连续小波变换开关电流电路的实现
发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:531
开关电流电路是1989由j.b.hughes等人提出的[1-3]。开关电流电路是电流模取样数据系统,有电流模电路的特有优点,如:高频性能好,适于低压工作及电流求和简单等。此外,它不需要线性浮置电容,更适合于cmosvlsi工艺。而用于滤波器时,开关电流积分器不需要运算放大器,因而比开关电容滤波器电路更简单,也不存在由运算放大器的非理想性带来的影响。开关电流电路是当前低压低耗大规模集成电路重要实现技术之一。
小波变换是80年代后期发展起来的应用数学分支[4-6]。最近几年,它已广泛应用于信号检测、特征提取、故障诊断与定位、数据压缩等方面,是信号处理的前沿课题。由于用软件方法实现小波分析,计算工作量大,耗时多,因而不能用于实时信号处理,而现实中,很多信号处理工作要求实时地进行。本文在这种背景下提出了利用先进的开关电流集成电路技术来实现小波变换,以满足实时信号处理的要求,并用实例验证了该设计方法的正确性。
2 工作原理
小波函数的频率响应h(jw)是幅频特性比较集中的带通函数。当采用不同尺度值a作处理时,各h(jaw)的中心频率和带宽都不一样,但品质因数却不变。从频率上看,用不同尺寸作小波变换相当于用一组带通滤波器对信号进行处理。因此,频域中的连续小波变换相当于用基本频率特性为频域小波函数且品质因数恒定的带通滤波器在不同的尺度下对输入信号做滤波处理,频域的基本实现框架如图1所示。本文重点讨论带通滤波器的设计。
3 连续小波变换的实现实例
3.1 小波函数的逼近实现
这里以marr小波为例来研究小波函数的实现方式。它的时域表达为
频域形式为
这里用带通滤波器来实现8通道的marr小波,其中所有通道的品质因数都相等。考虑到一种简单的形式,用二阶带通滤波器来近似逼近小波变换的每个通道的带通滤波器。
marr小波在尺度a时的时频域表达式为:
对上式两边同时求导,并令,求得:。所求得的ω0可以当作近似的带通滤波器的特征角频率。这里采用二进小波,即取a=1/2j(j=7,8,9,...,14)。对各通道滤波器求出特征角频率ω0j,-3db的频率(即通带截止频率)f-3dbl和f-3dbh。品质因数q则通过下式得到:
获得的数据如表1所示,其中h0为特征角频率处的幅值。
对于每个通道,将表1所得到的特征参数ω0、h0和q代入式(6),就可得到每个通道近似的二阶带通滤波器函数h(s)。
图2为采用2阶带通滤波器逼近时,近似函数与原函数的波形对比图。可见近似的函数与原函数之间存在一定的误差,但在-3db范围内逼近的效果还是比较满意的,在要求精度不高的地方是可以应用的。如果要求较高的逼近精度,可采用多阶带通滤波器进行逼近。
3.2 多通道的小波滤波器组的设计
开关电流电路是1989由j.b.hughes等人提出的[1-3]。开关电流电路是电流模取样数据系统,有电流模电路的特有优点,如:高频性能好,适于低压工作及电流求和简单等。此外,它不需要线性浮置电容,更适合于cmosvlsi工艺。而用于滤波器时,开关电流积分器不需要运算放大器,因而比开关电容滤波器电路更简单,也不存在由运算放大器的非理想性带来的影响。开关电流电路是当前低压低耗大规模集成电路重要实现技术之一。
小波变换是80年代后期发展起来的应用数学分支[4-6]。最近几年,它已广泛应用于信号检测、特征提取、故障诊断与定位、数据压缩等方面,是信号处理的前沿课题。由于用软件方法实现小波分析,计算工作量大,耗时多,因而不能用于实时信号处理,而现实中,很多信号处理工作要求实时地进行。本文在这种背景下提出了利用先进的开关电流集成电路技术来实现小波变换,以满足实时信号处理的要求,并用实例验证了该设计方法的正确性。
2 工作原理
小波函数的频率响应h(jw)是幅频特性比较集中的带通函数。当采用不同尺度值a作处理时,各h(jaw)的中心频率和带宽都不一样,但品质因数却不变。从频率上看,用不同尺寸作小波变换相当于用一组带通滤波器对信号进行处理。因此,频域中的连续小波变换相当于用基本频率特性为频域小波函数且品质因数恒定的带通滤波器在不同的尺度下对输入信号做滤波处理,频域的基本实现框架如图1所示。本文重点讨论带通滤波器的设计。
3 连续小波变换的实现实例
3.1 小波函数的逼近实现
这里以marr小波为例来研究小波函数的实现方式。它的时域表达为
频域形式为
这里用带通滤波器来实现8通道的marr小波,其中所有通道的品质因数都相等。考虑到一种简单的形式,用二阶带通滤波器来近似逼近小波变换的每个通道的带通滤波器。
marr小波在尺度a时的时频域表达式为:
对上式两边同时求导,并令,求得:。所求得的ω0可以当作近似的带通滤波器的特征角频率。这里采用二进小波,即取a=1/2j(j=7,8,9,...,14)。对各通道滤波器求出特征角频率ω0j,-3db的频率(即通带截止频率)f-3dbl和f-3dbh。品质因数q则通过下式得到:
获得的数据如表1所示,其中h0为特征角频率处的幅值。
对于每个通道,将表1所得到的特征参数ω0、h0和q代入式(6),就可得到每个通道近似的二阶带通滤波器函数h(s)。
图2为采用2阶带通滤波器逼近时,近似函数与原函数的波形对比图。可见近似的函数与原函数之间存在一定的误差,但在-3db范围内逼近的效果还是比较满意的,在要求精度不高的地方是可以应用的。如果要求较高的逼近精度,可采用多阶带通滤波器进行逼近。
3.2 多通道的小波滤波器组的设计