連續(xù)小波變換的瞬時縮展對數(shù)域電路實現(xiàn).pdf

1、小波分析是泛函分析、Fourier分析、樣條分析、調(diào)和分析、數(shù)值分析的完美結(jié)晶，在信號處理、圖像處理、語音分析、模式識別、量子物理及眾多非線性科學(xué)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，在信號檢測、特征提取、故障診斷和定位、數(shù)據(jù)壓縮等方面都能看到小波分析的應(yīng)用成果。然而小波變換階段需花費大量的計算消耗是小波分析和算法廣泛應(yīng)用的一個主要障礙。為克服這一障礙，大大促進小波理論的應(yīng)用，并使這種應(yīng)用更具實時特性，研究小波變換的硬件實現(xiàn)，即開展實時小波變換快速算法及其硬

2、件實現(xiàn)具有特別重要的理論意義和學(xué)科意義。 小波變換的硬件實現(xiàn)研究歷史不是很長，且還處于初步階段。1993年R.T.EDWARDS和M.D.GODFREY研制了第一個模擬音頻小波變換芯片[1]，此后有利用開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的音頻連續(xù)小波變換[2]和模擬CMOS實現(xiàn)的高頻連續(xù)小波變換[5]，這些小波變換芯片[1-5]的問世對于推動小波理論的應(yīng)用起到了重要的作用。 縱觀小波變換硬件實現(xiàn)的發(fā)展，其主流是VLSI技術(shù)，而目前VLSI

3、是朝著低電壓低功率方向發(fā)展[6]。從目前國內(nèi)外對該領(lǐng)域的研究狀況來看，已經(jīng)有應(yīng)用聲表面波器件及開關(guān)電容電路進行小波變換及重構(gòu)器件的實現(xiàn)。在小波變換實現(xiàn)的VLSI技術(shù)中，如何研究出低電壓低功率VLSI小波變換芯片是一個很有應(yīng)用前景的發(fā)展方向。瞬時縮展(Instantaneouscompanding)電路理論是近幾年來國際學(xué)術(shù)界用來發(fā)展低電壓低功率模擬VLSI的一個重要關(guān)鍵技術(shù)[6-9]，信號在處理前被對數(shù)壓縮，然后指數(shù)擴展、以恢復(fù)最初的動

4、態(tài)范圍，利用了二極管的大信號指數(shù)特性，雖則系統(tǒng)的內(nèi)部是非線性，但整個系統(tǒng)的輸入、輸出保持線性，這種處理內(nèi)部電壓擺幅較小，從而具有高工作頻率、低畸變和低干擾。瞬時縮展電路技術(shù)有效地解決了低電源電壓、噪聲和高頻性能的矛盾，使電路在最小電源電壓下獲得適當?shù)膭討B(tài)范圍和低功率。本文的研究將對推動瞬時縮展電路理論與設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于小波變換及其網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)、建立和發(fā)展新學(xué)科、推動小波理論的發(fā)展及其廣泛實時應(yīng)用有重要的理論意義和實際意義。 小波變換的

5、實現(xiàn)包括離散小波變換和連續(xù)小波變換的實現(xiàn)兩個方面。從研究成果來看，對離散小波變換的數(shù)字電路實現(xiàn)的研究比較成功，出現(xiàn)了許多實用化芯片。而對模擬電路實現(xiàn)連續(xù)小波變換的研究進展比較緩慢，提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不多，形成的實用芯片較少，已有的系統(tǒng)在集成度、分析精度、系統(tǒng)功耗等方面的性能都有待改進。 從電路設(shè)計方法和生產(chǎn)工藝來看，模擬電路的設(shè)計方案和實現(xiàn)工藝都比數(shù)字電路復(fù)雜。對數(shù)域電路作為新型的模擬電路，運行在電流模式狀態(tài)下，具有低電壓、低功耗的

6、特點。這類電路的設(shè)計方法具有系統(tǒng)化、模塊化的特點，適合連續(xù)小波變換系統(tǒng)這樣的大規(guī)模電路的實現(xiàn)。 本文研究基于對數(shù)域電路的一維連續(xù)小波變換VLSI實現(xiàn)理論與方法。論文首先對對數(shù)域瞬時縮展電路實現(xiàn)小波變換的研究背景、應(yīng)用領(lǐng)域、目的意義和國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)進行了概述，介紹了國際國內(nèi)對數(shù)域電路的基本理論研究現(xiàn)狀。接著詳細介紹了小波分析的基礎(chǔ)理論。 本文闡述了小波變換VLSI實現(xiàn)的原理，并對相關(guān)的實現(xiàn)方法進行了分類和比較。利用對數(shù)域電

7、路實現(xiàn)連續(xù)小波變換是小波函數(shù)和小波變換網(wǎng)絡(luò)瞬時縮展技術(shù)綜合的新理論新方法。其中有模擬CMOS高頻連續(xù)小波變換電路能實現(xiàn)高頻輸入信號的時頻分解，電路中的ICO采用的是對數(shù)域振蕩器；還有首次采用電流模式壓縮擴展對數(shù)域電路來實現(xiàn)一維連續(xù)小波變換，這種實現(xiàn)具有高速、低電壓、低功耗等特點。用PSPICE、Matlab對乘法器和濾波器等小波變換基本器件及小波重構(gòu)進行仿真，表明所提出的連續(xù)小波變換壓縮擴展電路可行。同時通過分析Morlet小波、Mar

8、r小波以及DOG小波三類小波在時域頻域表達式結(jié)構(gòu)上有相似點的小波函數(shù)，提出了一個將高斯單元作為系統(tǒng)中的共享單元的小波變換實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，即共享單元型連續(xù)小波實現(xiàn)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總的框架結(jié)構(gòu)圖。將這些可復(fù)用的高斯濾波器節(jié)提煉出來共享，再利用對數(shù)域電路實現(xiàn)，從而可以大大的減少系統(tǒng)中所需濾波器的數(shù)目，提高系統(tǒng)的集成度，節(jié)約芯片面積，減少功耗。另外采用電流模式壓縮擴展對數(shù)域電路來實現(xiàn)時間信號的正交分解，此多分辨率電路采用的是Laguerre結(jié)構(gòu)。這