2. 生理信号采集基础

可穿戴设备做边缘分析，第一步不是算法，而是把“身体发出的微弱电信号或光学信号”变成可用的数字序列。ECG、PPG、EEG、EMG 和加速度信号在物理来源、幅度、频带和噪声特性上差异极大，采集电路与采样策略必须分别对待。理解这些差异，才能判断哪些信息在模拟前端就已经丢失，哪些噪声可以在数字域被抑制。

一、五类信号的物理特征与频带

ECG（心电）来自心肌细胞去极化和复极化的体表电位差，典型幅度 0.5～4 mV，主要能量集中在 0.05～100 Hz，QRS 波群的高频成分可达 40 Hz 以上。PPG（光电容积脉搏波）通过 LED 照射皮肤、光电二极管接收反射或透射光，反映血容积变化，幅度通常为直流分量的 0.1%～2%，交流成分集中在 0.5～5 Hz，但需要保留到 10 Hz 以上以捕捉切迹。EEG（脑电）是皮层锥体细胞同步突触后电位的总和，头皮处仅 10～100 μV，频带 0.5～70 Hz，其中 γ 波可到 100 Hz。EMG（肌电）来自运动单位动作电位，表面电极下幅度 50 μV～5 mV，频带 20～500 Hz，高频丰富。加速度信号由 MEMS 加速度计输出，反映体动与姿态，带宽通常 0～50 Hz 即可覆盖人体运动，但跌倒冲击需要 100 Hz 以上。

这些差异直接决定采样率。奈奎斯特要求采样率大于信号最高频率的两倍，但工程上通常取 3～5 倍以保留波形形态。ECG 常用 250～500 Hz，诊断级可到 1 kHz；PPG 常用 50～100 Hz，过低会丢失脉搏波上升支细节；EEG 常用 250～500 Hz，若关注高频振荡需 1 kHz；EMG 常用 1～2 kHz，因为其能量可到 500 Hz；加速度计常用 50～200 Hz，跌倒检测建议 200 Hz 以上。采样率不是越高越好，它直接消耗存储、无线带宽和边缘算力，需要在信息保留与功耗之间折中。

二、噪声来源与耦合路径

可穿戴场景的噪声远比实验室复杂。第一类是生理噪声：ECG 中的基线漂移来自呼吸和电极移动，PPG 中的运动伪影来自传感器与皮肤相对位移，EEG 中的眼电和肌电是强干扰，EMG 中的心电串扰在胸带式设备上很常见。第二类是环境噪声：50/60 Hz 工频通过人体与电源之间的电容耦合进入，开关电源和 LED 驱动引入高频纹波。第三类是电路噪声：电极接触阻抗不平衡导致共模转差模，运放输入电流噪声在兆欧级源阻抗下不可忽略，ADC 量化噪声和参考电压抖动也会进入信号带内。第四类是运动伪影，它本质上是机械信号调制了电学或光学信号，频率往往落在信号带内，无法用简单滤波完全去除。

噪声耦合路径决定了抑制手段。工频干扰以共模为主，需要高共模抑制比（CMRR）的仪表放大器；电极阻抗不平衡会把共模转成差模，因此电极-皮肤阻抗要尽量低且匹配。运动伪影与信号频带重叠，只能靠加速度计做自适应滤波或独立成分分析，而不能靠固定截止频率的滤波器。

三、可穿戴采集电路要点

生物电采集前端通常采用“仪表放大器 + 高通 + 低通 + 陷波 + 可编程增益 + ADC”的结构。仪表放大器负责第一级差分放大，要求高输入阻抗、高 CMRR 和低输入偏置电流。对于 EEG 这类高源阻抗信号，输入偏置电流应低于 1 nA，否则会在电极阻抗上产生可观失调。高通截止频率用于抑制电极极化电位，ECG 常取 0.05 Hz，EEG 取 0.1～0.5 Hz，但截止频率过低会导致阶跃响应恢复缓慢，过高则会削掉 ST 段等诊断信息。低通用于抗混叠，必须在 ADC 之前，截止频率略低于奈奎斯特频率。陷波器用于抑制工频，但会引入相位失真，现代设计更倾向提高 CMRR 和采用数字梳状滤波。

PPG 前端的关键是 LED 驱动与光电二极管跨阻放大器。LED 电流需要恒流驱动并抑制开关噪声，跨阻放大器要处理从 nA 到 μA 的宽动态范围。由于直流分量远大于交流分量，通常采用“直流偏置扣除 + 交流放大”的两级结构，或使用高分辨率 ADC 直接采样后数字分离。环境光抑制靠 LED 调制与同步解调，或物理遮光结构。

加速度计通常集成在 MEMS 芯片内，输出数字信号，电路要点是电源去耦、量程选择和输出数据率配置。量程过小会在跌倒冲击时饱和，过大则降低分辨率。ODR 要与采样率匹配，并注意抗混叠滤波器是否已内置。

四、从参数到判断：一个可复用的采集配置示例

假设要设计一款胸带式设备，同时采集单导联 ECG 和三轴加速度，用于心率与跌倒检测。ECG 通道选择 250 Hz 采样、0.5～40 Hz 带通、增益 1000，ADC 为 16 位、参考电压 2.4 V，则最小可分辨电压约为 2.4 V / 65536 ≈ 36.6 μV，除以增益后输入等效约 36.6 nV，足以覆盖 ECG 的 0.5 mV 以上成分。加速度计选择 ±8 g 量程、100 Hz ODR，跌倒冲击通常超过 3 g，±8 g 可避免饱和，同时 100 Hz 能捕捉冲击峰值。工频抑制依靠仪表放大器 CMRR 大于 80 dB，并在数字域加 50 Hz 陷波。运动伪影用加速度模值作为参考，当模值超过 1.5 g 时标记该段 ECG 为低质量，不参与心率计算。

判断采集是否合格，可以看三个指标：静息状态下 ECG 的基线漂移峰峰值是否小于 0.1 mV；50 Hz 干扰在频谱中是否低于主峰 20 dB 以上；加速度静止时模值是否稳定在 1 g ± 0.05 g。若基线漂移过大，检查电极接触和 0.5 Hz 高通；若工频突出，检查电极阻抗匹配和屏蔽；若加速度零偏大，检查校准和安装方向。

五、采样率与功耗的工程折中

采样率每提高一倍，数据量和无线传输功耗大致翻倍。对于以心率、步数、睡眠分期为目标的消费级设备，ECG 250 Hz、PPG 50 Hz、加速度 50 Hz 通常足够；对于房颤筛查、癫痫监测、肌电控制等场景，则需要 500 Hz～2 kHz。边缘分析的价值在于：在设备端完成带通、去基线、R 波检测、步态分割和特征提取，只上传事件片段或特征向量，从而把无线功耗降低一个数量级。采集电路的设计必须与这一目标一致——如果前端噪声已经淹没了 P 波，再强的边缘算法也无法恢复。