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基于随机共振原理的微弱信号检测方法研究及其硬件电路实现

方倩  
【摘要】:本论文研究的内容受国家自然科学基金“机械故障诊断中基于非线性理论的微弱信号检测与处理技术研究(50875070)”项目资助。本论文在研究随机共振现象原理和调制随机共振原理的基础上,设计出开环参数可调的调制随机共振系统,对该系统进行了建模、仿真计算和电路设计、实验,验证了对于大频率微弱信号检测的有效性。在此基础上,利用SOPC技术进行了闭环自适应调制随机共振电路的设计,并用FPGA可编程芯片开发出相应的闭环调制随机共振系统的硬件电路和软件系统。 全文主要内容如下: 第一部分:解释了随机共振原理的基本概念,详细介绍随机共振原理的发展史,以及作用在各个领域中的应用、国内外研究现状、本论文的课题背景与意义。 第二部分:分析了随机共振现象的机理,简要阐述各种经典与非经典随机共振理论,并详细介绍了随机共振中非线性双稳态系统的原理,简要分析了随机共振现象所产生的原因及条件和常用测量方法等。 第三部分:通过随机共振系统功率谱特性分析,引出尺度变换随机共振和调制随机共振两种对大频率信号的检测方法。并深入研究两者响应特性的差异。 第四部分:利用调制随机共振原理,并结合模拟电路知识设计出开环调制随机共振系统电路,主要介绍随机共振电路模块和自扫频电路模块的设计,并进行实验验证。 第五部分:通过对自适应信号概念的引入,研究了调制随机共振系统的闭环自适应算法:基于对随机共振系统参数a的最大估值为基础,以及运用此法设计出闭环调制随机共振电路的整体方案,并通过实例仿真和信噪比SNR方法对此算法进行了评估。为下一章具体实现完成理论基础。 第六部分:详细介绍随机共振闭环自适应算法FPGA实现的具体软硬件方案。主要完成FPGA外围电路和内部电路的设计,以及完成数据采集与存储模块、数据处理模块和闭环控制模块的软件架构。 本文作为随机共振理论方面的基础应用研究,以开环自扫频随机共振电路设计为基础,推导出随机共振系统参数选择的自适应的算法,并以SOPC为指导思想,设计出闭环随机共振硬件电路和软件系统,为随机共振原理的长远应用提供了参考与借鉴。


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