张贤达的《高阶统计量信号处理方法》
高阶统计量分析方法是一种重要的非高斯信号分析方法，在此上传张贤达的这本书，希望对大家的学习有所帮助专题内容概述高阶统计量的定义、性质和估计155()高阶矩、高阶累积量及其谱·*·····“········““··“·(二)高阶累积量与高阶谱的性质三)高阶累积量与高阶谱的估计…......19、非最小相位系统的辨识21(一)基本问题21(二)MA系统的辨识.25(三)ARMA系统的辨识…135四、谐波恢复42()基本问题42()谐波恢复的高阶累积量方法……………·………43五、空间窄带信号源的波达方向估计()基本问题46(二)基于二阶统计量的DOA估计方法及其不足.147(三)基于高阶统计量的DOA估计方法53、概述高阶统计量( (Higher-order Statistics)是指比二阶统计量更高阶的随机变量或随机过程的统计量。二阶统计量有:〉随机变量(矢量):方差、协方差(相关矩)、二阶矩。随机过程:自相关函数、功率谱、互相关函数、互功率谱、自协方差函数等高阶统计量有:随机变量(矢量):高阶矩( Higher-order Moment),高阶累积量(Higher-order Cumulant)随机过程:高阶矩、高阶累积量、高阶谱( Higher- order Spectra,Polyspectra)。从统计学的角度,对正态分布的随机变量(矢量),用一阶和二阶统计量就可以完备地表示其统计特征。如对一个高斯分布的随机矢量,知道了其数学期望和协方差矩阵,就可以知道它的联合概率密度函数。对一个高斯随机过程,知道了均值和自相关函数(或自协方差函数),就可以知道它的概率结构,即知道它的整个统计特征。但是,对不服从髙斯分布的随机变量(矢量)或随机过程,一阶和二阶统计量不能完备地表示其统计特征。或者说,信息没有全部包含在一二阶统计量中,更高阶的统计量中也包含了大量有用的信息。高阶统计量信号处理方法,就是从非高斯信号的高阶统计量中提取信号的有用信息,特别是从一、二阶统计量中无法提取的信息的方法。从这个角度来说,高阶统计量方法不仅是对基于相关函数或功率谱的随机信号处理方法的重要补充,而且可以为二阶统计量方法无法解决的许多信号处理问题提供手段。可以亳不夸张地说,凡是使用功率谱或相关函数进行过分析与处理,而又未得到满意结果的任何问题,都值得重新试用高阶统计量方法。高阶统计量的概念于1889年提出。高阶统计量的研究始于六十年代初,主要是数学家和统计学家们在做基础理论的研究,以及针对光学、流体动力学、地球物理、信号处理等领域特定问题的应用研究。直到八十年代中、后期,在信号处理和系统理论领域才掀起了高阶统计量方法的研究热潮。标志性的事件有:1. K. S. Lii. m. rosenblatt "Deconvolution and Estimation of TransferFunction phase and Coefficients for non-Gaussian Linear processes AnnStatistcs, Vol, 10, pp. 1195-1208, 1982首次用高阶统计量解决了非最小相位系统的盲辩识问题。2.C.L. Nikias,M.R. Raghuveer的综述文章“ Bispectrum Estimation:ADigital Signal Processing Framework”在Proc.正EE发表,1987July3.1989、1991、1993、1995、1997、1999年举办了六届关于高阶统计量的信号处理专题研讨会(海军研究办公室,NSF, IEEE Control SystemSociety, IEEE ASSP Society, IEEE Geoscience and Remote sensingSociety4. IEEE Trans.onAC1990年1月专辑5. IEEE Trans, on AssP1990年7月专辑。6.J.M. Mendel的综述文章 Tutorial on Higher- Order statistics( Spectra)inSignal Processing and System Theory: Theoretical Results and SomeApplications”.Proc,正E,1991(主要是关于非最小相位系统辨识)。7.C.L. Nikias&A.P. Petropula的专著 Higher-order Spectral Analysis:ANonlinear Processing Framework,由 Prentice-Hall I1993出版。8. Signal Processing,19944月专辑。9. Circuits, Systems, and Signal Processing,1994.6月专辑。高阶统计量方法已在雷达、声纳、通信、海洋学、电磁学、等离子体物理、结晶学、地球物理、生物医学、故障诊断、振动分析、流体动力学等领域的信号处理问题中获得应用。典型的信号处理应用包括系统辨识与时间序列分析建模、自适应估计与滤波、信号重构、信号检测、谐波恢复、图像处理、阵列信号处理、盲反卷积与盲均衡等。在信号处理中使用高阶统计量的主要动机可以归纳成四点1、抑制未知功率谱的加性有色噪声的影响。2、辨识非最小相位系统或重构非最小相位信号。自相关函数或功率谱是相盲的,即不包含信号或系统的相位信息。仅当系统或信号是最小相位时,二阶统计量的方法才能获得正确的结果。相反,高阶统计量既包含了幅度信息,又保留了信号的相位信息,因而可以用来解决非最小相位系统的辨识或非最小相位信号的重构问题。3、提取由于高斯性偏离带来的各种信息对于非高斯信号,其高阶统计量中也包含了大量的信息。对模式识别、信号检测、分类等问题,有可能从高阶统计量获得信号的显著分类特征,4、检测和表征信号中的非线性以及辨识非线性系统。如用来解决非线性引起的二次、三次相位耦合问题。参考资料:1、张贤达,《时间序列分析一高阶统计量方法》,清华大学出版社,1996。2、沈凤麟等,《生物医学随机信号处理》(第9章),中国科学技术大学出版社,1999。3 J M. Mendel. "Tutorial on Higher-order Statistics(Spectra) in SignalProcessing and Systems Theory: Theoretical Results and SomeApplications. Proc. IEEE, Vol. 79, pp. 278-305, 19914, C. L. Nikias A. P, Petropulu. Higher-order Spectral Analysis: ANonlinear Processing Framework. Prentice-Hall. 19935 C L. Nikias J. M. Mendel.Signal Processing with Higher-orderSpectra. IEEE Signal Processing Magazine, Vol 10, July, pp 10-37, 19936 C. L Nikias M. R Raghuveer." Bispectrum Estimation: A DigitalSignal Processing Firamewoork". Proc. IEEE, Vol. 75, pp. 869-891, 19877 P. A. Delaney d. O. Walsh. " A Bibliography of Higher-Order Spectraand Cumulants". IEEE Signal Processing Magazine, Vol 11 July, pp. 61-7019948、J.A. Cadzow.“ Blind Deconvolution via Cumulant Extrema”.IEEESignal Processing Magazine, Vol 13, No 3, pp 24-42, 1996www.ant,uni-bremen.edu.de/hoshome二、高阶统计量的定义、性质和估计(一)高阶矩、高阶累积量及其谱从随机变量→随机矢量→随机过程)1、随机变量的特征函数与累积量定义:设随机变量x具有概率密度fx),其特征函数定义为(s)=f()edx=Eel其中s为特征函数的参数。(可看作八x)的拉普拉斯变换)特征函数Φ(s)只是参数s的函数。对Φ)求k次导数,可得Φ^(s)=Exe因此(O)=E}=m也就是说)在原点阶导数等孩x阶筹k。因此,Φ(s)也称作矩生成函数(又叫第一特征函数)。矩生成函数可以唯一地、完全地确定一个概率分布。这可由矩生成函数唯一性定理阐明:定理:设F(x)和G(x)是具有相同矩生成函数的分布函数,即:e dF (x)= esdG(x)则F(x)=G(x)由矩生成函数可以定义随机变量κ的累积量生成函数(又叫第二特征函数)及累积量。定义:设随机变量x的矩生成函数为Φ(s),则函数H(s)=nΦ(s)称为x的累积量生成函数,而v()在原点的k阶导数dky(s)ds k0称为x的k阶累积量如果将s)和v展开成 Taylor级数,根据以上定义,就会有①(s)=1+m1S+m2S2+…+,,mkS+…k!(2+4+x12cmk!k1也就是说,x的k阶矩和累积量分别是其矩生成函数和累积量生成函数的Taylor级数展开中s项的系数。2、随机矢量的特征函数与累积量定义:令x=[x,x2,…,x是一随机矢量,且s=s,s2,…,sr,则随机矢量x的矩生成函数定义为Φ(S1SES11+2x2+…+Skxkl52为Ex的累积量生成函数定义为(S1,S2,…,Sk)=lnΦ(s1,x的(vy2…,w)阶矩和累积量分别定义为矩生成函数和累积量生成函数的Iayr级数展开中S1S2…S项的函数,即0Φ(S1,s2;…,s)ExVIS"Y(1521512skas1Os2…ask其中vko对v=V2=…=认=1的特殊情况,记随机矢量x的矩和累积量分别为mom(,,cum(Y1X我们下面将用它们来定义随机过程的高阶矩和累积量。3、随机过程的高阶矩和高阶累积量定义:设{x(n)}为k阶平稳随机过程,则该过程的k阶矩定义为ma(z1,z2,…,k-)=mom{x(n),x(n+),…,x(n+xk-1)}而k阶累积量定义为cs(1,z2,…,k-)=cum{x(m),x(nt+),…,x(n+tk1)}根据这一定义,平稳随机过程的k阶矩和k阶累积量实质上就是取x1=x(n),x2=x(n+a),…,x=x(n+k)之后的随机矢量[(n),x(n+z),…,
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UDS_BOOTLOADER
基于ISO协议的车载CAN网络上位机诊断软件设计，一方面可了解15765的协议内容，同时，完成基于CAN通信的上位机软件开发重庆邮电人学硕士论文abstractAbstractWith the development and wide use of in-Vehicle Can (Controller AreaNetwork)network technology, complete in-vehicle can network internationaldiagnostic specification has been published. However, because of the noveltyof the specification and the protection of intellectual property rights offoreign country, our country is relatively weak on this technique, moreover,diagnostic tool is mainly dependent on high-cost foreign equipmentTherefore, the study on Can network diagnostic tool based on iso15765 withindependent intellectual property rights is significant In this paper, diagnosticstructure of certain car and network nodes which can be diagnostic is chosenas the diagnostic object. After the analysis and deep study of Iso15765architecture, low cost diagnostic upper computer of Can network is designedby vc software and USbCanii hardware acquisition card the maincontributions of dissertation include the following:(1)Basing on the research on diagnostic protocol architecture ofin-vehicle Can network the structure of in-vehicle network and thediagnostic function needs are put forward for a certain vehicle model. thediagnostic upper computer design is divided into relatively independent ofordinary diagnostic module (without download function) and downloaddiagnostic module.(2)The major 5 kinds of diagnostic services of application layer arerealized based on deep understanding of diagnostic protocol. For the networklayer data transmission, data packing algorithm which meet the Iso 15765-2is designed to achieve the network layer data package transmission.(3)Basing on the realization of the application-layer protocol and thenetwork layer data transmission algorithm. For the safety access realization,safety algorithm is designed and dLl is created. Low-cost CAn networkdiagnostic upper computer of ordinary diagnosis module is designed by VCsoftware platform and usbcanii hardware acquisition cardThe S19 file processing algorithm is designed to realize programon-line download through CAN network diagnostic specification, which isI重庆邮电大学硕士论文Abstractbased on IS015765-3 download process. Upper computer of on-line downloadis designed by VC software platform and USBCANII hardware, by whichrogram can be downloaded on-line through Can network(5)Test platform is built to test the diagnostic upper computer combinedwith CANoe. The test includes ordinary diagnostic module test and downloadfunction testTest results show that diagnostic upper computer can communicate withCAN network through IS015765, and S19 file can be downloaded on-linethrough Can successfully. The feasibility of the designed diagnostic uppercomputer is validatedKeywords: in-vehicle network, CAN, IS015765, diagnosis, testIM重庆邮电大学硕士论文第一章绪论第一章绪论1L课题研究的背景与意义CAN网络技术起源于欧洲,最早运用于汽车的电子通讯系统上,专门装备高档车型,被公认为现代B级、C级轿车和高技术含量代表的标志之山。它具有极强的抗于扰和纠错能力,这项技术的最大优点是减少了线束的数量和控制器接口的引脚数,能够使多个控制器和各类型的传感器之间的数据通信联系起来,使整车线束布置更加紧凑。CAN网络由于其非破坏性的网络仲裁机制、较高的通信速率和灵活可靠的通信方式,在车载网络领域广受青睐,CAN网络可以吏简单、迅速地实现汽车控制、通信、在线诊断以及在线编程。由于其综合的优势,目前,在多种车用总线中,CAN总线成为应用最广泛的总线。由于车载CAN总线的广泛应用,车载CAN网络的诊断技术亦显得尤为重要。由于诊断系统独立于车载CAN网络,这使得系统的开发成本增加,内部网络变得复杂。为解决上述问题,欧洲汽车厂商推出一种基于CAN总线的诊断系统通信标准ISO15765,它可满足 E-OBD(European- On Board Diagnosis)的系统要求,ISO15765以ISO142291定义的服务为基础,规定了基于CAN总线的诊断服务UdS on CAN,包括网络管理、网络定时、应用层定时等详细内容,使得该协议的适用性和可操作性更强,并与IS014230应用层的服务和参数完全兼容的。基于ISO15765的车载网络诊断不仅可以读取故障码,还能实现车载网络EC( Electronic Control Unit)的在线升级功能。通过在线升级功能,整车厂可以在4S店刷新控制器的软件,从而减少因软件缺陷造成的召回成本。此外,还能实现读取、写入及控制ECU的信息。如读取ECU的版本信息、生产厂商以及控制ECU的输入输出信息等功能。ISO15765符合现代汽车网络总线系统的发展趋势,已被许多汽车厂商采纳,并将成为未来汽车行业的通用诊断标准。对于车载网终的诊断,国外各大著名汽车公司对诊断技术的研究较为成熟,其诊断通信协议也是由国外各大厂商制定,其相关的诊断产品和诊断工具也开发的较为成熟,比如德国 Vector公司的诊断系列产品,以及 Mentor公司的诊断系列产品。目前国内的汽车生产厂商及汽车零部件厂商与研发机构大都直接使用国外相对成熟的诊断系列产品。由于知识产权的保护,国外对车载网络的诊断技术几乎处于封锁状态,即使是中外合资的相关汽车厂商或零部件厂商其诊断技术也是不会对国内开放。综上原因,使得目前国内的车载网络诊断技术处于起步阶段。因重庆邮电大学硕士论文第一章绪论此,深入研究车载网络诊断技术,是摆在国内汽车设计公司和汽车生产厂商面前必须解决的实际问题。12车载网络诊断协议概述对车载网络诊断技术的实现主要依托于对车载网络诊断协议的应用与实现。现对常用的车载网络的国际诊断协议进行概述如下Iso-9141早在1996年国际标准化组织颁布基于K线的SO9141标准:该标准的应用时间不算太长。ISo142308ISO14230于199年出台,又称作 Keyword Protocol200kw20),该诊断标准是基于K线的,波特率为104kb/s,用单线(K线)通信,也可用双线K线和L线通信,目前多用单线通信。ISO14230的头格式不是囿定的,有3或4个字节,报文传输不用分包,最大可传255个字节数据,K线本质上是一种半双工串行通信总线。过去比较常用,到目前为止,ISO14230仍是许多汽车厂商采用的诊断通信标准。报文头数据域校验和格式|目标地址源地址长度数据1数据2|……数据n校验和图111SO14230K线数据格式ISODIS 157653199年出台 ISO/DIS15765( Diagnostics on CAN-based on KWP2000,此诊断标准是基于SO14230在CAN线上的扩充,源于K线的诊断标准。So150312001年6月发布ISO15031 Communication for emissions-related diag-nostics),此诊断标准的出台主要针对排放系统相关的诊断,其中ISO15031-6中,对故障诊断码的格式进行了详细规定。so157652001年发布了IO15765 agnostics on CAN- based on UDS),此诊断标准与基于K线的诊断标准不同,这是基于统一诊断服务的诊断。其中的ISO15765-3、ISO157652分别规定了应用层与网络层的实现,在IO15765-2网络层中对ECU重庆邮电大学硕士论文第一章绪论的在线上传下载进行了详细的规定。将帧类型分为单帧、第一帧、流控帧和后续帧,此诊断标准对报文进行打包传输,数据以流控帧的机制进行传输,一次最多可传输4095字节的数据。标准CAN帧格式如图12所示。仲裁域2位控制域6位数据域64位名称|川标识符传输1符扩|1保留|数据「循环校CRC|应|帧请求/展份位0长度/数据域|验位|界定答结CRC符场|束位宽度十T40-6415图12标准cAN帧格式IsO1422912006年发布统一诊断服务标准ISO14229-1( Unified Diagnostic Services)该国际标准只是规定应用层上诊断规范,该标准的制定是为了针对任何一种连续数据链路,不涉及网络及实现未。定义诊断系统的通用需求,为了实现这一点,该标准基于OSI基本参考模型,如表11所示,其通信系统为7层。其屮映射到CAN线上的诊断为SO15765在其它链路上的映射,如无线局域网、 Flexray等的诊断,也将按照ISO1422(统一诊断标准UDS)执行。表L1诊断规范与OSI的对应关系表适性0sI7层增强诊断服务(非放射相关)遵循应用层(第7层)ISO1429l/o157653/ISo1994|5o1422更多标准ISO/IEC表达层(第6层)7498会话层(第5层IS015765-3/IS011992-4更多标准和传输层(第4层)Iso15765-2/Iso11992-4更多标准ISO/EC网络层(第3层)IsO15765-2/ISOl9924更多标准1073的7数据链路层(第2层)ISo88/S019/AE9395更多标准层物理层(第1层o898/ISo19/AE1915更多标准综述上述几种车载网络诊断协议,国内外汽车厂商使用较广泛的诊断协议为基于K线的IsO14230和基于CAN线的ISO15765诊断协议,然而随着汽车中电控电元数量的增加,如ABS系统、发送机电控系统、车身控制模块(BCM)系统、安全气囊等系统,这些系统之间以及系统与汽车仪表之间都需要进行数据交换,若这么多的数据量仍采用导线对数据进行点对点传输,则大量导线的使用会导致系统内部繁杂,且增加成本。此外,由于K线不能满足数据链路层在网络管理以重庆邮电人学硕士论文第一章绪论及通信速率上的局限性,使得K线无法满足越来越复杂的车载诊断网络的需求网随着CAN网络在汽车网络上的广泛应用,基于CAN网络的O15765的诊断则受到广泛应用,它符合现代汽车网络总线的发展趋势,逐渐被越来越多的汽车厂商使用,将成为未来汽车行业的通用诊断标准。与基于K线的ISO14230相比,基于CAN线的诊断协议ISO15765具有以下的优势(1)CAN总线的传输速率比K线要高很多,K线的传输速率为104kbt,而CAN线的最高波特率可达Mbis(2)K线使用的是单线传输,CAN线为双线采用差分信号传输,抗干扰能力强,且可靠性比K线好。(3)CAN总线可以构建比较复杂的网络结构,对于不同网络仍可通过网关实现诊断,即可实现不同网段的远程诊断,并且CAN网络的网络管理能力很强。(4)当诊断设备采用功能寻址对多个ECU进行诊断或诊断控制通信时,开发者不需考虑由于同时访问总线引起的总线冲突问题,因为CAN总线采用仲裁机制确保总线通信的正常进行。(5)利用ISO15765基于CAN线的诊断,其网络层对报文的传输进行了规范化的顺序控制以及流控制等,提高了报文传输的可靠性,并且其单次传输的报文数量可达4096字节。而K线在网络层没有定义,单次最多传输255字节的数据(6)在lSO15765-2中,明确规定了基于CAN网络的ECU在线上传下载的诊断通信流程,将上传下载纳入诊断范围内,上传下载的内容按照ISO157652网络层传输规则进行传输,以实现更标准、更可靠的网络数据传输。13国内车载CAN网络诊断存在的问题根据国内外车载网络诊断的研究现状现与目前流行的车载网络诊断协议基础,现从以下三个方面阐述目前在国内车载CAN网络诊断研究中存在的、并待解决的问题:()我国车载网络诊断技术自主知识产权方面由于基于CAN网络技术的,颖性与诊断协议本身的复杂性,现阶段国内在基于ISO15765的车载网络诊断技术的开发与应用方面尚不成熟,在诊断开发与设计方面通常借助于国外的工具或产品。目前,国内汽车制造商与设备供应商大都使用德国Ⅴ ECTOR公司的 Candelastudio、Diva、 CANdesc等诊断系列工具,由于这些诊断工具受知识产权的保护,成本较高,其整套设备需花费几十万元。因此,有必要设计开发具有自主知识产权的基于ISO15765的车载网络诊断,突破国外在重庆邮电大学硕士论文第一章绪论汽车电子行业的技术垄断,开发具有自主知识产权的诊断产品和工具(二)中小型汽车零部件厂商开发汽车诊断产品的成本与效率和质量方面对某些中小型汽车零部件厂商而言,在开发具有诊断功能的车载ECU阶段后期,需对其进行测试,看所开发的ECU是否符合诊断协议,他们常用的测试方式是使用低成本的CAN网络测试工具,如周立功的 CANTEST软件,逐个手动输入所需要的基于诊断协议的诊断通信报文,来测试ECU的响应情况。另外,传统的简易CAN网络监测工具,只是对CAN报文进行显示,而无法对诊断协议内容进行解析,面对大量的通信报文通过人工肉眼进行逐字节解析以判断是否符合诊断协议,此种形式的开发工作显然不能休障开发的效率与质量。对中小型企业来说,若他们耗费几十万元购买国外诊断工具则成本太高。因此,对国内中小型汽车零部件厂商而言,研究低成本的基于IO15765国际诊断标准的诊断上位机工具,则可大大降低其产品开发成本,并确保产品开发的效率与质量。(三)基于CAN线的车载ECU在线下载的合理性与需求方面以往ECU在线升级大都是通过串口或BDM口进行程序下载,但针对于已装入汽车内通过CAN网络连接的ECU,无疑使用CAN总线对程序进行在线下载,会比较方便也是需求所在。在ISO15765-3中,对基于CAN总线的在线下载进行了统一、详细的实现约束,使车载网络ECU在线下载从整车网络规划与网络管理的角度进行统一规划。但由于IO15765在线下载技术的新颖性与技术本身的复杂性,目前在国内核心的学术研究期刊上尚未看到相关研究领域的报道,国内汽车厂商也尚未普遍使用此种方式对ECU进行程序的在线下载。因此,其下载工具未产业化,实际应用中符合要求的下载工具不多,或被作为大型工具的组件使用如( Canoe),但其成本较高并且灵活性较差。将程序下载通过CAN网络进行网络统一规划与管理,并使ECU通过CAN网络传输是在线下载的趋势所在,因此有必要研究基于ISO15765的CAN网络诊断的车载ECU程序在线下载技术。14论文主要研究工作根据上节所述的在车载CAN网络中诊断研究中所提出的问题,本文针对以上问题展开了相关的研究工作以及相关问题的解决。主要通过研究车载CAN网络国际标准ISO15765,对基于CAN网络的车载诊断进行研究、分析,设计基于ISO15765的车载CAN网络的上位机诊断。论文的主要研究工作的相互关系见图13,具体工作如下:重庆邮电大学硕士论文第一章绪论目标诊断网络结构分析ISO5765体系结构研究诊断需求分析搭建诊断测试平台,对诊断上位机进行测试常规诊断下载诊断常规诊断模模块设计模块设计块上位机实现低成利用VC与本上位机下载诊断模块上位机USBCANII图13论文主要研究工作的相互关系l通过深入研究基于车载CAN网络的国际诊断标准ISO15765的应用层与网络层协议,针对特定车载网终对象,设计车载网络诊断结构,并进行诊断需求分析2实现基于ISOl5765的诊断上位机的应用层与网络层协议。3设计基于SO15765的车载CAN网络诊断上位机。针对安全访问服务的实现过程,设计安全访问算法并建立安全算法动态链接库,利用VC软件平台与USBCANII硬件采集卡,设计车载CAN网络常规诊断模块的诊断上位机。4设计基于Iso15765的在线下载上位机。对下载诊断模块分别设计其预编程阶段与编程阶段,以及上位机对Sl9文件的解析处理。利用C软件平台及USBCANII硬件采集卡实现下载器上位机的设计。5根据诊断结构设计诊断测试平台,结合 CANoe与ISO15765诊断协议对所设计的诊断上位机进行测试。15本章小结本章首先介绍了课题研究背景与意义,然后概迟了车载网络诊断协议,重点分析比较了ISO14230与ISO15765协议,并分析基于CAN网络的ISO15765协议的优势。在此基础上分析并概述了因内车载CAN网络诊断存在并待解决的问题。最后提出了本文的研究工作。
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