基于EMD的非平稳信号去噪方法研究

中北大学课程设计说明书学生姓名：李晓聪学号：1005064125学院：信息与通信工程学院专业：电子信息工程题目：信息处理综合实践:基于EMD的非平稳信号去噪方法研究指导教师：赵英亮王浩全职称:副教授2013年6月27日课程设计任务书1．设计目的：1、掌握USB总线或PCI总线的基本结构，了解基于USB总线或PCI总线A/D卡的通用结构。写出关于基于USB总线或PCI总线A/D卡的报告。2、通过A/D卡，利用高级语言编写信号的采集、存储和显示程序。3、要求同学在学习EMD基本理论的基础上，对一维信号进行各种降噪方法的研究，实现信号去噪。2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1、查阅资料，掌握USB总线或PCI总线的基本结构，了解基于USB总线或PCI总线A/D卡的通用结构。2、通过A/D卡，利用高级语言编写信号的采集、存储和显示程序。3、查阅资料，掌握EMD基本原理。4、利用编程语言实现EMD滤波方法设计。5、对原始信号进行不同噪声叠加，并利用EMD去噪方法对其实现处理，将处理后结果与原信号进行比较。对其结果进行理论及结果分析，比较其优缺点，及对各种噪声的适用范围。6、要求每位同学各自应用不同的方法来实现。3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：课程设计说明书一份仿真结果课程设计任务书4．主要参考文献：[1]徐明远,刘增力.MATLAB仿真在信号处理中的应用.西安:西安电子科技大学出版社,2007.11.[2]王玉顺.MATLAB实践教程.西安:西安电子科技大学出版社,2012.8.[3]唐向宏，岳恒立，郑雪峰.MATLAB及在电子信息类课程中的应用.北京:电子工业出版社,2009.6.[4]李迎，王帮峰，孙亚飞，施益峰.经验模式分解与Hilbert谱的分析及应用.南京:南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,210016.[5]李建伟，曾杰，许宝杰.基于EMD的非平稳信号分析方法研究及其在机电系统信号分析中的应用.5．设计成果形式及要求：课程设计说明书仿真结果6．工作计划及进度：2013年6月7日~6月10日：查资料；6月11日~6月13日：在指导教师指导下设计方案；6月14日~6月25日：完成设计内容；6月26日~6月27日：撰写课程设计说明书；6月28日：答辩系主任审查意见：签字：年月日目录1.设计目的...............................................12.总体设计方案分析.......................................12.1PCI总线基本结构..................................12.2基于PCI总线的实时数据采集系统....................32.3基于PCI总线AD卡的通用结构........................42.3.1A/D转化过程.................................52.3.2存储格式.....................................52.4基于EMD的非平稳信号分析方法......................62.4.1IMF分量需满足的条件..........................62.4.2EMD的主要分解过程...........................62.4.3对各个IMF分量的后续分析.....................73.主要算法及程序.........................................83.1主要算法步骤......................................83.2Main程序.........................................84.算法结果及比较分析....................................125.设计评述..............................................166.参考文献..............................................17中北大学课程设计说明书第页共17页11.设计目的(1).掌握USB总线或PCI总线的基本结构，了解基于USB总线或PCI总线A/D卡的通用结构。写出关于基于USB总线或PCI总线A/D卡的报告。(2).通过A/D卡，利用高级语言编写信号的采集、存储和显示程序。(3).要求在学习EMD基本理论的基础上，对一维信号进行各种降噪方法的研究，实现信号去噪。2.总体设计方案分析我们要对一个原始信号进行不同噪声的叠加，并利用基于EMD去噪方法对其实现处理。利用EMD对一维信号进行去噪包含了三种EMD去噪方法：1、直接EMD方法去噪；2、EMD结合小波阈值去噪；3、EMD结合互相关函数的方法。直接EMD方法去噪是直接抽取部分与原始信号频率相似的低频IMF分量进行信号重构，抛弃高频IMF分量与无效分量。这种方法效果不好，而且对的能处理的信号有限制。EMD结合小波阈值去噪是如果噪声幅度过大，就先进行EMD分解，再进行小波阈值去噪，因为方案原始信号较简单，频率都为低频分量，所以可以直接对IMF高频分量进行小波阈值去噪，再进行信号重构。它和直接EMD方法去噪的区别在于用什么方法区别高频IMF分量和高频噪声。EMD结合互相关函数的方法也是一种较粗糙的去噪方法。2.1PCI总线基本结构PCI总线作为处理器系统的局部总线，主要目的是为了连接外部设备，而不是作为处理器的系统总线连接Cache和主存储器。但是PCI总线、系统总线和处理器体系结构之间依然存在着紧密的联系。PCI总线作为系统总线的延伸，其设计考虑了许多与处理器相关的内容，如处理器的Cache共享一致性和数据完整性，以及如何与处理器进行数据交换等一系列内容。其中Cache共享一致性和数据完整性是现代处理器局部总线的设计的重点和难点。独立地研究PCI总线并不可取，因为PCI总线仅是处理器系统的一个组成部分。中北大学课程设计说明书第页共17页2PCI总线作为处理器系统的局部总线，是处理器系统的一个组成部件，讲述PCI总线的组成结构不能离开处理器系统这个大环境。在一个处理器系统中，与PCI总线相关的模块如图1-1所示。图（1）基于PCI总线的处理器系统如图（1）所示在一个处理器系统中，与PCI总线相关的模块包括，HOST主桥、PCI总线、PCI桥和PCI设备。PCI总线由HOST主桥和PCI桥推出，HOST主桥与主存储器控制器在同一级总线上，PCI设备可以方便地通过HOST主桥访问主存储器，即进行DMA操作。在处理器系统中，含有PCI总线和PCI总线树这两个概念。这两个概念并不相同，在一颗PCI总线树中可能具有多条PCI总线，而具有血缘关系的PCI总线组成一颗PCI总线树。如在图1-1所示的处理器系统中，PCI总线x树具有两条PCI总线，分别为PCI总线x0和PCI总线x1。而PCI总线y树中仅有一条PCI总线。在PCI总线中有三类设备，PCI主设备、PCI从设备和桥设备。其中PCI从设备只能被动地接收来自HOST主桥，或者其他PCI设备的读写请求；而PCI主设备可以通过总线仲裁获得PCI总线的使用权，主动地向其他PCI设备或者主存中北大学课程设计说明书第页共17页3储器发起存储器读写请求。而桥设备的主要作用是管理下游的PCI总线，并转发上下游总线之间的总线事务。一个PCI设备可以即是主设备也是从设备，但是在同一个时刻，这个PCI设备或者为主设备或者为从设备。PCI总线规范将PCI主从设备统称为PCIAgent设备。在处理器系统中常见的PCI网卡、显卡、声卡等设备都属于PCIAgent设备。在PCI总线中，HOST主桥是一个特殊的PCI设备，该设备可以获取PCI总线的控制权访问PCI设备，也可以被PCI设备访问。但是HOST主桥并不是PCI设备。PCI规范也没有规定如何设计HOST主桥。在PCI总线中，还有一类特殊的设备，即桥设备。桥设备包括PCI桥、PCI-to-(E)ISA桥和PCI-to-Cardbus桥。本篇重点介绍PCI桥，而不关心其他桥设备的实现原理。PCI桥的存在使PCI总线极具扩展性，处理器系统可以使用PCI桥进一步扩展PCI总线。PCI桥的出现使得采用PCI总线进行大规模系统互连成为可能。但是在目前已经实现的大规模处理器系统中，并没有使用PCI总线进行处理器系统与处理器系统之间的大规模互连。因为PCI总线是一个以HOST主桥为根的树型结构，使用主从架构，因而不易实现多处理器系统间的对等互连。2.2基于PCI总线的实时数据采集系统PCI-20612是一种基于32位PCI总线的数据采集卡。它采用了大规模门阵列设计技术、表面贴装工艺等先进手段制作而成，广泛应用于实验室、生产现场或野外对冲击、爆炸等原因引起的压力、电磁波、温度等各种动态过程进行实时数据采集。中北大学课程设计说明书第页共17页4图（2）PCI20612数据采集卡工作原理图信号连接器有通道信号，PCI总线接口，外触发，多卡扩展同步接口等4种，以下分别介绍。通道信号接口位于采集卡的尾部，信号用同轴电缆接入。一张采集卡最多只有4个通道，也可能少于4个通道，视用户的需求而定。PCI总线接口是采集卡与上位PC机的数据和控制信号通信接口。其采用32位PCI总线，全兼容PCISpecificationVersion2.2。外触发接口用于接外触发信号用。多卡扩展同步接口用于多卡扩展。其传输的信号包括主卡的同步时钟源、触发以及状态信号。一般用16针带缆连接。2.3基于PCI总线AD卡的通用结构PCI-20612是一种基于32位PCI总线的数据采集卡。它采用了大规模门阵列设计技术、表面贴装工艺等先进手段制作而成，广泛应用于实验室、生产现场或野外对冲击、爆炸等原因引起的压力、电磁波、温度等各种动态过程进行实时数据采集。这里介绍PCI-20612数据采集卡的工作原理，其中包括了寄存器地址分配中北大学课程设计说明书第页共17页5表，信号连接器，模拟输入部分，A/D转换过程，数字I/O接口及多卡同步扩展接口总线等等。2.3.1A/D转化过程当进行A/D转换时，根据所测的信号的特性，程控A/D转换设置，如：通道信号输入带宽、偏置和增益调节（自校准）等。图（3）A/D转换过程图如图（3）所示，当启动采集后，A/D转换后的数据经锁存，然后保存于每通道独立的卡上存储器中。卡上存储器相当于环形缓冲，如果A/D转换的数据样点数超过了卡上存储器的最大容量，新数据会覆盖旧数据。这个过程是周而复始的，只有当触发条件满足后，门阵列开始计数，计数达到指定值（该值由采集长度决定）后，采集结束，卡上存储器保存了满足用户需要的采集数据。上位机通过PCI接口门阵列经由门阵列控制核心取得卡上存储器样点数据。上过程每通道是独立进行的。每通道卡上存储器最多可存储8M样点，且此参数可由DIP开关设置。2.3.2存储格式图（4）每通道卡上存储器的数据存储格式中北大学课程设计说明书第页共17页6每通道卡上存储器的数据存储格式如图4-6所示。样点起点并不是从物理存储单元的0地址开始，而是由触发起点和延时长度决定。2.4基于EMD的非平稳信号分析方法经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,简称EMD)方法是由美国NASA的黄锷博士提出的一种信号分析方法。它依据数据自身的时间尺度特征来进行信号分解,无须预先设定任何基函数。2.4.1IMF分量需满足的条件1）其极值点和过零点数目相等或最多相差一个。2）连接其局部极大值和局部极小值所形成的两条包络线的均值在任一点处为零或近似为零。2.4.2EMD的主要分解过程分解过程基于以下假设：（1）信号最少有一个极大值和一个极小值；（2）时域特性由极值间隔决定；（3）如果数据序列完全