国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

基于改進(jìn)的小波相關(guān)性信號降噪算法?

2020-05-15 05:19王益艷
計算機(jī)與數(shù)字工程 2020年2期
關(guān)鍵詞:性能指標(biāo)小波尺度

王益艷

(1.四川文理學(xué)院智能制造學(xué)院 達(dá)州 635000)(2.達(dá)州智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 達(dá)州 635000)

1 引言

在實(shí)際的計算機(jī)控制系統(tǒng)中,采樣信號不可避免地受到各種噪聲的和干擾的污染,使得由辨識采樣信號得到的系統(tǒng)模型存在偏差,而妨礙了系統(tǒng)控制精度的提高[1]。如何從這些受噪聲干擾的信號中估計得到“純凈”的信號,是建立系統(tǒng)高精度模型和實(shí)現(xiàn)高性能控制的關(guān)鍵。另一方面,在實(shí)際的工程應(yīng)用中,大多數(shù)信號可能包含著許多尖峰或突變,而且噪聲信號也并不是平穩(wěn)的白噪聲[2]。對這種信號進(jìn)行降噪處理時,傳統(tǒng)的傅里葉變換完全是在頻域中對信號進(jìn)行分析,它不能給出信號在某個時間點(diǎn)上的變化情況,因此分辨不出信號在時間軸上的任何一個突變。因此,對于非平穩(wěn)信號,在低信噪比的情況下,經(jīng)過FFT濾波處理,不但信噪比得不到較大改善,而且信號的有效信息容易被模糊掉[3]。

近年來,小波理論得到了迅速發(fā)展,由于小波具有低熵性、多分辨特性、去相關(guān)性和選基靈活性等特點(diǎn)[4],所以它在處理非平穩(wěn)信號、去除信號噪聲等方面表現(xiàn)出強(qiáng)有力的優(yōu)越性。小波閾值降噪方法認(rèn)為對于小波系數(shù)包含有信號的重要信息,其幅值較大,但數(shù)目較少,而噪聲對應(yīng)的小波系數(shù)是一致分布的,個數(shù)較多,但幅值小。Donoho提出的基于軟硬閾值處理思想的小波域降噪技術(shù)[5~6],它對信號先求小波系數(shù),再對小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理,最后通過小波反變換得到重建后的信號。但因為其尺度是按二進(jìn)制變化的,因此,在高頻段其頻率分辨率較差,而在低頻段其時間分辨率較差[7~8]。后來人們提出了很多新的改進(jìn)方法,如模極大值濾波方法,小波包分析方法等[9~11],在一定程度上提高了降噪效果,為了充分利用小波系數(shù)直接的相關(guān)性,人們提出了相關(guān)性降噪算法[12~14],但傳統(tǒng)相關(guān)性降噪方法容易依賴小波系數(shù),而小波系數(shù)無平移不變性,容易出現(xiàn)偏移導(dǎo)致引起誤判[15]。基于此,本文在相關(guān)降噪算法的基礎(chǔ)上,提出了一種改進(jìn)的區(qū)域相關(guān)降噪算法。該方法對一個區(qū)域內(nèi)的小波系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性度量,克服了傳統(tǒng)方法的不足。最后,通過對兩組非平穩(wěn)信號降噪進(jìn)行對比實(shí)驗,結(jié)果表明,該方法對比傳統(tǒng)小波方法具有更好的降噪效果,主觀視覺效果更好,信噪比SNR、均方根誤差RMSE等性能指標(biāo)更好。

2 相關(guān)性降噪方法及其改進(jìn)

設(shè)噪聲模型為[4]

式中,x(n)為原始信號,f(n)為受噪聲干擾的信號,s(n)為高斯白噪聲,它服從分布。利用小波變換得:

其中,Wf、Wx、Ws分別為 f、x、s對應(yīng)的小波變換系數(shù)。小波變換降噪的目的就是從有噪信號的小波系數(shù)Wf中得到原始信號的小波系數(shù)Wx的估計W?x。

由于信號小波系數(shù)的上下層之間具有強(qiáng)相關(guān)性,而噪聲沒有這種相關(guān)性。相關(guān)性降噪方法就是基于這種相關(guān)性的。下面分別給出相關(guān)性系數(shù)和歸一化相關(guān)性系數(shù)的定義。

定義1:相鄰尺度同一空間位置小波系數(shù)的相關(guān)量定義為

其中,CWf(j,k)稱為尺度 j上點(diǎn)k處的相關(guān)性系數(shù)。

尺度空間上的相關(guān)性使噪聲的影響大大減小,可以有效增強(qiáng)信號的細(xì)節(jié),并且在小尺度上的作用明顯大于在大尺度上的作用。而噪聲能量主要是分布在小尺度上的,因此,這種隨尺度增大而作用強(qiáng)度減小的性質(zhì),恰好對盡可能減小有效信息損失極為有利。

為了是相關(guān)性系數(shù)與小波系數(shù)具有可比性,進(jìn)一步定義歸一化相關(guān)性系數(shù)如下:

定義2:設(shè)

稱W?f(j,k)為歸一化相關(guān)性系數(shù)。其中,PWf(j)表示第 j層系數(shù)的能量,PCWf(j)表示第 j尺度的相關(guān)性系數(shù)能量。即

歸一化相關(guān)性系數(shù)W?f(j,k)與小波系數(shù)Wf(j,k)具有相同的能量[10]。相關(guān)性降噪的原理是比較每一層每一個位置的歸一化相關(guān)性系數(shù),從相關(guān)性的大小判斷是信號還是噪聲控制的點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)過程如下:

1)給定分解層數(shù)N,選取合適的小波函數(shù),計算加噪信號 f(n)每一層的小波系數(shù)Wf(j,k)。

2)根據(jù)式(3)~(5)計算歸一化相關(guān)性系數(shù)W?f(j,k) 。 比 較 W?f(j,k) 和 Wf(j,k) ,若W?f(j,k)≥ Wf(j,k),則認(rèn)為大相關(guān)量對應(yīng)信號的特征 ,取 W?f(j,k)=Wf(j,k) ,置 Wf(j,k)=0 。 若W?f(j,k)<Wf(j,k),則認(rèn)為點(diǎn) k 處的小波系數(shù)由噪聲控制,保留Wf(j,k),置W?f(j,k)=0 。

3)在每一個尺度上重新計算W?f(j,k)。

4)重復(fù)2)~3)的過程。

5)所取W?f(j,k)中各對應(yīng)由信號控制的點(diǎn),而Wf(j,k)中全部為噪聲對應(yīng)的點(diǎn)。

上述相關(guān)性降噪方法對小波系數(shù)的計算依賴性很強(qiáng),一旦在小波分解的過程中,計算結(jié)果出現(xiàn)一定偏差,則由式(3)計算出來的相關(guān)性系數(shù)Wf(j,k)不能很好的刻畫k點(diǎn)處的真實(shí)相關(guān)性,導(dǎo)致在上述算法中相關(guān)性系數(shù)與小波系數(shù)失去可比性。

改進(jìn)的辦法是采用區(qū)域相關(guān)性降噪,通過引入?yún)^(qū)域相關(guān)的概念,即考慮了點(diǎn)k處系數(shù)及其周圍的系數(shù),改進(jìn)CWf(j,k)的計算方法。從而有效削弱了傳統(tǒng)方法因小波系數(shù)平移所帶來的不良影響。

定義 3:設(shè) CNf(j,k)=Nf(j,k)?Nf(j+1,k),則稱CNf(j,k)為尺度 j上k點(diǎn)處的區(qū)域相關(guān)性系

改進(jìn)的區(qū)域相關(guān)性降噪方法與傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)過程類似,只要用 CNf(j,k)和 N?f(j,k)分別替代CWf(j,k)和W?f(j,k)即可。

3 實(shí)驗結(jié)果與分析

為驗證本文方法的有效性,采用信噪比(SNR)、均方根誤差(RMSE)進(jìn)行客觀評價。SNR和RMSE的表達(dá)式分別為

式中,f表示原始信號,f?表示恢復(fù)信號。N表示信號的長度。SNR值越大,RMSE值越小,信號降噪效果越好。

本文進(jìn)行了兩組實(shí)驗,分別采用電網(wǎng)電壓采樣信號和醫(yī)學(xué)心電信號ECG作為測試對象,如圖1所示。

圖1 實(shí)驗測試對象

以Matlab R2015a為測試平臺,計算機(jī)配置為:Windows7系統(tǒng)、AMD A8處理器、主頻1.60GHz、4G內(nèi)存。將本文方法與小波變換[11]、小波包變換[9]等方法進(jìn)行對比實(shí)驗,其中小波基均為”db3”,分解層數(shù)為4層?;謴?fù)信號的主觀視覺效果如圖2和圖3所示,各降噪方法對應(yīng)的性能指標(biāo)比較如表1所示。

圖2 各種方法對電網(wǎng)電壓采樣信號降噪對比實(shí)驗結(jié)果

圖3 各種方法對醫(yī)學(xué)心電信號ECG降噪對比實(shí)驗結(jié)果

表1 各降噪方法對應(yīng)的性能指標(biāo)比較

由圖2和圖3可看出,本文方法降噪效果明顯優(yōu)于小波方法和小波包方法,對邊緣、拐點(diǎn)等細(xì)節(jié)保持更好,與原始信號更逼近。從表1中性能指標(biāo)來看,兩組測試實(shí)驗中,本文方法對應(yīng)的SNR值都是最高,RMSE值都是最低,從側(cè)面也表明了本文方法的優(yōu)越性。

4 結(jié)語

針對非平穩(wěn)信號降噪問題,本文在相關(guān)降噪算法的基礎(chǔ)上,提出了一種基于區(qū)域信息的改進(jìn)算法。該方法對一個區(qū)域內(nèi)的小波系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性度量,有效削弱了傳統(tǒng)方法因小波系數(shù)平移所帶來的不良影響。

通過對電網(wǎng)電壓采樣信號和醫(yī)學(xué)心電信號ECG的仿真對比實(shí)驗,結(jié)果表明,該方法對比傳統(tǒng)小波方法具有更好的降噪視覺效果,各項客觀性能指標(biāo)更優(yōu),體現(xiàn)了本文方法的有效性,

猜你喜歡
性能指標(biāo)小波尺度
我可以重置嗎
基于Haar小波變換重構(gòu)開關(guān)序列的MMC子模塊電容值在線監(jiān)測方法
構(gòu)造Daubechies小波的一些注記
論社會進(jìn)步的評價尺度
自動控制系統(tǒng)的優(yōu)劣評價分析
基于Ganglia和Nagios的云計算平臺智能監(jiān)控系統(tǒng)
宇宙的尺度
青蛙歷險
9
室外雕塑的尺度
伽师县| 健康| 明光市| 东明县| 新绛县| 鲁甸县| 长丰县| 西城区| 青海省| 鹤岗市| 大足县| 满城县| 林州市| 丰都县| 渭南市| 长治县| 休宁县| 乐业县| 泊头市| 大洼县| 满洲里市| 长泰县| 二连浩特市| 梁山县| 安乡县| 巴林左旗| 浦江县| 哈巴河县| 益阳市| 晋州市| 铜川市| 株洲县| 黑龙江省| 博白县| 唐山市| 遂溪县| 丽水市| 灵山县| 醴陵市| 利津县| 灵川县|