深空傳輸鏈路小波提取弱信號(hào)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(hào)方法及其硬件實(shí)現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 針對(duì)在深空通信中由于長(zhǎng)鏈路以及高傳輸速率要求引起的信號(hào)信噪比較低的問 題，一方面可以考慮提高每比特接收信號(hào)的能量，比如提高發(fā)射功率增強(qiáng)接收信號(hào)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(huì)帶來巨大的代價(jià)，所以通過提高接收信號(hào)能量來提高接收信號(hào)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(duì)接收弱信號(hào)進(jìn)行處 理，降低噪聲對(duì)信號(hào)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(cè)數(shù)據(jù)的快速傳 輸。
[0003] 綜合考慮了多種弱信號(hào)提取算法，其中小波變換能將弱信號(hào)聚集到若干稀疏的系 數(shù)上，同時(shí)由于噪聲對(duì)各個(gè)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(hào)中減去，非常有利于深空弱信號(hào)的提取， 因此本發(fā)明擬采用小波閾值法對(duì)深空弱信號(hào)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(hào)的信 噪比，從而提供一種深空傳輸鏈路小波提取弱信號(hào)的裝置及方法。
[0005] 深空傳輸鏈路小波提取弱信號(hào)的裝置，它包括選擇一號(hào)輸入模塊1、離散小波變換 DWT模塊2、一號(hào)選擇輸出模塊3、一號(hào)RAM4、N個(gè)閾值模塊5、N個(gè)二號(hào)RAM6、二號(hào)選擇輸出 模塊7、離散小波逆變換IDWT模塊8和二號(hào)選擇輸入模塊9 ;N為正整數(shù)；
[0006] 所述一號(hào)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(hào)輸入模塊1的第二路數(shù)據(jù)輸入端與一號(hào)RAM4的數(shù)據(jù)輸出端連接；
[0008] 所述一號(hào)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(shí)與一號(hào)選擇輸出模塊3的數(shù)據(jù)輸入端和一號(hào) 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(shí)與N個(gè)閾值模塊5的數(shù)據(jù)輸入端連接； [0011] 所述N個(gè)閾值模塊5的數(shù)據(jù)輸入端分別與N個(gè)二號(hào)RAM6的數(shù)據(jù)輸入端連接；
[0012] 所述N個(gè)二號(hào)RAM6的數(shù)據(jù)輸出端同時(shí)與二號(hào)選擇輸出模塊7的數(shù)據(jù)輸入端連接；
[0013] 所述二號(hào)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(hào)選擇輸入模塊9的第一數(shù)據(jù)輸入端與一號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)卷積運(yùn)算 C0NV模塊22、一號(hào)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(hào)卷積運(yùn)算C0NV模塊22 ;
[0019] -號(hào)卷積運(yùn)算C0NV模塊22用于對(duì)輸入數(shù)據(jù)與小波對(duì)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(hào)數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊23 ;
[0020] 一號(hào)數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊23用于對(duì)輸入數(shù)據(jù)整理為N個(gè)，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(duì)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(hào)卷積運(yùn)算C0NV 模塊82和二號(hào)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(hào)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(hào)卷積運(yùn)算C0NV模塊82 ;
[0024] 二號(hào)卷積運(yùn)算C0NV模塊82用于對(duì)輸入數(shù)據(jù)與小波對(duì)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(hào)數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊83 ;
[0025] 二號(hào)數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊83用于將輸入數(shù)據(jù)整理為N個(gè)，并輸出。
[0026] 深空傳輸鏈路小波提取弱信號(hào)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(hào)選擇輸入模塊1進(jìn)行輸入選擇，獲得選擇后的輸入 信號(hào)；
[0028] 步驟二、將步驟一獲得的選擇后的輸入信號(hào)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(chǔ)至一號(hào)RAM4,并反饋至一號(hào)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(hào)選擇輸出模塊3進(jìn)行輸出選擇，獲 得輸出信號(hào)；
[0030] 步驟四、將步驟三獲得的輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)閾值模塊5進(jìn)行處理，并存儲(chǔ)至一個(gè) 二號(hào)RAM6中；
[0031] 步驟五、采用第二選擇輸出模塊7對(duì)步驟四中各二號(hào)RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出選擇， 獲得輸出信號(hào)；
[0032] 步驟六、將步驟五獲得的輸出信號(hào)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(shí)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(hào)的提取。
[0034] 步驟二中，將步驟一獲得的選擇后的輸入信號(hào)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(hào)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(hào)卷積運(yùn)算 C0NV模塊22的步驟；
[0036] 用于對(duì)輸入數(shù)據(jù)與小波對(duì)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(hào)數(shù)據(jù)整理INTERCEPTION模塊23的步驟；
[0037] 用于對(duì)輸入數(shù)據(jù)整理為N個(gè)，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(duì)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(hào)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(hào)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(hào) 卷積運(yùn)算C0NV模塊82的步驟；
[0041] 用于對(duì)輸入數(shù)據(jù)與小波對(duì)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(hào)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(gè)，并輸出的步驟。
[0043] 將步驟三獲得的輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)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(duì)含噪信號(hào)的小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理，提取出弱信號(hào)；其表達(dá)式 為：
[0046]
[0047] 式中：v為含噪信號(hào)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(hào)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(hào)應(yīng)用到深空通信中，提高了深空通信鏈路增益，并對(duì)小 波閾值方法進(jìn)行簡(jiǎn)化以適合硬件的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)不過多降低弱信號(hào)提取性能，最后在Xilinx Virtex-5平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了小波閾值法對(duì)弱信號(hào)的提取，本發(fā)明能夠有效地提高接收弱信號(hào)的 信噪比，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)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(duì)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(hào)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(hào)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(hào)小波分解流程示意圖；
[0058] 圖9是分解層數(shù)對(duì)輸出載噪比的影響仿真示意圖；
[0059] 圖10是分解層數(shù)對(duì)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(shí)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(hào)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(hào)的裝置，它包括選擇一號(hào)輸入模 塊1、離散小波變換DWT模塊2、一號(hào)選擇輸出模塊3、一號(hào)RAM4、N個(gè)閾值模塊5、N個(gè)二號(hào) RAM6、二號(hào)選擇輸出模塊7、離散小波逆變換IDWT模塊8和二號(hào)選擇輸入模塊9 ;N為正整 數(shù)；
[0068] 所述一號(hào)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(hào)輸入模塊1的第二路數(shù)據(jù)輸入端與一號(hào)RAM4的數(shù)據(jù)輸出端連接；
[0070] 所述一號(hào)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(shí)與一號(hào)選擇輸出模塊3的數(shù)據(jù)輸入端和一號(hào) 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(shí)與N個(gè)閾值模塊5的數(shù)據(jù)輸入端連接；
[0073] 所述N個(gè)閾值模塊5的數(shù)據(jù)輸入端分別與N個(gè)二號(hào)RAM6的數(shù)據(jù)輸入端連接；
[0074] 所述N個(gè)二號(hào)RAM6的數(shù)據(jù)輸出端同時(shí)與二號(hào)選擇輸出模塊7的數(shù)據(jù)