調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理

南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理姓名申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：電路與系統(tǒng)指導(dǎo)教師：碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理摘要本文介紹了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的工作原理及特點(diǎn)，分析了系統(tǒng)差頻信號(hào)與目標(biāo)距離之間的線性關(guān)系，提出了線性調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)方案，將線性調(diào)頻連續(xù)波近程探測原理和數(shù)字信號(hào)處理相結(jié)合，進(jìn)行了信號(hào)處理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。以TMS320VC5410DSP芯片為核心完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。具體包括：基于DDS芯片AD9833實(shí)現(xiàn)的三角波調(diào)制信號(hào)發(fā)生器；帶通濾波及放大器，用于對(duì)采樣前的差頻信號(hào)預(yù)處理；基于TLC5510A／D轉(zhuǎn)換器及FIFO構(gòu)成的差頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊；SST39LF400A實(shí)現(xiàn)程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。另外還包括系統(tǒng)電源、時(shí)鐘等DSP外圍電路設(shè)計(jì)。根據(jù)探測系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理的要求，設(shè)計(jì)完成了系統(tǒng)及應(yīng)用軟件。具體包括：調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生，數(shù)據(jù)采集，信號(hào)的時(shí)域和頻域分析，F(xiàn)LASH燒寫以及Bootloader自舉程序。介紹了小波變換在信號(hào)處理中的作用，對(duì)小波閾值去噪進(jìn)行了相關(guān)的仿真分析，并給出了小波變換檢測信號(hào)頻率的方法，從而實(shí)現(xiàn)了近程測距的功能。最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，并進(jìn)行調(diào)試結(jié)果分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)方案是可行的。關(guān)鍵字：調(diào)頻連續(xù)波，DSP，DDS，A／D轉(zhuǎn)換器，小波變換10聲明聲明本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果，盡我所知，在本學(xué)位論文中，除了加以標(biāo)注和致謝的部分外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。與我一同工作的同事對(duì)本學(xué)位論文做出的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明。研究生簽名：年月日學(xué)位論文使用授權(quán)聲明南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容，可以向有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交并授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容。對(duì)于保密論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。研究生簽名：年月日碩士論文碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信口．檢測與處理1緒論1．1課題背景和研究概況毫米波【l】在電磁波譜上位置處于微波和紅外之間，通常是指波長為lOmm-lmm范圍內(nèi)的電磁波，其相應(yīng)的頻率范圍為30GH=卜300GHz。與普通微波相比，毫米波有三個(gè)重要的物理特性，即波長較短、工作頻帶寬以及與大氣成分有選擇性的相互作用。正是這些特點(diǎn)使得毫米波在工程應(yīng)用中呈現(xiàn)出一些優(yōu)、缺點(diǎn)，因而是系統(tǒng)應(yīng)用綜合考慮的基礎(chǔ)。毫米波技術(shù)的研究不斷向前發(fā)展，日趨成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，在雷達(dá)、通信、精密制導(dǎo)、遙感、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，在雷達(dá)方面尤其活躍。毫米波雷達(dá)可用于精確測距，其最小作用距離比厘米波和米波小得多。毫米波雷達(dá)窄的波束寬度、有選擇的大氣傳播特性、大的系統(tǒng)帶寬和大的多普勒頻率非常有利于增強(qiáng)對(duì)電磁波干擾的抗干擾能力，有利于系統(tǒng)采取擴(kuò)譜工作方式，有利于提高系統(tǒng)的低截獲概率性能，有利于提高系統(tǒng)的距離和速度分辨能力，有利于目標(biāo)識(shí)別處理，這些都為+毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展提供了巨大的潛力。由于非大氣窗口頻段內(nèi)的毫米波在大氣中傳輸時(shí)，受到的大氣吸收和散射比較強(qiáng)烈，所以其傳輸距離較短。近程毫米波雷達(dá)恰好利用以上特點(diǎn)，將其工作頻率選擇在非大氣窗口頻段，以使得雷達(dá)系統(tǒng)可以具有較好的抗干擾能力、保密性，以及隱蔽性等特點(diǎn)。毫米波LFMCW雷達(dá)【2】結(jié)合了毫米波雷達(dá)和LFMCW雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)，日益受到世界各國的重視。與微波雷達(dá)相比，毫米波LFMCW雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)更寬的調(diào)頻帶寬，獲得更高的距離分辨率，即使用較小的天線，也能產(chǎn)生很高的角度分辨率；與傳統(tǒng)的脈沖雷達(dá)相比，LFMCW雷達(dá)要求較低的發(fā)射峰值功率，它采用連續(xù)波體制消除了距離盲區(qū)，采用大的帶寬獲得高的距離分辨率和測距精度，而且該雷達(dá)的信號(hào)處理系統(tǒng)更為簡單，因而毫米波LFMCW雷達(dá)具有體積小、重量輕的優(yōu)勢；與激光和紅外等光學(xué)系統(tǒng)相比，毫米波雷達(dá)受云、雨、霧等天氣條件的影響相對(duì)較小，因而可全天候工作。近年來，毫米波LFMCW雷達(dá)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)、導(dǎo)航與交通管制、搜索與目標(biāo)截獲、汽車防撞系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。世界發(fā)達(dá)國家已研制出了一系列高性能的毫米波LFMCW雷達(dá)，如美國的機(jī)載高分辨率多傳感器系統(tǒng)，法國的直升機(jī)防撞雷達(dá)等。因此，開展此項(xiàng)研究無論對(duì)于實(shí)際應(yīng)用需要，還是追趕世界先進(jìn)水平都勢在必行。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)碩十論文I／／CLKXM=I輸出引腳，由內(nèi)部采樣率發(fā)生器驅(qū)動(dòng)這樣BCLKX0端口就能產(chǎn)生持續(xù)的時(shí)鐘信號(hào)，上述設(shè)置得到的時(shí)鐘信號(hào)為20MHz。35．本設(shè)計(jì)選用SST公司的FLASH的讀取可以直接進(jìn)行，但是對(duì)FLASH的寫入和擦除等操作卻是通過命令字進(jìn)行的。考慮到本系統(tǒng)的外擴(kuò)FLASH的起始單位是8000H，加上命令字所提供的偏移地址，可以得到如下幾個(gè)常用的操作命令字口o，21】：讀／復(fù)位命令：往FLASH任意一個(gè)單元寫入數(shù)據(jù)0FOH，都可導(dǎo)致FLASH復(fù)位，從而使其處于舅讀"模式。擦除命令：有片擦除和扇區(qū)擦除兩種方式，需要六個(gè)總線周期。在字模式下，如表5．5所示。表5．5周期解鎖)解鎖)建立))解鎖)解鎖片擦除)扇區(qū)擦除)地址扇區(qū)號(hào)數(shù)據(jù)0HHHHH編程命令：需要四個(gè)總線周期。在字模式(16位數(shù)據(jù)寬度)下，如表5．6所示。表5．6周期解鎖)解鎖)建立)編程)地址PA(編程地址)數(shù)據(jù)0HPD(編程數(shù)據(jù))在向FLASH寫入上述命令的時(shí)候，當(dāng)最后一個(gè)總線周期完成時(shí)，F(xiàn)LASH便會(huì)啟動(dòng)碩上論文 調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理內(nèi)部算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)擦除、編程等內(nèi)部操作。對(duì)FLASH的正確操作順序：先復(fù)位，再擦除(片擦除或者扇區(qū)擦除)，最后編程。FLASH進(jìn)行內(nèi)部操作需要一定的時(shí)間，在這個(gè)過程中，F(xiàn)LASH會(huì)提供一些標(biāo)志信號(hào)。SST39VF400A提供了兩種方法判斷內(nèi)部編程或擦除操作是否結(jié)束：一種是通過數(shù)據(jù)線第7位DQ7：筍0斷，在內(nèi)部編程過程中，DQ7位輸出的值是該位寫入值的反碼，編程結(jié)束后變?yōu)樵撐粚懭氲恼鎸?shí)值；而在內(nèi)部擦除過程中DQ7位輸出為邏輯“O’’，擦除結(jié)束后輸出邏輯“l(fā)’’。另一種是通過數(shù)據(jù)線DQ6位判斷，若連續(xù)讀取DQ6位，在內(nèi)部編程或擦除過程中，其值是在“0"和“l(fā)"之間不斷跳變的，當(dāng)內(nèi)部編程和擦除結(jié)束后，它就停止跳變。為了簡單起見，本文中對(duì)FLASH操作不查詢?nèi)魏螛?biāo)志，而是采取延時(shí)的方法，等待FLASH內(nèi)部操作結(jié)束，再進(jìn)行下一步。延時(shí)的時(shí)間應(yīng)該足夠長，以保證FLASH擦除或編程成功。具體的延時(shí)時(shí)間應(yīng)根據(jù)不同的系統(tǒng)確定?？赏ㄟ^CCS軟件View／memory來查看擦除是否成功。在燒寫操作完成后，仍可通過View／memory來查看是否燒寫進(jìn)去。5．4 BOOT LOADER程序設(shè)計(jì)Boodoader(自舉引導(dǎo)程序，也稱引導(dǎo)裝載程序)【21，221是出廠前固化在DSP芯片內(nèi)部ROM中的一段程序代碼，其主要功能是在上電或復(fù)位時(shí)將用戶程序從外部加載到程序存儲(chǔ)器(片內(nèi)RAM或擴(kuò)展的RAM)中，以便實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。這種方法可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。DSP上電復(fù)位后，首先檢查其MP／MC引腳，如果該引腳為高電平，說明DSP被設(shè)置為微處理器工作方式，即從外部程序存儲(chǔ)器0FF80h地址開始執(zhí)行用戶程序；若該引腳為低電平，說明DSP被設(shè)置為微計(jì)算機(jī)工作方式，即從片內(nèi)ROM的0FF80h起執(zhí)行程序。TMS320VC5410DSP片內(nèi)4KROM掩膜了TI設(shè)計(jì)的幾段程序，其中包括自舉引導(dǎo)程序。因此，為了利用自舉引導(dǎo)功能，必須將DSP設(shè)置為微計(jì)算機(jī)工作方式，即MP／MC=0。從片內(nèi)ROM開始存放的是中斷向量表，它實(shí)為一條分支轉(zhuǎn)移指令(BD0F800h)，該指令跳轉(zhuǎn)到0F800h，此開始執(zhí)行自舉引導(dǎo)程序。不同型號(hào)的DSP，其Bootloadel"也不同。TMS320VC5410提供了5種自舉引導(dǎo)的方法：HPI端口模式(增強(qiáng)主機(jī)接口)、串口EEPROM模式、標(biāo)準(zhǔn)串行口模式、通用I／O口模式和8位并口模式。利用各種控制信號(hào)(包括中斷信號(hào)、BIO和XF等)，DSP系統(tǒng)能夠自動(dòng)地識(shí)別這些不同的“加載"方式。對(duì)于以TMS320VC5410為核心的獨(dú)立系統(tǒng)中，并口加載方案被認(rèn)為是最佳的。在并行模式下，自舉表放在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的32K高端地址區(qū)間：8000H～0FFFFH。自舉表首地址放在數(shù)據(jù)空間的0FFFFH單元。加載時(shí)，Bootloader讀取數(shù)據(jù)空間的0FFFFH單元中的內(nèi)容，該數(shù)據(jù)就是外部FLASH存儲(chǔ)器中需要加載的第一個(gè)單元的地址，從該5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)碩士論文地址開始復(fù)制數(shù)據(jù)到內(nèi)部的程序空間。復(fù)制完畢后，Bootloader便跳轉(zhuǎn)到指定的程序入口地址，開始執(zhí)行用戶程序。啟動(dòng)模式選擇‘81流程如圖5．7所示：圖5．7啟動(dòng)模式選擇流程碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理然而，這種并行自舉引導(dǎo)方式存在兩點(diǎn)不足：一是要求用戶程序事先按n規(guī)定的格式燒寫到外部FLASH中，而且在上電時(shí)必須把FLASH配置在數(shù)據(jù)空間；二是由于TMS320VC5410的數(shù)據(jù)空間的大小只有64K，片內(nèi)RAM又占去了約16K，所以引導(dǎo)程序所flOWn載的用戶程序不僅要占用數(shù)據(jù)空間，而且最大只能是48K。這就無法滿足在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的大程序、大數(shù)據(jù)量的要求。本設(shè)計(jì)中，MP／MC=I，片內(nèi)ROM禁止，并沒有利用ROM中的Bootloader程序，而是重寫了一段類似于Bootloader的代碼，寫入到外部FLASHqb的固定位置【13'201。在系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)，MP／MC狀態(tài)為高電平，設(shè)置DSP處于微處理器工作方式。程序運(yùn)行的流程是這樣的：把CCS編譯生成的．out文件下載到RAM中，因?yàn)椋甤md文件有一條“一eERASE”語句，這時(shí)系統(tǒng)開始執(zhí)行燒寫程序(燒寫程序是以ERASE為標(biāo)號(hào)開始的代碼段)。結(jié)束后，把DSP芯片和仿真器、主機(jī)分離。系統(tǒng)重新上電后，MP／MC是高電平，于是從外部的FF80處開始執(zhí)行程序，即執(zhí)行搬移程序，執(zhí)行完后，跳轉(zhuǎn)到中斷向量表的RESET段，而向量表中有“RESET：BDmain’’語句，所以程序轉(zhuǎn)到主程序開始執(zhí)行。5．5數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集是數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)，DSP是各種信號(hào)數(shù)字處理的平臺(tái)。在數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)中，首先模擬信號(hào)經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存入緩沖區(qū)FIFO中，然后再從FIFO讀到DSP內(nèi)存，這樣就保證采樣數(shù)據(jù)不丟失，采樣頻率即為AD時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘下降沿采樣。FIFO的讀寫和其它控制信號(hào)線由通用I／O口XF以及由McBSP配置的GPIO引腳來控制，按照FIFO讀寫操作時(shí)序圖進(jìn)行FIFO寫和副12刃J。系統(tǒng)復(fù)位后，先關(guān)閉FIFO讀操作，啟動(dòng)FIFO寫操作，AD采樣的數(shù)據(jù)存入FIFO緩存，當(dāng)FIFO全滿時(shí)(／FF=0)，啟動(dòng)外部中斷／INT0，關(guān)閉FIFO寫操作，啟動(dòng)讀操作，將FIFO中存儲(chǔ)的采樣數(shù)據(jù)按要求讀入DSP，進(jìn)行信號(hào)檢測與處理。具體采樣流程圖如圖5．8所示。5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)碩士論文復(fù)位上關(guān)閉FIFO讀操作，啟動(dòng)FIFO寫操作JrAD采樣，F(xiàn)IFO嬲I．啟動(dòng)外部中斷，n、jTO上關(guān)閉FIFO寫操作，啟動(dòng)FIFO讀操作1Li黼I·土／人Y一●DSP信號(hào)檢測與處理土結(jié)束圖5．8采樣流程圖標(biāo)準(zhǔn)C沒有能處理I／0空間數(shù)據(jù)的算術(shù)符和語句。為了方便處理I／0空間數(shù)據(jù)，DSP的C語言規(guī)定了關(guān)鍵字it。ioport要在文件級(jí)定義，不支持函數(shù)內(nèi)定義；數(shù)據(jù)類型必須是char、short、int或unsigned；port數(shù)字代表需要訪問的I／0空間數(shù)據(jù)的16進(jìn)制地址。所以先定義全局變量charportO；unsignedcharrdat】_{；碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)柃測與處理碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)柃測與處理讀出512個(gè)數(shù)據(jù)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。由于差頻信號(hào)中存在干擾噪聲，無源LC濾波器雖然濾除掉部分噪聲，但是放大過程中又會(huì)重新引入噪聲或其他干擾，所以在信號(hào)頻譜分析之前可先進(jìn)行小波去噪。5．6小波分析傅里葉變換揭示了時(shí)間函數(shù)與頻譜函數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，反應(yīng)了信號(hào)在“整個(gè)"時(shí)間范圍內(nèi)的“全部’’頻譜成分。用傅里葉變換的方法提取信號(hào)頻譜時(shí)，需要利用信號(hào)的全部時(shí)域信息。信號(hào)的局部發(fā)生變化會(huì)影響到信號(hào)的整個(gè)頻譜。例如，對(duì)于一個(gè)低頻信號(hào)，如果給它在某一時(shí)刻“增加一個(gè)沖激，那么它的頻譜就立刻變成寬帶頻譜。值得注意的是，根據(jù)這個(gè)寬帶頻譜只能辨別出信號(hào)中存在著沖激，但卻無法確定這個(gè)沖激發(fā)生的時(shí)間位置。這表明傅里葉分析沒有時(shí)間定位或時(shí)間局域化的能力。但是傅里葉分析有很強(qiáng)的頻域定位或頻域局域化能力。為了獲得關(guān)于時(shí)間定位的信息，可以用一個(gè)具有適當(dāng)寬度的窗函數(shù)從信號(hào)中取出一段來作為傅里葉分析，于是得到信號(hào)在這段時(shí)間內(nèi)的局部的頻譜。如果再讓窗函數(shù)沿時(shí)間軸不斷移動(dòng)，便能夠?qū)π盘?hào)逐段進(jìn)行頻譜分析。這就是窗口傅里葉變換(WFT)或短時(shí)傅里葉變換(STFT)的基本思想。STFT實(shí)質(zhì)上是具有單一分辨率的分析，若要改變分辨率，就必須重新選擇窗函數(shù)。因此，對(duì)于給定窗函數(shù)的STFT，其時(shí)間分辨率與頻率分辨率之積是恒定的，它們不可能同時(shí)提高，只能以一種分辨率的降低換取另一種分辨率的提高。實(shí)際應(yīng)用中，為了精確地確定信號(hào)中的高頻現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間位置，應(yīng)該使用窄時(shí)域窗；為了全面觀察低頻現(xiàn)象，應(yīng)該使用寬時(shí)域窗。因此，在頻域中用寬窗分析高頻，而窄窗分析低頻同樣也是合理的。但是窗口傅里葉變換對(duì)不同的頻率總是使用寬度相同的窗，即它不能按照不同的頻率自適應(yīng)調(diào)整窗的寬度，這是它的最大缺點(diǎn)。小波變換【24,25】是一種窗口大小(即窗口面積)固定但其形狀可改變，即時(shí)間窗和頻率窗都可改變的時(shí)頻局部化分析方法。小波變換對(duì)信號(hào)的低頻成分，可用寬時(shí)窗使得時(shí)域分辨率低而頻域分辨率高，對(duì)信號(hào)的高頻成分，則可用窄時(shí)窗使得時(shí)域分辨率高而頻域分辨率低，小波變換可形象地視為自適應(yīng)的加窗Fourier變換，通過小波變換把信號(hào)變換到時(shí)．頻空間，其小波譜可以提供信號(hào)的時(shí)間和頻率特征以及他們之間的相互關(guān)系。因此本文運(yùn)用小波變換對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析。5．6．1小波變換原理如果函數(shù)、I，(，)滿足以下容許性條件5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)碩士論文q=仁魯如<∞5(．，)則稱、I，(，)為一容許小波，式中，審(CO)是、I，(f)的傅里葉變換。并定義如下的積分變換％m，6)-擴(kuò)I2』二兒Ⅻ(等渺以r(尺)5(．為刷以V(，)為基的積分(連續(xù))小波變換阱2．61(CWT)。引入符號(hào)Vow(，)：v。O一6)：l口r1坨V(t-b)，口∈R，口≠O；b∈R(5．3)稱為小波函數(shù)(WaveletFunction)或簡稱為小波(Wavelet)它是由函數(shù)、I，(，)經(jīng)過不同的時(shí)間尺度伸縮(TimeScaleDilation)和不同的時(shí)間平移(TimeTranslation)得到的。其中，a稱為時(shí)間軸尺度伸縮參數(shù)；b稱為時(shí)間平移參數(shù)。因此v(t)是小波原型(Waveletype)，并稱為母小波(MotherWavel)。(5．2)式可該寫為％m，6)=J二們廄勱=(們)，、I，劬(f))(5．可見連續(xù)小波變換％f(a，b)是即)在函數(shù)v礎(chǔ)(f)上的“投影"。如果、I，(，)是一個(gè)合格的窗函數(shù)，則V@)是連續(xù)函數(shù)。貝JJ(2．1)式隱含^v(o)=It)(5．即v(，)的均值為0(不含直流成分)。另一方面，容許性條件(5．1)式要求當(dāng)㈨一∞『∞)ljo。可見小波函數(shù)一定是具有帶通性質(zhì)的窗函數(shù)。式(5．5)的物理意義是：、I，(f)是一個(gè)振幅衰減得很快的“波”。在頻域分析中，v礎(chǔ)(f)的傅里葉變換傘。≯(∞)=『二、I，。．6(t)e-mdt=H1／2JO。brao,)(5．若母小波的傅里葉變換時(shí)中心頻率為‰、寬度為域的帶通函數(shù)，那么甲曲佃)是中心為‰／a、寬度為見／口的帶通函數(shù)。由此可見，采用不同的a值作處理時(shí)，各甲n≯∞)的中心頻率和帶寬都不一樣，但品質(zhì)因數(shù)Q卻不變。根據(jù)Parseval恒等式，得到小波變換的等效頻域表示如下式所示％／(咖)=去(夕佃)，傘以∞))：譬仁夕油)麗腳幽(5．對(duì)于數(shù)字信Yf(n)，常取a=27，b=k2。，(／，k∈Z)，此時(shí)，母小波和相應(yīng)的小波都應(yīng)該是離散時(shí)間的，分別用、l，(甩)和V卅(門)表示，這里、I，．，。(玎)定義為碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測．碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測．‘j處理(V／，t(刀)2一’刀一七)，，k，"∈Z(5．這樣就可以把f(n)關(guān)于vm(甩)的離散小波變換(DWT)定義如下：q，々全D嘿f(2j,k27)=∑／(門萬(，z)，，k，，z∈z_(5．m』．k一三∑廠@萬(2—7”一七)這是一種很適合于數(shù)值計(jì)算和工程實(shí)現(xiàn)的小波變換。5．6．2小波去噪在信號(hào)處理領(lǐng)域中，人們根據(jù)實(shí)際信號(hào)的特點(diǎn)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，基于統(tǒng)計(jì)估計(jì)原理，發(fā)展了各式各樣的去噪方法125,27】。有時(shí)域和頻域的，這些方法基本思想是根據(jù)噪聲和信號(hào)在頻域上分布的不同而進(jìn)行的，因?yàn)樵趯?shí)際過程中，有用信號(hào)通常表現(xiàn)為低頻部分或是一些比較平穩(wěn)的信號(hào)，而噪聲信號(hào)則通常表現(xiàn)為高頻的信號(hào)。在實(shí)際中，人們總是希望把噪聲減d,N可以忽略不計(jì)的程度，而完全重構(gòu)出信號(hào)的本來面貌。然而所采用的算法只是利用噪聲的一些先驗(yàn)知識(shí)對(duì)含噪聲信號(hào)在最小均方誤差意義上進(jìn)行估計(jì)，要想完全消除信號(hào)噪聲是不可能的。近年來，隨著小波理論的日趨完善和小波研究的不斷深入，小波分析的應(yīng)用也日趨廣泛。其中，運(yùn)用小波分析進(jìn)行信號(hào)去噪原理始終是一個(gè)熱門話題，是小波分析的一個(gè)重要的應(yīng)用之一，并顯示出比傳統(tǒng)的傅立葉分析更加具有優(yōu)越之勢。特別地，在實(shí)際工程應(yīng)用中，所分析的信號(hào)可能包含許多尖峰或突變部分，并且噪聲也不是平穩(wěn)的白噪聲，對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行分析，進(jìn)行去噪處理，傳統(tǒng)的傅立葉分析顯得無能為力，因?yàn)樗荒芙o出信號(hào)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的信號(hào)變換情況，使得信號(hào)在時(shí)間軸上的任何一個(gè)突變都會(huì)影響信號(hào)的整個(gè)譜圖。而小波分析由于能同時(shí)在時(shí)，頻域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行多分辨分析，所以能有效地區(qū)分信號(hào)中的突變部分和信號(hào)噪聲，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的去噪。髓著對(duì)小波算法的深入研究，小波去噪方法也豐富起來。到目前為止，小波去噪方法大致可以分為三大類：第一類是基于小波變換的極大模原理的，即根據(jù)信號(hào)和噪聲在小波變換的各個(gè)尺度上的不同傳播特性，提出有噪聲產(chǎn)生的極大值點(diǎn)，保留信號(hào)所對(duì)應(yīng)的模極大值點(diǎn)，然后利用所余模極大值點(diǎn)重構(gòu)小波系數(shù)，進(jìn)而恢復(fù)信號(hào)；第二類方法是對(duì)含噪信號(hào)作小波變換之后，計(jì)算相鄰尺度間小波系數(shù)的相關(guān)性，根據(jù)相關(guān)性的大小區(qū)別小波系數(shù)的類型，從而進(jìn)行取舍，然后直接重構(gòu)信號(hào)；第三類方法是閾值方法，即對(duì)小波系數(shù)設(shè)置閾值，在眾多小波系數(shù)中，把絕對(duì)值較小的系數(shù)置為零，而讓絕對(duì)值較大的系數(shù)保留或收縮，然后對(duì)閾值處理后的系數(shù)進(jìn)行小波逆變換，直接進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，即可達(dá)到去噪的目的。該方法是基于這樣一個(gè)思想：信號(hào)對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)包含有信號(hào)的重55系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)碩上論文要信息，其幅值較大，但數(shù)目較少，而噪聲對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)是一致分布的，個(gè)數(shù)較多，但幅值較小。本章主要討論第三類方法一小波閾值去噪方法。首先了解一下小波去噪算法的研究概況，重點(diǎn)研究小波的閾值去噪算法，在給出閾值去噪原理之后，著重介紹和分析小波閾值中估計(jì)小波系數(shù)的軟閾值和硬閾值方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的閾值估計(jì)方法，最后通過實(shí)驗(yàn)和分析驗(yàn)證該新方法確實(shí)是傳統(tǒng)的硬閾值和軟閾值的一種改進(jìn)方案。5．6．3小波閾值去噪閾值去噪【25’的基本思想是，在對(duì)含噪信號(hào)廠(f)作小波分解后的各層系數(shù)中，對(duì)大于或小于某一閾值的小波系數(shù)分別進(jìn)行處理，然后再利用處理后得到的小波系數(shù)重構(gòu)原始信號(hào)，達(dá)到去噪目的。小波變換特別是正交小波變換具有很強(qiáng)的去數(shù)據(jù)相關(guān)性，它能夠使信號(hào)的能量在小波域集中在一些大的系數(shù)中，而噪聲的能量卻分布于整個(gè)小波域內(nèi)，因此，經(jīng)小波分解后，信號(hào)的小波系數(shù)幅值要大于噪聲的系數(shù)幅值，可以認(rèn)為，幅值比較大的小波系數(shù)一般以信號(hào)為主，而幅值比較小的系數(shù)在很大程度上是噪聲。于是，采用閾值的辦法可以把信號(hào)系數(shù)保留，而使大部分噪聲系數(shù)減少至零?？芍〔ㄩ撝等ピ敕椒ㄒ话惴譃槿缦氯齻€(gè)步驟：計(jì)算含噪信號(hào)的小波變換。假設(shè)有如下一觀測信號(hào)：其中f(t)為含噪信號(hào)，s(，)為原始信號(hào)，刀(f)為高斯白噪聲，服從N(O，o分布。蝴作離散小波變換，可得：其中，w／(j，k)，比(／，k)，嵋(／，k)分別是含噪信號(hào)，原始信號(hào)和噪聲在第j層上的小波系數(shù)。對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理。小波閾值去噪方法的關(guān)鍵步驟是閾值處理，這部分包括閾值的估計(jì)和閾值函數(shù)的選取，D．L．Donoho提出的硬、軟閾值函數(shù)如式(5．12)和式(5．13)以及圖5．9和5．10所示。AJWj,k。]->wj九≮10：≥：：：三支3，碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理^W／。以／九w圖5．9硬閾值函數(shù)進(jìn)行逆小波變換。由所有尺度系數(shù)，進(jìn)行重構(gòu)，得到恢復(fù)的原始信號(hào)估計(jì)值。^W一九／．／九w圖5．10軟閾值函數(shù)以及經(jīng)閾值處理后的小波系數(shù)做逆小波變換硬、軟閾值函數(shù)雖然在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用，也取得了較好的效果。但是方法本身存在著一些潛在的不足。硬閾值函數(shù)方法其閾值函數(shù)在入和．入處存在間斷點(diǎn)，得到的估計(jì)小波系數(shù)值連續(xù)性較差，因此用此閾值函數(shù)重構(gòu)信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩；而軟閾值函數(shù)方法得到的閾值函數(shù)雖然連續(xù)性好，易于處理，但在1w肚I>九時(shí)，Wj。t同y肚存在恒定偏差，當(dāng)小波系數(shù)較大時(shí)，勢必也會(huì)給重構(gòu)信號(hào)帶來不可避免的誤差，直接影響重構(gòu)信號(hào)的性質(zhì)。鑒于此，提出一種軟、硬閾值折衷法，如式(5．14)所示，同時(shí)克服了軟閡值和硬閾值方法的不足之處。-，2{【o±式中：僅的取值范圍為0≤1。顯然，當(dāng)僅=1時(shí)，此閾值函數(shù)在入處連續(xù)，而當(dāng)a≠1時(shí)，此閾值函數(shù)在±入處不連續(xù)，所以通過軟硬閾值折衷法處理后，所得到的估計(jì)信號(hào)可能會(huì)產(chǎn)生附加振蕩。本文在上述軟硬閾值折衷法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的閾值函數(shù)為5式中：參數(shù)a、p均為大于1的實(shí)常數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況可調(diào)整僅、p取值。這樣，閾值函數(shù)在±入處連續(xù)，值為0。而55系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)碩士論文式(5．16)和式(5．17)說nYJ，當(dāng)0【一1時(shí)，式(5．15)接近軟閡值函數(shù)；當(dāng)口j接近硬閾值函數(shù)，由此可知，改進(jìn)的閾值函數(shù)是介于軟、硬閾值函數(shù)之間的一個(gè)靈活選擇，可通過參數(shù)a和p的調(diào)整，得到實(shí)用有效的閾值函數(shù)。考慮函數(shù)11而所以式(5．1是以直線Y=x為漸近線的，即改進(jìn)的閾值函數(shù)是以Wj，t=wm為漸近線的，隨著wJ．。的增大，wⅣ逐漸接近_∥減小了軟閾值函數(shù)中wj，t與wJ^之間的恒定偏差。另外，改進(jìn)的閾值函數(shù)不僅在a、13取任意值時(shí)具有連續(xù)性，而且比軟硬閾值折衷法中的參數(shù)0【有更大的取值空間。除此之外，該閾值函數(shù)還高階可導(dǎo)，便于進(jìn)行各種數(shù)學(xué)處理，所以改進(jìn)的閾值函數(shù)較傳統(tǒng)的軟、硬閾值函數(shù)更加優(yōu)越。改進(jìn)的閾值函數(shù)如圖5．11所示。圖5．11改進(jìn)的閩值函數(shù)為了說明改進(jìn)的閾值函數(shù)在閾值去噪方法中的優(yōu)越性，還可求出信噪I：匕SNR，公式碩碩±論文調(diào)頓連續(xù)踱近程探測系統(tǒng)信號(hào)橙涮與赴埋如式(5所示?！骸啤?；㈣2]汕。1弘108I吞i五麗I1∞J式中：s(而是原始信號(hào)，z伽)是經(jīng)小波擊噪后的估計(jì)信號(hào)。5．6,4MATLAB去噪仿真由于實(shí)際信號(hào)中噪聲往往是高頻成分，小波閾值方法去噪的算法【酗1】如下：(1)確定小波基、小波分解的層數(shù)和閾值；(2)對(duì)每一層的低頻系數(shù)進(jìn)行小波分解；(3)對(duì)每一層的高頻系數(shù)進(jìn)行閾值處理；“)根據(jù)小波分解的最后一層的低頻系數(shù)和經(jīng)過閾值處理的各層的高頻系數(shù)，進(jìn)行一維信號(hào)的小波重構(gòu)。為了說明新閑值函數(shù)在去噪算法中的有效性和優(yōu)越性，分別采用傳統(tǒng)的硬、軟嘲值函數(shù)和軟硬閾折衷函數(shù)以及新聞值函數(shù)進(jìn)行MATLAB去噪實(shí)驗(yàn)。本文選用正弦信號(hào)(頻率為1MHz)加隨機(jī)噪聲進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，選用da44,波對(duì)其進(jìn)行分解，分解層數(shù)為5層．選用極大極小準(zhǔn)則(minimaxi)的閾值選取規(guī)則。仿真結(jié)果如圖5～圖5．15所示。古噪原信號(hào)O∞圖5帶有噪聲的原始信號(hào)一～一一～一一～一一～一一h—O5O5O5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)碩士論文第五層低頻系數(shù)第四層高頻系數(shù)5r．———、—、／7L，—／、—√＼——／、—，—————／、——／—，＼一、／、√“、／、、-1-50第三層高頻系數(shù)量E三互三三主三至至互三互主丕三叵-50第二層高頻系數(shù)Fii石孓iii忑石忑ii麗刁而石jii瓦習(xí)甌_]√、一““—w、rqⅣn叫卜m√py、~、卅_卜¨Ⅳww虬“M棚n，¨，叫州rⅣ叱^／1妒“．10第一層高頻系數(shù)5o一¨№小w嘰。"W，山^．帆訕竹'”舢吼mlll^M機(jī)饑巾似燦葉^f朋^忡卅^_10圖5．13小波分解結(jié)構(gòu)硬閾值法軟硬閾折衷法0軟硬閾改良法0圖5．14四種閾值去噪后的信號(hào)505505碩士論文碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理去噪后信號(hào)與原始正弦信號(hào)對(duì)比圖5．15軟硬閾改良法去噪后的信號(hào)與原信號(hào)對(duì)比由圖5．14中可以看出軟硬閾改良法的去噪效果更好，本例中，去噪后信號(hào)的信噪比SNR_．82dB，相比于軟硬閾折衷法(SNR=41．3305dB)效果還要好。重構(gòu)之后的信號(hào)與加噪之前的信號(hào)非常接近，如圖5．15所示。將去噪后的信號(hào)進(jìn)行FFT變換，得到頻域圖，如圖5．16所示。在matlab中根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率將幅度和頻率轉(zhuǎn)換成實(shí)際值，這樣就可以直接從圖中看出信號(hào)的頻率，圖中所示信號(hào)頻率為1MHz。去噪后信號(hào)幅度．頻率曲線圖5．6．5小波變換檢測信號(hào)頻率圖5．16幅度．頻率曲線圖如果信號(hào)中噪聲幅度較大，例如，含噪信號(hào)如圖5．17中所示。對(duì)于微弱的信號(hào)，如果仍然用原來的方法進(jìn)行去噪，會(huì)使去噪后信號(hào)的頻譜幅度衰減很多，容易產(chǎn)生誤差，55系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)碩士論文檢測到錯(cuò)誤的信號(hào)，如圖5．18所示。035∞圖5噪聲幅度較大的徽弱信號(hào)音噪原信號(hào)幅度-N率曲線圈，、，／擴(kuò)、、八^／＼．、／Jl，一、／兒，一／＼，～擊驛后信號(hào)幅度鑷宰曲錢田x付圖5．18原信號(hào)與去噪后信號(hào)頻譜囤小波變換理論在信號(hào)處理領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，其最重要的應(yīng)用之一就是對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析。典型的應(yīng)用包括：信號(hào)數(shù)據(jù)壓縮、信號(hào)奇異點(diǎn)檢測、統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理、含噪聲信號(hào)檢測中的分型估計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺、湍流和振動(dòng)信號(hào)分析、多分辨率隨機(jī)過程建模和估計(jì)等?？梢允褂眯〔ㄗ儞Q算法將時(shí)域中的信號(hào)進(jìn)行頻譜細(xì)化，提取出微弱信號(hào)中的正弦信號(hào)132‘34]。從頻域看，用不同尺度做小波變換相當(dāng)于用一組帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波32，O123碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理處理。帶通的目的既可能是分解，也可能是檢測(此時(shí)相當(dāng)于一組匹配濾波器)，這些濾波器覆蓋信號(hào)檢測的整個(gè)頻率段，待檢測信號(hào)依次通過這些帶通濾波器。實(shí)際的信號(hào)都是有限帶寬的，其在大部分濾波器中都將被濾掉，只余下噪聲成分，但總有一個(gè)或者多個(gè)濾波器在頻域與所分析的信號(hào)存在重疊，會(huì)完全通過信號(hào)。在下一次檢測中，這些通過的信號(hào)的濾波器將會(huì)仍然通過信號(hào)，通過噪聲的濾波器仍然只會(huì)通過噪聲，將前后兩次得到的值累加。因?yàn)殡S機(jī)噪聲的累加仍然是隨機(jī)噪聲，而信號(hào)的累加就將得到一次加強(qiáng)。重復(fù)多次，信號(hào)成分將不斷地得到加強(qiáng)，而噪聲信號(hào)仍然保持原狀，這樣經(jīng)過多次累加，信號(hào)能量總會(huì)超過噪聲能量，從而將微弱信號(hào)變?yōu)閺?qiáng)信號(hào)，從而檢測出信號(hào)成分。但多尺度上能量積累帶來的問題是增加了算法的運(yùn)算量，對(duì)于快速變化的信號(hào)，實(shí)際應(yīng)用中效果并不明顯。信號(hào)在時(shí)域中有能量表示，它在小波域中也應(yīng)有相應(yīng)的能量表示，若能在小波域中對(duì)不同的分解尺度上的能量進(jìn)行有效積累，在小波域中對(duì)能量進(jìn)行能量檢測，這樣就能構(gòu)造出建立在小波分析基礎(chǔ)上的新的信號(hào)檢測方法。基于這樣的思想，對(duì)含有寬帶白噪聲的信號(hào)做連續(xù)小波變換，相當(dāng)于使信號(hào)通過一組匹配濾波器，由于這組匹配帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)恒定，因此在低頻部分濾波器的帶寬窄，在高頻部分濾波器的帶寬寬。這樣就可以達(dá)到在不同的頻帶有不同的頻率分辨率的效果。對(duì)于這組濾波其中的每個(gè)濾波器來說，如果信號(hào)不在它的通帶范圍內(nèi)，信號(hào)被濾掉，剩下的是白噪聲；如果信號(hào)在它的通帶范圍內(nèi)，則濾波后的信號(hào)不僅包含白噪聲，也包含有用信號(hào)，于是濾波后的信號(hào)的能量要相對(duì)大一些。于是，如果對(duì)信號(hào)通過這組濾波器后的所有的信號(hào)進(jìn)行能量檢測，就可以知道信號(hào)到底通過了哪些濾波器。通過哪個(gè)濾波器時(shí)消弱最小，則這個(gè)濾波器的中心頻率就可看做是信號(hào)的頻率。在工程中，我們近似地將小波頻譜中能量最多的頻率值作為小波的中心頻率，選擇合適的尺度使中心頻率始終在被分析信號(hào)的帶寬之內(nèi)，該頻率就是檢測到的信號(hào)頻率。設(shè)s(f)表示某一正弦信號(hào)，在白噪聲，2(f)的作用下，實(shí)際得到的信號(hào)如下式所示，信號(hào)波形如圖5．17所示。廠(f)=s(r)+，z(f)(為了從．廠(，)中濾除噪聲胛(，)，最大限度地提取出原始瞬態(tài)信號(hào)占(，)的頻率，根據(jù)采樣定理，將s(f)、，z(f)分別進(jìn)行Ⅳ點(diǎn)離散化，可得到兩個(gè)Ⅳ點(diǎn)序列：s(胛)n=l，2，3，,iie，N刀(門)n=l，2，3，?，Ⅳ根據(jù)．廠(，)=J(，)+刀(，)，可進(jìn)一步得到序列f(n)門=l，2，3，?，Ⅳ含噪信號(hào)為f(n)，對(duì)f(n)做如下的小波變換5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)碩：仁論文K廠(am6)：?膽蘭m～(掣)(式中Ⅳ為信號(hào)長度(即采樣點(diǎn)數(shù))，尺度a為一系列離散的值a‘(口為基本尺度，f為尺度等級(jí))，時(shí)間平移參數(shù)b取o~Ⅳ-1這Ⅳ個(gè)離散值。式(5．21)qb，系數(shù)I口|卅比是歸一化因子，它的引入時(shí)為了使不同尺度的小波保持相等的能量。因此對(duì)每個(gè)尺度都有Ⅳ個(gè)小波系數(shù)％f(a，o)～％f(a，N-1)，然后對(duì)這N個(gè)小波系數(shù)進(jìn)行平方累加cDef(口)=∑K滅口，6)(平均小波功率譜∥‘(口)=寺cD礦(口)(形‘(口)可以看做是信號(hào)廠(f)所包含在尺度a下的頻率分量，每個(gè)尺度a值對(duì)應(yīng)著一定的頻率點(diǎn)。然后求∥‘(口)最大值對(duì)應(yīng)的尺度等級(jí)f，再由下式計(jì)算出信號(hào)的頻率^廠f=等(式中Z為采樣頻率，，是修正值，在采樣頻率大約為信號(hào)頻率16倍時(shí)為16．9348。因?yàn)槟繕?biāo)靜止，所以本系統(tǒng)中，需要檢測的差頻信號(hào)理論上為一單一頻率的正弦波。本例中選用Motlet小波進(jìn)行小波變換，程序流程如圖5．19所示。首先輸入信號(hào)數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)稱周期延拓，對(duì)信號(hào)延拓是進(jìn)行卷積的需要，只有這樣才能保證變換結(jié)果準(zhǔn)確。調(diào)用Morlet小波發(fā)生程序，得到Morlet小波函數(shù)。在變換中，Morlet小波的形狀雖然沒變，但寬度發(fā)生了變化。用卷積實(shí)現(xiàn)連續(xù)小波變換，即將積分用求和來實(shí)現(xiàn)。時(shí)間平移參數(shù)b需要進(jìn)行不斷的離散取值，也就是不斷進(jìn)行移位，然后相乘求和。信號(hào)也必須足夠?qū)?，因?yàn)閷?duì)不同的a，參加卷積的信號(hào)寬度是不同的。不同的尺度調(diào)用不同的Morlet小波發(fā)生程序。最后，對(duì)每一個(gè)a值下的連續(xù)小波變換結(jié)果進(jìn)行平方求和，再對(duì)結(jié)果在時(shí)間上進(jìn)行平均，就可以得到平滑的小波功率譜。碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理圖5．19小波變換檢測信號(hào)頻率流程圖?、?512，設(shè)定正弦信號(hào)的頻率為1MHz，采樣頻率16MHz。選取a=1．5n03為基本尺度，實(shí)際尺度為口’(i一[1，4001，f∈Ⅳ)，以每一尺度對(duì)信號(hào)做一次連續(xù)變換，然后將得到的系數(shù)進(jìn)行平方累加，并求平均小波功率譜，求其最大值所對(duì)應(yīng)的尺度，其所對(duì)應(yīng)的頻率就是檢測到的信號(hào)的頻率。平均小波功率譜如圖5．20所示。5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)碩士論文蜜僻雷鯔_霜*圖5．20平均小波功率譜尺度等級(jí)f從l到400取值求最大值，圖中i=211時(shí)值最大，根據(jù)公式(5．22)得廠』ai+l=南-1MHz結(jié)果與設(shè)定的正弦信號(hào)頻率相符。此時(shí)信噪比SNIt=．4．3921檢測誤差碩七論文碩七論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理6系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析當(dāng)系統(tǒng)軟硬件部分實(shí)現(xiàn)以后，就進(jìn)入到系統(tǒng)調(diào)試和測試階段。在調(diào)試過程中，遇到了一些問題，通過分析和解決這些問題，對(duì)本論文的工作有了更深的認(rèn)識(shí)，提高了解決問題的能力。在系統(tǒng)調(diào)試和性能測試過程中，要反復(fù)檢查系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、精度和穩(wěn)定度，如果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，就需要通過修改軟件(甚至調(diào)試硬件)予以解決。如果軟件修改能滿足性能要求，盡量選用軟件修改，如果軟件修改難以滿足要求，就應(yīng)該對(duì)硬件作適當(dāng)?shù)男薷摹?．1硬件調(diào)試電路板制好之后，要根據(jù)原理圖仔細(xì)檢查PCB板，進(jìn)行裸板檢測，所謂的裸板是指按照電路設(shè)計(jì)制作出電路板后，并沒有焊接任何元件的空PCB板。測試的目的是為了檢測是否與設(shè)計(jì)相符合，主要使用萬用表進(jìn)行檢測。由于電路板的信號(hào)線繁多，不可能逐一檢查，只能檢查一些重要的信號(hào)線、電源和地線等。如檢查有沒有重要的走線短路或斷路，電源和地是否短路等，是否每個(gè)器件相應(yīng)的電源和地的連接都是正確的。在沒有發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不通等因?yàn)闄C(jī)械的原因出現(xiàn)的故障情況之下，開始焊接芯片。焊接前對(duì)電阻、電感、電容的量值要進(jìn)行測量、篩選，選擇與實(shí)驗(yàn)電路中參數(shù)值最接近的元件。元件大部分都是貼片的，需要仔細(xì)焊接，一些引腳密集的元件則需要送到專門的焊接廠家焊接。待全部焊接完畢之后，要認(rèn)真檢查電源，在電源準(zhǔn)確無誤的情況下，方可上電測試。在開始調(diào)試的過程中，要經(jīng)常注意各芯片的發(fā)熱情況。為了檢測本設(shè)計(jì)的電路板是否通路，以及各個(gè)芯片是否能正常工作，預(yù)先編寫了一個(gè)方波測試程序，由通用I／O口輸出。在往外部FLASH燒寫程序時(shí)，應(yīng)把三端插座J6的l、2連通(即連接上DS)，這是外部的FLASH作為數(shù)據(jù)空間，可以往里面寫程序。在程序代碼全部寫進(jìn)去之后。再次復(fù)位上電之前，把三端插座J6的2、3端連接(即連接上ps)，這時(shí)FLASH是作為程序空間的。在J4的2端輸出調(diào)制信號(hào)。TLC5510的模擬信號(hào)通過J2的2端輸入。通過檢測，本電路板是完好的。電路板上電時(shí)還需注意輸入的電壓值。DSP和AD9833供電電壓為3．3V，AD供電電壓為5V，放大器上電壓為12V，所以需要兩片穩(wěn)壓模塊78L05和78L12分別提供合適的電壓。所以加電時(shí)需注意電壓值。本次實(shí)驗(yàn)的硬件電路系統(tǒng)如圖6．1所示，整個(gè)系統(tǒng)的測試環(huán)境如圖6．2所示。66系統(tǒng)調(diào)試挫結(jié)果分析顫t論立阿61硬件Ib蹄系統(tǒng)6．2軟件調(diào)試圈6．2整個(gè)系統(tǒng)的測試環(huán)境軟件調(diào)試是借助TI公司的集成開發(fā)環(huán)境CCS進(jìn)行的。CCS提供了非常豐富的調(diào)試手段，具備四種單步執(zhí)行手段，用戶可以對(duì)內(nèi)存單元、寄存器進(jìn)行查看，并且可以編輯、載入／輸出數(shù)據(jù)、設(shè)置探針和斷點(diǎn)。一般的調(diào)試步驟是：調(diào)入構(gòu)建好的可執(zhí)行程序，先碩士論文 調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理在有關(guān)的程序段設(shè)置斷點(diǎn)，然后執(zhí)行程序停留在斷點(diǎn)處，查看寄存器的值或內(nèi)存單元的值，對(duì)中間數(shù)據(jù)進(jìn)行在線(或輸出)分析，還可以輔助圖形加以說明，例如程序運(yùn)行后，可在View／Graph中形成時(shí)域、頻域波形。反復(fù)這個(gè)過程直到程序完成預(yù)期的功能。6．3聯(lián)合調(diào)試在進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試的過程中，遇到了下面的一些問題，并經(jīng)過多次的修改，問題得以解決。問題l：AD9833聯(lián)合DSP產(chǎn)生三角波時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)的SPI模式?jīng)]有波形輸出。分析：因?yàn)锳D9833和TI公司的DSP時(shí)序不能完全同步，所以標(biāo)準(zhǔn)的SPI模式不適用，不能按照5．3節(jié)中McBSP設(shè)置為SPI主設(shè)備的步驟來編程，標(biāo)準(zhǔn)的SPI模式只要發(fā)送移位寄存器XSR[1，2]不為空(即SPCR2中的／XEMPTY=I)臣P可傳送數(shù)據(jù)。解決方法：將部分串口引腳(如：CLKX，F(xiàn)SX，DX，CLKR，F(xiàn)SR，DR)用作通用輸入輸出口GPIO。設(shè)置CLKX，F(xiàn)SX，DX為通用輸出口，DSP傳送數(shù)據(jù)到AD9833時(shí)，用軟件模擬時(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào)來模擬SPI接口。問題2：關(guān)于采樣頻率的提高問題。分析：在進(jìn)行軟、硬件調(diào)試時(shí)，將兩種不同的TLC5510時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比 (1)使用通用I／O口XF作為采樣時(shí)鐘信號(hào)，需要SSBXXF和RSBX XF指令給出高電平和低電平，作為時(shí)鐘信號(hào)，在時(shí)鐘下降沿讀出采樣數(shù)據(jù)。原先，使用定時(shí)器中斷來控制XF端口，在XF端產(chǎn)生方波作為采樣時(shí)鐘，下降沿采樣，采樣頻率較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TLC5510的最大采樣頻率20MHz。將中斷去除后，采樣頻率提高一些。由于在讀出采樣數(shù)據(jù)前后需要指令將XF置低置高，需要消耗指令周期，所以改用多通道緩沖串1：3中的BCLKX作為AD采樣時(shí)鐘信號(hào)，由內(nèi)部采樣率發(fā)生器產(chǎn)生。(2)使用McBSP中的BCKLX0作為采樣時(shí)鐘信號(hào)。通過設(shè)置CLl蟻M=1，CLKX作為一個(gè)輸出引腳，由內(nèi)部采樣率發(fā)生器驅(qū)動(dòng)。通過采樣率發(fā)生器寄存器來控制可編程的數(shù)據(jù)時(shí)鐘，設(shè)置時(shí)鐘頻率。為了盡量快速的讀數(shù)據(jù)，這里也沒有使用中斷，直接讀I／0空間地址Ox00處數(shù)據(jù)放入變量rdata[i]。這樣采樣時(shí)鐘可以提高不少，但是由于DSP數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù)較慢，導(dǎo)致讀取采樣數(shù)據(jù)的速率較慢，這樣就丟失了不少數(shù)據(jù)，使得實(shí)際采樣率降低。解決方法：為了避免數(shù)據(jù)丟失，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用小容量的FIFO作為AD和DSP之間的接口。FIFO芯片是一種具有存儲(chǔ)功能的高速邏輯芯片。它有兩個(gè)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)進(jìn)出有序、輸出輸入獨(dú)立。FIFO芯片有兩個(gè)內(nèi)部指針(讀指針和寫指針)按照先進(jìn)先出的原則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存入和讀取。由于FIFO是順序讀取數(shù)據(jù)，因此，只需提供讀寫和其它控制信號(hào)線，而不需要一般RAM所需的地址線。本文中選用的FIFO是CYPRESS公司的CY7C4221．15ns，容量為lk×9bit?？捎蒄IFO的／FF作為外部中斷信號(hào)，當(dāng)FIFO存儲(chǔ)6l6系統(tǒng)調(diào)試廈結(jié)果分析6系統(tǒng)調(diào)試廈結(jié)果分析碩±論文器全滿時(shí)，便可由，F(xiàn)F經(jīng)邏輯處理后向DSP發(fā)出中斷申請(qǐng)斟To。具體操作如5．6節(jié)所述。6．4調(diào)試結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)中使用信號(hào)源給AD提供模擬輸入信號(hào)，進(jìn)行采樣測試，對(duì)時(shí)域和頻域進(jìn)行分析。采樣得到的數(shù)據(jù)可在ccs中View／Graph中看到．圖6．3為輸入采樣信號(hào)的時(shí)域圖，輸入信號(hào)為1．32MHz的正弦波，系統(tǒng)采樣頻率為20MHz。圈6．3采樣信號(hào)時(shí)域圖由上圖只可以看出信號(hào)為正弦信號(hào)，512個(gè)采樣點(diǎn)之內(nèi)大約有34．5個(gè)周期，可以大概求出信號(hào)頻率f=20／f512／34要想精確的求出信號(hào)的頻率，只有將信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，如圖6．4所示為經(jīng)典譜分析FFT變換。由于實(shí)際輸入信號(hào)為Ov以上，所以F丌變換之后，在0點(diǎn)有～個(gè)高幅度的脈沖，所以輸出時(shí)，將0點(diǎn)的輸出置為0。由于FFT變換后的頻譜是對(duì)稱的，所以，為了更清楚的觀察頻譜，只需顯示前257個(gè)點(diǎn)。頓頓±論文調(diào)頻連續(xù)渡近程探涌系統(tǒng)靜呼檢測與處理圖64F盯變換頻譜圖上圖顯示的信號(hào)FFT變換頻譜中可見信號(hào)能量的最大值在第34點(diǎn)，則信號(hào)頻率小波變換將時(shí)域中的信號(hào)進(jìn)行頻譜細(xì)化，可得平滑的平均小波譜，如圖6．5所示。：譬：。．八羔黜；==：=。m?’?”8?！薄?。．囂?”。：i：：$’’?！薄啊啊??”、9???“。”?¨“o“!“。：i?。?。；d圈6．5平均小波功率譜圖中最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的尺度等級(jí)／=205+1=206，根據(jù)公式(5．24)稍t與輸入信號(hào)頻率相符。7結(jié)束語7結(jié)束語碩士論文結(jié)束語7本論文以近程探測系統(tǒng)應(yīng)用為背景，從理論和實(shí)際兩方面，對(duì)線性調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，完成了基于TMS320VC5410DSP系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，結(jié)合CCS和MATLAB進(jìn)行功能仿真，選用小波變換完成信號(hào)頻率的檢測，達(dá)到了測距的目的。本文的主要工作包括以下幾點(diǎn)：介紹線性調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)的工作原理，差頻信號(hào)與目標(biāo)距離之間的線性關(guān)系，測距轉(zhuǎn)化為測頻。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，完成系統(tǒng)各個(gè)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。為了提高采樣頻率，更換了TLC5510時(shí)鐘輸入∞換成BCLKX0)，取消了定時(shí)器中斷，選用了FIFO緩存作為AD和DSP的接口。經(jīng)過這些改進(jìn)之后，采樣頻率提高了很多，達(dá)到AD芯片的最大采樣頻率。介紹小波變換在信號(hào)處理中的應(yīng)用，對(duì)小波去噪中的閾值去噪的幾種方法進(jìn)行了仿真分析與對(duì)比。最終提出了另一種檢測信號(hào)頻率的方法，即小波系數(shù)平方累加。由于時(shí)間和能力的限制，仍有不少工作需要深入的探索和進(jìn)一步完善。本次設(shè)計(jì)中，AD芯片的采樣時(shí)鐘選用的是多通道緩沖串口的BCLKX0，頻率高時(shí)就不是標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)了，而是類似于晶振的輸出信號(hào)，這樣上升沿和下降沿不明顯。可以改用專用的可編程PLL時(shí)鐘合成器，用來向AD、FIFO芯片提供同步時(shí)鐘，而且頻率可以達(dá)到上百M(fèi)Hz。本次實(shí)驗(yàn)最終沒有將該信號(hào)處理系統(tǒng)組裝到樣機(jī)中，對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行采樣測試。而是利用信號(hào)源產(chǎn)生類似的信號(hào)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。由于時(shí)間的限制在畢業(yè)之前未能實(shí)現(xiàn)上述改進(jìn)和完善，希望今后有機(jī)會(huì)能繼續(xù)開展這方面的研究，將其進(jìn)一步完善。本次實(shí)驗(yàn)是在不考慮多普勒效應(yīng)的情況下進(jìn)行的，這不符合實(shí)際情況。若引信與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，被接受的信號(hào)頻率比發(fā)射信號(hào)頻率要高，它們之間相差一個(gè)多普勒頻率辦，如果考慮多普勒效應(yīng)，就應(yīng)在原來接收信號(hào)頻率上加一個(gè)．尼的頻率。此時(shí)差頻信號(hào)的頻譜將發(fā)生變化，差頻信號(hào)中存在多普勒信號(hào)，可利用多普勒信號(hào)中所含有的距離信息完成測距。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)DSP和DDS的結(jié)構(gòu)、原理以及數(shù)據(jù)采集理論有了較深的認(rèn)識(shí)，對(duì)現(xiàn)代信號(hào)處理方法進(jìn)行了全面的學(xué)習(xí)，對(duì)當(dāng)前小波變換的應(yīng)用和發(fā)展也進(jìn)行了廣泛的了解和學(xué)習(xí)。在硬件的制作過程中，查閱了大量的DSP相關(guān)資料，掌握了數(shù)據(jù)采集和外部存儲(chǔ)器的應(yīng)用，學(xué)到了很多知識(shí)，通過軟件設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)了DSP匯編語言，C語言和仿真調(diào)試環(huán)境CCS，這對(duì)以后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理碩士論文調(diào)頻連續(xù)波近程探測系統(tǒng)信號(hào)檢測與處理致謝值此畢業(yè)論文完成之際，首先要衷心感謝我的導(dǎo)師李躍華教授。我的論文撰寫工作始終都是在李老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在我研究生兩年學(xué)習(xí)期間，李老師一直給予我精一15指導(dǎo)和關(guān)懷，為我提供了良好的學(xué)習(xí)、實(shí)踐機(jī)會(huì)。李老師敏銳的思維，踏實(shí)的工作態(tài)度，扎實(shí)的學(xué)術(shù)功底，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)都給了我深深的影響，讓我一生受用不盡。同時(shí)也學(xué)到了許多分析問題的方法，提高了獨(dú)立解決問題的能力。李老師態(tài)度和藹，平易近人，平時(shí)與李老師朋友式的探討和在科研實(shí)驗(yàn)中結(jié)下的深厚師生情誼將銘記我心。同時(shí)，我還要感謝教研室的李興國教授和婁國偉研究員對(duì)我的關(guān)懷，他們謙虛嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和平易近人的生活作風(fēng)，對(duì)我的學(xué)習(xí)和生活產(chǎn)生了深深的影響。感謝教研室的王虹老師，給予我許多有益的指導(dǎo)和幫助，在生活上也給與我很多關(guān)懷。還要感謝教研室的其他老師給了我一個(gè)良好的學(xué)習(xí)生活環(huán)境，使得論文Jfl頁禾U的完成。在整個(gè)課題研究過程中，博士生羅磊給予了許多寶貴的意見和幫助，在此向他表示由衷的感謝。在研究生學(xué)習(xí)期間，碩士生張玉瑩、楊青、張磊、付海龍、占文彥等人給予我很大的幫助和啟發(fā)性建議，和大家共同討論問題令我受益匪淺。感謝身邊每一位朋友對(duì)我的學(xué)習(xí)和生活的幫助，很高興一路走來有你們的陪伴。感謝我的父母對(duì)我的支持，感謝他們這二十多年來對(duì)我的無私關(guān)懷，在任何時(shí)候，父母給予我的都是支持與鼓勵(lì)。最后向參加論文評(píng)審和答辯的專家表示由衷地謝意。參考文獻(xiàn)碩參考文獻(xiàn)碩1：論文參考文獻(xiàn)【1】李興國．毫米波近感技術(shù)及其應(yīng)用．國防工業(yè)出版社，19912007[2】韓躍．毫米波線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究．南京理工大學(xué)碩士論文，【3】崔占忠，宋世和，徐立新．近炸引信原理．北京：北京理工大學(xué)出版社，2005【4】遠(yuǎn)坂俊昭．測量電子電路設(shè)計(jì)．濾波器篇：從濾波器設(shè)計(jì)到鎖相放大器的應(yīng)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