数字信号处理 · 多速率系统 · EEG

保留信号。
去掉无效计算。

这条 500 Hz → 32 Hz 的 EEG 重采样流程,从明确的抗混叠约束出发,再以数值等价性、频谱保持和计算效率进行验证。

采样率500 → 32 Hz精确有理数转换
FIR 工作量约少 1000 倍理论核心运算比较
运行时间约快 119 倍验证机器上的中位数基准
PSD 形状0.9999999960.5–12.5 Hz 中位相关性

01 · 工程问题

只有把新的奈奎斯特频率当作设计约束,降采样才是安全的。

将 EEG 从 500 Hz 降至 32 Hz 可以大幅减少存储和后续计算。但直接抽取样本会把 16 Hz 以上的能量折叠回保留频谱。

因此,本项目把重采样视为完整系统:从要保护的分析频段推导抗混叠滤波器,以高效多相结构实现,并验证转换后究竟保留了什么。

保护

0.5–12.5 Hz

目标分析频段保持基本平坦。

抑制

≥ 16 Hz

阻带从输出端的奈奎斯特频率开始。

验证

信号 + 频谱

数值等价性和多个频谱描述量分别检查。

02 · 多速率架构

精确的 8/125 有理数转换。

输入500 Hz

EEG 记录

→
插值L = 8

4 kHz 中间采样率

→
抗混叠 FIR4,145 阶

Kaiser 窗

→
抽取M = 125

保留所需相位

→
输出32 Hz

60 秒共 1,920 样本

对齐的频谱网格:8 秒片段使两个分支的频点间隔均为 0.125 Hz;Hann 窗后的实际频谱分辨率更宽。

03 · 由规格驱动的滤波

FIR 长度来自规格,而不是任意选择的抽头数。

抗混叠 Kaiser FIR 的频率响应
保护频段基本平坦,响应在 12.5–16 Hz 的过渡带内下降,再进行抽取。
响应检查实测值
12.5 Hz 增益−0.0095 dB
最大通带偏差0.0090 dB
16 Hz 增益−60.32 dB
最小阻带衰减59.89 dB
通带边缘12.5 Hz需保护的分析上限
阻带边缘16 Hz新的奈奎斯特频率
目标衰减60 dBKaiser 设计目标
滤波器结果4,145 阶β = 5.653

04 · 多相优化

同一 FIR 响应,少得多的无效计算。

直接形式994.8M

30,000 样本验证记录的近似 FIR 乘加数

多相核心0.995M

相位分解后的近似 FIR 乘加数

理论减少约 1000 倍

运算量比较

实测加速约 119 倍

中位墙钟时间;与机器有关

直接形式与多相重采样结果重叠
直接形式和多相输出保持数值等价:相关性 1.000000,MSE 7.77×10⁻²⁷。

05 · 频谱保持

验证不只问一个频域问题。

PSD 形状0.999999996

8 秒片段的中位归一化 PSD 相关性。

归一化 PSD 误差0.0091%

中位相对 RMSE。

频带功率误差0.026–0.032%

三个目标频段的中位误差。

IWMF0.0412 Hz

RMSE,相关性为 0.9911。

重采样前后在受保护频段的归一化 PSD
500 Hz 参考信号与 32 Hz 输出在受保护频段重合;靠近 16 Hz 的过渡区域才出现预期的衰减差异。
边界:验证使用一段 60 秒记录,说明该实现保持了指定频段的信号与频谱特征;它不构成临床性能评估。