號小波重構(gòu)流程圖，其中cA'為低頻部分系數(shù)，cD'為高頻部分系數(shù)，H。 為高通重構(gòu)濾波器，L。為低通重構(gòu)濾波器。
[0197]由于小波逆變換將信號低頻系數(shù)和高頻系數(shù)兩項加為一項，同時要求恢復(fù)信號點 數(shù)與輸入信號點數(shù)一致，因此，需要對輸入的低頻和高頻系數(shù)進(jìn)行升采樣，上抽樣示意圖如 圖16所示。
[0198] 圖17通過Chipscope得到的弱信號經(jīng)過提取后的輸出結(jié)果，Matlab仿真結(jié)果為：
[0199]output=[-0? 3418, -0? 2339, -0? 1507, -0? 1414, -0? 1971，-0? 2801，-0? 3167, -0? 2675]
[0200] 將圖17的前幾個結(jié)果轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)為
[0201] output=[-0? 3422, -0? 2342, -0? 1512, -0? 1417, -0? 1976, -0? 2804, -0? 3171，-0? 2676]
[0202] 可以看出結(jié)果相差不大，主要是數(shù)據(jù)表示精度差異導(dǎo)致的結(jié)果微小的差異，不會 明顯影響弱信號提取的效果，并且系統(tǒng)的最高運行速率高達(dá)52MHz，滿足目前深空通信對數(shù) 據(jù)處理速度的影響。
[0203] 總體方案實現(xiàn)流程：
[0204] 小波閾值法提取弱信號硬件總體實現(xiàn)方案如圖1所示，離散小波變換DWT模塊對 含噪信號進(jìn)行分解，分解的系數(shù)包括平滑分量與細(xì)節(jié)分量，RAM代表存儲信號小波分解的平 滑分量，閾值模塊1到閾值模塊9模塊分別代表相應(yīng)分解級數(shù)上信號高頻小波系數(shù)的閾值 處理模塊，用于實現(xiàn)系數(shù)的軟閾值處理，RAMI到RAM9模塊分別存儲相應(yīng)分解級數(shù)上經(jīng)過閾 值處理后的小波系數(shù)，離散小波逆變換IDWT模塊，用于實現(xiàn)信號的重構(gòu)。輸入含噪弱信號 進(jìn)入離散小波變換模塊，小波變換對應(yīng)的信號低頻系數(shù)被送入RAM模塊，之后再次被送入 DWT模塊進(jìn)行小波變換，本文需要對小波變換的低頻系數(shù)進(jìn)行8次變換，加上對接收信號進(jìn) 行的一次小波變換，總計為9層小波變換；信號對應(yīng)的小波變換高頻系數(shù)依次被送入閾值 處理模塊，之后再被送入RAM模塊進(jìn)行存儲，在完成了信號小波分解、高頻系數(shù)閾值處理以 及第九層的信號低頻系數(shù)被存儲后，再開始進(jìn)行信號的重構(gòu)，經(jīng)由9層信號重構(gòu)得到真實 信號的估計信號。
[0205] 小波閾值法提取弱信號功耗與資源：
[0206] 小波閾值法提取弱信號的硬件產(chǎn)生的功耗情況見表1，從表可以看出總功耗 為1. 420w，總功耗包含靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗，靜態(tài)功耗是由電路晶體管內(nèi)部的源極到漏 極的泄漏電流引起的功耗與其他電路內(nèi)部產(chǎn)生的固定功耗的總和，此處產(chǎn)生靜態(tài)功耗為 1.216w。動態(tài)功耗是電路內(nèi)部容性負(fù)載充放電引起的功耗，由電路設(shè)計決定，此處產(chǎn)生 0. 204w的動態(tài)功耗。
[0207] 表1小波閾值法提取弱信號硬件功耗分布
[0208]
[0209] 表2為小波閾值法提取弱信號的資源使用情況：
[0210] 表 2
[0211]
[0212] 由于需要對信號進(jìn)行9層分解，需要存儲的系數(shù)較多，再由于數(shù)據(jù)的精度較高，因 此對數(shù)據(jù)的存儲要求較高。其他各方面的資源，如LUT、Slice等均只占用Virtex-5很少的 一部分資源，總體說來，小波閾值法提取弱信號的硬件占用資源較少，能很好的滿足深空弱 信號提取對功耗和載重的要求。
【主權(quán)項】
1. 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（I)、離散小波變 換DWT模塊（2)、一號選擇輸出模塊（3)、一號RAM(4)、N個閾值模塊（5)、N個二號RAM(6)、 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)； 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)； 所述一號輸入模塊（1)的第二路數(shù)據(jù)輸入端與一號RAM(4)的數(shù)據(jù)輸出端連接； 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； 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RAM(4)的數(shù)據(jù)輸入端連接； 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； 所述N個閾值模塊（5)的數(shù)據(jù)輸入端分別與N個二號RAM(6)的數(shù)據(jù)輸入端連接； 所述N個二號RAM(6)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； 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； 所述二號選擇輸入模塊（9)的第一數(shù)據(jù)輸入端與一號RAM(4)的輸出端連接； 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； 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。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深空傳輸鏈路小波提取弱信號的裝置，其特征在于離散小波 變換DWT模塊（2)包括邊界延拓BOUNDARY_DATA模塊（21)、一號卷積運算CONV模塊（22)、 一號數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊（23)和降采樣DOWNSAMPLING模塊（24); 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)輸出至一號卷積運算CONV模塊（22); 一號卷積運算CONV模塊（22)用于對輸入數(shù)據(jù)與小波對應(yīng)的濾波器進(jìn)行卷積運算，并 將運算后的數(shù)據(jù)輸出至一號數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊（23); 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); 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。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深空傳輸鏈路小波提取弱信號的裝置，其特征在于離散小波 逆變換IDWT模塊⑶包括上抽樣UPSAMPLING模塊（81)、二號卷積運算CONV模塊（82)和 二號數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊（83); 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)送給二號卷積運算CONV模塊（82); 二號卷積運算CONV模塊（82)用于對輸入數(shù)據(jù)與小波對應(yīng)的濾波器進(jìn)行卷積運算，并 將運算后的數(shù)據(jù)輸出至二號數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊（83); 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。4. 基于權(quán)利要求1的深空傳輸鏈路小波提取弱信號的方法，其特征是：它由以下步驟 實現(xiàn)： 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； 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RAM(4)，并反饋至一號選擇輸入模塊（1)和第二選 擇輸入模塊； 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； 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RAM(6)中； 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； 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； 實現(xiàn)深空傳輸鏈路小波弱信號的提取。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的深空傳輸鏈路小波提取弱信號的方法，其特征在于步驟二 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： 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)輸出至一號卷積運算CONV豐吳塊（22)的步驟； 用于對輸入數(shù)據(jù)與小波對應(yīng)的濾波器進(jìn)行卷積運算，并將運算后的數(shù)據(jù)輸出至一號數(shù) 據(jù)整理INTERCEPTION模塊（23)的步驟； 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； 用于對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣，并輸出的步驟。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的深空傳輸鏈路小波提取弱信號的方法，其特征在于步驟六 中，將步驟五獲得的輸出信號采用離散小波逆變換IDWT模塊⑶進(jìn)行離散小波逆變換的方 法包括： 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 運算CONV模塊（82)的步驟； 用于對輸入數(shù)據(jù)與小波對應(yīng)的濾波器進(jìn)行卷積運算，并將運算后的數(shù)據(jù)輸出至二號數(shù) 據(jù)整理INTERCEPTION模塊（83)的步驟； 用于將輸入數(shù)據(jù)整理為N個，并輸出的步驟。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的深空傳輸鏈路小波提取弱信號的方法，其特征在于步驟四 中，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)法實現(xiàn) 的。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的深空傳輸鏈路小波提取弱信號的方法，其特征在于軟閾值函 數(shù)法選取閾值的具體方法為： 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：式中：V為含噪信號在小波域的高頻分解系數(shù)，X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)《的估計值； 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。
【專利摘要】深空傳輸鏈路小波提取弱信號的裝置及方法，涉及一種深空傳輸鏈路小波提取弱信號方法及其硬件實現(xiàn)。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。本發(fā)明設(shè)計了離散小波變換DWT模塊，功能是對含噪信號進(jìn)行分；設(shè)計了小波閾值處理模塊：閾值模塊代表相應(yīng)分解級數(shù)上信號高頻小波系數(shù)的閾值處理模塊，用于實現(xiàn)系數(shù)的軟閾值處理；設(shè)計了離散小波逆變換IDWT模塊，該模塊用于實現(xiàn)信號的重構(gòu)；將前述內(nèi)容功能模塊在Xilinx？Virtex-5硬件平臺上利用硬件語言進(jìn)行實現(xiàn)，實現(xiàn)在深空傳輸鏈路中用小波閾值法提取弱信號。本發(fā)明適用于深空傳輸鏈路小波弱信號的提取。
【IPC分類】H04W52/24, H04B7/005
【公開號】CN105050175
【申請?zhí)枴緾N201510312854
【發(fā)明人】曾波, 李德志, 王振永, 郭慶, 田日才, 余方園
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年6月9日