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基于形态学小波变换的数字滤波算法

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Communication and Network 基于形态学小波变换的数字滤波算法 曹成涛 ,许伦辉 (1.广东交通职业技术学院智能交通工程技术应用中心,广东广州510650;2.华南理工大学,广东广州510640) 摘要:电子产品所在电路中出现的各种干扰信号会导致电路中正常信号波形的畸变,从而影响电子产品的正常 运行和使用寿命。为了排除干扰信号对电子产品的不良影响,采用形态学小波构造数字滤波算法来滤除电子产品 所在电路中的各种干扰信号。大量仿真实验结果表明,该滤波算法对电子产品所在电路中出现的高频连续干扰、随 机背景噪声干扰和电磁瞬态干扰都有很好的滤除效果。 关键词:数学形态学;小波变换;数字滤波 中图分类号:TN713 文献标识码:A DOI:10.16157/j.issn.0258—7998.2017.O1.033 中文引用格式:曹成涛,许伦辉.基于形态学小波变换的数字滤波算法[J】.电子技术应用,2017,43(1):125—128. 英文引用格式:Cao Chengtao,Xu Lunhui.Digital filter algorithm based on morphological wavelet transform[J].Application of Electronic Technique,2017,43(1):125—128. Digital filter algorithm based on morphological wavelet transform Cao Chengtao 一,Xu Lunhui (1.Intelligent Traffic Engineering Technology Center,Guangdong Communication Polytechnic,Guangzhou 5 10650,China; 2.South China University of Technology,Guangzhou 5 10640,China) Abstract:When the circuits in which electronic products are fitted are disturbed by various interrupting signals,wave distortions occur to the normal voltage signals of these circuits.These wave distortions influence the normal operation and life cycle of elec— tronic products.To eliminate the harmful effects of interrupting signals on electronic products,in this paper,a digital filter algo— rithm based on morphological wavelet transform(MWT),which will be used to filter various interrupting signals existing in the circuits in which electronic products are fitted,is proposed.Simulation results have demonstrated the effectiveness and feasibility of the pro— posed digital filter algorithm in high frequency continuous interference,random background noise and damped oscillatory transient in— terference filter. Key words:mathematical morphology;wavelet transform;digital filter 0引言 由微电子器件组成的电器产品都可以称为电子产 品。在人们日常生产生活中,小到电脑、数码相机、MP3、 微波炉、音箱等,大到汽车、飞机等,电子产品随处可 见,因此电子产品的正常运作起着举足轻重的作用。但 是,电子产品所在电路出现的各种干扰不可避免地造成 电路中电压或电流波形的畸变,这种畸变对电子产品的 流分量外的干扰成分具有比较理想的滤除效果,但在对 高频衰减直流分量进行处理时,FTF需要对衰减因子做 线性化处理15],从而导致该算法不能对高频衰减直流分 量进行很好的滤除[51。基于小波变换的算法在处理高频 衰减直流分量时不需要对衰减因子做线性化处理,从而 对高频衰减直流分量能够很好地进行滤除[51,但是,基 于小波变换算法的计算量很大【6J,而且该算法的滤波效 果受母小波选择的影响很大『7_。基于数学形态学的算法 是一种非线性化滤波算法,该算法同样能够对高频衰减 直流分量很好地进行滤除;同时,由于数学形态学只是 正常运行和使用寿命极为不利。因此,需要采用高效的 数字滤波算法…来排除这些干扰成分对电子产品的正 常运行和使用寿命所造成的不良影响。 目前,科研工作者们在电子滤波领域已经做了大量 研究,提出了大量数字滤波算法,例如基于傅里叶变换 的算法[21、基于小波变换的算法 和基于数学形态学的 涉及到简答的集合加减,因此,基于数学形态学的方法 计算量很小[81。但是,基于数学形态学的算法受结构元 素选择的影响比较大,而结构元素的选择很大情况上依 据个人经验【 ・ 】。 算法14]等。基于傅里叶变换(丌F)的算法对除高频衰减直 基金项目:国家星火计划项目(2015GA780024);广东省高等学校学科建设专项(2013WYXM0133);广东省 高等学校优秀青年教师项目(Yq2013180);广东省高等职业教育品牌专业建设项目(2016gzpp044) 《电子技术应用》2017年第43卷第1期 125 逯糕涟 嘲 器c。mm 例 and Ne 。 k 为了解决以上算法的不足,本文结合小波变换和数 学形态学各自的优点,提出了一种新的基于形态学小波 g=O.088 98xA× ., 1,2,3 变换(Morphological Wavelet Transform,MWT)的数字滤波 芋 4,5 (10) 算法。该算法不仅对电子产品电路中的各种干扰能够进 行很好的滤除,而且计算量小,滤波效果受结构元素选 择影响小。 式中,A是 。中基频信号的幅值。 (3)通过更新函数u对 +。进行更新,即: 暂+t: + +u( +-) 其中: ! f±!±笠±l! 1数学形态学 作为一种以集合论为描述语言的信号处理技术,数 学形态学通过集合论的方法来提取信号的特征信息。数 (11) (12) 学形态学进行信号处理的基本思想是:首先用结构元素 对原信号进行位移、交、并等运算,然后输出处理后的信 号,最后根据输出信号与原信号的差别以及输出信号自 身的特点来“读取”原信号的特征信息。 在电子电路中,每一个采样信号对应一个实值函 数,因此,对电子电路信号的处理可以转化为对用于表 示采样信号的实值函数的分析处理。 令f(x)表示定义在定义域D,上的一维输入信号, g( )是定义在定义域 上的结构元素。f(x)被g(x)膨胀 和腐蚀的计算公式分别为ll1】: 0 ̄Gg)(x)=maxU 一y)+g(y)lx∈p,,Y∈D } (1) Og)(x)=maxD x-y)一g(y)lx∈ ,Y∈De} (2) 式中,(壬)和@分别表示膨胀算子和腐蚀算子。 由膨胀和腐蚀的组合可以得到两个很重要的形态 算子,即开运算和闭运算[11]: jr。g= Og)0g (3) f・g=(厂0g)Og (4) 式中,。和・分别表示开运算算子和闭运算算子。开运算 可以压制信号波形中的尖峰,而闭运算可以填充信号波 形中的低谷,开闭的级联运算有滤波作用。 2形态学小波数字滤波算法 以铷表示原始信号, 、竹分别表示原始信号在第 层的近似信号和细节信号。第 层形态学小波变换包括 三步: (1)通过近似信号分解函数 ,: 一 和细节信号 分解函数 : 一y 对≈沿增加的方向进行分解, 即: (n)=xj(2n) (5) Yj+ (n)=xj(2n+1) (6) (2)通过预测函数P对Y 进行预测,即: +l=Yj+l—P(x…) (7) 其中: P( : (8) 岛+1=g0g0…0g (9) 、。。。。。 。。。。。、 。。。。。。。。。。。一 J+1 126 欢迎网上投稿www.ChinaAET.com 2 +1=G(壬)G0…0G (13) J十l G=0.088 98xAxsin【 旦】,i=1,2,…,5 (14) 因此,对一个给定信号的形态学小波滤波过程可以 按照如下迭代的方式进行: o { l,Yl卜+{Xl,Y1} {x1,yl卜+{ 2,Y2,Yl} {X2,Y2,),l卜 (X2,Y2, 1}_十…'+ ,Y ,yk …,yl} ,Y ,yk_l’…,y1}_÷{Xk, ,Yk_】’…,y1} …(15) 本文以两层形态学小波变换(MWT)作为新的数字滤 波算法对电子产品所在电路中出现的各种干扰信号进 行滤除。为了恢复原始信号的信号长度,只需对第二层 MWT的输出信号进行插值处理。图1给出的是本文提 出的两层形态学小波滤波算法的流程图。 图1两层形态学小波滤波算法的流程图 3仿真研究与讨论 电子产品所在的电路中的电流或电压信号可能被 不同的干扰影响,本文假设干扰的主要形式包括:高频 连续干扰、随机背景噪声干扰和电磁瞬态干扰。 3.1高频连续干扰 设待处理信号为: f(x)_sin( )+}sin( + ) + sin( 订号 (16) 式中, =1,2,3,…,257。f(x)的波形如图2(a)所示。为了 评估基于MWT的数字滤波算法的滤波效果,选取基频信 号相对误差(or)作为评估指标;同时,基于MWT的数字 滤波算法的滤波效果还与文献[12】中的Infinite—Impulse— Response Digital Fiher(IIRDF)[12 的滤波效果进行了对比。 的定义为: 《电子技术应用》2017年第43卷第1期 一llI-j 一t= ’、Il・ Communication and Network :—V' ̄If(x)-—F(.)l2 f171 、/∑【F( )】 其中: F( )=sin( 竹) (18) 图2(b)和图2(c)分别表示用MWT和IIRDF对图2(a) 中的信号处理后的信号波形。图2(b)和图2(c)中信 号 的计算值分别为0.007 1和0.022 4。由图2(b)和 图2(c)中信号的波形及相对误差可以看出,基于MWT 的数字滤波算法可有效去除高频连续干扰。通过改变高 频连续干扰的成分和幅值做了大量重复实验,结果表 明,本文提出的滤波算法能够很好地对高频连续干扰进 行有效滤除。 1 之0 昔 I 0 02 0 025 0 03 0 035 口04 t/s (a)受高频连续干扰影响的电压信号 1 之0 -1 0 02 0 025 0 D3 0 035 0 04 t/s (b)MWT的处理结果 1 之0 .1 0 0 005 0口1 0 015 0 02 0 025 0 03 0 035 0 04 t/s (c)IIRDF的处理结果 图2高频连续干扰结果 3.2随机背景噪声干扰 图3(a)是幅值为1 V的电压信号叠加10 dB的随机 背景自噪声后的信号波形。采用基于MWT的数字滤波 1 之0 3 .1 0 0 005 0 01 0 015 0 02 0 025 0 D3 O 035 0 04 t/s (a)受随机背景噪声干扰影响的电压信号 1 之0 .1 0 0。05 0 01 0 015 0 02 口025 0 03 0 035 0 04 /s (b)MWT的处理结果 1 乏0 j .1 0 0 005 0 01 0 015 0 02 口025 0 03 0 035 0 04 t/s (c)IIRDF的处理结果 图3随机背景噪声干扰结果 《电子技术应用》2017年第43卷第1期 算法对其进行处理,可得到类似图2(b)中的波形,即除 噪效果较好,可以恢复原电压信号。图3(b)和图3(c)分 别是用MWT和IIRDF对图3(a)中的信号处理后的波形。 表1给出了当背景白噪声的信噪比(SNR)变换时,信号 相对误差的变化情况。图3(b)和图3(c)中信号的波形和 表1中相对误差的计算值有力地证明了基于MWT的数 字滤波算法具有良好的随机背景噪声干扰滤除能力。 表1随机背景噪声SNR对MWT和 IIRDF滤波效果相对误差的影响 3.3电磁瞬态干扰 图4(a)是电压信号叠加了幅值为0.1 V的尖峰瞬态 宽带干扰的波形。通过MWT和IIRDF对图4(a)中信号 进行处理的结果分别如图4(b)和图4(c)所示。图4(b)和 图4(c)中信号 的计算值分别为0.0026和0.0088。处 理结果表明,基于MWT的数字滤波算法能够很好地对电 磁瞬态干扰进行滤除,且滤波效果明显优于基于IIRDF 的滤波算法。 1 之0 -1 0 02 0 025 0 03 0 035 0 04 t/s (a)受电磁瞬态干扰影响的电压信号 1 乏0 -1 0 02 D 025 0 03 0 035 0 04 t/s (b)MWT的处理结果 1 乏0 .1 0 0 005 0 01 0 015 0 02 0 025 0 03 0 035 0 04 t/s c)IIRDF的处理结果 图4电磁瞬态干扰结果 本文还对MWT和IIRDF的数字滤波时间进行了对 比,如表2所示。表2中MWT和IIRDF数字滤波时间的 对比有力地证明了基于MWT的数字滤波算法计算量更 小,滤波速度更快。 表2 MWT和IIRDF滤波时间对比 127 4结论 本文结合数学形态学和小波变换各自的优点,提出 了一种新的形态学小波(MWT)数字滤波算法,该算法通 过两层形态学小波变换剔除原始信号中的各种干扰信 号成分。文中通过该算法对电子产品所在电路的高频连 续干扰、随机背景噪声干扰和电磁瞬态干扰的滤波效 果,及其滤波效果与IIRDF滤波效果的对比,对算法的 (ISGT ASIA),2015 IEEE Innovative.IEEE,2015:1—5. 【7] ̄ALT1ERRA-RODRIGUEZ M,ROMERO-TRONCOSO R J, OSORNIO-RIOS R A,et a1.Detection and classification of single and combined power quality disturbances using neu— ral networks[J】.IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014,61(5):2473—2482. 【8】ZHANG Y,JI T Y,LI M S,et a1.Identiifcation of power disturbances using generalized morphological open—closing 有效性进行了验证。仿真和分析结果表明,本文提出的 滤波算法能够很好地对高频连续干扰、随机背景噪声干 and close—opening undecimated wavelet[J].IEEE Transac— tions on Industria1 Electronics,2016,63(4):2330—2339. 扰和电磁瞬态干扰进行滤除。 参考文献 [1】王兰勋,邸英杰.一种基于CPLD的数字滤波器【J】.河北 大学学报(自然科学版),2003,23(4):418—421. 【2]Song Rui,Guo Huadong,Liu Guang,et a1.Improved goldstein SAR interferogram filter based on adaptive—neighborhood 【9】Wen Zhuowen,Ouyang Sen,Pei Haojun.An improved lifting morphological wavelet method and its application in power quality disturbances detection[C].In 2012 Asia-Pacific Conference on Power and Energy Engineering Conference (APPEEC),Shanghai,2012:1—5. 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