小波變換的開關(guān)電流技術(shù)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用研究.pdf

1、小波變換以其良好的時(shí)頻局部特性成為信號(hào)處理中廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)工具，是分析非平穩(wěn)信號(hào)和瞬態(tài)信號(hào)最有效的技術(shù)之一。為了滿足信號(hào)處理中的實(shí)時(shí)性要求，人們開始研究小波變換的硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)。然而，現(xiàn)有的小波變換實(shí)現(xiàn)主要采用通用數(shù)字器件完成。由于數(shù)字系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行小波變換時(shí)需要增加A/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)的體積、功耗和傳輸延時(shí)都不能滿足現(xiàn)今小波變換向微型化、低功耗和低成本發(fā)展的趨勢(shì)，從而阻礙了小波變換的實(shí)用化進(jìn)程。基于模擬信號(hào)處理系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性和功耗等方面

2、優(yōu)于數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用模擬電路實(shí)現(xiàn)小波變換成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。在模擬集成電路設(shè)計(jì)中，電流模電路以其電源壓低、功耗小、頻帶寬和動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)成為主流技術(shù)。其中，以開關(guān)電流技術(shù)為代表的模擬取樣數(shù)據(jù)信號(hào)處理電路備受人們的重視。開關(guān)電流電路的時(shí)間常數(shù)只與元件參數(shù)的比值和時(shí)鐘頻率有關(guān)，所以，電路的精度可以達(dá)到很高。另外，電路的膨脹系數(shù)可以通過調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率精確獲得，且電路中不需要線性浮置電容，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容。因此，采用

3、開關(guān)電流技術(shù)實(shí)現(xiàn)低壓、低功耗和多尺度集成小波變換電路具有顯著的優(yōu)勢(shì)。
　　目前，采用模擬濾波器實(shí)現(xiàn)小波變換是主要方法，其研究主要集中在三個(gè)方面:(1)小波函數(shù)的有理逼近;(2)模擬小波濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);(3)模擬小波濾波器電路設(shè)計(jì)。近年來，盡管國內(nèi)外學(xué)者在這些方面進(jìn)行了一些研究，但仍存在以下不足:首先，小波函數(shù)的逼近法主要采用Padé頻域法和L2時(shí)域法。這些逼近法在精度、穩(wěn)定性和收斂性方面表現(xiàn)不理想;其次，濾波器結(jié)構(gòu)主要采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)

4、或梯形結(jié)構(gòu)，其靈敏度高，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜;最后，濾波器電路主要采用同相積分器設(shè)計(jì)，以反相積分器或反相微分器以及多輸出電流鏡電路為基本單元的設(shè)計(jì)鮮有報(bào)道。
　　針對(duì)上述問題，本文將小波變換理論與開關(guān)電流技術(shù)相結(jié)合，對(duì)小波變換的開關(guān)電流濾波器實(shí)現(xiàn)原理和方法以及應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。系統(tǒng)地提出了開關(guān)電流小波變換電路設(shè)計(jì)的方法和步驟以及對(duì)已有方法的改進(jìn)，并以實(shí)際應(yīng)用為例，驗(yàn)證了所提方法的可行性。本文的主要研究工作包括以下幾個(gè)方面:
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5、.分析了小波變換的模擬濾波器實(shí)現(xiàn)原理，并系統(tǒng)地歸納了其實(shí)現(xiàn)方案和具體步驟，為模擬小波變換電路綜合提供了清晰地設(shè)計(jì)思路和實(shí)施步驟，并針對(duì)小波變換的開關(guān)電流濾波器實(shí)現(xiàn)作了具體地分析。
　　2.研究了小波函數(shù)的時(shí)域和頻域逼近方法。根據(jù)線性系統(tǒng)理論，推導(dǎo)和構(gòu)建了時(shí)域小波函數(shù)的通用逼近模型，并采用差分進(jìn)化算法對(duì)小波逼近函數(shù)模型進(jìn)行優(yōu)化求解。該時(shí)域逼近法適合任意類型的小波函數(shù)，具有通用性強(qiáng)、逼近精度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn);提出了基于函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

6、和頻域函數(shù)擬合的小波頻域函數(shù)逼近法。其中，函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近法能夠獲得簡(jiǎn)單的頻域小波函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的小波濾波器。頻域函數(shù)擬合法具有逼近精度高、求解過程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性，豐富和發(fā)展了小波函數(shù)的時(shí)、頻域逼近方法。
　　3.以小波函數(shù)逼近方法為基礎(chǔ)，分析了復(fù)小波函數(shù)的逼近原理和逼近方案，提出了基于改進(jìn)差分進(jìn)化算法和多目標(biāo)優(yōu)化策略的復(fù)小波逼近方法。為了簡(jiǎn)化逼近網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，著重分析了復(fù)小波函數(shù)的共極點(diǎn)逼近方

7、法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的復(fù)小波函數(shù)逼近方法具有逼近精度高，逼近網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
　　4.研究了離散時(shí)間濾波器的多環(huán)反饋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。提出了基于開關(guān)電流反相積分器和反相微分器以及多輸出電流鏡為基本結(jié)構(gòu)單元的開關(guān)電流小波濾波器多環(huán)反饋FLF結(jié)構(gòu)和IFLF結(jié)構(gòu)，并給出了結(jié)構(gòu)中各參數(shù)的計(jì)算方法。設(shè)計(jì)的多環(huán)反饋結(jié)構(gòu)開關(guān)電流濾波器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度低和實(shí)現(xiàn)靈活性的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于高階開關(guān)電流小波濾波器實(shí)現(xiàn)。
　　5.研究了開關(guān)電

8、流小波濾波器實(shí)現(xiàn)。首先，提出了基于開關(guān)電流反相積分器和多輸出電流鏡為基本單元的精簡(jiǎn)FLF開關(guān)電流小波濾波器設(shè)計(jì)方法。采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小波函數(shù)頻域逼近法，獲得簡(jiǎn)單的濾波器傳遞函數(shù)，再利用FLF結(jié)構(gòu)開關(guān)電流濾波器實(shí)現(xiàn)該逼近網(wǎng)絡(luò)。其次，提出了基于開關(guān)電流反相微分器和電流鏡電路的IFLF開關(guān)電流小波濾波器設(shè)計(jì)方法。采用改進(jìn)差分進(jìn)化算法求得濾波器傳遞函數(shù)，并采用電流鏡電路實(shí)現(xiàn)該濾波器中的權(quán)重系數(shù)。再次，以復(fù)小波函數(shù)的共極點(diǎn)逼近法為基礎(chǔ)，提出了共

9、享結(jié)構(gòu)開關(guān)電流復(fù)小波濾波器設(shè)計(jì)方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的開關(guān)電流小波濾波器實(shí)現(xiàn)方法具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度低、靈活性強(qiáng)和參數(shù)求解容易等優(yōu)點(diǎn)。
　　6.對(duì)開關(guān)電流小波變換電路在心電圖檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。提出了基于開關(guān)電流小波變換電路的QRS波檢測(cè)方法。根據(jù)小波變換檢測(cè)心電圖的原理，設(shè)計(jì)了基于開關(guān)電流小波變換電路的QRS波檢測(cè)方案，并對(duì)用于檢測(cè)的開關(guān)電流小波變換電路和模極大值電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法的檢測(cè)結(jié)果與軟件