深空傳輸鏈路小波提取弱信號的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種深空傳輸鏈路小波提取弱信號方法及其硬件實(shí)現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 針對在深空通信中由于長鏈路以及高傳輸速率要求引起的信號信噪比較低的問 題，一方面可以考慮提高每比特接收信號的能量，比如提高發(fā)射功率增強(qiáng)接收信號的能量 或者增大天線尺寸等來提高鏈路增益，但由于深空通信發(fā)射功率的增加以及天線尺寸的增 大會帶來巨大的代價，所以通過提高接收信號能量來提高接收信號的信噪比在目前的技術(shù) 發(fā)展水平下是不可能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，另一方面，通過在算法層面上對接收弱信號進(jìn)行處 理，降低噪聲對信號的影響，則能在短期內(nèi)以較低的成本實(shí)現(xiàn)深空遙感遙測數(shù)據(jù)的快速傳 輸。
[0003] 綜合考慮了多種弱信號提取算法，其中小波變換能將弱信號聚集到若干稀疏的系 數(shù)上，同時由于噪聲對各個系數(shù)均有影響，通過設(shè)定閾值將低于閾值的系數(shù)認(rèn)為是噪聲的 影響加以抑制，則能將噪聲的大部分影響從弱信號中減去，非常有利于深空弱信號的提取， 因此本發(fā)明擬采用小波閾值法對深空弱信號進(jìn)行提取。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了在深空通信中，提高深空通信鏈路增益，以及提高接收弱信號的信 噪比，從而提供一種深空傳輸鏈路小波提取弱信號的裝置及方法。
[0005] 深空傳輸鏈路小波提取弱信號的裝置，它包括選擇一號輸入模塊1、離散小波變換 DWT模塊2、一號選擇輸出模塊3、一號RAM4、N個閾值模塊5、N個二號RAM6、二號選擇輸出 模塊7、離散小波逆變換IDWT模塊8和二號選擇輸入模塊9 ;N為正整數(shù)；
[0006] 所述一號輸入模塊1的第一路數(shù)據(jù)輸入端用于接收含噪數(shù)據(jù)；
[0007] 所述一號輸入模塊1的第二路數(shù)據(jù)輸入端與一號RAM4的數(shù)據(jù)輸出端連接；
[0008] 所述一號輸入模塊1的數(shù)據(jù)輸出端與離散小波變換DWT模塊2的數(shù)據(jù)輸入端連 接；
[0009] 所述DWT模塊2的數(shù)據(jù)輸出端同時與一號選擇輸出模塊3的數(shù)據(jù)輸入端和一號 RAM4的數(shù)據(jù)輸入端連接；
[0010] 所述選擇輸出模塊3的數(shù)據(jù)輸出端同時與N個閾值模塊5的數(shù)據(jù)輸入端連接； [0011] 所述N個閾值模塊5的數(shù)據(jù)輸入端分別與N個二號RAM6的數(shù)據(jù)輸入端連接；
[0012] 所述N個二號RAM6的數(shù)據(jù)輸出端同時與二號選擇輸出模塊7的數(shù)據(jù)輸入端連接；
[0013] 所述二號選擇輸出模塊7的數(shù)據(jù)輸出端與離散小波逆變換IDWT模塊8的數(shù)據(jù)輸 入端連接；
[0014] 所述二號選擇輸入模塊9的第一數(shù)據(jù)輸入端與一號RAM4的輸出端連接；
[0015] 所述離散小波逆變換IDWT模塊8的數(shù)據(jù)輸出端與二號選擇輸入模塊9的第二數(shù) 據(jù)輸入端連接；
[0016] 所述離散小波逆變換IDWT模塊8的數(shù)據(jù)輸出端作為深空傳輸鏈路小波提取弱信 號的裝置的數(shù)據(jù)輸出端。
[0017] 離散小波變換DWT模塊2包括邊界延拓B0UNDARY_DATA模塊21、一號卷積運(yùn)算 C0NV模塊22、一號數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊23和降采樣DOWNSAMPLING模塊24 ;
[0018] 所述邊界延拓B0UNDARY_DATA模塊21用于將輸入輸出進(jìn)行左右邊界的延拓，并將 延拓后的數(shù)據(jù)輸出至一號卷積運(yùn)算C0NV模塊22 ;
[0019] -號卷積運(yùn)算C0NV模塊22用于對輸入數(shù)據(jù)與小波對應(yīng)的濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算， 并將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)輸出至一號數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊23 ;
[0020] 一號數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊23用于對輸入數(shù)據(jù)整理為N個，并將整理后的 數(shù)據(jù)輸出至降采樣DOWNSAMPLING模塊24 ;
[0021] 降采樣DOWNSAMPLING模塊24用于對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣，并輸出。
[0022]離散小波逆變換IDWT模塊8包括上抽樣UPSAMPLING模塊81、二號卷積運(yùn)算C0NV 模塊82和二號數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊83 ;
[0023] 所述上抽樣UPSAMPLING模塊81用于將輸入信號的低頻和高頻系數(shù)進(jìn)行升采樣， 并將升采樣后的數(shù)據(jù)發(fā)送給二號卷積運(yùn)算C0NV模塊82 ;
[0024] 二號卷積運(yùn)算C0NV模塊82用于對輸入數(shù)據(jù)與小波對應(yīng)的濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算， 并將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)輸出至二號數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊83 ;
[0025] 二號數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊83用于將輸入數(shù)據(jù)整理為N個，并輸出。
[0026] 深空傳輸鏈路小波提取弱信號的方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0027] 步驟一、將含噪數(shù)據(jù)采用一號選擇輸入模塊1進(jìn)行輸入選擇，獲得選擇后的輸入 信號；
[0028] 步驟二、將步驟一獲得的選擇后的輸入信號采用離散小波變換DWT模塊進(jìn)行離散 小波變換，獲得變換后的數(shù)據(jù)，并存儲至一號RAM4,并反饋至一號選擇輸入模塊1和第二選 擇輸入模塊；
[0029] 步驟三、將步驟二獲得的變換后的數(shù)據(jù)經(jīng)一號選擇輸出模塊3進(jìn)行輸出選擇，獲 得輸出信號；
[0030] 步驟四、將步驟三獲得的輸出信號經(jīng)過一個閾值模塊5進(jìn)行處理，并存儲至一個 二號RAM6中；
[0031] 步驟五、采用第二選擇輸出模塊7對步驟四中各二號RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出選擇， 獲得輸出信號；
[0032] 步驟六、將步驟五獲得的輸出信號采用離散小波逆變換IDWT模塊8進(jìn)行離散小波 逆變換，獲得變換后的數(shù)據(jù)并輸出，同時將該變換后的數(shù)據(jù)反饋回第二選擇輸入模塊；
[0033] 實(shí)現(xiàn)深空傳輸鏈路小波弱信號的提取。
[0034] 步驟二中，將步驟一獲得的選擇后的輸入信號采用離散小波變換DWT模塊進(jìn)行離 散小波變換的方法包括：
[0035] 用于將輸入信號進(jìn)行左右邊界的延拓，并將延拓后的數(shù)據(jù)輸出至一號卷積運(yùn)算 C0NV模塊22的步驟；
[0036] 用于對輸入數(shù)據(jù)與小波對應(yīng)的濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算，并將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)輸出至一 號數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊23的步驟；
[0037] 用于對輸入數(shù)據(jù)整理為N個，并將整理后的數(shù)據(jù)輸出至降采樣DOWNSAMPLING模塊 24的步驟；
[0038] 用于對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣，并輸出的步驟。
[0039] 將步驟五獲得的輸出信號采用離散小波逆變換IDWT模塊8進(jìn)行離散小波逆變換 的方法包括：
[0040] 用于將輸入信號的低頻和高頻系數(shù)進(jìn)行升采樣，并將升采樣后的數(shù)據(jù)發(fā)送給二號 卷積運(yùn)算C0NV模塊82的步驟；
[0041] 用于對輸入數(shù)據(jù)與小波對應(yīng)的濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算，并將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)輸出至二 號數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊83的步驟；
[0042] 用于將輸入數(shù)據(jù)整理為N個，并輸出的步驟。
[0043] 將步驟三獲得的輸出信號經(jīng)過一個閾值模塊5進(jìn)行處理是采用軟閾值函數(shù)法實(shí) 現(xiàn)的。
[0044] 軟閾值函數(shù)法選取閾值的具體方法為：
[0045] 通過軟閾值函數(shù)對含噪信號的小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理，提取出弱信號；其表達(dá)式 為：
[0046]
[0047] 式中：v為含噪信號在小波域的高頻分解系數(shù)，A為設(shè)定的閾值，#為含噪小波系 數(shù)被閾值處理后的小波系數(shù)，即：理想接收信號的小波系數(shù)《的估計(jì)值；
[0048] 然后采用小波分解層數(shù)選取的方式進(jìn)行最優(yōu)閾值選取，獲得最終的閾值結(jié)果。
[0049] 本發(fā)明將小波提取弱信號應(yīng)用到深空通信中，提高了深空通信鏈路增益，并對小 波閾值方法進(jìn)行簡化以適合硬件的實(shí)現(xiàn)，同時不過多降低弱信號提取性能，最后在Xilinx Virtex-5平臺上實(shí)現(xiàn)了小波閾值法對弱信號的提取，本發(fā)明能夠有效地提高接收弱信號的 信噪比，具有一定的工程應(yīng)用價值。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)深空鏈路通信的基礎(chǔ)上，很好地滿足 深空通信對載重和功耗的要求。
【附圖說明】
[0050] 圖1是本發(fā)明的小波閾值法提取弱信號的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0051]圖2是離散小波變換模塊示意圖；
[0052]圖3是離散小波變換內(nèi)部模塊連接示意圖；
[0053] 圖4是離散小波變換降采樣模塊下抽樣示意圖；
[0054] 圖5是離散小波變換仿真結(jié)果示意圖；
[0055] 圖6是小波閾值法提取弱信號流程示意圖；
[0056] 圖7是最優(yōu)閾值的選取流程不意圖；
[0057] 圖8是信號小波分解流程示意圖；
[0058] 圖9是分解層數(shù)對輸出載噪比的影響仿真示意圖；
[0059] 圖10是分解層數(shù)對相關(guān)系數(shù)的影響仿真示意圖；
[0060] 圖11是25位定點(diǎn)數(shù)據(jù)表示格式示意圖；
[0061] 圖12是時鐘模塊電路輸出示意圖；
[0062]圖13是離散小波逆變換模塊示意圖；
[0063]圖14是離散小波逆變換模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0064] 圖15是彳目號小波重構(gòu)流程不意圖；
[0065] 圖16是離散小波逆變換升采樣示意圖；
[0066] 圖17是Chipscope仿真IDWT輸出數(shù)據(jù)示意圖；
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0067] 一、深空傳輸鏈路小波提取弱信號的裝置，它包括選擇一號輸入模 塊1、離散小波變換DWT模塊2、一號選擇輸出模塊3、一號RAM4、N個閾值模塊5、N個二號 RAM6、二號選擇輸出模塊7、離散小波逆變換IDWT模塊8和二號選擇輸入模塊9 ;N為正整 數(shù)；
[0068] 所述一號輸入模塊1的第一路數(shù)據(jù)輸入端用于接收含噪數(shù)據(jù)；
[0069] 所述一號輸入模塊1的第二路數(shù)據(jù)輸入端與一號RAM4的數(shù)據(jù)輸出端連接；
[0070] 所述一號輸入模塊1的數(shù)據(jù)輸出端與離散小波變換DWT模塊2的數(shù)據(jù)輸入端連 接；
[0071] 所述DWT模塊2的數(shù)據(jù)輸出端同時與一號選擇輸出模塊3的數(shù)據(jù)輸入端和一號 RAM4的數(shù)據(jù)輸入端連接；
[0072] 所述選擇輸出模塊3的數(shù)據(jù)輸出端同時與N個閾值模塊5的數(shù)據(jù)輸入端連接；
[0073] 所述N個閾值模塊5的數(shù)據(jù)輸入端分別與N個二號RAM6的數(shù)據(jù)輸入端連接；
[0074] 所述N個二號RAM6的數(shù)據(jù)輸出端同時與二號選擇輸出模塊7的數(shù)據(jù)