信号稀疏表示理论及其应用
信号稀疏表示理论及其应用信号稀疏表示理论及其应用郭金库刘光斌余志勇吴瑾颖著斜学出版社北京内容简介信号稀疏表示是一种新兴的信号分析和综合的方法,吸引了研究者的大量关注,同时被应用到信号处理的许多方面,如非平稳信号分析,信号编码、识别与信号去噪,压缩感知,盲源分离等。信号稀疏表示方向的研究热点主要集中在稀硫分解算法、过完备原子字典和稀硫表示的应用等方面。本书在介绍国内外该研究方向研究进展的基础上,重点介绍了作者在稀疏分解快速算法、色散原子字典,稀疏表示在线性调频信号参数估计以及电磁兼容测试信号处理等方面的研究成果。本书可供从事信号与信息处理信号表示、非平稳信号分析等方面工作的科研工作人员和研究生学习、研究使用图书在版编目CIP)数据信号稀疏表示理论及其应用/郭金库等著,一北京:科学出版社2013IsBN978-7-03-038209-2Ⅰ.信…Ⅱ郭…Ⅲ.信号处理Ⅳ.TN91.7中国版本图书馆CP数据核字(2013)第171727号责任編辑:魏英杰杨向萍/责任校对:桂伟利责任印制:张倩/封面设计:陈敬荦幽社出版北京东黄城根北街16号邮政编码:10717http://www.sciencep,com此象通州皇家印刺厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销2013年7月第一版开本:720×1000B52013年7月第一次印刷印张:91/4字数:176000定价:50.00元(如有印装质量问题,我社负责调换(科印〉)前言信号稀疏表示是过去近20年来信号处理界一个非常引人关注的硏究领域,众多硏究论文和专题研讨会表明了该领域的蓬勃发展。信号稀疏表示的目的就是在给定的过完备字典中用尽可能少的原子来表示信号,可以获得信号更为简洁的表示方式,从而使我们更容易地获取信号中所蕴含的信息,更方便进一步对信号进行加工处理,如压缩、编码等。信号稀疏表示方向的研究热点主要集中在稀疏分解算法、过完备原子字典和稀疏表示的应用等方面。本书在介绍国内外该方向研究进展的基础上,重点介绍作者在稀疏分解快速算法、色散原子字典及稀疏表示在线性调频信号参数估计等方面的研究成果。全书共分为6章。第1章为绪论,在回顾传统的非平稳信号分析方法的基础上引出信号稀疏表示的基本思想,并介绍稀疏表示理论的发展历程和研究现状。第2章首先给岀稀疏逼近和稀疏表示的定义,然后简要介绍常用的稀疏分解算法和时频原子字典,最后介绍一种利用稀疏表示结果构造的时频分布。第3章利用 Gabor原子特点,构造一种随信号或分解残留信号自适应变化的 Gabor子字典,提出基于自适应 Gabor子字典的匹配追踪算法并证明了算法的收敛性。进一步,基于离散自适应 Gabor子字典提出相应的匹配追踪快速算法并分析了计算复杂度。最后利用数值实验结果验证了提出的方法与传统的匹配追踪算法具有相同的计算精度。第4章为了描述色散信号,利用色散关系或者近似色散关系设计出能够描述色散特性的原子,并构造色散原子字典。针对类似色散原子这种瞬时频率随时间非线性变化的时频原子,给出一种非负、无交叉项的能量时频分布。第5章研究信号稀疏表示在线性调频信号的参数估计及线性时不变系统辨识中的应用。第6章探讨信号稀疏表示在电磁兼容现场测试信号处理方面的应用。本书的很多研究成果是在清华大学自动化系邹红星教授的指导和信号稀疏表示理论及其应用帮助下完成的,这为本书的写作打下了坚实的基础。同时,第二炮兵工程大学的领导也一直关心和支持作者的课题研究,尤其是本书的出版得到了第二炮兵工程大学控制工程系的直接支持和帮助。在本书出版之际谨向他们表示衷心的感谢!另外,借此杋会特别感谢第二炮兵工程大学控制工程系以及清华大学自动化系的周志杰、苏娟、郜震宵、杨晓君、王榕、马竞伟、俞力杰、刘冰、汪洪桥、胡来红、孙振生、席建祥等老师和同学的帮助。本书的出版得到了国家自然科学基金项目(61201120)、中国博士后科学基金(2012M521904)和第二炮兵工程大学创新性探索项目的资助。作者2年6月目录前言第1章绪论1.1非平稳信号分析方法·1.2基于基分解的线性时频表示1.2.1傅里叶变换1.2.2短时傅里叶变换………1124561.2.3小波变换1.2.4基分解的不足·1.3经典的时频分布101.3.1 Wigner- ville分布……101.3.2 Cohen类时频分布……1.4稀疏表示方法121.4.1稀疏的就是更优的121.4.2稀疏表示理论的发展141.4.3稀疏表示的应用………………………191.5本书的结构安排……21第2章信号的稀疏表示…222.1稀疏逼近与稀疏表示222.2常用的稀疏分解算法242.2.1框架算法………252.2.2匹配追踪算法262.2.3基追踪算法262.2.4稀疏分解算法的信号精确重构条件∵272.3时频原子字典…………………282.3.1 Gabor原子字典…282.3.2 Chirplet字典………………………29信号稀疏表示理论及其应用2.3.3 FMm let字典………292.3.4 Dopplerlet字典302.4稀疏表示与时频分布…302.5本章小结…34第3章自适应 Gabor子字典的匹配追踪算法363.Ⅰ稀疏分解与匹配追踪算法363.1.1基本的匹配追踪算法………………363.1.2正交匹配追踪算法……383.1.3匹配追踪算法的计算和存储瓶颈……403.2自适应 Gabor子字典…………443.3自适应子字典的匹配追踪算法收敛性493.4离散自适应子字典的匹配追踪快速算法3.5算法验证与实验…603.6应用GPU实现的匹配追踪算法…633.7本章小结··67第4章基于色散原子字典的信号稀疏表示…684.1稀疏表示与原子字典…694.2色散原子字典……………724.2.1稳态相位法4.2.2初始波形及色散原子734.2.3色散原子字典的构造754.2.4基于色散原子字典的稀疏表示…………764.3非负的无交叉项时频分布…804.3.1时频半仿射平面…804.3.2色散原子的非负、无交叉项的时频分布…834.4应用854.5本章小结…88第5章稀疏表示在线性调频信号参数估计及线性时不变系统辨识中的应用895.1基于稀疏信息的线性调频信号参数估计…895.1.1线性调频信号的参数估计89目录5.1.2线性调频率估计·955.1.3初始频率与结束频率估计985.1.4实验结果1005.1.5讨论1055.2稀疏分解在系统辨识中的应用…1065.2.1基于互功率谱的线性时不变系统辨识………1065.2.2匹配追踪算法的降噪原理1085.2.3利用稀疏分解进行线性时不变系统辨识1095.3本章小结…112第6章基于稀疏表示的电磁兼容测试信号处理技术………1136.1现阶段电磁兼容现场测试信号处理面临的难题…………1136.2国内外研究现状…1146.3稀疏表示在电磁兼容测试信号处理中的优势以及待解决的问题117参考文献119附录:自适应子字典的匹配追踪算法参考程序……133第1章绪论1.1非平稳信号分析方法信号的傅里叶变换和反变换实现了信号在时域和频域內的相互转换。傅里叶变换将信号分解为不同频率分量的线性组合,其结果可以告诉我们信号是由多少个正弦波叠加而成,以及相对的幅度。由于不能给出关于这些频率分量何时出现与何时消亡的时变信息,因此傅里叶变换比较适用于分析频率成分不随时间变化的平稳信号。但是,人们发现众多的实际信号却具有明显的非平稳特征。信号的平稳性或非平稳性主要是根据信号的统计量特征来衡量。常用的统计量包括均值(一阶统计量)、相关函数与功率谱密度(二阶统计量),以及高阶矩与高阶谱等(高阶统计量)。若信号的联合分布函数相对于时间是不变的,即信号的各阶统计量与时间无关,则称信号是平稳信号。若信号某阶统计量随时间变化,则称信号为非平稳信号或者时变信号,2。现实世界中存在着各种频率随时间变化的信号,如人类的声音、动物的叫声雷达和声呐信号、生物医学信号等。这些信号都是典型的非平稳信号,它们共同的特点都是持续时间有限,并且自相关函数或功率谱密度是随时间变化的。当研究和处理非平稳信号时,传统的傅里叶变换不能提供对信号频谱时变特征的有效分析和处理,也就是说,频谱和功率谱并不能清楚地描述信号的某个频率分量出现的具体时间及变化趋势。非平稳信号分析与处理是现代信号处理的一个重要研究内容和发展方向,在通信、雷达、信息对抗、自动控制、模式识别、水声、地震勘测和生物医学工程等领域有着广泛应用24。非平稳信号分析方法可以分为线性时频表示、非线性时频分布和信号的稀疏表示(图1-1)。假设信号为几个分量信号的线性组合,如果信号的时频表示也可以表示为这几个分量时频表示的相同线性组合,则这种时频表示称为线性时频表示;否则,称为非线性时频表示,2。传统意义上的线性时频表示通
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企业级的网络设计方案的规划与测试
中海工业（江苏）有限公司作为一个大型的造船业基地，负责船舶工业的各项任务，而各项任务作为一个整体又需要各种数据信息的交流整合，因此公司的信息化建设是对于各项业务正常稳定进行的通讯保证，信息化网络的设计必须充分考虑到数字化使用和智能化管理的要求，遵循功能性、实用性、兼容性、前瞻性、安全性、扩展性和经济性的原则。素,并对大型企计算机企业网的建设提出了相应的方法和策略。在总结以往网络设计方案的基础上,提出了一种基于交换机组网模式和路由器组网模式相结合的网络设计方案,通过对核心层网络设计、汇聚层网络设计和接入层网络设计的方案设计的总结,使得网络设计方案能够将两个地域上分开的部分,采用通过各自的核心交换机连接的方式,保证线路和设备接口的稳定,并且保证数据能安全和可靠地传输。在计算机和通信內络系统的结构设计攴网络规划设计时,常常要进行大量的仿真分析,本文介绍的就是一种先进的网络仿真软件OPNET。文中介绍了 OPNET的组成、特点及其网络仿真的方法与步骤,并且给出了 OPNET在局域网规划和设计中的应用企业网,网络规划和设计,络仿真, OPNET第页第页第页附件四上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名;支训口期:208年2月必日附件五上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密口,在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密M(请在以上方框内打学位论文作者签名,士X指导教师签名:龙多日期:208年10月28日日期>1年0月28为适应企业信息化的发展,满足日益增长的通讯需求和网络的稳定运行,如今的大型企业网络建设比传统企业网络建设提出更高的要求,主要表现在如下几个方间:)现代大型企业网络需要高带宽和高性能,以满足企业员工工日益增长的通讯需求。随着计算机技术的多样化发展,基于网络的各种应用日益增多,如今的企业网络已经发展成为一个多业务载平台,它不仅要继续承载企业的办公自动化和浏览等简单的数据业务,还要承载涉及个业生产运营的各种业务应用系统数据,以及带宽和时延都要求很高的电话、视频会议等多媒体业务,因此数据流量将大大增加,尤其是对核心网络的数据交换能力提出前所未有的要求)现代大型企业网终需要更高的可靠性和实时性,用以保障企业生产运营的止常进行。随着企业各种业务需要在计算机网络上进行操作,如何保障企业网络无屮断运行已经成为保证企业正常的生产运营的关键。现代人型企业网络在可靠性设计方面主要应从三方面考虑:首先是设备级可靠性设计,这里不仅要考察网络设备是否实现了关键部件的冗余备份,还要从网络设备整体设计架构、处理引擎种类笭多方面去考察;其次是业务的可靠性设计,这里要注意网络设备在故障倒换过程中是香对业务的正常运行有影响;再次是链路的可靠性设计,以人网的链路安仝来自于它的多路径选择,所以在企业网络建设时要考虑网络设备是否能够提供冇效的链路自愈手段和快速重路由协议的支持现代大型企业网络需要提供完善的端到端保障,以满足企业网多业务承载的需求。大型企业网络承载业务的不断增多,单纯的提高带宽并不能够有效的保縫数据交换的畅通无阻,所以如今的大型企业网络建设必须要考虑到网络应能够智能的识別应用事件的紧急和重要程度,如视频、音频、数据流,同时能够调度网终中的资源,保证重要和紧急业务的带宽、时延、优先级和无阻塞的传送,实现对业务的合理调度才是一个大型企业网络提供高效实用服务的保障。)现代大犁企业网络应提供更完善的网络安全解决方案,以阻击病毒和黑客的攻击,减少企业的经济损失传统个业网络的安全措施主要是通过部署防火墙、、杀毒软件以及配合交换机或路由器的访问列表来实现对于病毒和黑客攻击的防御,但实践证明这些第页被动的防御措施并不能有效的解决企业网络的全问题。在企业网络已经成为公司生产运营的重要组成部分的今天,现代企业网络必须要有一整套从用户接入控制,病毒报文识别到主动抑制的一系列安全控制于段,才能有效的保证企业网终的稳定运行。网络设计人员通常有能力创建出一个符合要求的企业网络,但当问题出现的时候,他们却不能采用构建网络时的思维来解决这些问题。每一次对网络的升级、打补」以及修改都会进一步增加网络的复杂性。这些问题可能导致网络难以被人理解,也不易于故障排除。随着时间的推移,可能导致网络不如预期的那样运行良好,随着网络规模的不断增长而不能很好的扩展,并且不能达到客户的需求解决这一问题的方法就是采用规范化、系统化的于段来构建企业网络。自顶向下的网络设计采用了结构化系统分析的思想。结构化系统分析的主要目标是能够更准确的描述用户需求,但在实际工作中,用户的需求常常被设计人员忽略或理解错误。另一个目标是将项目分解成更易被维护与修改的模块,使其便于管理。结构化系统分析有下列特性网络按照自顶向下的顺序设计。在设计期间,现有的许多技术和模型可以被用来刻划现有的系统、新的用户需求和将来的系统结构等特征。●理解薮据流量、数据类型以及能够访问或修改数据的进程。理解企业屮各阶层用户的定位和需求。●逻辑模型必须在物理模型之前被开发岀来。逻辑模型描述了功能划分和系统结构的基本组成模块。物理模型描述了设备的特定的技术和实现。对亍大型的网络设计项目,模块化显得十分必要。设计应该依功能划分,从而使项目更容易管理。在本文中,网络设计主要分成四个阶段,并以周而复始的方式执行1)需求分析。在这个阶段内,网终分析人员通过与用户和技术人员当面交流来获取对于新的或升级系统所需的商业和技术目标的一种理解。然后归纳岀当前网络的状况,包括逻辑和物理拓扑结构以及网络性能。这个阶段的最后一步是分析现在和将来的网络通信量,包括流量以及负载、协议行为和服务质量(QoS)的要求。2)逻辑设计。这个阶段需要设计新的或者升级网络的逻辑拓扑结构,网络层的编址,命名,交换机路由选择协议。逻辑设计也包括安全规划,网络管理设计,以及对服务提供商能够满足的广域网和远程访问的需求作初步调查。3)物理设计。在物理设计阶段,实垗逻辑设计的具体的技术和产品被选择第页出来。此外,在逻辑设计阶段开始对服务提供商的调查,必须在这个阶段完成。4)测试、优化、和记录文档。自顶向下网络设计的最后步骤是编写和实施测试计划,建造一个原型或者试验环境,优化网络设计,把所有网终设计的提议以及工作进程绘制成文档。当用户反馈的网络监测建议对网络加以提高或者需要增加新的应用时,这些主要网络设计阶段将不断周而复始地运行。图1-1显示了网络设计和实施循环周期。分析需求监测优化逻车设计网络性能实施及测试网终物埋设计测试,优化并记录设计图1-1网络设计和实施循环周期首先,作为该工程项目的参与人员之一,在阅读了大量企业网设计与规划方面的资料与文献后,逐渐认清了目前我国大型企业网络建设的研究背景及研究意义,然后和导师及同事们分析探讨了影响大型企业计算机企业网建设的主要因素,并对大型企业计算机企业网的建设提出了相应的方法和策略,在整个设计过程中釆用结构化的网络设计方法,将这个设计过程分为需求分析、逻辑设计、物理设计、测试等四步骤。其次,这个项目的客户是一家船舶制造单位,在详细研究了客户的招标文件中技术方的需求后,根据其业务流程表现出了其特定的网络建设的需求,我方在和客户充分的交流后,将客户的技术需求转化为各项网络技术目标,并得到了客户的认可再次,多次实地考察,结合实际情况和客户的需要,提出适合于该企业的组网模式,兼顾网络性能、安仝性、可管理性、可扩展性以及成本控制。在总结以往网络设计方案的基础上,提出了一种基于交换机组网模式和路由器组网模式相结合的网络设计方案,通过对核心层网络设计、汇聚层网络设计和接入层网络设第页
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