能反映一个数据集的离散程度。 平均数相同的，标准差未必相同。其求解公式如下：
5）自选其他有关资料
第一周
第二周
应
熟悉伟福单片机编程环境，调试单
单片机系统与信号处理系统综合进
完
片机各基本功能模块；熟悉 matlab
成
信号处理工具箱，信号处理系统基
行硬件调试，
撰写课程设计报告
内
本功能模块学习和调试
容
指导教
基层教学单
师签字
位主任签字
说明：1、此表一式四份，系、指导教师、学生各一份，报送院教务科一份。
6
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
4.2 功率谱分析：
定义信号 f(t)的能量（作归一化处理）：由电压 f(t)（或者电流 f(t)）在1 电 阻上消耗的能量
E f 2 (t)dt
其中 E u i u 2 R u 2 ，若积分值存在，信号的能量为有限值，则称 f(t)为能 量信号。
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
燕山大学
课程设计说明书
题目：肌电信号分析及动作识别
学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称： “单片机原理及应用——数字信号处理”课程设计
基层教学单位：自动化仪表系
需要解决的问题：肌电信号本身是一种较微弱的电信号。检测和记录表面肌 电信号，需要考虑的主要问题是尽量消除噪声和干扰的影响, 提高信号的保真 度。
1
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
第2章 系统总体设计方案
在上位机利用 Matlab 软件对肌电信号进行时域和频域(包括 FFT， 功率谱，倒谱)分析，计算均值、标准差、方差、积分肌电值 IEMG、均方 根有效值 RMS 等时域指标参数和平均功率频率 MPF、中位频率 MF 等频域 指标。比较不同动作下肌电信号特征，在设计的信号分析及显示界面中显示 出来。
4.1 FFT 分析……………………………………………5 4.2 功率谱分析…………………………………………7 4.3 倒谱分析……………………………………………8 4.4 平均功率频率 MPF 和中值频率 MF………………8 第 5 章 Matlab GUI 及程……………………………10
5.1GUI 界面………………………………………10 5.2 总程序………………………………………15 第 6 章 课设心得体会………………………………… 21 参考文献…………………………………………………22
对于能量无限大的信号（如周期信号），我们考虑能量的时间平均值，这显 然就是信号的平均功率。这种信号称为（平均）功率信号。
定义信号 f(t)的平均功率：电压 f(t)在1 电阻上消耗的平均功率（简称功率）
lim S
T
1 T
T
2 T
f
2 (t)dt
2
式中，T 是为求平均的时间区间。 为了更好得描述能量信号、功率信号，我们引入能量谱密度和功率谱密度概
clear; close all; a=load('qu.txt');//('shen.txt'); N=10000; b=0:N-1; axis([0,10000,-1,1]); plot(b,a); xlabel('时间 (s)'); ylabel('被测变量y'); grid on; fprintf('\n数据基本信息：\n') printf(' 均值 = %7.5f \n',mean(a)); fprintf(' 标准差 = %7.5f \n', sqrt(var(a))); fprintf(' 方差= %7.5f \n', var(a)); fprintf(' 积分肌电值IEMG = %7.5f \n', mean(abs(a))); fprintf(' 均方根有效值RMS= %7.5f \n', sqrt(mean(a.^2)) );
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
摘要
信号处理的基本概念和分析方法已应用于许多不同领域和学科中，尤其是数 字计算机的出现和大规模集成技术的高度发展，有力地推动了数字信号处理技术 的发展和应用。肌电信号是产生肌肉力的电信号根源，它是肌肉中很多运动单元 动作电位在时间和空间上的叠加，反映了神经，肌肉的功能状态，在基础医学研 究、临床诊断和康复工程中有广泛的应用。
基于肌电信号分析结果，将其中最有代表性的积分肌电值通过串口发 送命令给单片机系统，根据设定的积分肌电值阈值给出动作状态，控制相应 的数码显示，同时通过动作模式驱动电机转动、点阵显示“屈伸”字样和蜂 鸣器的响声来判断屈伸动作。
2
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
第 3 章 肌电信号的时域处理及其分析方法
3、扩展：也可通过动作模式驱动电机转动或其他控制输出模块。
工
作
软件编程与硬件调试相结合，绘制设计流程图，编制相应软件界面，实现
量
单片机控制与信号处理任务的综合应用
参 考 资 料
周次
1）《微型计算机控制系统》 赖寿宏，机械工业出版社（教材） 2）《单片机及应用》李大友，高等教育出版社（教材） 3）《信号处理原理及应用》 谢平 等 机械工业出版社（教材） 4)《Matlab 程序设计及其在信号处理中的应用》聂祥飞等 西南交通大学 出版社
积分肌电值 IEMG：
3
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
积分肌电值就是对所有信号取绝对值后尽心均值的求解，由于对肌电信号直 接求均值，均值近似为零，无法表征信号间的差异。若对肌电信号取绝对值 后再进行均值运算后，均值恒大于零，因而可用于提取肌电信号的特征。公 式如下：
均方根 RMS：
均方根就是一组数据的平方和除以数据的个数再开方，均方根是最理 想的平方滤波方式的典型，让滤波更平滑，更大限度的滤掉噪声。因 此，对肌电信号求均方根，可以滤除信号中的噪声，使滤波后的信号 更平滑、更明显。公式如下：
5
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
屈信号数据基本信息： 均值 = 0.03502 标准差 = 0.05775 方差= 0.00334 均方根=0.06754 中位频率=11.4033 积分肌电值 IEMG = 0.05437 均方根有效值 RMS= 0.17246
伸信号数据基本信息： 均值 = 0.00337 标准差 = 0.24421 方差= 0.05964 均方根=0.24422 中位频率=149.1083 积分肌电值 IEMG = 0.12826 均方根有效值 RMS= 0.19993
念。能量谱密度、功率谱密度函数表示信号的能量、功率密度随频率变化的情况。 通过研究功率谱密度，可以帮助了解信号的功率分布情况，确定信号的频带等
对于随机信号而言其持续时间无限长，因此对于非 0 的样本函数，它的能量 一般也是无限的，因此其付氏变换不存在。但是注意到它的平均功率是有限的， 在特定的条件下，仍然可以利用博里叶变换这一工具。为了将傅里叶变换方法应
clear; close all; a=load('qu.txt');/'shen.txt' y=fft(a,1024); %做1024点傅立叶变换 fs=1000; N=length(y); mag=abs(y); f=(0:N-1)/N*fs; figure; plot(f,mag);%幅频谱 xlabel('频率'); ylabel('幅值'); title('（屈/伸）肌电幅频'); figure; plot(f,angle(y));% 相频谱 xlabel('频率'); ylabel('相位'); title('（屈/伸）肌电相频'); grid on;
设 计
标准差、方差、积分肌电值 IEMG、均方根有效值 RMS 等时域 指标参数和平均功率频率 MPF、中值频率 MF 等频域指标。比较 不同动作下肌电信号特征，根据设定阈值给出动作状态，设计相
要 求
应的信号分析及显示界面。 2、基于肌电信号分析结果，通过串口发送命令给单片机系统，
根据肌电信号动作状态控制相应的数码管或 LED 发光显示。
方差：
方差是各个数据与平均数之差的平方的平均数。在概率论和数理统计中，方 差（英文 Variance）用来度量随机变量和其数学期望（即均值）之间的偏 离程度。在许多实际问题中，研究随机变量和均值之间的偏离程度有着很重 要的意义。其求解公式如下：
标准差：标准差也称均方差，是各数据偏离平均数的距离的平均数，它是离均差 平方和平均后的方根，用 u 表示。标准差是方差的算术平方根。标 准差能反映一个数据集的离散程度。所以能很好的反映肌电信号的 离散程度。求解公式如下：
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
第 1 章 绪论
肌电信号是产生肌肉力的电信号根源，它是肌肉中很多运动单元动作电位在 时间和空间上的叠加，反映了神经，肌肉的功能状态，在基础医学研究、临床诊 断和康复工程中有广泛的应用。
其种类重要有两种：一，临床肌电图检查多采用针电极插入肌肉检测肌电图， 其优点是干扰小，定位性好，易识别，但由于它是一种有创伤的检测方法，其应 用收到了一定的限制。二，表面肌电则是从人体皮肤表面通过电极记录下来的神 经肌肉活动时发放的生物电信号，属于无创伤性，操作简单，病人易接受，有着 广泛的应用前景。
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第 4 章 肌电信号的频域处理方法及其分析方法
4.1 FFT 分析：
FFT 是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域。有些信 号在时域上是很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特 征了。这就是很多信号分析采用 FFT 变换的原因。另外，FFT 可以将一个信号的 频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常用的。一个模拟信号，经过 ADC 采样 之后，就变成了数字信号。采样得到的数字信号，就可以做 FFT 变换了。N 个采 样点，经过 FFT 之后，就可以得到 N 个点的 FFT 结果。为了方便进行 FFT 运算， 通常 N 取 2 的整数次方。假设采样频率为 Fs，信号频率 F，采样点数为 N。那么 FFT 之后结果就是一个为 N 点的复数。每一个点就对应着一个频率点。这个点的 模值，就是该频率值下的幅度特性。假设原始信号的峰值为 A，那么 FFT 的结果 的每个点（除了第一个点直流分量之外）的模值就是 A 的 N/2 倍。而第一个点就 是直流分量，它的模值就是直流分量的 N 倍。而每个点的相位就是在该频率下的 信号的相位。如果要要提高频率分辨率，就需要增加采样点数，也即采样时间。 频率分辨率和采样时间是倒数关系。 Matlab 实现：
用于随机过程,必须对过程的样本函数做某些限制，最简单的一种方法是应用截
取函数。设过程 t 的截取函数T t （截取的随机过程）为：
T
t
t
0
t T 2
其他
则截取函数的傅里叶变换为：
指导教师：
学号
学生姓名
（专业）班级
设计题目 肌电信号分析及动作识别
设
计
1、独立完成设计任务。
技
2、编程，上机调试。
术
3、连接硬件实验线路，实现所要求的功能。
参
4、完成设计，提交课程设计报告。
数
1、利用肌电传感器采集人体肌电信号，利用 Matlab 软件对肌电
信号进行时域和频域(包括 FFT，功率谱，倒谱)分析，计算均值、
它属于随机信号的一种，用数字信号处理的方法和 Matlab 软件对其进行分 析后，可以得到许多有用的信息，对于诊断疾病有非常重要的参考价值。
关键字：信号处理 肌电信号 Matlab
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
目录 第 1 章 绪论………………………………………………1 第2章 系统总体设计方案 ……………………………2 第3章肌电信号的时域处理及其分析方法………………3 第 4 章肌电信号的频域处理方法及其分析方法…………5
均值：
对于一组随机变量来说，均值是一个很重要的数值特征，用来描述一组变 量的平均水平。其严格的数学定义非常简单，就是一个随机变量关于概率 测度的积分。因此，在此处，均值表示肌电信号的平均水平。公式如下
标准差：
标准差（Standard Deviation） ，也称均方差（mean square erLeabharlann Baiduor），是各 数据偏离平均数的距离的平均数，它是离均差平方和平均后的方根，用 σ 表示。标准差是方差的算术平方根。标准差能反映一个数据集的离散程度。 平均数相同的，标准差未必相同。其求解公式如下：
5）自选其他有关资料
第一周
第二周
应
熟悉伟福单片机编程环境，调试单
单片机系统与信号处理系统综合进
完
片机各基本功能模块；熟悉 matlab
成
信号处理工具箱，信号处理系统基
行硬件调试，
撰写课程设计报告
内
本功能模块学习和调试
容
指导教
基层教学单
师签字
位主任签字
说明：1、此表一式四份，系、指导教师、学生各一份，报送院教务科一份。
6
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
4.2 功率谱分析：
定义信号 f(t)的能量（作归一化处理）：由电压 f(t)（或者电流 f(t)）在1 电 阻上消耗的能量
E f 2 (t)dt
其中 E u i u 2 R u 2 ，若积分值存在，信号的能量为有限值，则称 f(t)为能 量信号。
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
燕山大学
课程设计说明书
题目：肌电信号分析及动作识别
学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称： “单片机原理及应用——数字信号处理”课程设计
基层教学单位：自动化仪表系
需要解决的问题：肌电信号本身是一种较微弱的电信号。检测和记录表面肌 电信号，需要考虑的主要问题是尽量消除噪声和干扰的影响, 提高信号的保真 度。
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燕山大学单片机数字信号处理课程设计
第2章 系统总体设计方案
在上位机利用 Matlab 软件对肌电信号进行时域和频域(包括 FFT， 功率谱，倒谱)分析，计算均值、标准差、方差、积分肌电值 IEMG、均方 根有效值 RMS 等时域指标参数和平均功率频率 MPF、中位频率 MF 等频域 指标。比较不同动作下肌电信号特征，在设计的信号分析及显示界面中显示 出来。
4.1 FFT 分析……………………………………………5 4.2 功率谱分析…………………………………………7 4.3 倒谱分析……………………………………………8 4.4 平均功率频率 MPF 和中值频率 MF………………8 第 5 章 Matlab GUI 及程……………………………10
5.1GUI 界面………………………………………10 5.2 总程序………………………………………15 第 6 章 课设心得体会………………………………… 21 参考文献…………………………………………………22
对于能量无限大的信号（如周期信号），我们考虑能量的时间平均值，这显 然就是信号的平均功率。这种信号称为（平均）功率信号。
定义信号 f(t)的平均功率：电压 f(t)在1 电阻上消耗的平均功率（简称功率）
lim S
T
1 T
T
2 T
f
2 (t)dt
2
式中，T 是为求平均的时间区间。 为了更好得描述能量信号、功率信号，我们引入能量谱密度和功率谱密度概
clear; close all; a=load('qu.txt');//('shen.txt'); N=10000; b=0:N-1; axis([0,10000,-1,1]); plot(b,a); xlabel('时间 (s)'); ylabel('被测变量y'); grid on; fprintf('\n数据基本信息：\n') printf(' 均值 = %7.5f \n',mean(a)); fprintf(' 标准差 = %7.5f \n', sqrt(var(a))); fprintf(' 方差= %7.5f \n', var(a)); fprintf(' 积分肌电值IEMG = %7.5f \n', mean(abs(a))); fprintf(' 均方根有效值RMS= %7.5f \n', sqrt(mean(a.^2)) );
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
摘要
信号处理的基本概念和分析方法已应用于许多不同领域和学科中，尤其是数 字计算机的出现和大规模集成技术的高度发展，有力地推动了数字信号处理技术 的发展和应用。肌电信号是产生肌肉力的电信号根源，它是肌肉中很多运动单元 动作电位在时间和空间上的叠加，反映了神经，肌肉的功能状态，在基础医学研 究、临床诊断和康复工程中有广泛的应用。
基于肌电信号分析结果，将其中最有代表性的积分肌电值通过串口发 送命令给单片机系统，根据设定的积分肌电值阈值给出动作状态，控制相应 的数码显示，同时通过动作模式驱动电机转动、点阵显示“屈伸”字样和蜂 鸣器的响声来判断屈伸动作。
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燕山大学单片机数字信号处理课程设计
第 3 章 肌电信号的时域处理及其分析方法
3、扩展：也可通过动作模式驱动电机转动或其他控制输出模块。
工
作
软件编程与硬件调试相结合，绘制设计流程图，编制相应软件界面，实现
量
单片机控制与信号处理任务的综合应用
参 考 资 料
周次
1）《微型计算机控制系统》 赖寿宏，机械工业出版社（教材） 2）《单片机及应用》李大友，高等教育出版社（教材） 3）《信号处理原理及应用》 谢平 等 机械工业出版社（教材） 4)《Matlab 程序设计及其在信号处理中的应用》聂祥飞等 西南交通大学 出版社
积分肌电值 IEMG：
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燕山大学单片机数字信号处理课程设计
积分肌电值就是对所有信号取绝对值后尽心均值的求解，由于对肌电信号直 接求均值，均值近似为零，无法表征信号间的差异。若对肌电信号取绝对值 后再进行均值运算后，均值恒大于零，因而可用于提取肌电信号的特征。公 式如下：
均方根 RMS：
均方根就是一组数据的平方和除以数据的个数再开方，均方根是最理 想的平方滤波方式的典型，让滤波更平滑，更大限度的滤掉噪声。因 此，对肌电信号求均方根，可以滤除信号中的噪声，使滤波后的信号 更平滑、更明显。公式如下：
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燕山大学单片机数字信号处理课程设计
屈信号数据基本信息： 均值 = 0.03502 标准差 = 0.05775 方差= 0.00334 均方根=0.06754 中位频率=11.4033 积分肌电值 IEMG = 0.05437 均方根有效值 RMS= 0.17246
伸信号数据基本信息： 均值 = 0.00337 标准差 = 0.24421 方差= 0.05964 均方根=0.24422 中位频率=149.1083 积分肌电值 IEMG = 0.12826 均方根有效值 RMS= 0.19993
念。能量谱密度、功率谱密度函数表示信号的能量、功率密度随频率变化的情况。 通过研究功率谱密度，可以帮助了解信号的功率分布情况，确定信号的频带等
对于随机信号而言其持续时间无限长，因此对于非 0 的样本函数，它的能量 一般也是无限的，因此其付氏变换不存在。但是注意到它的平均功率是有限的， 在特定的条件下，仍然可以利用博里叶变换这一工具。为了将傅里叶变换方法应
clear; close all; a=load('qu.txt');/'shen.txt' y=fft(a,1024); %做1024点傅立叶变换 fs=1000; N=length(y); mag=abs(y); f=(0:N-1)/N*fs; figure; plot(f,mag);%幅频谱 xlabel('频率'); ylabel('幅值'); title('（屈/伸）肌电幅频'); figure; plot(f,angle(y));% 相频谱 xlabel('频率'); ylabel('相位'); title('（屈/伸）肌电相频'); grid on;
设 计
标准差、方差、积分肌电值 IEMG、均方根有效值 RMS 等时域 指标参数和平均功率频率 MPF、中值频率 MF 等频域指标。比较 不同动作下肌电信号特征，根据设定阈值给出动作状态，设计相
要 求
应的信号分析及显示界面。 2、基于肌电信号分析结果，通过串口发送命令给单片机系统，
根据肌电信号动作状态控制相应的数码管或 LED 发光显示。
方差：
方差是各个数据与平均数之差的平方的平均数。在概率论和数理统计中，方 差（英文 Variance）用来度量随机变量和其数学期望（即均值）之间的偏 离程度。在许多实际问题中，研究随机变量和均值之间的偏离程度有着很重 要的意义。其求解公式如下：
标准差：标准差也称均方差，是各数据偏离平均数的距离的平均数，它是离均差 平方和平均后的方根，用 u 表示。标准差是方差的算术平方根。标 准差能反映一个数据集的离散程度。所以能很好的反映肌电信号的 离散程度。求解公式如下：
燕山大学单片机数字信号处理课程设计
第 1 章 绪论
肌电信号是产生肌肉力的电信号根源，它是肌肉中很多运动单元动作电位在 时间和空间上的叠加，反映了神经，肌肉的功能状态，在基础医学研究、临床诊 断和康复工程中有广泛的应用。
其种类重要有两种：一，临床肌电图检查多采用针电极插入肌肉检测肌电图， 其优点是干扰小，定位性好，易识别，但由于它是一种有创伤的检测方法，其应 用收到了一定的限制。二，表面肌电则是从人体皮肤表面通过电极记录下来的神 经肌肉活动时发放的生物电信号，属于无创伤性，操作简单，病人易接受，有着 广泛的应用前景。