【摘 要】
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可穿戴心电监护设备常用于采集人体心电信号以监测心理功能,然而,在奈奎斯特-香农定理指导下的采样过程逐渐成为健康监护技术发展的限制因素。依据奈奎斯特采样定理,采样频率需高于模拟信号最高频率两倍,长时间采样带来的高采样率和大数据量给监护设备的续航、数据存储、传输和处理带来极大的挑战。近年来出现的压缩感知理论将采样和压缩融于一体,将信号投影到稀疏域采样得到压缩后的信息,在低频采样和低功耗应用中表现出极大
【基金项目】
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国家自然科学基金“可穿戴心电设备信号压缩传感与综合框架恢复重构（61863027）”； 国家自然科学基金“基于时域相关性的多通道心电信号量化压缩感知方法研究（61861021）”； 江西省自然科学基金“体域网可穿戴心电设备压缩传感采样与重构关键技术研究（20171BAB201013）”；
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可穿戴心电监护设备常用于采集人体心电信号以监测心理功能,然而,在奈奎斯特-香农定理指导下的采样过程逐渐成为健康监护技术发展的限制因素。依据奈奎斯特采样定理,采样频率需高于模拟信号最高频率两倍,长时间采样带来的高采样率和大数据量给监护设备的续航、数据存储、传输和处理带来极大的挑战。近年来出现的压缩感知理论将采样和压缩融于一体,将信号投影到稀疏域采样得到压缩后的信息,在低频采样和低功耗应用中表现出极大的应用潜力。文中针对可穿戴装备监护心电信号中的大数据量、低效率问题,选用随机解调结构实现压缩感知理论,通过理论论证、仿真验证和电路采样实验提出了一种随机解调结构压缩采样心电信号方法,主要研究内容和结果如下:（1）研究了压缩感知理论和随机解调结构的采样原理。在Matlab中基于MIT-BIH心电信号数据库,从压缩率和重构精度角度分析了随机解调结构的采样相位、滤波器阶数、截止频率、单次采样时间及稀疏度阈值等对心电信号重构的影响,并完成了不同原理重构算法的最优结果分析,验证了随机解调理论压缩采样心电信号的可行性。（2）完成了随机解调电路仿真。将心电信号幅值和采样频率等信息组成结构体导入Simulink中作为仿真信号源,调用信号发生、混频、滤波、采样、量化和传输等模块完成了随机解调电路压缩采样心电信号的仿真过程,并分析了伪随机序列频率对采样频率和重构精度的影响。仿真实验表明:提出的随机解调结构压缩采样方法,可以以亚奈奎斯特频率采样心电信号,通过重构算法达到奈奎斯特频率采样的效果,为搭建随机解调电路提供了依据。（3）搭建了随机解调电路系统平台。该平台包括硬件采样电路和软件两个方面。硬件整合了以FPGA为核心的各功能模块,起到随机解调压缩采样的功能。软件包括基于Verilog的电路控制逻辑、控制逻辑中各层级模块对应的Testbench功能验证程序和上位机信号重构算法等。基于MIT-BIH数据库的采样实验表明:对不同组心电信号,在压缩比为10时,文中随机解调电路可实现120Hz压缩采样心电信号,重构精度在93～95%。
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