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工程信号实时小波分析的设计与实现

作　者: 康骥春
导　师: 赵孔新
学　校: 长春工业大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 离散小波 MALLAT算法流水线 FPGA 插值
分类号: TN911.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 71次
引　用: 1次
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内容摘要

工程信号小波分析过程,主要局限在将大量数据采集后,用软件进行分析和处理上,无法达到实时性的要求。本文从实际应用的角度出发,提出了离散小波变换的硬件结构,同时在FPGA中加以实现。本文主要完成的工作：在深入阐述了小波分析基本理论及其特点的基础上,给出了直观的描述Mallat算法的流程图,其与滤波器组理论的相似之处：通过反复利用高、低通滤波器组来完成小波变换的各级分解计算,并由此提出了硬件实现的整体架构。本文利用自制的ARM和FPGA实验平台,完成了在FPGA中实现小波滤波器组的设计。为了提高卷积运算的速度,采用DA分布式算法,其优点在于只需要一个查找表和一个带移位的累加器,减少了硬件资源的消耗。同时,为了提高小波分析的运行速度,采用了流水线技术、优化存储结构、缩短关键路径等技术。为了验证所提出的离散小波分析硬件结构的正确性,采用Verilog硬件描述语言对整个设计进行了完全可综合的RTL级描述,在ALTERA公司的FPGA开发环境QUARTUSⅡ9.0中实现了综合和仿真,采用将仿真结果与MATLAB软件产生结果进行比较,从而验证了该小波分析硬件结构的正确性。最终,在ALTERA公司的FPGA器件EP3C25芯片中实现。在全局同步时钟的控制下,实现了将并行分解后的数据实时地传给ARM的帧缓存,以便进行显示等功能。本文以信号发生器发出的心电信号为例,给出了小波分析的原始心电信号和一级分解的低频信号按照高8位、低8位进行比较显示的结果。最后为了使分析结果的波形接近圆滑或连续,本文设计了抽样和插值运算模块并完成了实验验证。实验结果表明,本文设计的工程信号小波分析实验方案达到了硬件资源消耗低、关键路径延时短以及易于实现等要求。但是,由于我国在这一领域内的实用研究才刚刚起步,技术还远未达到成熟,参考资料极少,特别是小波并行架构体系的研究,需要在今后的工作中进一步研究实践。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-7
第一章绪论  7-12
  1.1 本课题的来源及研究意义  7-8
  1.2 小波变换理论的发展及应用  8-9
  1.3 小波变换硬件实现的现状  9-10
  1.4 本文的主要研究内容  10-11
  1.5 本章小结  11-12
第二章小波变换的相关理论  12-21
  2.1 连续小波变换  12-15
  2.2 离散小波变换  15-16
  2.3 多分辨率分析  16-18
  2.4 MALLAT算法  18-20
  2.5 本章小结  20-21
第三章基于FPGA的传统离散小波变换的硬件设计  21-46
  3.1 硬件实时平台的介绍  21-22
  3.2 可编程逻辑器件FPGA和EDA技术  22-27
  3.3 FPGA设计中的若干技术问题  27-32
  3.4 离散小波变换的硬件实现  32-40
  3.5 多级离散小波变换的设计  40-41
  3.6 工程信号小波变换的仿真分析  41-44
  3.7 工程信号在实验平台的显示  44-45
  3.8 本章小结  45-46
第四章抽样与插值模块的FPGA实现  46-49
  4.1 抽样模块的实现  46-47
  4.2 插值模块的实现  47-48
  4.3 本章小结  48-49
第五章结论  49-50
致谢  50-51
参考文献  51-53
附录1  53-54
附录2  54-58
攻读硕士学位期间研究成果  58-59

工程信号实时小波分析的设计与实现

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