模擬小波基構(gòu)建及開關(guān)電流電路實現(xiàn)理論與方法研究.pdf

1、小波變換是繼傅立葉變換之后在數(shù)學(xué)分析方法上的一項重大突破。因其在時域和頻域同時具有優(yōu)良的局部化特性而成為分析非平穩(wěn)信號的理想工具。小波變換已廣泛應(yīng)用于信號處理領(lǐng)域。小波變換的實現(xiàn)以基于計算機(jī)軟件的算法方式為主。為提高信號處理的實時性，近些年來人們開始致力于基于電路的小波變換方法研究，但主要是采用數(shù)字電路代替計算機(jī)實現(xiàn)小波算法。由于需要模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)電路，因而小波變換的數(shù)字電路實現(xiàn)有著體積大和功耗高的缺點，無法滿足功耗要求嚴(yán)格的應(yīng)用場

2、合需求，不符合現(xiàn)代小波變換器件面向低電壓、低功耗和微型化方向發(fā)展的趨勢，阻礙了小波變換理論在特定場合的實用化進(jìn)程。由于模擬電路較數(shù)字電路在低功耗設(shè)計方面具有絕對優(yōu)勢，基于模擬電路的小波變換實現(xiàn)方法成為近年來的研究熱點?；陔娏髂Ｊ降拈_關(guān)電流電路是一種模擬取樣數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具有低電壓、低功耗、寬頻帶和大動態(tài)范圍的優(yōu)點。且采用開關(guān)電流電路實現(xiàn)小波變換，可通過改變電路開關(guān)的工作頻率來精確調(diào)諧小波尺度。此外，開關(guān)電流電路與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS工藝完

3、全兼容，有利于超大規(guī)模集成以達(dá)到小波變換器件的微型化。
　　開關(guān)電流小波變換電路設(shè)計的首要任務(wù)是模擬小波基的構(gòu)建，即用模擬濾波器函數(shù)逼近難以用電路直接實現(xiàn)的小波函數(shù);核心內(nèi)容是基本小波濾波器的開關(guān)電流電路實現(xiàn)。雖然現(xiàn)有研究在上述兩個方面取得了不少成果，但是仍存在一些問題，可概括為:(1)小波濾波器函數(shù)構(gòu)建方法還不夠豐富，且現(xiàn)有的時域構(gòu)建模型還不夠完善，頻域構(gòu)建方法存在缺陷且效果不佳。(2)現(xiàn)有方法都采用基本型開關(guān)電流電路模塊實現(xiàn)小

4、波變換，鮮有電路功耗和非理想因素影響的研究;現(xiàn)有方法多采用經(jīng)典模擬濾波器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)小波變換，少有基于現(xiàn)代數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的研究。(3)現(xiàn)有研究多關(guān)注于實小波濾波器的構(gòu)建和實現(xiàn)，少有開關(guān)電流復(fù)小波濾波器設(shè)計方面的研究。(4)目前方法主要關(guān)注于單個小波濾波器的實現(xiàn)，多個小波濾波器共享實現(xiàn)的研究幾乎處于空白狀態(tài)。
　　在此背景下，本論文主要對基本模擬小波濾波器函數(shù)構(gòu)建及開關(guān)電流電路實現(xiàn)的理論及方法進(jìn)行了研究，對現(xiàn)有方法的不足提出了一些改

5、進(jìn)措施。全文的主要工作包括以下幾個方面:
　　1、對模擬小波變換的基本理論與方法進(jìn)行了研究學(xué)習(xí)。首先，介紹了課題研究的背景與意義，研究現(xiàn)狀和存在的問題。然后，闡明了小波變換的模擬濾波器實現(xiàn)原理，歸納了開關(guān)電流電路小波變換方法和步驟。最后，介紹了模擬小波基構(gòu)建的關(guān)鍵問題和時域優(yōu)化模型。
　　2、對模擬小波基的時域構(gòu)建方法進(jìn)行了研究。首先，設(shè)計了具有初值約束的實小波基時域優(yōu)化模型，提出了基于改進(jìn)型混合粒子群算法的通用實小波基時域

6、構(gòu)建方法。進(jìn)一步地，針對常見復(fù)小波具有高斯包絡(luò)的特點，并利用正弦信號的周期性，提出一種可簡化計算的共極點模擬復(fù)小波基時域構(gòu)建方法。最后，基于常見小波基之間的微積分關(guān)系，提出了一種共極共零的多小波基時域構(gòu)建方法。實驗結(jié)果表明，所提出的小波基時域構(gòu)建方法在逼近精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面都有良好的效果。
　　3、對模擬小波基的頻域構(gòu)建方法進(jìn)行了研究，將時域優(yōu)化構(gòu)建方法推廣到頻域。首先，設(shè)計了模擬小波基頻域逼近優(yōu)化模型，提出了基于該模型的通用實

7、小波基頻域優(yōu)化構(gòu)建方法。然后，對實小波基頻域構(gòu)建模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種共極點復(fù)小波基的頻域直接構(gòu)建方法。進(jìn)而針對常見復(fù)小波基具有高斯包絡(luò)的特點，并基于正弦信號的周期性，提出一種共極點復(fù)小波基頻域間接構(gòu)建方法。對復(fù)小波基頻域直接和間接構(gòu)建方法進(jìn)行了對比。最后，依據(jù)常見小波基之間具有微積分關(guān)系的特性，提出了一種共極共零的多小波基頻域構(gòu)建方法。仿真實驗驗證了方法的有效性。
　　4、對小波濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。提出了基于IIR數(shù)字

8、網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)電流模擬小波濾波器綜合方法。首先，基于沖激響應(yīng)不變法設(shè)計了開關(guān)電流小波濾波器網(wǎng)絡(luò)。然后，為降低電路傳輸誤差和功耗，采用共源共柵組態(tài)和甲乙類電路技術(shù)改進(jìn)基本型開關(guān)電流采樣保持單元，并設(shè)計了開關(guān)電流一階節(jié)和二階節(jié)電路模塊。最后，分別以實小波濾波器和復(fù)小波濾波器為示例闡述了開關(guān)電流小波濾波器綜合方法。電路仿真結(jié)果表明，基于IIR數(shù)字網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的開關(guān)小波濾波器具有電路傳輸誤差小、非理性因素影響小、電路參數(shù)少且易于實現(xiàn)等優(yōu)點。