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《湖南大学》 2007年
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小波变换的开关电流技术实现研究

胡沁春  
【摘要】: 小波变换是一种被誉为数学“显微镜”的新型数学分析方法,近年来在科学分析与工程应用上越来越受到人们的关注。小波变换是一个线性算子,可以在多尺度上对信号进行分解,并在时域和频域同时具有较好的局部化特性。这种优异的时频分析特性使得小波变换成为分析非平稳和瞬变信号强有力的工具,在图像处理、语音分析、模式识别、信号检测、特征提取、故障诊断和定位、数据压缩等领域取得了良好的应用。 小波变换可由数字离散小波变换和模拟连续小波变换两大途径实现。离散小波变换通常采用计算机编程完成,其计算量大,在要求对信号进行实时处理的情况下就不能满足应用要求。基于此,用模拟硬件实现小波变换是一种很好的选择。模拟集成电路设计的一个主要研究方向是低电压、低功耗的电路实现,近年来在这一发展方向上出现的处理新技术首推开关电流技术。作为开关电容的替代技术,开关电流电路是基于电流模的电路,它用离散时间的取样数据系统处理连续时间的模拟信号,具高频特性好、低电压、低功耗、动态范围大等优点。同开关电容电路相比,开关电流电路不使用运算放大器,从而使电路结构简单,不存在运放带来的限制和误差,且不使用浮置电容从而与标准的CMOS工艺完全兼容,有利于大规模集成数/模混合电路的实现。 本文分析和总结了已有小波变换的模拟实现方法,提出了基于开关电流技术的小波变换系统实现,主要工作包括: 1.系统地研究了基于开关电流的小波变换频域法实现。对几种频域法实现小波变换做出了比较,提出采用复解调技术的小波变换开关电流电路实现。讨论了复解调技术的基本原理,研究了相关开关电流实现电路,包括:开关电流正弦波发生器、开关电流乘法器及高斯低通滤波器等,并给出了相关电路与系统的仿真结果。 2.研究了基于开关电流技术的时域法小波变换实现。在时域利用幅度调制技术产生小波链实现小波变换,为小波变换的快速实现提供了又一途径。基于双线性变换采用开关电流积分器综合实现低通滤波器,解决了时域法小波变换实用电路集成化的关键问题。对开关电流低通滤波器用ASIZ进行仿真,结果证实其性能完全满足小波变换时域法实现的要求,且其系统级仿真也得到了验证。 3.提出了基于Padé变换的小波滤波器的实现方法。在该方法中,构造冲激响应为小波函数及其膨胀函数的滤波器组至关重要。滤波器的传输函数通常都表示为有理分式,因此将小波函数转化成有理分式形式的传输函数在小波滤波器的设计实现中是非常重要的。对小波函数进行Padé变换后,可以获得其频域的有理分式逼近。这样,根据滤波器设计理论,可以非常容易地实现小波滤波器。 4.提出了基于开关电流电路实现Morlet小波变换的方法。在频域实现基于开关电流双线性积分器采用跳耦法模拟梯形无源滤波器构造了高斯带通滤波器,从而实现Morlet小波变换及重构滤波器。利用开关电流电路的特性,只需设计一对分解和重构滤波器便可实现二进小波变换,其实现方法简单,有利于制成实用集成芯片。在时域提出基于开关电流技术的Morlet小波变换的时域电路实现方法,首次利用开关电流电路构造了高斯函数发生器,解决了Morlet小波变换时域开关电流电路实现的关键问题。 5.在用开关电流电路实现高斯函数单元的基础上,提出了一个将高斯单元作为系统中共享单元的小波变换实现结构。通过分析三类具有相似结构的小波函数,即Marr小波、Morlet小波和DOG小波,分别在时域和频域内提出了具有共享单元阵列的小波变换系统,为将小波变换从目前仅局限于专用小波变换处理器应用向适合多种信号处理的通用型小波变换处理器应用的发展提供了有益的参考。此外,对正交小波变换进行了研究,采用Laguerre结构完成了正交小波变换的开关电流电路实现。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN401

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