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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： 连续系统   性能指标   二次稳定  

摘要： 阐述一类具有闭环极点约束的连续系统的性能分析。为了解决连续系统的调节时间过长问题,基于系统二次D-性能的定义和引理,给出系统二次D-稳定条件的证明过程和保性能指标,进而为解决二次D-保性能的输出反馈控制器、二次D-保性能的状态反馈控制器、二次D-保性能的最优控制奠定基础。

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： 分数阶微积分   小波变换   模拟小波滤波器   粒子群优化算法   电路设计  

摘要： 分数阶微积分是整数阶微积分阶数到任意阶的推广,目前已成功应用于控制工程、电路系统及信号处理等领域。其中滤波器的研究成为了分数阶微积分应用发展的热门领域之一。由于分数阶参数的引入,分数阶滤波器具有更优异的电路性能和更广阔的设计自由度。小波变换因具有多分辨率与数学显微镜的特点成为了分析非平稳信号的强有力工具,已广泛应用于图像处理、模式识别及信号处理等领域。为满足实时性和便携性的要求,模拟小波变换已成为近些年来的研究热点。目前,模拟小波变换的实现以基于整数阶模拟小波滤波器的方式为主。在此研究背景下,受整数阶滤波器推广到分数阶滤波器领域可改善滤波器性能的启发,本文在整数阶模拟小波滤波器设计中引入分数阶微积分理论,重点研究了分数阶模拟小波滤波器的设计及其电路实现。主要的研究内容如下:(1)构建了设计分数阶模拟小波滤波器的数学模型。根据线性系统原理及分数阶微积分理论,提出了分数阶模拟小波滤波器传递函数的通用表达式,然后在频域中采用数学逼近方法,将分数阶模拟小波滤波器的幅频特性与常用小波基函数的幅频特性之间的最小L范数误差作为目标函数。该数学模型的构建过程实际上是一个数学优化问题。同时将因果性、稳定性及小波容许条件作为该优化问题的约束条件。(2)提出了一种改进的混合粒子群算法并用该算法设计了两类分数阶模拟小波滤波器传递函数。构建分数阶模拟小波滤波器的数学模型是一个带约束的多维复杂最优化问题,本文采用一种改进的混合粒子群算法求解该问题。该算法以全局优化能力强的标准粒子群算法搜索的全局解为初值,再用最速下降法进行精细搜索,最终得到全局最优解。然后,采用该算法设计了分数阶Gaussian和Marr模拟小波滤波器传递函数。实验结果表明,分数阶模拟小波滤波器在时域和频域都能良好地逼近目标小波函数并具有阻带衰减速率精细可调的特性。(3)提出了基于多环反馈结构的分数阶模拟小波滤波器电路实现方法。该结构的核心电路模块为分数阶微积分器,分数阶微积分器由运算放大器和分数阶电容等无源器件构成。采用了FosterⅠ型RC串并联网络逼近实现电路中所需的分数阶电容,并根据分数阶传递函数与电路的对应关系计算了所需的元器件参数值。然后以6.4阶尺度为1的Marr模拟小波滤波器为例进行了电路设计,并利用Pspice软件进行了电路仿真。仿真结果表明,分数阶模拟小波滤波器的冲激响应与数值仿真结果相符,并具有分数阶阻带衰减特性。

关键词： 说话人验证系统   高频掩蔽   深度学习   多头注意力机制   巴特沃斯低通滤波器  

摘要： 语音在人机交互中扮演着重要角色,除了传递说话人想要表达的指令之外,还包含说话人的身份信息,利用说话人的声音特征验证说话人的身份称为说话人验证。说话人验证相比于人脸识别、指纹识别具有操作更便捷的特性。作为一种身份认证技术具有广泛的应用场景,如智能家居、车载语音系统、电话银行等。但在2018年,出现针对说话人验证系统的对抗攻击,其在一段音频中插入一段人耳不可察觉的微小扰动,使一个原本没有注册登记说话人被识别为已登记的任意目标说话人或特定的目标说话人,以此攻击说话人验证系统,给用户带来巨大损失。特别是近两年来,随着基于机器学习和深度学习的发展,对抗攻击种类越来越多,攻击能力越来越强,攻击方式越来越隐蔽,造成攻击越来越难防御。由于目前的防御方式不足以应对层出不穷的攻击,因此急需要研究一种新的防御手段来防御对抗攻击。基于此本文提出三种防御策略,一是基于五阶巴特沃斯低通滤波器防御策略;二是基于CNN与量化反量化的防御策略;三是基于多头注意力机制的防御策略。(1)基于五阶巴特沃斯低通滤波器防御策略。针对三阶巴特沃斯低通滤波器的防御效果不佳,提出改进的方法,通过提高巴特沃斯低通滤波器的阶数提高滤波器的性能,进而提高防御效率。根据滤波器设置的截止频率,过滤或抑制高频信号,保留低频信号以达到减小对抗扰动的目的。实验结果表明,采用该防御策略对快速梯度符号法攻击防御的效果为63.8%,对Fake Bob攻击的防御效果为23.1%,优于其他对比实验。(2)基于CNN与量化反量化的防御策略。针对CNN只能对音频进行基础的检测,不能确保通过检测的音频都为正常音频,因此在此基础上进行改进,提出量化反量化的方法对通过检测的音频进一步处理。首先利用卷积神经网络对输入的音频作检测,如果检测为正常样本则在进行量化反量化的还原处理,进一步降噪,再输入说话人验证系统识别;如果为对抗样本则直接去除。实验结果表明,该方法处理后的音频在说话人识别系统的识别准确率可达到91.3%。(3)基于多头注意力机制的防御策略。针对现有的防御手段如随机掩蔽,对Fake Bob攻击的防御效果较差。因此,本文提出一种利用掩蔽音频的高频分量方法来消除原始样本中人为添加的扰动,结合多头注意力模型进行音频恢复,恢复后重新输入ASV系统进行验证。实验结果表明采用掩蔽音频的高频分量结合多头注意力模型将对抗音频恢复为原始音频的准确率达到95.9%,可以有效提高ASV系统的鲁棒性,优于其他两种防御方式。

关键词： 压缩采样阵列   波达方向估计   多参数联合估计   人工神经网络   信号恢复  

摘要： 阵列信号处理是现代信号处理的重要分支,随着阵列信号处理性能需求的提高,阵列规模在不断扩大,带来了巨大的硬件成本。压缩采样阵列(CSA)通过将阵元接收信号随机(或选择性)地投影到射频通道的方式,大大降低了前端电路的硬件成本。参数估计和信号恢复是CSA的两个重要问题,本文针对这两个问题研究了基于CSA的DOA估计、多参数联合估计以及高效的信号恢复方法,主要研究工作如下: (1)分别研究了基于经典空间谱估计和基于稀疏重构的CSA-DOA估计方法。针对现有CS-MVDR算法旁瓣高、分辨率低的问题,提出了CS-MUSIC算法,并基于最大化互信息准则优化测量矩阵,进一步提高了角度分辨率。基于稀疏重构的DOA估计方法中,阵列流形是常用的稀疏基,以其为基础的估计方法存在误差大或计算慢的问题,提出一种基于压缩信号协方差向量化的估计方法,仿真验证了该方法具有较好的测角性能和较短的计算时间。 (2)研究了CSA多参数联合估计方法。首先介绍了单通道的CSA结构,将多快拍采样信号转化为单重测量向量。结合脉冲雷达的参数估计和信号的稀疏表示,提出一种适用于LFM脉冲信号的角度-速度-距离多参数联合估计方法。仿真结果证明该方法在多目标和较低信噪比场景下仍有稳健的估计性能。 (3)针对稀疏重构方法的时效性问题,提出了一种基于人工神经网络的CSA信号恢复方法,使用多层前馈神经网络高效地恢复信号。结合最大似然估计以及信号稀疏性和噪声抑制的约束方法,创新性地提出了一种基于最大后验概率估计的损失函数。仿真实验证明了该方法在一定条件下保留了原始阵列的大部分增益,具有一定应用价值。

关键词： FIR数字滤波器   型频率抽样法   改进差分进化算法   阻带最小衰减   适应度函数   优化设计  

摘要： 在传统差分进化算法的基础上,增加缩放因子自适应生成策略、交叉概率抛物线式动态产生策略和新个体基因边界检查和处理方法,提出一种改进差分进化算法并应用于采用Ⅱ型频率采样法的FIR数字滤波器设计中。该优化设计方法以滤波器过渡带样点值为优化变量,以阻带最小衰减值作为优化目标并设计适应度函数,利用改进差分进化算法的全局寻优能力求解最优样点值。文中结合FIR数字高通、低通和带通滤波器设计的3个例子,给出算法实现的具体步骤和实验结果。实验数据表明:采用改进差分进化算法确定的滤波器过渡带样点值是最优的,设计的FIR数字滤波器频响特性(通带最大波动和阻带最小衰减)优于传统查表方法和遗传算法。

关键词： 巴特沃斯滤波器   传递函数   双线性变换  

摘要： 巴特沃斯滤波器具有通频带内的频率响应曲线最大限度平坦、没有纹波、而在阻频带则逐渐下降为零的优点。本文从巴特沃斯滤波器的传递函数着手,针对特定设计参数通过双线性变换完成了数字滤波器的设计,最后通过仿真分析,展示了巴特沃斯滤波器在幅值衰减与相位滞后的特点,为工程技术人员在滤波器的选择与设计上提供参考。