tomevault-io Pywayne Dsp
数字信号处理工具集，提供滤波器、峰值检测、去趋势、曲线相似度等信号处理功能。
Quick Start
from pywayne.dsp import butter_bandpass_filter, peak_det, SignalDetrend
# Butterworth 低通滤波
filtered = butter_bandpass_filter(signal, order=3, lo=0.5, hi=40, fs=250)
# 峰值检测
peaks, valleys = peak_det(signal, delta=0.5)
# 信号去趋势
detrender = SignalDetrend(method='linear')
detrended = detrender(raw_signal)
Filtering - 滤波器
butter_bandpass_filter
巴特沃斯带通滤波器。
from pywayne.dsp import butter_bandpass_filter
# 带通滤波
filtered = butter_bandpass_filter(
signal=raw_signal,
order=4,
lo=1,
hi=50,
fs=250,
btype='bandpass'
)
参数说明：
| 参数 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
signal |
array | 输入信号 |
order |
int | 滤波器阶数 |
lo |
float | 下限截止频率 (Hz) |
hi |
float | 上限截止频率 (Hz) |
fs |
float | 采样频率，默认为 0（不归一化） |
btype |
str | 滤波器类型：'lowpass', 'highpass', 'bandpass', 'bandstop' |
realtime |
bool | 是否实时处理，默认 False |
ButterworthFilter
纯 numpy 实现的巴特沃斯滤波器类，支持完整的 IIR 滤波功能。
from pywayne.dsp import ButterworthFilter
# 方式 1：通过参数设计
bf = ButterworthFilter.from_params(order=4, fs=200, btype='bandpass', cutoff=(1, 50))
y, zf = bf.lfilter(signal)
# 方式 2：通过系数构造
bf2 = ButterworthFilter.from_ba(b, a)
y, zf = bf2.lfilter(signal)
# 零相位滤波（前向-后向）
y, zf = bf.filtfilt(signal)
# 去趋势
detrended = ButterworthFilter.detrend(signal, method='linear')
参数设计方法：
ButterworthFilter.from_params(order, fs, btype, cutoff, cache_zi=True)
ButterworthFilter.from_ba(b, a, cache_zi=True)
参数说明：
| 参数 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
order |
int | 滤波器阶数 |
fs |
float | 采样频率 (Hz) |
btype |
str | 'lowpass', 'highpass', 'bandpass', 'bandstop' |
cutoff |
float/Tuple | 截止频率 (Hz)，带通为 (low, high) 元组 |
cache_zi |
bool | 是否预计算稳态初始条件 |
实例方法：
| 方法 | 说明 |
|---|---|
zi(self) |
返回稳态初始条件数组 |
lfilter(self, x, zi=None) |
零相位滤波，返回 (y, zf) |
filtfilt(self, x, padtype='odd') |
零相位滤波，可指定填充方式 |
Peak Detection - 峰值检测
peak_det
峰值检测函数，基于 MATLAB peakdet 转换。
from pywayne.dsp import peak_det
max_peaks, min_peaks = peak_det(signal, delta=0.5)
参数说明：
| 参数 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
v |
array | 输入信号 |
delta |
float | 检测阈值，控制检测灵敏度 |
x |
array | 可选的 x 轴数据，若未提供则使用下标 |
返回值：(maxima_indices, minima_indices) - 峰值和谷值的索引位置
find_extremum_in_sliding_window
在滑动窗口中查找极值。
from pywayne.dsp import find_extremum_in_sliding_window
extrema = find_extremum_in_sliding_window(data, k=50)
参数说明：
| 参数 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
data |
list | 输入数据列表 |
k |
int | 滑动窗口大小 |
返回值：[minima, maxima] - 含局部极值的列表
FindSlidingWindowExtremum
滑动窗口极值查找器类，用于实时数据流。
from pywayne.dsp import FindSlidingWindowExtremum
detector = FindSlidingWindowExtremum(win=100, find_max=True)
# 应用新值
for sample in stream:
current_peak = detector.apply(sample)
# 处理 current_peak
方法：
| 方法 | 说明 |
|---|---|
__init__(win, find_max) |
初始化，指定窗口大小和查找类型（最大值或最小值） |
apply(val) |
更新窗口数据，返回当前极值 |
Detrending - 信号去趋势
SignalDetrend
信号去趋势处理器，支持多种去趋势算法。
from pywayne.dsp import SignalDetrend
# 去除线性趋势
detrender = SignalDetrend(method='linear')
detrended = detrender(signal)
# 去除均值趋势
detrender = SignalDetrend(method='mean')
detrended = detrender(signal)
# LOESS 去趋势
detrender = SignalDetrend(method='loess', span=0.3)
detrended = detrender(signal)
方法：
| 方法 | 说明 |
|---|---|
method |
str |
__call__(x) |
应用去趋势算法处理输入信号 |
去趋势方法：
| 方法 | 说明 |
|---|---|
none |
不处理，返回原信号 |
mean |
去除均值 |
linear |
去除线性趋势 |
poly |
去除多项式趋势 |
loess |
局部加权回归平滑 |
wavelet |
小波变换去趋势 |
emd |
EMD 去趋势 |
ceemdan |
CEEMDAN 去趋势 |
median |
中值滤波去趋势 |
Curve Similarity - 曲线相似度
CurveSimilarity
曲线相似度计算，支持动态时间规整（DTW）。
from pywayne.dsp import CurveSimilarity
cs = CurveSimilarity()
distance = cs.dtw(curve1, curve2, mode='global')
方法：
| 方法 | 说明 |
|---|---|
dtw(x, y, mode='global', *params) |
计算两条曲线的 DTW 距离 |
mode |
str |
Other Tools - 其他工具
OneEuroFilter
一欧罗滤波器，用于平滑信号并减少延迟。
from pywayne.dsp import OneEuroFilter
# 初始化
euro_filter = OneEuroFilter(te=0.02, mincutoff=1.0, beta=0.007, dcutoff=1.0)
# 应用滤波
smooth_value = euro_filter.apply(new_measurement, te=0.02)
参数说明：
| 参数 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
te |
float | 采样时间（秒），自动推断默认值 |
mincutoff |
float | 最小截止频率 |
beta |
float | 调整速率参数 |
dcutoff |
float | 导数截止频率 |
WelfordStd
使用 Welford 算法进行在线标准差计算。
from pywayne.dsp import WelfordStd
std_calculator = WelfordStd(win=50)
for sample in data_stream:
current_std = std_calculator.apply(sample)
# 使用 current_std 进行判断
方法：
| 方法 | 说明 |
|---|---|
__init__(win) |
初始化，指定窗口大小 |
apply(val) |
更新标准差计算，返回当前窗口标准差 |
应用场景
| 场景 | 使用函数 |
|---|---|
| 心电图信号分析 | butter_bandpass_filter, peak_det |
| 传感器数据平滑 | OneEuroFilter, ButterworthFilter |
| 数据预处理 | SignalDetrend |
| 曲线相似度比较 | CurveSimilarity.dtw |
| 质量监控 | WelfordStd |
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