Morfolojik dalgacık dönüşümüne dayalı dijital filtreleme algoritması
Cao Chengtao 1, 2, Xu Lunhui 2
(1. Akıllı Ulaşım Mühendisliği Teknolojisi Uygulama Merkezi, Guangdong Ulaşım Meslek ve Teknik Koleji, Guangzhou 510650, Guangdong; 2. Güney Çin Teknoloji Üniversitesi, Guangzhou 510640, Guangdong)
Elektronik ürünün bulunduğu devrede ortaya çıkan çeşitli parazit sinyalleri, devredeki normal sinyal dalga formunun bozulmasına neden olarak elektronik ürünün normal çalışmasını ve hizmet ömrünü etkileyecektir. Parazit sinyallerinin elektronik ürünler üzerindeki olumsuz etkilerini ortadan kaldırmak için, morfolojik dalgacık, elektronik ürünlerin bulunduğu devrelerde çeşitli parazit sinyallerini filtrelemek için dijital bir filtreleme algoritması oluşturmak için kullanılır. Çok sayıda simülasyon deneyi sonucu, filtreleme algoritmasının, elektronik ürünlerin bulunduğu devrede ortaya çıkan yüksek frekanslı sürekli girişim, rastgele arka plan gürültüsü paraziti ve elektromanyetik geçici parazit üzerinde iyi bir filtreleme etkisine sahip olduğunu göstermektedir.
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN713
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.01.033
Çince alıntı biçimi: Cao Chengtao, Xu Lunhui. Morfolojik dalgacık dönüşümüne dayalı dijital filtreleme algoritması.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (1): 125-128.
İngilizce alıntı biçimi: Cao Chengtao, Xu Lunhui. Morfolojik dalgacık dönüşümüne dayalı dijital filtre algoritması. Application of Electronic Technique, 2017, 43 (1): 125-128.
0 Önsöz
Mikroelektronik cihazlardan oluşan elektrikli ürünlerin tümü elektronik ürünler olarak adlandırılabilir. Bilgisayarlardan, dijital kameralardan, MP3'lerden, mikrodalga fırınlardan, hoparlörlerden vb. Arabalara, uçaklara vb. İnsanların günlük üretimlerinde ve yaşamlarında elektronik ürünler her yerde görülebilir, bu nedenle elektronik ürünlerin normal çalışması çok önemli bir rol oynar. Bununla birlikte, elektronik ürünün bulunduğu devrede meydana gelen çeşitli girişimler, kaçınılmaz olarak, elektronik ürünün normal çalışması ve hizmet ömrü için son derece zararlı olan, devrede voltaj veya akım dalga formunun bozulmasına neden olur. Bu nedenle, bu girişim bileşenlerinin elektronik ürünlerin normal çalışması ve hizmet ömrü üzerindeki olumsuz etkilerini ortadan kaldırmak için verimli bir dijital filtreleme algoritmasının benimsenmesi gereklidir.
Şu anda, bilimsel araştırmacılar elektronik filtreleme alanında çok sayıda araştırma yaptılar ve Fourier dönüşümüne dayalı algoritmalar, dalgacık dönüşümüne dayalı algoritmalar ve matematiksel morfolojiye dayalı algoritmalar gibi çok sayıda dijital filtreleme algoritması önerdiler. Fourier dönüşümüne (FTF) dayalı algoritma, yüksek frekanslı zayıflatılmış DC bileşenleri dışındaki parazit bileşenleri üzerinde ideal bir filtreleme etkisine sahiptir, ancak yüksek frekanslı zayıflatılmış DC bileşenlerini işlerken, FTF'nin zayıflatma faktörünü doğrusallaştırması gerekir. Sonuç olarak, algoritma yüksek frekanslı zayıflatılmış DC bileşenlerini iyi bir şekilde filtreleyemez. Dalgacık dönüşümüne dayalı algoritmaların, yüksek frekanslı zayıflatılmış DC bileşenlerini işlerken zayıflatma faktörünü doğrusallaştırmasına gerek yoktur, böylece yüksek frekanslı zayıflatılmış DC bileşenleri iyi bir şekilde filtrelenebilir, ancak dalgacık dönüşüm algoritmalarına dayalı hesaplamalar çok büyüktür. Ayrıca, bu algoritmanın filtreleme etkisi, ana dalgacık seçiminden büyük ölçüde etkilenir. Matematiksel morfolojiye dayalı algoritma, yüksek frekans zayıflama DC bileşenlerini de iyi bir şekilde filtreleyebilen doğrusal olmayan bir filtreleme algoritmasıdır; aynı zamanda, matematiksel morfoloji yalnızca kısa yanıtların eklenmesini ve çıkarılmasını içerdiğinden, Matematiksel morfolojiye dayalı hesaplama çok küçüktür. Bununla birlikte, matematiksel morfolojiye dayalı algoritmalar, yapısal elemanların seçiminden daha fazla etkilenir ve yapısal elemanların seçimi büyük ölçüde kişisel deneyime dayanır.
Yukarıdaki algoritmaların eksikliklerini çözmek için, bu makale dalgacık dönüşümü ve matematiksel morfolojinin avantajlarını birleştirmekte ve morfolojik dalgacık dönüşümüne (Morfolojik Dalgacık Dönüşümü, MWT) dayalı yeni bir dijital filtreleme algoritması önermektedir. Bu algoritma sadece elektronik ürün devrelerindeki çeşitli parazitleri iyi bir şekilde filtrelemekle kalmaz, aynı zamanda küçük bir hesaplama miktarına sahiptir ve filtreleme etkisi, yapısal elemanların seçiminden daha az etkilenir.
1 Matematiksel Morfoloji
Tanımlama dili olarak küme teorisine sahip bir sinyal işleme teknolojisi olarak, matematiksel morfoloji, küme teorisi yöntemi ile sinyallerin karakteristik bilgilerini çıkarır. Sinyal işleme için matematiksel morfolojinin temel fikri şudur: ilk önce orijinal sinyal üzerinde yer değiştirme, kesişme ve birleştirme gibi işlemleri gerçekleştirmek için yapısal öğeleri kullanın ve ardından işlenen sinyali çıkarın ve son olarak çıkış sinyali ile orijinal sinyal arasındaki farka ve çıkış sinyalinin kendi özelliklerine göre. Orijinal sinyalin karakteristik bilgilerini "okuyun".
Bir elektronik devrede, örneklenen her sinyal gerçek değerli bir işleve karşılık gelir Bu nedenle, elektronik devre sinyalinin işlenmesi, örneklenen sinyali temsil etmek için kullanılan gerçek değerli işlevin analizine ve işlenmesine dönüştürülebilir.
F (x), Df alanında tanımlanan tek boyutlu bir giriş sinyalini göstersin ve g (x), Dg alanı üzerinde tanımlanan yapısal bir elementtir. G (x) tarafından genişletilmiş ve aşınmış f (x) için hesaplama formülleri şunlardır:
2 Morfolojik dalgacık dijital filtreleme algoritması
X0'ın orijinal sinyali temsil etmesine izin verin ve xj ve yj sırasıyla j. katmandaki orijinal sinyalin yaklaşık sinyalini ve detay sinyalini temsil etsin. J'inci morfolojik dalgacık dönüşümü üç adımdan oluşur:
Bu nedenle, belirli bir sinyal için morfolojik dalgacık filtreleme işlemi aşağıdaki yinelemeli şekilde gerçekleştirilebilir:
Bu makalede, iki katmanlı morfolojik dalgacık dönüşümü (MWT), elektronik ürünün bulunduğu devrede görünen çeşitli girişim sinyallerini filtrelemek için yeni bir dijital filtreleme algoritması olarak kullanılmaktadır. Orijinal sinyalin sinyal uzunluğunu eski haline getirmek için, yalnızca ikinci katman MWT'nin çıkış sinyalinin enterpolasyonuna ihtiyaç vardır. Şekil 1, bu yazıda önerilen iki katmanlı morfolojik dalgacık filtreleme algoritmasının akış şemasını göstermektedir.
3 Simülasyon araştırması ve tartışması
Elektronik ürünün bulunduğu devredeki akım veya voltaj sinyali farklı parazitlerden etkilenebilir Bu makale ana parazit biçimlerinin yüksek frekanslı sürekli parazit, rastgele arka plan gürültü paraziti ve elektromanyetik geçici paraziti içerdiğini varsayar.
3.1 Yüksek frekanslı sürekli girişim
İşlenecek sinyalin:
Formülde, x = 1, 2, 3, ..., 257. F (x) 'in dalga formu Şekil 2 (a)' da gösterilmektedir. MWT tabanlı dijital filtreleme algoritmasının filtreleme etkisini değerlendirmek için, değerlendirme indeksi olarak temel frekans sinyalinin göreceli hatası () seçilir; aynı zamanda MWT tabanlı dijital filtreleme algoritmasının filtreleme etkisi de Sonsuz Darbe Tepkili Dijital Filtre (IIRDF) ile karşılaştırılır. ) Filtreleme etkileri karşılaştırılır. 'nun tanımı şöyledir:
Şekil 2 (b) ve Şekil 2 (c), sırasıyla MWT ve IIRDF kullanıldıktan sonra Şekil 2 (a) 'daki sinyalin sinyal dalga biçimlerini göstermektedir. Şekil 2 (b) ve Şekil 2 (c) 'de hesaplanan sinyal değerleri sırasıyla 0.0071 ve 0.0224'tür. Şekil 2 (b) ve Şekil 2 (c) 'deki sinyallerin dalga biçimlerinden ve ilgili hatalarından, MWT'ye dayalı dijital filtreleme algoritmasının yüksek frekanslı sürekli paraziti etkili bir şekilde ortadan kaldırabildiği görülebilir. Yüksek frekanslı sürekli girişimin bileşenini ve genliğini değiştirerek çok sayıda tekrarlanan deney yapılmıştır Sonuçlar, bu makalede önerilen filtreleme algoritmasının yüksek frekanslı sürekli girişimi etkili bir şekilde filtreleyebileceğini göstermektedir.
3.2 Rastgele arka plan gürültüsü paraziti
Şekil 3 (a), 10 dB'lik rastgele arkaplan beyaz gürültüsü ile üst üste binen 1 V genliğe sahip bir voltaj sinyalinin sinyal dalga biçimidir. MWT'ye dayalı dijital filtreleme algoritması bunu işlemek için kullanılır ve Şekil 2 (b) 'ye benzer dalga formu elde edilebilir, yani gürültü giderme etkisi daha iyidir ve orijinal voltaj sinyali geri yüklenebilir. Şekil 3 (b) ve Şekil 3 (c), Şekil 3 (a) 'daki sinyalin sırasıyla MWT ve IIRDF ile işlenmesinden sonraki dalga biçimleridir. Tablo 1, arka plan beyaz gürültüsünün sinyal-gürültü oranı (SNR) dönüştürüldüğünde sinyale göre hatanın nasıl değiştiğini göstermektedir. Şekil 3 (b) ve Şekil 3 (c) 'deki sinyallerin dalga formları ve Tablo 1'deki ilgili hataların hesaplanan değerleri, MWT bazlı dijital filtreleme algoritmasının rasgele arka plan gürültü girişimini filtreleme konusunda iyi bir yeteneğe sahip olduğunu güçlü bir şekilde kanıtlamaktadır.
3.3 Elektromanyetik geçici girişim
Şekil 4 (a), 0,1 V genliğe sahip bir tepe geçici geniş bant girişimi ile üst üste binen voltaj sinyalinin dalga biçimidir. Şekil 4 (a) 'daki sinyalin MWT ve IIRDF tarafından işlenmesinin sonuçları sırasıyla Şekil 4 (b) ve Şekil 4 (c)' de gösterilmektedir. Şekil 4 (b) ve Şekil 4 (c) 'de sinyalinin hesaplanan değerleri sırasıyla 0.0026 ve 0.0088'dir. İşlem sonuçları, MWT'ye dayalı dijital filtreleme algoritmasının elektromanyetik geçici paraziti iyi bir şekilde filtreleyebildiğini ve filtreleme etkisinin IIRDF'ye dayalı filtreleme algoritmasından önemli ölçüde daha iyi olduğunu göstermektedir.
Bu makale ayrıca Tablo 2'de gösterildiği gibi MWT ve IIRDF'nin dijital filtreleme sürelerini karşılaştırmaktadır. Tablo 2'deki MWT ve IIRDF dijital filtreleme süresinin karşılaştırılması, MWT tabanlı dijital filtreleme algoritmasının daha küçük bir hesaplama miktarına ve daha hızlı bir filtreleme hızına sahip olduğunu güçlü bir şekilde kanıtlamaktadır.
4. Sonuç
Matematiksel morfoloji ve dalgacık dönüşümünün avantajlarını birleştiren bu makale, iki katmanlı morfolojik dalgacık dönüşümü yoluyla orijinal sinyaldeki çeşitli parazit sinyal bileşenlerini ortadan kaldıran yeni bir morfolojik dalgacık (MWT) dijital filtreleme algoritması önermektedir. Bu yazıda, elektronik ürünün bulunduğu devrenin yüksek frekanslı sürekli parazit, rastgele arka plan gürültüsü paraziti ve elektromanyetik geçici parazitinin filtre etkisi algoritma tarafından doğrulanmış ve filtre etkisi IIRDF filtre etkisi ile karşılaştırılmıştır. Simülasyon ve analiz sonuçları, bu makalede önerilen filtreleme algoritmasının yüksek frekanslı sürekli paraziti, rastgele arka plan gürültü parazitini ve elektromanyetik geçici paraziti filtreleyebileceğini göstermektedir.
Referanslar
Wang Lanxun, Di Yingjie. CPLD tabanlı bir dijital filtre. Journal of Hebei University (Natural Science Edition), 2003, 23 (4): 418-421.
Song Rui, Guo Huadong, Liu Guang ve diğerleri Adaptif komşuluk tekniğine dayalı geliştirilmiş goldstein SAR interferogram filtresi. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2015, 12 (1): 140-144.
SHOAIB M, JHA NK, VERMA N. Sıkıştırılmış olarak algılanan veriler üzerinde doğrudan hesaplamalarla sinyal işleme Çok Büyük Entegrasyon (VLSI) Sistemlerinde IEEE İşlemi, 2015, 23 (1): 30-43.
DAEGEUN J, SEUNGHUN P, MINSOO H. Yeni bir fotopletismografik parametre kullanarak nabız kontur analizine dayalı arteriyel sertlik tahminini geliştirme IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, 2015, 19 (1): 256-262.
Zhang Xinyong, Huang Qungu, Ren Zhen, vb Mikrobilgisayar koruması, dalgacık dönüşümüne dayalı birleşik dijital filtre Relay, 2003, 31 (12): 48-50.
ZHANG Y, JI TY, LI MS, et al. Asenkron motor stator dönüşler arası kısa devrenin belirlenmesi için ayrık dalgacık dönüşümü uygulaması.Akıllı Şebeke Teknolojileri-Asya'da (ISGT ASIA), 2015 IEEE Innovative.IEEE, 2015: 1- 5.
VALTIERRA-RODRIGUEZ M, ROMERO-TRONCOSO R J, OSORNIO-RIOS R A, ve diğerleri Sinir ağları kullanılarak tekli ve birleşik güç kalitesi bozulmalarının tespiti ve sınıflandırılması.
ZHANG Y, JI T Y, LI M S, et al.Genelleştirilmiş morfolojik açık-kapama ve yakın-açılış ölçülmemiş dalgacık kullanarak güç kesintilerinin belirlenmesi.Endüstriyel Elektronik üzerine IEEE İşlemleri, 2016, 63 (4): 2330-2339.
Wen Zhuowen, Ouyang Sen, Pei Haojun Geliştirilmiş bir kaldırma morfolojik dalgacık yöntemi ve bunun güç kalitesi bozukluklarının tespitinde uygulanması. 2012'de Güç ve Enerji Mühendisliği Konferansı (APPEEC) Asya-Pasifik Konferansı, Şangay, 2012: 1-5.
ZHANG Y, JI TY, LI MS, et al. Morfolojik bir maksimum kaldırma şeması kullanarak düşük frekanslı güç kesintilerinin tespiti ve sınıflandırılması. In Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2013 IEEE PES Asia-Pacific, 2013: 1- 5.
WU Q H, LU Z, JI T Y. Matematiksel morfoloji kullanarak güç sistemlerinin koruyucu rölesi Springer, 2009.
XIAO F. Genel bir Chebyshev karakteristiğine sahip IIR dijital filtrelerin hızlı tasarımı Devreler ve Sistemlerde IEEE İşlemleri II: Ekspres Özetler, 2014, 61 (12): 962-966.
