基于開關(guān)電流技術(shù)的模擬小波變換實(shí)現(xiàn)理論與方法研究.pdf

1、小波變換因具有優(yōu)良的時(shí)頻局部性而成為處理非平穩(wěn)信號(hào)的理想工具,已廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理領(lǐng)域。為滿足信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性要求,近些年來(lái)人們開始致力于小波變換的硬件實(shí)現(xiàn)的研究,但主要集中在小波算法的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。由于需要A/D轉(zhuǎn)換裝置,小波變換的數(shù)字實(shí)現(xiàn)電路具有功耗高的缺點(diǎn),難以滿足現(xiàn)今小波變換器件面向小型化、低耗能的發(fā)展趨勢(shì),阻礙了小波分析理論的進(jìn)一步實(shí)用化。由于模擬電路在低功耗設(shè)計(jì)方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì),小波變換的模擬電路實(shí)現(xiàn)方法受到了廣泛的關(guān)

2、注。開關(guān)電流電路屬于電流模式模擬取樣數(shù)據(jù)技術(shù),具有低壓性能好、便于求和運(yùn)算、膨脹系數(shù)精確可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。此外,開關(guān)電流電路不需要線性浮置電容,與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS工藝兼容,有利于電路的超大規(guī)模集成實(shí)現(xiàn)。因此,采用開關(guān)電流技術(shù)實(shí)現(xiàn)小波變換,非常適合低電壓、低功耗、多尺度模擬小波變換電路的VLSI實(shí)現(xiàn)。
　　 目前,開關(guān)電流小波變換器件設(shè)計(jì)的核心任務(wù)即是開關(guān)電流小波濾波器的構(gòu)造,主要包括小波基的有理函數(shù)逼近和逼近網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)電流濾波器設(shè)計(jì)。

3、已有文獻(xiàn)雖然對(duì)上述兩個(gè)設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行了研究,但仍存在如下問(wèn)題:(1)就實(shí)小波變換的開關(guān)電流電路實(shí)現(xiàn)而言,已有文獻(xiàn)采用的Padé逼近法在逼近精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、設(shè)計(jì)復(fù)雜度等方面不夠理想;所采用的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)具有靈敏度較高等缺點(diǎn)。(2)在復(fù)小波變換的開關(guān)電流電路實(shí)現(xiàn)方面,出現(xiàn)的文獻(xiàn)較少,幾乎處于空白。
　　 在此背景下,本論文主要對(duì)開關(guān)電流小波變換電路的設(shè)計(jì)理論及方法進(jìn)行了研究,對(duì)涉及到的構(gòu)造步驟進(jìn)行了歸納,并對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)步驟中存在的不足

4、進(jìn)行了改進(jìn)。全文的主要工作包括以下幾個(gè)方面:
　　 1、對(duì)實(shí)小波基的逼近方法進(jìn)行了研究,提出了一種基于混合遺傳算法的實(shí)小波函數(shù)逼近方法。首先,討論了時(shí)域逼近法的優(yōu)勢(shì)和小波函數(shù)的平移值等關(guān)鍵量對(duì)逼近精度的影響,并對(duì)逼近過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。然后,針對(duì)所構(gòu)造的優(yōu)化模型,先采用遺傳算法快速獲得全局最優(yōu)值的近似解,再利用擬牛頓法求得實(shí)小波函數(shù)逼近的全局最優(yōu)解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的逼近方法在逼近精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、設(shè)計(jì)復(fù)雜度等方面比Padé逼

5、近法更具優(yōu)勢(shì)。
　　 2、對(duì)復(fù)小波基的逼近方法進(jìn)行了研究,提出了兩種逼近方法。(1)提出了一種基于多目標(biāo)遺傳算法的復(fù)小波函數(shù)逼近方法,在實(shí)小波逼近的基礎(chǔ)上,對(duì)復(fù)小波逼近過(guò)程進(jìn)行建模,并利用NSGAⅡ算法求解復(fù)小波函數(shù)的最優(yōu)逼近參數(shù)。該逼近算法具有廣泛意義,可以逼近實(shí)現(xiàn)任意類型的復(fù)小波基。(2)提出了一種復(fù)小波函數(shù)的共極點(diǎn)逼近法,直接利用所提出的實(shí)小波逼近算法和拉普拉斯變換求解復(fù)小波函數(shù)的有理逼近函數(shù)。該算法所構(gòu)造的復(fù)小波實(shí)部逼近

6、函數(shù)和虛部逼近函數(shù)具有相同的極點(diǎn),這一特點(diǎn)可以極大地簡(jiǎn)化復(fù)小波變換器件的結(jié)構(gòu),非常適合常用模擬復(fù)小波基的構(gòu)造,具有極高的使用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了兩種方法在逼近效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)。
　　 3、對(duì)開關(guān)電流小波濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。小波濾波器性能的優(yōu)劣不僅取決于小波逼近精度的高低,而且還依賴于小波濾波器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的好壞。為提高小波濾波器的電路性能,提出了一種新的開關(guān)電流小波濾波器結(jié)構(gòu)。利用雙線性變換理論和“第二代”開關(guān)電流

7、技術(shù),構(gòu)造出兩種多回路反饋開關(guān)電流濾波器結(jié)構(gòu)來(lái)綜合所獲得的小波有理逼近函數(shù),并推導(dǎo)出參數(shù)求解公式。理論分析表明,所提出的開關(guān)電流小波濾波器結(jié)構(gòu)可綜合實(shí)現(xiàn)任意類型的小波逼近函數(shù),具有電路靈敏度低、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)求解公式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
　　 4、對(duì)開關(guān)電流實(shí)小波變換電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。提出了一種改進(jìn)的實(shí)小波變換的開關(guān)電流濾波器實(shí)現(xiàn)方法,采用基于混合遺傳算法的實(shí)小波逼近法進(jìn)行模擬實(shí)小波基的構(gòu)造,并利用多回路反饋開關(guān)電流結(jié)構(gòu)綜合實(shí)現(xiàn)。最

8、后,以實(shí)高斯小波為例來(lái)具體說(shuō)明開關(guān)電流實(shí)小波變換電路的構(gòu)造過(guò)程。理論分析和仿真結(jié)果表明,所提出的實(shí)現(xiàn)方法逼近精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、電路靈敏度低。
　　 5、對(duì)復(fù)小波變換的開關(guān)電流電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究,提出了一種開關(guān)電流復(fù)小波濾波器的設(shè)計(jì)方法。首先,采用共極點(diǎn)逼近法構(gòu)造具有同分母特性的模擬復(fù)小波基。然后,設(shè)計(jì)了一種開關(guān)電流復(fù)小波濾波器的共享型結(jié)構(gòu),通過(guò)使復(fù)小波的實(shí)部和虛部逼近函數(shù)共用實(shí)現(xiàn)電路,來(lái)簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。最后,以復(fù)Morlet小