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1 引言
生命信號由于受到人體等諸多因素的影響，具有信號弱、噪聲強、頻率范圍較低和隨機性強的特點，用傳統(tǒng)的傅里葉變換提取具有局限性。而具有多分辨分析特性的小波變換，可利用時頻平面上不同位置的不同分辨率，有效地從非平穩(wěn)信號中提取瞬態(tài)信息，可有效地提取信號的波形。
2 Mallat算法
小波的多分辨分析理論研究表明，滿足一定正則條件的濾波器組可以迭代計算出小波，Mallat 提出了雙尺度方程以及塔式分解算法，這些成果將濾波器組和小波緊密聯(lián)系在一起，使得濾波器組與小波理論及設(shè)計有了非常緊密的聯(lián)系。眾學者開始重視利用濾波器組設(shè)計小波，以及濾波器組自身理論的研究。
小波變換的多分辨分析MRA（Multi-ResolutiON-Analysis）特性，定義空間L2（R）中的一列子空間{Vj}j∈z,稱為L2（R）的一個多分辨分析（MRA），該序列若滿足下列條件：
Mallat根據(jù)多分辨分析提出小波變換分解和重構(gòu)快速算法-Mallat算法。設(shè)（{Vm;m∈Z}；φ（t））是一個正交MRA，則存在{hk}∈ι2，使雙尺度方程：
方程(1)成立，并利用式(1)可得到尺度函數(shù)φ(x)構(gòu)造函數(shù)：
ψ(x)的伸縮、平移構(gòu)成L2(R)正交基，其中g(shù)k=(-1)h1-k。進一步，當
主要包含3個方面的內(nèi)容：
(1)集合ψ0={φ(x-k)；k∈Z}構(gòu)成W0的標準正交基，因此構(gòu)成Wj的標準正交基；
(2)可以保證從而保證Wj的基向量，并可表示L2(R)中的任意函數(shù)。
(3)Wj⊥Wj'，j≠j'，保證在彼此正交的前提下當且僅當表示信息。
多分辨分析理論為信號局部分析提供相當直觀的框架，這一點在非平穩(wěn)信號中的作用尤為重要，代表信號的主要輪廓；而快變部分對應于信號的高頻信息，表示信號的細節(jié)，因此，Mallat算法的基本思想可以歸納如下：
設(shè)Hjf為能量有限的信號f∈L2（R）在分辨率2j下的近似，則Hjf可以進一步分解為f在分辨率2j-1下的近似Hj-1f,以及位于分辨率2j-1與2j之間的細節(jié)Dj-1f之和，其分解和重構(gòu)過程如圖1和圖2所示。
3 小波閾值去噪法
一般含噪的一維信號的模型可表示為：
s（k）=f（k）+εe（k），k=0，1，…n-1 （3）
式中，s（k）為含噪信號，f（k）為有用信號，e（k}）為噪聲信號。
利用小波檢測微弱生命信號的實質(zhì)是提取強噪聲背景下的生命信號，這個過程即去噪，在小波去噪的方法中比較常用的是閾值去噪法。
小波閾值去噪可分為3部分：
（1）信號的小波分解選擇一個小波函數(shù)對信號進行分解計算。
（2）小波分解高頻系數(shù)的閡值量化 對各分解尺度下的高頻系數(shù)選擇一個閾值進行閾值量化處理。
（3）小波重構(gòu) 根據(jù)小波分解的最底層低頻系數(shù)和各層高頻系數(shù)進行小波重構(gòu)。
最關(guān)鍵的是閾值的選擇以及閾值的量化，該步驟完成的好壞決定信號消噪的質(zhì)量。在閾值去噪中，閾值函數(shù)體現(xiàn)了對超過和低于閾值的小波系數(shù)模的不同處理策略以及不同估計方法。設(shè)ω是原始小波系數(shù)，η（ω）表示閾值化后的小波系數(shù)，T是閾值，I（x）為示性函數(shù)。
常見閾值函數(shù)有：（a）硬閾值函數(shù)（圖3a），η（ω=ωI（|ω|>T）；（b）軟閾值函數(shù)（圖3b），η（ω）=（ω-sgn（ω）T）I（|ω|>T）。
小波閾值去噪方法除閾值函數(shù)的選取外，另一個關(guān)鍵因素是閾值估計。如果閾值太小，去噪后的信號仍然有噪聲存在；閾值太大，重要的信號特征又被過濾掉，引起偏差。常見的閾值估計方法有Visushrik閾值、SUREShrink閾值、GCV閾值等。設(shè)原始信號小波系數(shù)估計通過軟閾值函數(shù)萎縮得到，即
閾值的選擇可通過下面的風險函數(shù)定義：
由于小波變換的正交性，風險函數(shù)可以寫成：
可以證明，當V服從Guass分布時，有下面的等式成立
式中，P(|Yi|>t)服從二項分布，其概率可用|Yi|>t出現(xiàn)的頻率近似，可得到風險函數(shù)的表達式如下：
式中，I是示性函數(shù)，^表示兩數(shù)取小。
則最佳閩值選擇可以通過最小化風險函數(shù)得到，即，對于最佳閾值的選擇可以在一個有限的范同內(nèi)，即t*∈{Y1，Y2，…，YN}。在實際應用中，SUREShrink閾值去噪法能獲得較為滿意的去噪效果，這是一種誤差較低的閾值去噪方法。
4 小波去噪的MATLAB仿真
一般檢測到的微弱生命信號的背景強噪聲主要是工頻干擾信號，因此采用正弦信號模擬人體心跳信號頻率為0.7 Hz、幅度是1，模擬的工頻干擾信號頻率為50 Hz、幅度是心跳信號的10倍，和Matlab提供的噪聲noissin信號疊加，可近似組成強噪聲背景下的生命信號，采用db3小波進行信號分解，并對信號進行SUREShrink閾值估計，并采用heursure函數(shù)實現(xiàn)。
MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。
將信號映射到小波域，根據(jù)噪聲和噪聲的小波系數(shù)在不同尺度上具有不同的性質(zhì)和機理，對含噪信號的小波系數(shù)進行處理。實質(zhì)是減少剔除噪聲產(chǎn)生的小波系數(shù)，最大限度的保留真實信號的系數(shù)。
疊加信號去噪仿真圖如圖4所示，疊加信號經(jīng)過小波閾值去噪法去噪后，可得到較好的生命信號，小波分解和重構(gòu)的細節(jié)，如圖5和圖6所示。根據(jù)Mallat算法的基本思想，高頻信號和低頻信號分別可以從圖中反映出來，其中a1和d1分別反映模擬生命信號的正弦信號，和強噪聲干擾的工頻信號，這就說明對微弱生命信號的提取小波可以取得很好的效果，由于這里所使用的是模擬的生命信號，在實際應用時還應進行改進。
5 結(jié)束語
生命信號由于本身的特點，傳統(tǒng)的傅里葉變換對其消噪和提取顯得無能為力，因為傅里葉變換對信號的分析只是在頻域中進行，不能反映信號某一點的變化情況，而小波變換可以對信號在時頻兩域進行分析，很適合探測信號的瞬時狀態(tài)，對微弱生命信號可以進行有效去噪和提取。通過仿真表明，小波變換很適合微弱生命信號的檢測，可以在這一領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
作者：齊濤 倪原 來源：《電子設(shè)計工程》
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