基于LabVIEW和Matlab混合編程的小波降噪方法 - 全文

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　本文分析了傳統(tǒng)濾波器方法在處理非平穩(wěn)信號時(shí)的缺點(diǎn)，研究了小波去噪的原理和方法，研究了利用LabVIEW 和Matlab混合編程的方法，將LabVIEW完美的圖形編程技術(shù)和Matlab強(qiáng)大的的數(shù)學(xué)解算功能結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了小波降噪的數(shù)學(xué)建模和信號圖像顯示。通過對振動沖擊信號的濾波處理，表明了小波降噪方法在處理非平穩(wěn)信號時(shí)的有效性。

　　0 引言

　　信號降噪是信號處理領(lǐng)域的經(jīng)典問題之一。傳統(tǒng)的降噪方法主要包括線性濾波方法和非線性濾波方法，濾波器在工作時(shí)對信號進(jìn)行篩選，只讓特定頻段的信號通過。當(dāng)信號中的有用成分和噪聲成分各占不同頻帶，可以將噪聲成分有效除去。但如果信號和噪聲的頻譜重疊，則經(jīng)典濾波器將不起作用。這些濾波器按濾波的頻段可分為高通、低通及帶通濾波器，根據(jù)設(shè)計(jì)濾波器的思想可以把濾波器分為巴特沃斯濾波器、貝塞爾濾波器、橢圓濾波器及切比雪夫?yàn)V波器等。

　　此外，傳統(tǒng)的濾波器降噪方法的不足在于使信號變換后熵增加，無法刻畫信號的非平穩(wěn)性并且無法得到信號的相關(guān)性。為了克服上述缺點(diǎn)，采用小波變換來解決信號降噪的方法應(yīng)用越來越廣泛。但是，由于小波變換數(shù)學(xué)理論較深，對于初學(xué)者而言，使用傳統(tǒng)的C語言等編程方法，編程難度很大。本文采用LabVIEW 和Matlab 混合編程的方法，將LabVIEW 完美的圖形編程技術(shù)和Matlab強(qiáng)大的數(shù)學(xué)解算功能結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了小波降噪的數(shù)學(xué)建模和信號圖像顯示。

　　1 小波變換原理

　　小波變換的理論主要包括連續(xù)小波變換、離散小波變換和多分辨分析。

　　1.1 連續(xù)小波變換

　　按如下方式平移和伸縮而生成的函數(shù)族 {ψ a，b } 叫分析小波或連續(xù)小波（Continue Wavelet Transform，CWT），ψ 稱為基本小波。

　　任意函數(shù)在某一尺度a 、平移點(diǎn)b 上的小波變換系數(shù)，實(shí)質(zhì)上表征的是在b 位置處，時(shí)間段2aΔψ 上包含在中心頻率為ω* a ，帶寬為2Δψ - /a 頻窗內(nèi)的頻率分量大小，隨著尺度a 的變化，對應(yīng)窗口中心頻率為ω* a 及窗口寬度2Δψ - /a 也發(fā)生變化。

　　1.2 離散小波變換

　　在實(shí)際應(yīng)用中，一般分析的信號都是經(jīng)過離散采樣后得到的離散時(shí)間序列，需要把連續(xù)小波及其變換離散化，以進(jìn)行數(shù)字信號處理。具體作法是通過對其伸縮尺度因子a 和平移因子b 的采樣而離散化。

　　式中：m，n 分別稱為頻率范圍指數(shù)和時(shí)間步長變化指數(shù)。

　　在連續(xù)小波變換Wψ f （a，b） 中，由于a，b 是連續(xù)變化的，它是高冗余的，只要母小波ψ（t） 滿足容許條件，則可由Wψ f （a，b） 完全恢復(fù)原信號f （t） 。對于離散小波變換，由于對a，b 進(jìn)行了離散采樣，為了使Wψ f （m，n） 包含足夠的信息以恢復(fù)原信號f （t） ，就需要對變換使用的母小波作出更嚴(yán)格的限制。

　　在Hilbert空間H中的一族函數(shù){- }jj ∈ J稱為是一個(gè)框架，如果存在A，B ∈（0，∞） 時(shí)，對于所有f ∈ H，有：

　　2 小波降噪原理

　　小波變換具有低熵性、多分辨率特性、去相關(guān)性、選基靈活性的特點(diǎn)，因此小波降噪得到更廣泛的應(yīng)用。其中閾值去噪方法是一種實(shí)現(xiàn)簡單、結(jié)果較好的小波降噪方法。

　　閾值去噪方法就是對小波分解后的各層系數(shù)中模大于和小于某閾值的系數(shù)分別處理，然后對處理完的小波系數(shù)進(jìn)行反變換，重構(gòu)經(jīng)去噪的信號。在現(xiàn)實(shí)情況下，有用的信號通常是低頻信號，而噪聲信號通常是高頻信號，在去噪的過程中，通常對小波分解的高頻系數(shù)進(jìn)行閾值化后重構(gòu)信號。閾值的獲取是小波去噪的關(guān)鍵，本文中的小波去噪模塊借助于Matlab小波分析工具箱中的小波分析函數(shù)獲取閾值。

　　Matlab 中實(shí)現(xiàn)信號閾值獲取的函數(shù)有ddencmp、thselect、wbmpen 和wdcbm，本文采用了wbmpen.小波去噪的部分Matlab代碼如下：

　　3 LabVIEW 和Matlab 混合編程方法

　　3.1 LabVIEW簡介

　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineer-ing）是NI（National Instruments）公司的產(chǎn)品，是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。

　　圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。

　　3.2 LabVIEW調(diào)用外部代碼的方法

　　LabVIEW 的Functions 模塊內(nèi)Advanced 中CIN 節(jié)點(diǎn)，用戶可將需要調(diào)用的外部代碼編譯成LabVIEW 所能識別的格式與此節(jié)點(diǎn)相連，當(dāng)此節(jié)點(diǎn)執(zhí)行時(shí)，Lab-VIEW 將自動調(diào)用與此節(jié)點(diǎn)相連的外部代碼，并向CIN傳遞特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　使用CIN技術(shù)，用戶可向CIN傳遞任意復(fù)合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于LabVIEW 中數(shù)據(jù)的存儲格式遵循了C語言中數(shù)據(jù)的存儲格式，所以通常情況下，使用CIN 可獲得較高的程序效率。

　　3.3 利用LabVIEW的圖形界面編程方法

　　為了更直觀地顯示信號波形，采用LabVIEW 開發(fā)了圖形顯示界面，用以顯示原始信號波形和消噪后信號波形。圖1是圖形顯示界面的LabVIEW編程代碼。圖2是采用LabVIEW和Matlab混合編程的代碼。

　　4 應(yīng)用實(shí)例

　　本文采用小波去噪方法對兩種不同的振動沖擊信號進(jìn)行了分析處理，如圖3和圖4所示。

　　從圖形顯示結(jié)果可以看出，經(jīng)小波降噪后，濾除了噪聲干擾信號，各激勵(lì)響應(yīng)信號更加明顯，這對于后期的信號分析處理奠定了良好基礎(chǔ)。

　　5 結(jié)語

　　小波去噪方法相比于傳統(tǒng)的濾波器方法，在處理非平穩(wěn)信號時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，有助于提高信號分析處理精度。而采用LabVIEW 和Matlab 混合編程的方法，則降低了編程難度，可以大大提高工作效率，是一種實(shí)現(xiàn)儀器編程的便捷途徑。