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关键词： 图信号处理   信号恢复   期望最大化   功率估计   最大似然   低比特量化  

摘要： 图信号处理(Graph Signal Processing,GSP)为驻留在不规则和复杂结构上的数据提供了新的算法和处理模式,将这些数据和它们之间的复杂交互建模为图,信号则被定义在图的节点或边上。它结合了信号处理和图论的概念,可以用于分析各种类型的数据,如社交网络、传感器网络、生物网络等。尤其对于大规模无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs),由于通信带宽或环境因素的限制,人们往往无法得到无线传感器网络中每一个节点的观测数据。而图信号处理能够对那些无法提供观测数据的节点所对应的网络环境信号或噪声功率进行估计和重构。然而大多数图信号重构算法是利用高分辨率模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)进行的,使用高分辨率ADCs通常昂贵耗电,且需要较高的存储和传输要求。因此,如何在图信号恢复过程中考虑到信息的传输处理和存储的低成本要求,成为了一项重要的工作。 本文将传感器网络信号建模为图信号,图信号相对于图拓扑来说呈现出平滑特性,即邻近节点之间的信号变化微乎其微,以此为基础,采用低比特量化技术和图信号处理方法,在保持可接受性能的前提下降低了算法的复杂度。本文的主要工作总结如下: 1)针对WSNs观测数据缺失的问题,提出了基于部分信号采样的图信号恢复算法,该信号估计问题可以被表述为一个正则化优化问题,利用Tikhonov正则化的最大似然优化方法和图信号的空间关系,可以从采样数据中重构与未采样节点相关的未知数据。 2)针对如何减少数据的存储需求和耗能问题,在基于部分信号采样的图信号恢复算法的基础上,研究了如何利用低分辨率低比特量化观测数据以实现图信号恢复,采用期望最大化的迭代思想,有效地实现了图信号的恢复与重构。仿真结果表明,所提出的算法在3-4bit的量化数据下有较好的有效性,与未量化数据下的恢复算法相比,能耗和实现成本更低。最后,还使用美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的海平面温度数据验证了该算法的缺失数据重构性能,进一步证明了算法的效能。 3)由于Tikhonov正则化梯度下降方式下降速度较慢,具有不稳定性。所以针对此问题进一步提出了下降速度更快且更具稳定性的基于低比特原始对偶混合梯度算法(Low Bit PrimalDual Hybrid Gradient,LBit-PDHG)。研究了在无线传感器网络中,如何利用网络部分节点的低分辨率低比特量化观测数据,对网络所有节点信号的功率进行估计。假设节点所对应的信号功率在网络上也是平滑的,该功率估计算法中的正则化优化问题涉及非负对数似然与全变分之和的最小化。仿真结果表明,当将每个观测数据的量化位数提高至2或3位时,该算法有较好的有效性。而且与其他几种已知的估计方案相比,下降速度和稳定性更优。

关键词： 有限冲激响应滤波器   频率采样法   遗传算法   粒子群优化   模拟退火算法  

摘要： 使用频率采样法设计FIR数字滤波器时,在通带与阻带之间设置适当的非零过渡点可极大改善滤波器的幅度特性,但过渡点最佳采样值难以确定,可以使用智能优化算法解决上述问题。在设置一个,两个和三个过渡点时,使用遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法,在最大误差最小,阻带最大误差最小,最小二乘以及阻带最小二乘准则下,分别求解过渡点最佳采样值,并使用五种评价指标对比不同算法在不同滤波器优化准则下的优化效果。实验结果表明,在设置不同数量过渡点的情况下,使用智能优化算法均可得到阻带幅度特性优于查找表数据的过渡点最佳采样值,三种算法中模拟退火算法优化效果最佳,四种滤波器优化准则中阻带最大误差最小准则下的优化效果最佳。

关键词： 数字滤波器   群延迟   级联型   全通滤波器   巴特沃斯低通滤波器  

摘要： 针对IIR数字滤波器位于通带的频率相量延迟不同的时间量,提出了一种群延迟优化方法。对于级联型IIR滤波器系统,该方法在每一级滤波器后接入一个全通滤波器,对设计完成的全通滤波器进行零极点分析,通过分析零极点在z平面的位置,评估全通滤波器以及整个数字滤波器级联情况的稳定性。仿真实验采用8阶的巴特沃斯低通滤波器,在0~150 Hz的通带范围内,采样率48 kHz,群延迟优化采用一阶的全通滤波器,仿真结果显示该方法将群延迟的变化量在原有的系统上优化了49.58%。对比其他主流的方法,本文的方法具有计算量小和易于实现的优点。

关键词： FIR数字滤波器   多功能滤波器   FPGA   窗函数   频率响应特性   对称结构   Verilog HDL  

摘要： 现代测控通信系统为航天器传输的测控信号模式多样、特性复杂。针对传统数字滤波器无法满足滤波特性多变的问题,设计一种基于FPGA的多功能FIR数字滤波器。根据任务需求选择满足性能指标的窗函数、频率响应特性、滤波带宽等控制命令,调用ROM表中对应的滤波参数,满足多功能滤波需求,采用对称型滤波结构节省FPGA硬件资源,利用乒乓缓存的操作满足信号滤波实时性,通过Verilog HDL语言实现多功能FIR数字滤波器。ModelSim设计仿真和实际FPGA工程试验结果表明,多功能FIR数字滤波器参数可选多变,能适应不同滤波需求信号的多种场景,灵活性强、实时性好、稳定性好、实用性高。

关键词： 分数阶傅里叶变换   等效时间采样   压缩感知   啁啾信号  

摘要： 在压缩感知原理的基础上,利用分数阶傅里叶变换和等效时间采样构造观测矩阵,对观测过程进行稀疏表达,建立符合压缩感知原理的高频观测方程,并对其进行求解,最终实现对原始信号的重建。利用比奈奎斯特取样速率更短的特定时间取样,可以实现对线性调频信号的高精度重构;而当取样采用不等间隔取样,在时频范围内,取样的时频范围不再是固定的,但会因原信号中的非零点出现能量泄漏而造成大量无关扰动。等效时间采样使得频谱不再是规律性搬移,而是一小部分胡乱地搬移,频率泄漏均匀地分布在整个频域,因而数值都比较小,使恢复过程误差更小。仿真实验结果表明,所提方法在采样点个数为17时,重构成功率高达99.62%。

关键词： 电流互感器   剩余电流检测   间接测量   巴特沃斯低通滤波器  

摘要： 为滤除剩余电流中的高频信号,提高剩余电流的检测精度,研究了一种基于Multisim的磁通门式电流互感器的解调电路。通过五阶巴特沃斯低通滤波器对电流信号进行滤波解调,滤除高频信号,并进一步采用平均值间接测量法求得电流信号的有效值。五阶巴特沃斯低通滤波器由多端反馈的二阶低通滤波器构成,省去了放大电路。通过Multisim仿真验证了该解调电路的可行性,对各种典型的剩余电流进行了检测实验。结果表明:该解调电路能有效滤除剩余电流中的高频分量,降低生产成本,提高检测精度。

关键词： 低通有限脉冲响应(FIR)数字滤波器   余数系统(RNS)   三模集   乘法-累加器单元   脉冲响应   量化误差  

摘要： 本文对低通有限脉冲响应(FIR)数字滤波器的设计进行了研究;在对常用三模集和传统的具有脉冲响应系数的FIR数字滤波器分析的基础上,提出将一种新的三模集应用于低通FIR数字滤波器设计的新方法。该FIR滤波器由多个乘法-累加器单元构成,实现正向转换器、并行算术通道和逆向转换器的功能。正向转换器将一个二进制数编码成一个关于模集的余数表示的数,每个算术通道对模集的每个模进行模乘和累加,逆向转换器将一个余数表示的数解码为其等效的二进制数,算术通道以完全并行的架构工作,从而实现轻量化的计算和简单的结构;最后的仿真实验结果不仅验证了本文提出的设计方法的有效性,而且相比于传统的单向转换设计,本文提出的设计方法有更小的滤波器系数偏差和更好的频率响应等波纹特性。

关键词： 多策略离散人工蜂群算法   折射学习   Lévy飞行   FIR低通数字滤波器  

摘要： 针对人工蜂群(Artificial Bee Colony,ABC)算法在解决复杂问题表现出来精度不高以及收敛速度较慢的不足,提出了一种融合折射学习和Lévy飞行的多策略离散人工蜂群算法(Discrete Artificial Bee Colony Fusing Refraction Learning and Lévy flight,DABC-RL),用于设计有限长脉冲响应(Finite Impulse Response,FIR)低通数字滤波器,以期进一步提高其滤波性能。在DABC-RL算法中,一方面,Lévy飞行策略用于增强ABC算法的局部搜索能力,折射学习用于增强ABC算法的全局搜索能力;另一方面,通过设计合适的离散编码方案对DABC-RL算法中的候选解进行离散化,使其适合于设计FIR低通数字滤波器。为了测试所提的DABC-RL算法设计的FIR低通数字滤波器的性能,选取由ABC算法、基于折射学习的refrPSO算法所设计的FIR低通数字滤波器作为对比算法。实验结果表明,相比其他算法,DABC-RL算法所设计的FIR低通数字滤波器的性能最好,且获得了最快的收敛精度和收敛速度。

关键词： 模拟滤波器   硬件电路实现   巴特沃兹型滤波器   传递函数  

摘要： 模拟滤波器是信号监测、控制等领域不可或缺的前端去噪方法,一般用硬件电路实现,其中巴特沃兹型滤波器应用较为广泛。现总结了设计和采用电路实现高阶巴特沃兹型滤波器的方法,首先根据工程设计指标确定其阶数,求取其传递函数,再将高阶传递函数转换为多个低阶传递函数级联,最后采用运放和阻容等器件实现其对应的滤波器。通过设计实例仿真及电路测试,证实了设计和实现方法的正确性与精准性,能够为高性能复杂模拟滤波器设计提供参考。

关键词： Matlab软件   CCS 5.5软件   FIR滤波器   直接型网络   级联型网络  

摘要： 把Matlab软件与CCS 5.5软件相结合,完成FIR数字滤波器综合实验设计.借助Matlab软件中的FIR数字滤波器设计函数,求得FIR数字滤波器的单位脉冲响应h(n).通过h(n)得到FIR数字滤波器的直接型网络结构,借助Matlab函数tf2sos,求得FIR数字滤波器的级联型网络结构的系数矩阵和增益,得到FIR数字滤波器的级联型网络结构.提出了实现FIR数字滤波的线性卷积计算方法.根据FIR低通或高通滤波器的截止频率ωc,设计了输入序列x(n).借助CCS 5.5软件,设计实现FIR数字滤波器的直接型网络和级联型网络滤波的C语言程序,很好地完成对输入序列x(n)的滤波.仿真实验结果表明,借助Matlab软件和CCS 5.5软件能够较好地完成FIR数字滤波综合实验设计.