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面向WSN的中值滤波算法及其应用研究

作　者: 陈磊
导　师: 刘少强
学　校: 中南大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 无线传感器网络信号处理中值滤波噪声抑制频率选择
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 18次
引　用: 2次
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内容摘要

无线传感器网络以信息处理为中心,数字滤波是信息处理中非常重要的一种数据处理技术。由于无线传感器节点的供电、计算、存储等能力都有限,面向无线传感器网络的数字滤波方法必须在满足基本性能要求的基础上,具备简单、高效等特点。中值滤波是一种原理上符合无线传感器要求但性能有明显不足的滤波方法,目前的中值滤波研究主要面向图像处理。因此,面向无线传感器网络的信息处理,研究针对非图像信息处理的中值滤波方法具有重要的理论和实际意义。根据传感器节点处理资源受限的特点,本文首先分析了应用于非图像处理的现有中值滤波算法的特点,指出了面向无线传感器节点数据处理应用的中值滤波在噪声抑制、计算速度以及频率选择能力方面存在的不足。为实现传感器节点对采集数据的高效处理,本文提出了一种改进的伪中值滤波方法,通过引入一个简单的脉动噪声检测环节,该方法在增强伪中值滤波的脉动抑制能力的同时仍具有快速滤波的特点；为强化对脉动噪声的抑制能力,进一步提出了一种基于软开关策略的伪中值-中值混合滤波方法,该方法融合了中值滤波与伪中值滤波的优点。面向频域滤波应用,本文提出了一种带有负加权系数的加权重复伪中值滤波器设计方法,并给出了简化计算过程的算法,按该方法设计的伪中值滤波器能获得比现有加权伪中值滤波方法更好的选频特性。参考无线传感器网络典型节点配置,本文选用MSP430F1611微处理器以及IAR工具构建了测试中值滤波算法的实验平台。基于该平台,以脉搏波信号实测数据为测试样本,分别检验了上述改进中值算法的有效性。仿真和实验测试表明,本文所提出的中值滤波改进算法和设计方法符合无线传感器节点信号处理的需求,适用于对振动、脉搏波、温度等非图像信息的数据处理,因此具有广阔的应用前景。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪言  9-15
  1.1 课题的研究背景和意义  9
  1.2 无线传感器网络的信息处理  9-11
  1.3 中值滤波技术的发展现状  11-14
  1.4 本文的主要研究工作  14-15
第二章中值滤波的基础理论  15-26
  2.1 中值滤波的基本原理  15-17
    2.1.1 标准中值滤波器的定义  15-16
    2.1.2 中值滤波的性质  16-17
  2.2 中值滤波的一般改进方法  17-22
    2.2.1 加权中值滤波器  17-18
    2.2.2 FIR-中值混合滤波  18-20
    2.2.3 重复中值滤波  20-21
    2.2.4 伪中值滤波  21-22
  2.3 中值滤波频率设计的理论基础  22-25
    2.3.1 Mallows理论和样本选择概率  22-24
    2.3.2 具有负系数的加权中值与加权伪中值滤波器  24-25
  小结  25-26
第三章适合于WSN节点信号处理的中值滤波方法  26-40
  3.1 一种增强脉动噪声抑制能力的伪中值滤波方法  26-30
    3.1.1 伪中值滤波的脉动抑制能力缺陷  26-27
    3.1.2 改进的伪中值滤波算法设计  27-30
  3.2 基于软开关策略的中值-伪中值混合滤波器  30-32
    3.2.1 中值-伪中值混合滤波结构  30-31
    3.2.2 中值-伪中值混合滤波器设计  31-32
  3.3 两种改进的中值滤波算法的仿真实验  32-39
    3.3.1 测试信号  32-33
    3.3.2 IPMF算法的仿真实验与分析  33-35
    3.3.3 CMF算法的仿真实验与分析  35-37
    3.3.4 两种改进方法的特点比较  37-39
  小结  39-40
第四章改进选频特性的伪中值滤波方法及其简化算法  40-51
  4.1 加权重复伪中值滤波器及其设计方法  40-45
    4.1.1 加权与重复处理结合的伪中值滤波方法  40-41
    4.1.2 实现选频特性的加权重复伪中值滤波器的整数加权系数设计  41-42
    4.1.3 加权重复伪中值滤波器的斜率权系数和输出权系数设计  42-43
    4.1.4 具有负系数的加权重复伪中值滤波算法的简化  43-45
  4.2 算法仿真及分析  45-50
    4.2.1 仿真实验方案设计  45-46
    4.2.2 仿真结果与分析  46-50
  小结  50-51
第五章基于典型节点的中值滤波算法性能测试与分析  51-62
  5.1 典型节点实验平台构建与测试方案  51-56
    5.1.1 典型传感器节点硬件平台简介  51-53
    5.1.2 基于MSP430F1611超低功耗单片机的实验环境  53-55
    5.1.3 测试方案设计  55-56
  5.2 中值滤波算法抑噪效果测试与结果分析  56-58
    5.2.1 测试内容与性能评价指标  56-57
    5.2.2 结果分析  57-58
  5.3 中值滤波算法选频特性测试与结果分析  58-61
    5.3.1 测试内容与指标、评价  58-59
    5.3.2 结果分析  59-61
  小结  61-62
第六章总结与展望  62-64
  6.1 总结  62-63
  6.2 展望  63-64
参考文献  64-69
致谢  69-70
攻读学位期间主要的研究成果  70

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