线性数字滤波器容错结构设计

发布时间：2017-10-12 10:19

  本文关键词：线性数字滤波器容错结构设计

  更多相关文章： 数字滤波器 容错设计 结构优化 参数优化

【摘要】：数字滤波器作为现代通信系统中重要的组成部分,在一些极端环境(如高温、外太空、地下、水下和复杂电磁辐射环境)中,一旦出现故障,不仅系统无法正常运行,还会造成一定的经济损失。所以滤波器的性能和持续运行的可靠性具有十分重要的意义,进行容错性研究是非常迫切必要的。滤波器容错是指:当滤波器受到干扰或是其中的某些结构发生故障时,整个滤波器依然能够工作在其性能指标所允许的范围之内,而滤波器的正常使用不会受到太大影响。目前的针对滤波器的容错性研究都是通过备份冗余模块、硬件上对系统实施局部重构的容错机制。这些方法都需要对故障进行检测,需要有额外的冗余,只是对故障的处理方式不同。增加冗余组件有助于降低设备的不确定性,然而,由于数字信号系统集成密度的增加和制造工艺的日益复杂,冗余模块的增加会导致硬件资源开销大、容错能力有限;另外硬件上的系统局部重构一般都需要外部控制器进行控制,计算量大、容错时间开销较大。设计一种能够容忍一般故障而且性能优良的数字滤波器就是本文所要解决的问题。本文具体工作主要包括两大部分:数字滤波器容错结构设计;在得到容错数字滤波器结构的基础上,如果滤波器出现故障,对设计的容错结构数字滤波器进行实验仿真与结果分析。数字滤波器的设计便尤为关键,本文首先介绍了设计数字滤波器的性能指标,然后介绍了数字滤波器主要的两种设计思路:设计和优化传递函数(即标定传递函数系数);从传递函数标定结构参数。通过对这两类方法的详细分析,可以得出对于复杂结构的数字滤波器,传输函数设计法并不能满足使用要求,适用性不强,为此本文试图能够探寻到一种根据目标特性要求直接设计最优数字滤波器结构的设计方法。针对复杂环境的滤波器性能要求,介绍了容错滤波器的概念和容错数字滤波器的设计方法,对本文的研究思路和方法提供了有用参考。最后提出了一种能够满足一般容错性的数字滤波器结构设计方法。本文主要进行以下几个方面的研究工作:(1)提出了一种基于遗传算法的数字滤波器结构设计方法。本文的数字滤波器结构生成方法,能够自动生成合法的信号流图结构,构建合法结构空间。对遗传算子进行了修改,并设计合理的编码策略和适应度函数,使滤波器结构能够在合法结构空间内自主演化。(2)提出了一种改进的优化算法。该算法无需目标函数连续可导,可对目标直接优化。采用动态调整搜索步长,停止搜索代数的指数次增加的策略,加快了收敛速度,提高了多维空间的寻优能力,进一步优化了数字滤波器乘法器系数。(3)实现了数字滤波器结构参数的同时优化。首先利用遗传算法对滤波器结构进行优化,接着利用差分算法和改进的优化算法对数字滤波器乘法器系数进行优化。可设计不存在传递函数、或传递函数非常复杂的滤波器,满足复杂需求。只要给出设计目标和约束条件,无需更多先验知识,就完全能够确定最优滤波器结构和参数,提升了大规模系统自动化设计水平。(4)对设计得到的结构系数最优数字滤波器进行实验仿真。同基于传统滤波器原型的常见结构做了对比实验,针对滤波器组件出现的故障进行了容错分析。本文提出了一种线性数字滤波器容错结构设计方法。该方法无需考虑滤波器传递函数,能够根据目标特性直接生成最优滤波器结构,差分算法和改进的优化算法对数字滤波器系数作了进一步优化,得到了具有一般容错性的数字滤波器。实验仿真说明,滤波器乘法器出现断路、短路故障的情况下,相比于传统的数字滤波器结构设计方法,本文设计的滤波器结构鲁棒性好,且随着故障率的增加,本文设计的滤波器结构表现出了更强的适应性,容错性能优良。
【关键词】：数字滤波器 容错设计 结构优化 参数优化
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN713.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 论文主要工作和结构安排12-14
• 参考文献14-15
• 第二章 数字滤波器设计方法15-31
• 2.1 设计数字滤波器的性能指标15-17
• 2.2 传递函数系数标定方法17-19
• 2.2.1 传统的传递函数标定方法17
• 2.2.2 演化算法标定系数法17-19
• 2.3 传递函数设计滤波器结构19-23
• 2.3.1 IIR数字滤波器常用结构19-22
• 2.3.2 数字滤波器结构设计方法22-23
• 2.4 容错数字滤波器23-26
• 2.5 本章小结26-27
• 参考文献27-31
• 第三章 设计容错的数字滤波器结构31-45
• 3.1 遗传算法优化滤波器结构31-38
• 3.1.1 滤波器结构的自动生成算法31-34
• 3.1.2 遗传算法优化滤波器结构34-38
• 3.2 差分算法优化滤波器系数38-40
• 3.2.1 初始化种群39
• 3.2.2 变异操作39
• 3.2.3 交叉操作39-40
• 3.2.4 选择操作40
• 3.2.5 实现步骤40
• 3.3 改进的优化算法40-43
• 3.4 本章小结43-44
• 参考文献44-45
• 第四章 实验仿真与结果分析45-61
• 4.1 容错滤波器结构设计45-49
• 4.2 无故障滤波器对比实验49-50
• 4.3 乘法器断路故障容错实验50-53
• 4.3.1 不同故障率相同设计模型容错分析50-51
• 4.3.2 不同设计模型相同故障率容错分析51-53
• 4.4 乘法器不同故障容错实验53-55
• 4.5 容错误差分析55-59
• 4.6 本章小结59-61
• 第五章 结论与展望61-63
• 致谢63-65
• 攻读学位期间发表的学术论文65-66

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本文编号：1018148