MATLAB在物理與工程技術(shù)中的應(yīng)用研究.doc

學(xué)號(hào) 20070601050103 密級(jí)_ 蘭州城市學(xué)院本科畢業(yè)論文 MATLAB在物理與工程技術(shù)中的應(yīng)用研究基于MATLAB的反饋式自適應(yīng)噪聲抵消器的仿真學(xué) 院 名 稱(chēng)：培黎工程技術(shù)學(xué)院專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng)：物理學(xué)學(xué) 生 姓 名：陳鵬指 導(dǎo) 教 師：王恩涌 教授 二一一年四月 BACHELORS DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITY Application of MATLAB in physics and Engineering of TechnologySimulate of adaptive noise canceller based on MATLABCollege ：School of Belie Engineering & TechnologySubject ：PhysicsName ：Chen PengDirected by ：Professor Wang EnYong April，2011 鄭 重 聲 明 本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。 本人簽名： 日期： 摘 要 在電子技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，人們對(duì)電子通信的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了普及水平。隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸要求的提高，這就要求數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)距離、大容量、高質(zhì)量地傳輸。然而在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中，噪聲是不可避免的。這就需要我們對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)處理來(lái)抵消信號(hào)的畸變。自適應(yīng)噪聲抵消（Adaptive Noise Cancellation ，ANC）是指從信號(hào)被噪聲干擾所淹沒(méi)的環(huán)境中檢測(cè)和提取有用信號(hào)。應(yīng)用自適應(yīng)噪聲抵消,可在未知外界干擾源特征、 傳遞途徑不斷變化、背景噪聲和被測(cè)對(duì)象信號(hào)相似的情況下, 有效地消除外界噪聲的干擾, 提高信號(hào)傳輸中的信噪比。MATLAB被稱(chēng)為科學(xué)家和工程師的語(yǔ)言，利用MATLAB強(qiáng)大的矩陣計(jì)算、作圖及仿真功能可以求解許多復(fù)雜的問(wèn)題。本文通過(guò)MATLAB仿真，采用反饋式自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)，從一種被噪聲污染了的信號(hào)中提取有用信號(hào)。結(jié)果表明,該方法具有良好的消噪能力,突破了以往前饋?zhàn)赃m應(yīng)噪聲抵消技術(shù)的限制,具有可使消噪效果隨環(huán)境噪聲的位置改變而增強(qiáng)的作用的優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：MATLAB； 仿真； 自適應(yīng)噪聲抵消 ABSTRACT In todays highly developed electronic technology, the applications of electronic communications that people have reached a universal level. With the increasing demand for data transmission, which requires data to remote, high-capacity, high-quality transmission. However, in the process of signal transmission, noise generation is inevitable. This requires us to process the signal through the signal processing to offset the distortion.Adaptive noise cancellation (Adaptive Noise Cancellation, ANC) is the noise from the signal is overwhelmed by the environment to detect and extract the useful signal, and it is a typical application of adaptive filter too. Adaptive noise cancellation, the unknown external sources of interference in the characteristics of transmission channels are constantly changing, the background noise and the measured object signal similar circumstances, effectively eliminate the interference of outside noise, and improve signal transmission in the SNR.MATLAB is known as the language of scientists and engineers using MATLAB powerful matrix calculation, mapping and simulation capabilities can solve many complex problems. In this paper, MATLAB simulation analysis using adaptive noise cancellation technology feedback from a signal contaminated by noise in the process of extracting useful signal, the results show that the method has a good ability to eliminate noise, breaking the previous feed forward adaptive noise offset the technical limitations, with noise cancellation effect can position changes with the ambient noise and enhanced role.Key words: MATLAB； simulation； ANC 目 錄第1章緒論11.1 通信的發(fā)展和現(xiàn)狀11.2通信噪聲的產(chǎn)生及常用解決方案2121 通信系統(tǒng)中的噪聲及其分類(lèi)2122 通信噪聲常用解決方案31.3 MATLAB仿真簡(jiǎn)介3第2章反饋型自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)52.1反饋式自適應(yīng)噪聲抵消（Adaptive Noise Cancellation ，ANC）概述52.1.1自適應(yīng)噪聲抵消器的原理52.2反饋型ANC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法6第3章利用MATLAB對(duì)反饋式ANC進(jìn)行仿真83.1數(shù)學(xué)模型的建立83.2系統(tǒng)仿真與分析83.3步長(zhǎng)因子對(duì)仿真性能的影響分析10結(jié)論11參考文獻(xiàn)12致謝13附錄14第1章 緒論 1.1 通信的發(fā)展和現(xiàn)狀通信是一個(gè)古老而嶄新的話(huà)題。其根源可追溯到公元前3500年，蘇美爾人發(fā)明了楔形文字，埃及人發(fā)明了象形文字，這可以說(shuō)是最古老的通信方式。而中國(guó)古代的烽火臺(tái)和非洲一些地方的“擊鼓傳信”則是無(wú)線(xiàn)通信的鼻祖?，F(xiàn)代意義上的通信是在發(fā)現(xiàn)了電流之后，1793年，法國(guó)查佩兄弟倆在巴黎和里爾之間架設(shè)了一條230千米長(zhǎng)的接力方式傳送信息的托架式線(xiàn)路。據(jù)說(shuō)兩兄弟是第一個(gè)使用“電報(bào)”這個(gè)詞的人?，F(xiàn)代意義上的無(wú)線(xiàn)通信是從莫爾斯開(kāi)始，1843年，莫爾斯獲得了3萬(wàn)美元的資助，他用這筆款修建成了從華盛頓到巴爾的摩的電報(bào)線(xiàn)路，全長(zhǎng)64.4公里。1844年5月24日，在座無(wú)虛席的國(guó)會(huì)大廈里，莫爾斯用他那激動(dòng)得有些顫抖的雙手，操縱著他傾十余年心血研制成功的電報(bào)機(jī)，向巴爾的摩發(fā)出了人類(lèi)歷史上的第一份電報(bào):“上帝創(chuàng)造了何等奇跡！”。再回到現(xiàn)在的公元2005年，通信產(chǎn)業(yè)更有強(qiáng)勁的生命力，依然處在蓬勃發(fā)展階段之中。各種新的技術(shù)日新月異，層出不窮。現(xiàn)代的通信一般分為以下幾類(lèi)： 1、數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信是依照一定的協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在兩個(gè)終端之間傳遞數(shù)據(jù)信息的一種通信方式和通信業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)通信可以說(shuō)已經(jīng)深入到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，電子郵件，瀏覽網(wǎng)頁(yè)，在線(xiàn)電影都可以歸結(jié)為數(shù)據(jù)通信。2、互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)是在分組交換的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，數(shù)據(jù)通信隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而廣泛應(yīng)用。中國(guó)是在1994年接入互聯(lián)網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展與普及徹底改變了人們的生活習(xí)慣，產(chǎn)生了新的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式，像電一樣成為人們生活的一種重要資源，沒(méi)有它，人們會(huì)感到無(wú)所適從。3、無(wú)線(xiàn)通信無(wú)線(xiàn)通信中目前最熱門(mén)的兩個(gè)方向是3G和WiFi/WiMax。3G是一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，必須有運(yùn)營(yíng)商、內(nèi)容服務(wù)提供商協(xié)同起來(lái)，才能共同發(fā)展。這一產(chǎn)業(yè)合作將拉動(dòng)整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)，還會(huì)對(duì)娛樂(lè)業(yè)、傳媒業(yè)帶來(lái)革命性的變化。WiMax通過(guò)基站實(shí)現(xiàn)Internet骨干網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)用戶(hù)之間的數(shù)據(jù)傳送，是采用無(wú)線(xiàn)接入方式代替有線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)最后一公里的無(wú)線(xiàn)寬帶接入技術(shù)。WiMax數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)高于3G，可達(dá)70Mbps；以數(shù)據(jù)傳輸為主并可以支持語(yǔ)音、圖像等多種實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)；將來(lái)還可能具有一定范圍的移動(dòng)性和漫游。4、光通信光通信作為整個(gè)通信網(wǎng)體系中的最低層傳輸層，在最近20年，經(jīng)歷了三種傳輸介質(zhì)：鐵線(xiàn)、銅纜和光纖。隨著社會(huì)的進(jìn)步和人們對(duì)通信服務(wù)質(zhì)量期望的不斷提高，鐵線(xiàn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)在通信的發(fā)展，早早地退出了歷史的舞臺(tái)。銅纜由于其自身的固有缺點(diǎn)，也逐步被淘汰。光通信經(jīng)過(guò)了前幾年的低谷以后，現(xiàn)在正處于一個(gè)艱難的上升階段，很多學(xué)者也紛紛看好未來(lái)幾年內(nèi)光通信的發(fā)展，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為光通信現(xiàn)在正在遵循一條正確的道路在發(fā)展。1.2通信噪聲的產(chǎn)生及常用解決方案信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，噪聲的產(chǎn)生是不可避免的。這就需要我們對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，濾除信號(hào)中的雜波，通過(guò)處理來(lái)抵消信號(hào)的畸變。噪聲是客觀存在的，它對(duì)有用信號(hào)構(gòu)成干擾和威脅，是限制接收系統(tǒng)獲得最大靈敏度的主要障礙。設(shè)法減少噪聲極為重要。121 通信系統(tǒng)中的噪聲及其分類(lèi)通信系統(tǒng)中的噪聲是一種不攜帶有用信息的電信號(hào)，是對(duì)有用信號(hào)以外的一切信號(hào)的統(tǒng)稱(chēng)。也可理解為通信系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)有影響的所有干擾的集合。根據(jù)噪聲的來(lái)源不同，可以分為：無(wú)線(xiàn)電噪聲、工業(yè)噪聲、天電噪聲、內(nèi)部噪聲。 無(wú)線(xiàn)電噪聲。它來(lái)源于各種用途的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)。這類(lèi)噪聲的頻率范圍很寬廣，從甚低頻到特高頻都可能有無(wú)線(xiàn)電干擾存在，并且干擾的強(qiáng)度有時(shí)很大。但它有個(gè)特點(diǎn)，即干擾頻率是固定的，因此可以預(yù)先設(shè)法防止。 工業(yè)噪聲。它來(lái)源于各種電氣設(shè)備，如電力線(xiàn)、點(diǎn)火系統(tǒng)、電車(chē)、電源開(kāi)關(guān)、電力鐵道、高頻電爐等。這類(lèi)噪聲的特點(diǎn)是干擾頻譜集中于較低的頻率范圍，例如幾十兆赫茲以?xún)?nèi)。因此，選擇高于這個(gè)頻段工作的信道就可以防止受到它的干擾。 天電噪聲。它來(lái)源于雷電、磁暴、太陽(yáng)黑子以及宇宙射線(xiàn)等?？梢哉f(shuō)整個(gè)宇宙空間都是產(chǎn)生這類(lèi)噪聲的根源，由于這類(lèi)自然現(xiàn)象與發(fā)生的時(shí)間、季節(jié)、地區(qū)等有關(guān)系，因此受天電干擾的影響也是大小不同的。 內(nèi)部噪聲。它來(lái)源于信道本身所包含的各種電子器件、轉(zhuǎn)換器以及天線(xiàn)或傳輸線(xiàn)等。例如，電阻及各種導(dǎo)體都會(huì)在分子熱運(yùn)動(dòng)的影響下產(chǎn)生熱噪聲，電子管或晶體管等電子器件會(huì)由于電子發(fā)射不均勻等產(chǎn)生器件噪聲。這類(lèi)干擾的特點(diǎn)是由無(wú)數(shù)個(gè)自由電子作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)所形成的，因此它的波形也是不規(guī)則變化的，在示波器上觀察就像一堆雜亂無(wú)章的茅草一樣，通常稱(chēng)之為起伏噪聲。122 通信噪聲常用解決方案通常我們可以使用濾波器將有效信號(hào)中的噪聲部分予以濾除。濾波器是指執(zhí)行信號(hào)處理功能的電子系統(tǒng)，它專(zhuān)門(mén)用于去除信號(hào)中不想要的成分或者增強(qiáng)所需成分。為消除外部噪聲(如人為噪聲)，必須嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)噪聲的環(huán)境保護(hù)和頻率管理法規(guī)，采用高穩(wěn)定度的頻率源和優(yōu)質(zhì)電子器件，對(duì)高頻設(shè)備加強(qiáng)屏蔽和電源濾波等；為消除內(nèi)部噪聲，常采用工作在非常低的溫度條件下的其他類(lèi)型低噪聲放大器作為接收系統(tǒng)的第一級(jí)放大，或采用減小饋線(xiàn)損耗等辦法。外部噪聲數(shù)據(jù)也是無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的重要環(huán)境參數(shù)。數(shù)字濾波器是一個(gè)計(jì)算程序或算法，它將代表輸入信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為代表輸出信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列，并在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)，用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾、檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)等處理，在通信、圖像、語(yǔ)音、雷達(dá)等許多領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。尤其在圖像處理、數(shù)據(jù)壓縮等方面取得了令人矚目的進(jìn)展和成就。鑒于此，數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。數(shù)字濾波器有多種分類(lèi)，根據(jù)沖激響應(yīng)的時(shí)域特征，可將其分為無(wú)限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(IIR)濾波器和有限長(zhǎng)響應(yīng)(FIR)濾波器。FIR數(shù)字濾波器具有無(wú)限寬的沖激響應(yīng)。FIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)是有限長(zhǎng)序列，F(xiàn)IR濾波器由于不具備FIR濾波器所固有的穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)方法的簡(jiǎn)單性，所以一般不使用。MATLAB所有濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)都將返回一個(gè)FIR濾波器。FIR數(shù)字濾波器具有描述方便、系統(tǒng)總是穩(wěn)定的、易于實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性相位等特點(diǎn)。1.3 MATLAB仿真簡(jiǎn)介在工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般通過(guò)對(duì)采集的一些外部數(shù)據(jù)(如電壓、溫度、壓力等)進(jìn)行信號(hào)參數(shù)分析后，開(kāi)展相應(yīng)的處理。所采集數(shù)據(jù)的正確性，決定了系統(tǒng)能否按照設(shè)計(jì)意圖，進(jìn)行正確的控制。MATLAB是美國(guó)Math Works公司開(kāi)發(fā)的一種功能極其強(qiáng)大的高技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和內(nèi)容極其豐富的軟件庫(kù)。它以矩陣和向量的運(yùn)算以及運(yùn)算結(jié)果的可視化為基礎(chǔ)，把廣泛應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理、圖形及圖像處理、建模與仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)便于用戶(hù)使用的交互式環(huán)境之中，比如在高等院校，MATLAB已經(jīng)成為學(xué)習(xí)數(shù)值分析、線(xiàn)性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)序序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、現(xiàn)代通信原理等課程的基本教學(xué)工具。它提供了一整套模擬、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)命令和運(yùn)算函數(shù)，方便準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單易行，使得設(shè)計(jì)人員除了可按上述傳統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟快速地進(jìn)行較復(fù)雜高階選頻濾波器的計(jì)算、分析外，還可通過(guò)濾型變換法直接進(jìn)行各種典型數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，即應(yīng)用MATLAB設(shè)計(jì)工具從模擬原型直接變換成滿(mǎn)足原定頻域指標(biāo)要求的數(shù)字濾波器。此外，MATLAB軟件還提供了強(qiáng)大的數(shù)字濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。即預(yù)先確定一種最佳設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，然后直接求得在該準(zhǔn)則下濾波器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。這種最優(yōu)設(shè)計(jì)方法可方便用于任意幅頻特性要求的濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。Simulink是MATLAB的重要組成部分，它提供圖形用戶(hù)界面。用戶(hù)可以用鼠標(biāo)操作，從模塊庫(kù)中調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模塊，將它們適當(dāng)?shù)剡B接起來(lái)以構(gòu)成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，并且用各模塊的參數(shù)對(duì)話(huà)框?yàn)橄到y(tǒng)中各模塊設(shè)置參數(shù)。當(dāng)各模塊的參數(shù)設(shè)置完成后，即建立起該系統(tǒng)的模型。模型建立完成后，選擇仿真參數(shù)和仿真算法，便可以啟動(dòng)仿真程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行仿真。這個(gè)操作既可以用仿真菜單，也能使用MATLAB命令實(shí)現(xiàn)。菜單對(duì)交互式運(yùn)行特別方便，而命令方式適合用于一系列仿真。利用simulink仿真時(shí)的一般步驟為：1、 找到相應(yīng)的元件，并將其拖入到仿真界面的適當(dāng)位置2、 設(shè)置各元件的參數(shù)3、 點(diǎn)擊仿真按鈕，進(jìn)行仿真第2章 反饋型自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)2.1反饋式自適應(yīng)噪聲抵消（Adaptive Noise Cancellation ，ANC）概述自適應(yīng)濾波是指從信號(hào)被噪聲干擾所淹沒(méi)的環(huán)境中檢測(cè)和提取有用信號(hào), 而自適應(yīng)噪聲抵消是自適應(yīng)濾波器的典型應(yīng)用。它是一種能夠消除背景噪聲影響的信號(hào)處理技術(shù)。應(yīng)用自適應(yīng)噪聲抵消, 可在未知外界干擾源特征、傳遞途徑不斷變化、背景噪聲和被測(cè)對(duì)象信號(hào)相似的情況下, 有效地消除外界噪聲的干擾, 提高信號(hào)傳輸中的信噪比。自問(wèn)世以來(lái), 自適應(yīng)噪聲抵消已在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了采用反饋式自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)從一種被噪聲污染了的信號(hào)中提取有用信號(hào)的過(guò)程, MATLAB仿真結(jié)果表明, 該方法具有良好的消噪能力, 突破了以往前饋?zhàn)赃m應(yīng)噪聲抵消技術(shù)的限制, 具有可使消噪效果隨環(huán)境噪聲的位置改變而增強(qiáng)的作用。2.1.1自適應(yīng)噪聲抵消器的原理2.1.1.1 自適應(yīng)濾波器的原理自適應(yīng)濾波器的原理框圖如圖1所示：-+自適應(yīng)濾波器圖1 自適應(yīng)濾波器原理框圖圖中，表示時(shí)刻的輸入信號(hào)，表示時(shí)刻的輸出信號(hào)，表示時(shí)刻的參考信號(hào)或期望響應(yīng)信號(hào)，表示時(shí)刻的誤差信號(hào)。誤差信號(hào)為期望響應(yīng)信號(hào)與輸出信號(hào)之差，記為。自適應(yīng)濾波器的系統(tǒng)參數(shù)受誤差信號(hào)控制，并根據(jù)的值而自動(dòng)調(diào)整，使之適合下一時(shí)刻的輸入，以使輸出信號(hào)更加接近期望信號(hào)，并使誤差信號(hào)進(jìn)一步減小。2.1.1.2自適應(yīng)噪聲抵消器原理(ANC)反饋式自適應(yīng)噪聲抵消器原理(ANC)的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示，濾波器輸出系統(tǒng)輸出+參考輸入通道-信號(hào)源E噪聲源自適應(yīng)濾波器主輸入通道圖2 自適應(yīng)噪聲抵消器的原理結(jié)構(gòu)圖反饋式自適應(yīng)噪聲抵消器核心部分是自適應(yīng)濾波器，它有兩個(gè)信號(hào)輸入通道，一個(gè)被稱(chēng)為主輸入通道，一個(gè)被稱(chēng)為參考輸入通道。主輸入通道接收從信號(hào)源發(fā)來(lái)的信號(hào)，但圖2 自適應(yīng)噪聲抵消器的原理結(jié)構(gòu)框圖是受到噪聲源的干擾，收到噪聲。參考輸入通道的參考信號(hào)為一個(gè)與有用信號(hào)無(wú)關(guān)的但與相關(guān)的噪聲信號(hào)。主輸入中含有待抵消的加性噪聲，參考輸人對(duì)準(zhǔn)主輸入中的噪聲。利用兩輸入噪聲的相關(guān)性和信號(hào)與噪聲的獨(dú)立性，使參考輸入通過(guò)自適應(yīng)濾波器與主輸入中噪聲分量逼近并相減，輸出誤差信號(hào)，即，自適應(yīng)濾波器算法決定濾波器對(duì)參考信號(hào)的處理，使得濾波器的輸出盡可能的逼近主輸入中的干擾成分。因此，在最佳準(zhǔn)則意義下濾波器的輸出逼近等效于系統(tǒng)輸出逼近，從而在自適應(yīng)噪聲抵消器(ANC)的輸出端大大提高了信噪比。2.2反饋型ANC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法根據(jù)自適應(yīng)算法的優(yōu)化準(zhǔn)則不同，自適應(yīng)濾波器算法大致可分為兩類(lèi)最基本的算法，即最小均方(LMS)算法和遞歸最小二乘(RLS)算法。LMS算法最核心的思想就是用平方誤差代替均方誤差，基本的LMS算法為：其中，和分別為迭代前后的系數(shù)值；和以為前后兩個(gè)時(shí)刻；，為濾波器階數(shù)；為收斂因子；為誤差信號(hào)；為輸入信號(hào)；為輸出信號(hào)。在自適應(yīng)濾波器的實(shí)際操作中，一個(gè)必須注意的問(wèn)題是自適應(yīng)步長(zhǎng)的選擇。由LMS迭代算法可知，欲使其收斂，則自適應(yīng)步長(zhǎng)的取值范圍為：自適應(yīng)時(shí)間常數(shù)和步長(zhǎng)的關(guān)系為：LMS算法的具體步驟如下：LMS算法基本上是一種遞推算法，它用任意選擇的的初始值作為開(kāi)始，然后將每一新的輸入樣本輸入到這個(gè)FIR自適應(yīng)濾波器中計(jì)算相應(yīng)的輸出，形成誤差信號(hào)，更新濾波器系數(shù)，這里的稱(chēng)為步長(zhǎng)，參數(shù)是輸入信號(hào)在時(shí)間位于濾波器的第個(gè)樣本，而是對(duì)第個(gè)濾波器系數(shù)的一個(gè)梯度負(fù)值的近似(估計(jì))。第3章 利用MATLAB對(duì)反饋式ANC進(jìn)行仿真3.1數(shù)學(xué)模型的建立為了驗(yàn)證基于LMS算法的反饋式自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和算法的正確性,本文采用MATLAB進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。在本實(shí)驗(yàn)中,為了簡(jiǎn)化處理過(guò)程，令所期望的輸出信號(hào)為正弦信號(hào), 噪聲干擾信號(hào)為Gauss噪聲, 。自適應(yīng)濾波器的設(shè)置為32階, 步長(zhǎng)0.002(具體原因見(jiàn)下節(jié))。反饋?zhàn)赃m應(yīng)噪聲抵消器系統(tǒng)模型圖3 反饋型ANC 系統(tǒng)模型圖3.2系統(tǒng)仿真與分析圖4為降噪前后各信號(hào)之間的比較。其中,從仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)域圖可以看出,反饋ANC系統(tǒng)起初誤差較大, 濾波器輸出波形幅度較小。隨著濾波器參數(shù)調(diào)整的收斂,誤差越來(lái)越小,相應(yīng)的濾波器輸出逐漸增長(zhǎng),最終成為與所期望的輸出信號(hào)一致的正弦信號(hào)。比較error與noise。在該系統(tǒng)中,反饋環(huán)的存在使得在混合信號(hào)進(jìn)入濾波器前就抵消了部分噪聲信號(hào), 即實(shí)際與正弦信號(hào)一起進(jìn)入濾波器的噪聲信號(hào)為。由于是負(fù)反饋, 所以要求,顯然。但由于負(fù)反饋的限制,過(guò)小時(shí)，系統(tǒng)性能達(dá)不到最優(yōu)；而過(guò)大時(shí)，則會(huì)引起自激。所以,信道的確定就成了關(guān)鍵因素,本設(shè)計(jì)取為0.1（經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真發(fā)現(xiàn)該值比較合適）。含噪聲音頻信號(hào) 含噪聲音頻信號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào) 輸出(a) 與的比較 (b) 與的比較圖a上下對(duì)比可發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與含噪聲的信號(hào)有很大區(qū)別，即有用信號(hào)完全被噪聲所淹沒(méi)；圖b上下對(duì)比可發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)與含噪聲的信號(hào)有很大區(qū)別，即該濾波處理有非常明顯的效果；標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào) 噪聲信號(hào)輸出 輸出誤差信號(hào)(c) 與的比較 (d) 與noise的比較圖c上下對(duì)比可發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)與預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)隨時(shí)間推移很快地接近，即該濾波器有很好的效果；圖d上下對(duì)比可發(fā)現(xiàn)噪聲信號(hào)與輸出誤差信號(hào)隨時(shí)間推移很快地接近，即該濾波器能很好地識(shí)別噪聲信號(hào)。圖4 降噪前后信號(hào)之間的比較圖MATLAB仿真代碼見(jiàn)附錄3.3步長(zhǎng)因子對(duì)仿真性能的影響分析下面分析一下步長(zhǎng)因子對(duì)仿真性能的影響,在其他參數(shù)設(shè)置與圖4相同的情況下,分別設(shè)置步長(zhǎng)L=0.001和L=0.01,仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。輸出圖5 當(dāng)L = 0. 001時(shí)仿真結(jié)果圖輸出圖6 當(dāng)L = 0. 01時(shí)仿真結(jié)果圖由圖4、圖5和圖6的仿真設(shè)置得到的結(jié)果可以看出:L越大,系統(tǒng)自適應(yīng)的過(guò)程越快,但是它引起的失調(diào)也就越大, 當(dāng)L大于1/Kmax時(shí),系統(tǒng)發(fā)散;L越小,系統(tǒng)越穩(wěn)定,失調(diào)越小,但自適應(yīng)的過(guò)程也就越長(zhǎng)。所以,基于LMS算法的ANC系統(tǒng)步長(zhǎng)的選擇應(yīng)從整個(gè)系統(tǒng)的要求出發(fā),L的選取必須在收斂速度和失調(diào)之間取得較好的折中（本文中取0.002）。結(jié)論根據(jù)以上實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:采用反饋式自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)能夠較好地抵消干擾噪聲,獲得有用信號(hào),輸出與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相減后的誤差為10- 3,顯然優(yōu)于在相同條件設(shè)置下前饋型系統(tǒng)的10e- 2。反饋式自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)對(duì)降噪技術(shù)中自適應(yīng)降噪的設(shè)計(jì)，以及研究各種新結(jié)構(gòu)和算法的自適應(yīng)消噪系統(tǒng)提供了有益幫助。但是,如何更好地利用反饋式自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)消除不同模式的干擾信號(hào),還需要進(jìn)行更深入的研究。在實(shí)際應(yīng)用中，還要注意參考信號(hào)與噪聲信號(hào)的相關(guān)性，相關(guān)性越大，自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的噪聲抵消效果越好。參考文獻(xiàn)1邱天爽，魏東興等.通信中的自適應(yīng)信號(hào)處理M.北京：電子工業(yè)出版社，2005。2田玉靜，左紅偉.自適應(yīng)噪聲抵消的應(yīng)用研究J.青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，26(1)