基于FPGA的信號小波實時處理方法

小波變換能夠同時在時域和頻域進行局部分析，在對時變信號進行分析時具有明顯的優(yōu)勢。小波算法在進行信號處理時，由于具有濾波效果好、信號細節(jié)損失少的優(yōu)點，從而引起了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。目前常用于高速實時信號處理的硬件芯片分為兩大類：基于大規(guī)?？删幊碳呻娐?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA的純硬件實現(xiàn)方案和基于高速通用DSP的軟件實現(xiàn)方案。采用FPGA的硬件實現(xiàn)方案硬件接口設(shè)計靈活，可以和任意數(shù)字外圍電路直接使用，且其具有高度的集成度和高速的處理速度；而基于高速通用DSP的軟件實現(xiàn)方案代碼設(shè)計靈活，可以快速修改和調(diào)試程序[6]。小波算法運算量較大，如果采用DSP方案由軟件來實現(xiàn)該算法就很難滿足系統(tǒng)實時性的要求?；谝陨显虮疚奶岢隽瞬捎?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA方案實現(xiàn)小波算法。該方案對一維信號具有良好的去噪效果，同時也能滿足系統(tǒng)的實時性要求。

1 小波去噪的基本原理

對于小波算法，應(yīng)用最廣泛的是信號處理和圖像處理，而在這兩個領(lǐng)域中應(yīng)用最多的就是信號及圖像的去噪和壓縮。由于在正交小波中，正交基的選取比傳統(tǒng)方法更接近實際信號本身，所以通過小波變換可以更容易地分離出噪聲，因此，相對于傳統(tǒng)方法，小波分析在去噪和壓縮方面有著無可比擬的優(yōu)勢[5]。

小波分析用于去噪的過程如下：

(1)分解過程：選定一種小波，對含噪信號進行N層小波分解，得到各層分解的小波系數(shù)。

(2)閾值處理過程：將通過分解得出的各層高頻小波系數(shù)進行閾值處理，在進行到最后一層時，要同時對該層的高、低頻系數(shù)進行閾值處理。

(3)重構(gòu)過程：將經(jīng)過閾值處理后的小波系數(shù)通過小波逆變換重構(gòu)出去噪后的信號。

閾值降噪法是一種實現(xiàn)簡單、效果較好的小波降噪方法。小波變換具有很強的去數(shù)據(jù)相關(guān)性，它能將信號的能量集中在小波域一些大的小波系數(shù)中，而噪聲的能量卻分布于整個小波域內(nèi)，因此經(jīng)小波分解后信號的小波系數(shù)比噪聲的大。于是，采用閾值的辦法可以把信號的小波系數(shù)保留，而使絕大部分噪聲小波系數(shù)置零[2]。目前，常用的閾值函數(shù)有硬閾值函數(shù)和軟閾值函數(shù)。硬閾值法處理的結(jié)果可以很好地保留信號邊緣等局部特征，軟閾值法處理的結(jié)果要相對平滑，但是比較容易造成模糊等失真現(xiàn)象。

2 硬件實現(xiàn)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。根據(jù)相關(guān)分析，設(shè)計采用了XILINX公司生產(chǎn)的超大規(guī)模 FPGA器件Virtex 5 XC5VSX50T。系統(tǒng)接口采用RS422串口，相對于RS232，通過RS422能夠以更快的波特率來收發(fā)數(shù)據(jù)，同時其通信距離也比RS232更遠。在進行小波變換之前需要預(yù)存一定長度的數(shù)據(jù)，因此在接口和小波變換模塊之間需要設(shè)置一個FIFO。FPGA通過接口模塊將收到的含噪信號數(shù)據(jù)存入FIFO模塊中，預(yù)存32個數(shù)據(jù)。

為保證一定的濾波效果又不使算法的運算量過大，本文將小波變換模塊的分解、重構(gòu)層數(shù)設(shè)為5層。小波變換模塊主要包括前向小波變換模塊、閾值處理和逆向小波變換模塊。前向小波變換模塊完成對含噪信號的多層分解，將含噪信號分解為低頻分量和高頻分量。閾值處理模塊去除經(jīng)過多層小波分解出來的各層高頻噪聲，在前4層閾值處理過程中需將處理后的高頻分量存儲到相應(yīng)的RAM中。逆向小波變換模塊完成信號的多層重構(gòu)，得出去噪后的信號。逆向小波變換模塊重構(gòu)信號的順序和前向模塊相反，是按最后一層到第一層的順序重構(gòu)信號，在進行到相應(yīng)層次時將存放在相應(yīng)RAM中經(jīng)閾值處理后的高頻分量取出與該層低頻分量進行重構(gòu)，完成5層逆向小波變換之后即可得到去噪后的信號。小波變換模塊的FPGA結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

本設(shè)計選用DB4小波對含噪信號進行提升小波變換，DBN系列的小波擴張性比較好，可以靈活地權(quán)衡增加支集長度（為了提高能量的集中度）帶來的邊界問題，且DB4小波濾波器長度較短，能夠提高運算速度，也能夠滿足一定的濾波效果。

在MATLAB平臺中通過執(zhí)行語句“lsdb4=liftwave('db4');displs(lsdb4)；”就能得到db4提升小波的方案信息。其方案信息如下：

lsdb4={ [-0.32227589] [-1.11712361 -0.30014226]
[-0.01880835 0.11764809] [2.13181671 0.63642827]
[-0.46908348 0.14003924 -0.02479124] [0.73412453]
[1.36216672] }；

由提升小波算法可知，該算法主要由加、減、乘運算組成，對于FPGA實現(xiàn)來說，加減運算可以調(diào)用FPGA的加法器IP核，而浮點系數(shù)的乘運算可以通過移位相加來實現(xiàn)。以浮點系數(shù)-0.32227589為例，-0.32227589=-((1/4)+(1/16)+(1/128))，所以要實現(xiàn)數(shù)據(jù)與系數(shù)-0.32227589相乘，可以通過右移相加的方法來實現(xiàn)，這樣做可以減少對乘法器的調(diào)用，從而減少了該部分設(shè)計時所需的面積，提高了芯片的處理速度。其具體實現(xiàn)框圖如圖3所示。

3 仿真結(jié)果及分析

本設(shè)計使用ISE 10.1軟件完成了硬件電路的Verilog設(shè)計、綜合，使用Modelsim 6.0D完成時序仿真，F(xiàn)PGA系統(tǒng)時鐘為39 MHz，輸入的信號采樣率為5 kHz，輸入的采樣信號為某型號光纖陀螺的零漂信號，并添加幅值為1 V的偽隨機噪聲。

如圖4所示，第二個信號indata是含噪聲的信號，第三個信號outdata是經(jīng)過提升小波變換后的去噪信號。由圖4可以看出，光纖陀螺零漂信號已經(jīng)完全淹沒在噪聲之中，在信噪比很低的情況下，經(jīng)過小波去噪之后能夠很好地濾除噪聲信號。由圖5和圖6可以看出，F(xiàn)PGA的小波變換模塊從接收到處理完一個數(shù)據(jù)點所需的時間約為6402632628 ps-6388706228 ps=13.93 μs，完全可以滿足一般系統(tǒng)對信號處理實時性的要求。

算法用DSP(TI TMS320C6713)實現(xiàn)時，對C代碼進行優(yōu)化，處理一個數(shù)據(jù)點所需要的時間約為66μs，采用C和匯編混合編程對關(guān)鍵循環(huán)進行進行匯編優(yōu)化，處理一個數(shù)據(jù)點所需要的時間約為40 μs。從實時性的角度來說，用FPGA實現(xiàn)該算法比用DSP更符合信號處理系統(tǒng)對實時性的要求。

本文提出了一套利用FPGA實現(xiàn)小波變換的方案。同傳統(tǒng)濾波方法相比，小波變換法能更好地濾除噪聲，在選好相應(yīng)的小波后也能滿足實時性的要求，是非常理想的信號處理方案。與用DSP處理器的方法相比，采用FPGA實現(xiàn)小波變換具有速度快、數(shù)據(jù)寬度可任意設(shè)置的特點，能更好地滿足信號處理實時性的要求，并且Verilog語言具有可移植性的特點，具有更強的通用性。該方法可以應(yīng)用在光電跟蹤信號去噪及語音去噪等一維信號實時處理系統(tǒng)中，它在較為有效地消除噪聲的同時又能基本滿足系統(tǒng)的實時性。