連續(xù)小波變換的瞬時(shí)縮展對(duì)數(shù)域電路實(shí)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(hào)處理、圖像處理、語(yǔ)音分析、模式識(shí)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(hào)檢測(cè)、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(fèi)大量的計(jì)算消耗是小波分析和算法廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要障礙。為克服這一障礙，大大促進(jìn)小波理論的應(yīng)用，并使這種應(yīng)用更具實(shí)時(shí)特性，研究小波變換的硬件實(shí)現(xiàn)，即開(kāi)展實(shí)時(shí)小波變換快速算法及其硬

2、件實(shí)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(shí)現(xiàn)研究歷史不是很長(zhǎng)，且還處于初步階段。1993年R.T.EDWARDS和M.D.GODFREY研制了第一個(gè)模擬音頻小波變換芯片[1]，此后有利用開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的音頻連續(xù)小波變換[2]和模擬CMOS實(shí)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(wèn)世對(duì)于推動(dòng)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(shí)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(guó)內(nèi)外對(duì)該領(lǐng)域的研究狀況來(lái)看，已經(jīng)有應(yīng)用聲表面波器件及開(kāi)關(guān)電容電路進(jìn)行小波變換及重構(gòu)器件的實(shí)現(xiàn)。在小波變換實(shí)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(gè)很有應(yīng)用前景的發(fā)展方向。瞬時(shí)縮展(Instantaneouscompanding)電路理論是近幾年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界用來(lái)發(fā)展低電壓低功率模擬VLSI的一個(gè)重要關(guān)鍵技術(shù)[6-9]，信號(hào)在處理前被對(duì)數(shù)壓縮，然后指數(shù)擴(kuò)展、以恢復(fù)最初的動(dòng)

4、態(tài)范圍，利用了二極管的大信號(hào)指數(shù)特性，雖則系統(tǒng)的內(nèi)部是非線性，但整個(gè)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(shí)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(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)范圍和低功率。本文的研究將對(duì)推動(dòng)瞬時(shí)縮展電路理論與設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于小波變換及其網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)、建立和發(fā)展新學(xué)科、推動(dòng)小波理論的發(fā)展及其廣泛實(shí)時(shí)應(yīng)用有重要的理論意義和實(shí)際意義。 小波變換的

5、實(shí)現(xiàn)包括離散小波變換和連續(xù)小波變換的實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面。從研究成果來(lái)看，對(duì)離散小波變換的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的研究比較成功，出現(xiàn)了許多實(shí)用化芯片。而對(duì)模擬電路實(shí)現(xiàn)連續(xù)小波變換的研究進(jìn)展比較緩慢，提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不多，形成的實(shí)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(jìn)。 從電路設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)工藝來(lái)看，模擬電路的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)工藝都比數(shù)字電路復(fù)雜。對(duì)數(shù)域電路作為新型的模擬電路，運(yùn)行在電流模式狀態(tài)下，具有低電壓、低功耗的

6、特點(diǎn)。這類(lèi)電路的設(shè)計(jì)方法具有系統(tǒng)化、模塊化的特點(diǎn)，適合連續(xù)小波變換系統(tǒng)這樣的大規(guī)模電路的實(shí)現(xiàn)。 本文研究基于對(duì)數(shù)域電路的一維連續(xù)小波變換VLSI實(shí)現(xiàn)理論與方法。論文首先對(duì)對(duì)數(shù)域瞬時(shí)縮展電路實(shí)現(xiàn)小波變換的研究背景、應(yīng)用領(lǐng)域、目的意義和國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行了概述，介紹了國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)數(shù)域電路的基本理論研究現(xiàn)狀。接著詳細(xì)介紹了小波分析的基礎(chǔ)理論。 本文闡述了小波變換VLSI實(shí)現(xiàn)的原理，并對(duì)相關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分類(lèi)和比較。利用對(duì)數(shù)域電

7、路實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)高頻輸入信號(hào)的時(shí)頻分解，電路中的ICO采用的是對(duì)數(shù)域振蕩器；還有首次采用電流模式壓縮擴(kuò)展對(duì)數(shù)域電路來(lái)實(shí)現(xiàn)一維連續(xù)小波變換，這種實(shí)現(xiàn)具有高速、低電壓、低功耗等特點(diǎn)。用PSPICE、Matlab對(duì)乘法器和濾波器等小波變換基本器件及小波重構(gòu)進(jìn)行仿真，表明所提出的連續(xù)小波變換壓縮擴(kuò)展電路可行。同時(shí)通過(guò)分析Morlet小波、Mar

8、r小波以及DOG小波三類(lèi)小波在時(shí)域頻域表達(dá)式結(jié)構(gòu)上有相似點(diǎn)的小波函數(shù)，提出了一個(gè)將高斯單元作為系統(tǒng)中的共享單元的小波變換實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，即共享單元型連續(xù)小波實(shí)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(lái)共享，再利用對(duì)數(shù)域電路實(shí)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(kuò)展對(duì)數(shù)域電路來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間信號(hào)的正交分解，此多分辨率電路采用的是Laguerre結(jié)構(gòu)。這