線性數(shù)字濾波器容錯結構設計.pdf

1、數(shù)字濾波器作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中重要的組成部分，在一些極端環(huán)境(如高溫、外太空、地下、水下和復雜電磁輻射環(huán)境)中，一旦出現(xiàn)故障，不僅系統(tǒng)無法正常運行，還會造成一定的經(jīng)濟損失。所以濾波器的性能和持續(xù)運行的可靠性具有十分重要的意義，進行容錯性研究是非常迫切必要的。濾波器容錯是指：當濾波器受到干擾或是其中的某些結構發(fā)生故障時，整個濾波器依然能夠工作在其性能指標所允許的范圍之內(nèi)，而濾波器的正常使用不會受到太大影響。
　　目前的針對濾波器的容錯

2、性研究都是通過備份冗余模塊、硬件上對系統(tǒng)實施局部重構的容錯機制。這些方法都需要對故障進行檢測，需要有額外的冗余，只是對故障的處理方式不同。增加冗余組件有助于降低設備的不確定性，然而，由于數(shù)字信號系統(tǒng)集成密度的增加和制造工藝的日益復雜，冗余模塊的增加會導致硬件資源開銷大、容錯能力有限；另外硬件上的系統(tǒng)局部重構一般都需要外部控制器進行控制，計算量大、容錯時間開銷較大。設計一種能夠容忍一般故障而且性能優(yōu)良的數(shù)字濾波器就是本文所要解決的問題。本

3、文具體工作主要包括兩大部分：數(shù)字濾波器容錯結構設計；在得到容錯數(shù)字濾波器結構的基礎上，如果濾波器出現(xiàn)故障，對設計的容錯結構數(shù)字濾波器進行實驗仿真與結果分析。
　　數(shù)字濾波器的設計便尤為關鍵，本文首先介紹了設計數(shù)字濾波器的性能指標，然后介紹了數(shù)字濾波器主要的兩種設計思路：設計和優(yōu)化傳遞函數(shù)（即標定傳遞函數(shù)系數(shù)）；從傳遞函數(shù)標定結構參數(shù)。通過對這兩類方法的詳細分析，可以得出對于復雜結構的數(shù)字濾波器，傳輸函數(shù)設計法并不能滿足使用要求，適

4、用性不強，為此本文試圖能夠探尋到一種根據(jù)目標特性要求直接設計最優(yōu)數(shù)字濾波器結構的設計方法。針對復雜環(huán)境的濾波器性能要求，介紹了容錯濾波器的概念和容錯數(shù)字濾波器的設計方法，對本文的研究思路和方法提供了有用參考。最后提出了一種能夠滿足一般容錯性的數(shù)字濾波器結構設計方法。
　　本文主要進行以下幾個方面的研究工作：
　?。?）提出了一種基于遺傳算法的數(shù)字濾波器結構設計方法。本文的數(shù)字濾波器結構生成方法，能夠自動生成合法的信號流圖結構

5、，構建合法結構空間。對遺傳算子進行了修改，并設計合理的編碼策略和適應度函數(shù)，使濾波器結構能夠在合法結構空間內(nèi)自主演化。
　?。?）提出了一種改進的優(yōu)化算法。該算法無需目標函數(shù)連續(xù)可導，可對目標直接優(yōu)化。采用動態(tài)調(diào)整搜索步長，停止搜索代數(shù)的指數(shù)次增加的策略，加快了收斂速度，提高了多維空間的尋優(yōu)能力，進一步優(yōu)化了數(shù)字濾波器乘法器系數(shù)。
　?。?）實現(xiàn)了數(shù)字濾波器結構參數(shù)的同時優(yōu)化。首先利用遺傳算法對濾波器結構進行優(yōu)化，接著利用差

6、分算法和改進的優(yōu)化算法對數(shù)字濾波器乘法器系數(shù)進行優(yōu)化?？稍O計不存在傳遞函數(shù)、或傳遞函數(shù)非常復雜的濾波器，滿足復雜需求。只要給出設計目標和約束條件，無需更多先驗知識，就完全能夠確定最優(yōu)濾波器結構和參數(shù)，提升了大規(guī)模系統(tǒng)自動化設計水平。
　　（4）對設計得到的結構系數(shù)最優(yōu)數(shù)字濾波器進行實驗仿真。同基于傳統(tǒng)濾波器原型的常見結構做了對比實驗，針對濾波器組件出現(xiàn)的故障進行了容錯分析。
　　本文提出了一種線性數(shù)字濾波器容錯結構設計方法。