LMS算法的自適應(yīng)濾波器FPGA設(shè)計與實現(xiàn)

1、儀器儀表與分析監(jiān)測）年第期算法的自適應(yīng)濾波器設(shè)計與實現(xiàn)劉開健、吳光敏張海波（昆明理工大學理學院云南昆明；長江大學電子信息學院湖北荊州）摘要】文章文提出了一種基于現(xiàn)場可編程邏輯陣列器件（）的自適應(yīng)有限沖擊響應(yīng)（，）濾波器的設(shè)計方法。分析了最小均方誤差（瑚，）自適應(yīng)算法的基本原理，針對通用芯片實現(xiàn)的自適應(yīng)濾波器處理速度低和使用語言編寫底層代碼用，實現(xiàn)的自適應(yīng)濾波器開發(fā)效率低的缺點，提出了基于（）系統(tǒng)建模的方法。給出了不同步長因子對算法收斂性能的影響，該方法使設(shè)計簡單、靈活，省去繁重的編程過程，自動生成適合硬件要求的文件，硬件資源耗費少，提高了數(shù)字信號處理的速度。關(guān)鍵詞】自適應(yīng)濾波器；中圖分類號文獻

2、標志碼數(shù)字濾波是當今信息處理領(lǐng)域的一種極其重要的技術(shù)。自適應(yīng)濾波器是一種具有自我調(diào)整能力和跟蹤能力的現(xiàn)代濾波器，可根據(jù)被控制對象的時變性做出相應(yīng)的調(diào)整，做出滿足某種準則的要求，從而實現(xiàn)最優(yōu)濾波。因而自適應(yīng)濾波器較傳統(tǒng)的固定系數(shù)濾波器具有更高的性能，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，為數(shù)字濾波器的硬件實現(xiàn)開辟了更廣闊的領(lǐng)域。特別是在一些對信號處理的實時性要求比較高、體積功耗有嚴格限制的場合，使用硬件實現(xiàn)的數(shù)字濾波器更為廣泛，如通信、控制、雷達、圖像處理、石油勘探等，使用硬件構(gòu)成的數(shù)字濾波器就顯得更為經(jīng)濟。本文利用系統(tǒng)級建模和硬件實現(xiàn)的方法，實現(xiàn)數(shù)字的自適應(yīng)濾波器。濾波器原理和自適應(yīng)

3、濾波算法原理自適應(yīng)濾波器是指利用前一時刻的結(jié)果，自動調(diào)節(jié)當前時刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號和噪聲未知或隨機變化的特性，得到有效的輸出，主要由參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器和自適應(yīng)算法兩部分組成，如圖所示。一一圖自適應(yīng)濾波器原理框圖濾波器原理¨濾波器的基本結(jié)構(gòu)像一個分節(jié)的延時線，將各節(jié)的輸出加權(quán)累加，得到濾波器的輸出，數(shù)學差分表達式為：一（）（）（）五聾（忍一）（，）（）濾波器以其線性相位易實現(xiàn)性，可做多頻帶濾波器，穩(wěn)定性較高，易得到高速流水線式的設(shè)計，在實現(xiàn)任意幅頻特性的同時，保證嚴格的線性相位特性，在高保真的信號處理中得到廣泛應(yīng)用。自適應(yīng)濾波算法目前自適應(yīng)算法用得比較廣泛的有種基本算法：最小均

4、方誤差（）算法和遞推最乘（）算法。最早由和孵提出的最小均方誤差（）算法，以其計算量小、性能穩(wěn)定、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于實踐中，采用來實現(xiàn)，濾波算法是較理想的算法之一。其基本思想為：通過調(diào)整濾波器自身參數(shù)，使濾波器的輸出信號與期望輸出信號之間的均方誤差最小，并由它來修改權(quán)系數(shù)，使得系統(tǒng)輸出為有用信號的最佳估計。假設(shè)第時刻輸入信號為算（乃），輸出信號為（）；定義誤差信號（）是第，時刻輸入期望信號（，）與該時刻實際輸出信號（）之間的差值，即：（）（，）（）（）采用最速下降法的自適應(yīng)濾波系數(shù)為¨：算法的自適應(yīng)濾波器設(shè)計與實現(xiàn)劉開健“。等（）（）妒（）（）（）式中肛為自適應(yīng)步長也即收斂因

5、子，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)的收斂速度，通過調(diào)節(jié)系數(shù)，使（）均方誤差達到最小。自適應(yīng)濾波器的實現(xiàn)介紹是公司針對的信號處理開發(fā)的建模和設(shè)計工具，作為的一個工具箱出現(xiàn)。整個開發(fā)流程如圖所示，幾乎可以在同一環(huán)境中完成開發(fā)，真正實現(xiàn)了自頂向下的設(shè)計流程，包括系統(tǒng)的建模、系統(tǒng)級仿真、設(shè)計模型向硬件描述語言代碼的轉(zhuǎn)換、邏輯綜合、（）級功能仿真測試、編譯適配和布局布線、時序?qū)崟r仿真直至對目標器件的編程配置，整個設(shè)計流程將系統(tǒng)描述和硬件實現(xiàn)有機地融為二體，充分顯示了現(xiàn)代電子設(shè)計自動化開發(fā)的特點與優(yōu)勢。圖設(shè)計流程圖自適應(yīng)濾波器的實現(xiàn) 根據(jù)濾波器結(jié)構(gòu)和算法原理可見，自適應(yīng)濾波器主要由延遲模塊、乘法模塊、加法模塊和

6、系數(shù)更新模塊組成。對延長線輸入茹（）的算法實現(xiàn)，需要次乘法和次自動增益（軋也能完成乘法功能，由于肛一般比較小，用自動增強模塊實現(xiàn)可以減少資源的損耗）運算，個加法器，個延時寄存器用于濾波系數(shù)的更新；需要次乘法，一個加法器，一個延時寄存器用于可調(diào)濾波電路；控制部分電路由個減法器，主要產(chǎn)生誤差信號。階自適應(yīng)濾波器的系統(tǒng)框圖如圖所示。圍階自適應(yīng)濾波器的系統(tǒng)框圖系統(tǒng)仿真與調(diào)試本文所設(shè)計的濾波器可以用于很多未知統(tǒng)計量系統(tǒng)中，為便于理解，假設(shè)系統(tǒng)應(yīng)用于通信系統(tǒng)中，有用信號為個頻率為的正弦波信號，通過個信號頻率隨時間變化的加性噪聲信道，此加性噪聲為信號，通過濾波后，提取出有用信號用于后面的通信和處理。濾波結(jié)果

7、顯示濾波器效果較好。仿真結(jié)果分析算法的收斂速度和精度主要取決于濾波器的階數(shù)和自適應(yīng)步長因子肛。階數(shù)的確定主要取決于濾波信號，并非越高越好，階數(shù)的增加會使得硬件資源的耗費成倍的增長，在考慮階數(shù)時需要綜合考慮濾波器的精度和硬件資源后確定。而保證算法收斂，要求而，肛值的大小決定著石“，收斂速度的變化。多次模擬仿真發(fā)現(xiàn)，階自適應(yīng)濾波器，在時弘時環(huán)境中仿真結(jié)果如圖所示。系統(tǒng)信息信號和噪聲信號的混合信號髫（）（的正弦波信號與加性噪聲信號的和），輸出信號（）基本上和期望信號（）波形一致，頻率隨時間變化的信號（即噪聲）被有效的濾除，達到了自適應(yīng)濾除于擾的目的，且信號失真較小。圖階自適應(yīng)濾波器的仿真結(jié)果儀器儀表

8、與分析監(jiān)測）年第期硬件協(xié)同仿真能要求和系統(tǒng)規(guī)模限制，進行相應(yīng)的調(diào)整；日】以作為在環(huán)境中完成算法級仿真后，得到系各類自適應(yīng)算法的個功能模塊，配以不同的系數(shù)運統(tǒng)級功能驗證，通過模塊自動生成算模塊，便可以實現(xiàn)自適應(yīng)算法功能。這種自適應(yīng)代碼和測試文件，結(jié)合集濾波器在實際生活中應(yīng)用非常廣泛，如系統(tǒng)辨識、噪成開發(fā)環(huán)境中順利通過編譯、仿真、綜合、執(zhí)聲對消、檢測等。在實際應(yīng)用時，只要將系統(tǒng)置于整行后生成文件，下載到芯片個系統(tǒng)中，將獲取的電信號代替本文中的輸入信號中，完成硬件協(xié)同仿真。調(diào)用筇（），可以從信號無法用常規(guī)檢測的干擾場中，將信針對級代碼仿真驗證結(jié)果如圖所示，號加以挑選，并從包含信號和噪聲的原始輸入中減

9、其仿真結(jié)果完全與圖結(jié)果相一致。結(jié)果顯示，隨信去，衰減或消除噪聲和干擾，盡量保留有用信號。藝竺至矍竺竺：竺娑；黧妻要實現(xiàn)了結(jié)論自動調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)，適應(yīng)信號和噪聲未知飄，腿睹伽：一 變化的統(tǒng)計特性的要求。本文提出了基于算法的自適應(yīng)濾波器的實現(xiàn)的新方法，由于開發(fā)工具及中大量乘加模塊，在設(shè)計中通過增加延遲寄存圖級仿真波形圈器來提高硬件運行速度，對于算法較復(fù)雜的白下載到中，實現(xiàn)速度為適應(yīng)濾波器優(yōu)化設(shè)計具有很大的實用價值。通過調(diào)：的階自適應(yīng)濾波器，其速度是文獻節(jié)濾波器的步長因子進行仿真分析，給出了相中速度的倍。使用資源為叩塊，應(yīng)的仿真結(jié)果，進行的硬件設(shè)計驗證設(shè)計出了響應(yīng)個輸入查找表（），各占芯片資源的，速

10、度為的階自適應(yīng)濾波器。個嵌入式乘法器，占芯片乘法器的，表明實現(xiàn)整個系統(tǒng)只需芯片資源的很小一部分，剩余參考文獻資源可用于實現(xiàn)后面的信號處理部分功能。通過對鄒燕碧，高鷹自適應(yīng)濾波算法綜述廣州基本邏輯單元的使用情況和濾波濾波結(jié)果的分大學學報（自然科學版），（）：析，進一步說明采用實現(xiàn)算法的自適應(yīng)潘松，黃繼業(yè)，曾毓技術(shù)實用教程，濾波器是可行的。北京：清華大學出版社，：結(jié)果比較及其應(yīng)用覃景繁，歐陽景正一種新的變步長自適應(yīng)濾從上述各個波形圖都可以看出，無論是算法級波算法數(shù)據(jù)采集與處理，（）：仿真還是級硬件代碼仿真，結(jié)果是一致的，達到了自適應(yīng)濾除干擾信號的目的，而且信號失真較小，證明了硬件（）實現(xiàn)自適應(yīng)濾波

11、的可行已性。本設(shè)計具備靈活的可修改性，可以根據(jù)時間性李國峰數(shù)字通信中自適應(yīng)濾波器的研究天津：南開大學，七七七弋七七七七七七七電七七七七弋七弋電專七七弋電電電七電七七電電電電七弋七七七七七（上接第頁）李鴻用單片機控制手機收發(fā)短信息電參考文獻子技術(shù)應(yīng)用，（）：王騏，何嘉斌單片機控制模塊實現(xiàn)短信李艷華，陳慧明單片機控制手機的技術(shù)收發(fā)的軟件設(shè)計單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)及應(yīng)用單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，用；（）：（）：一 LMS算法的自適應(yīng)濾波器FPGA設(shè)計與實現(xiàn)作者：劉開健， 吳光敏， 張海波， Liu Kaijian， Wu Guangmin， Zhang Haibo作者單位：劉開健,Liu Kaijian

12、(昆明理工大學理學院,云南昆明,650093;長江大學電子信息學院,湖北荊州,434023， 吳光敏,Wu Guangmin(昆明理工大學理學院,云南昆明,650093， 張海波,Zhang Haibo(長江大學電子信息學院,湖北荊州,434023刊名：儀器儀表與分析監(jiān)測英文刊名：INSTRUMENTATION ANALYSIS MONITORING年，卷(期：2008，""(4被引用次數(shù)：0次參考文獻(5條1. 鄒燕碧. 高鷹 自適應(yīng)濾波算法綜述期刊論文-廣州大學學報（自然科學版） 2002(022. 潘松. 黃繼業(yè). 曾毓 SOPC技術(shù)實用教程 20053. 覃景繁.

13、歐陽景正 一種新的變步長自適應(yīng)濾波算法期刊論文-數(shù)據(jù)采集與處理 1997(034. Xilinx System Generator for DSP Version 9.1 User's Guide.pdf 20075. 李國峰 數(shù)字通信中自適應(yīng)濾波器的研究學位論文 2002相似文獻(10條1.期刊論文 王秀芳. 劉凱. 馬賽. WANG Xiu-fang. LIU Kai. MA Sai 基于改進LMS算法的自適應(yīng)濾波器 -大慶石油學院學報2009,33(6LMS算法在自適應(yīng)濾波器中得到廣泛應(yīng)用,但是存在對噪聲敏感、收斂速度較慢等問題.在傳統(tǒng)的LMS算法的基礎(chǔ)上,提出一種改進型的LMS

14、算法,即用誤差信號的相關(guān)值去調(diào)節(jié)步長,改變傳統(tǒng)的步長更新表達式,從而提高和完善LMS算法的性能.基于MATLAB軟件的仿真結(jié)果表明:用改進的LMS算法建立的自適應(yīng)濾波器誤差小于8.6×10(-3,收斂速度快,可明顯降低噪聲對LMS算法的影響.2.期刊論文 蒙俊甫. 侯祥博. Meng jun-fu. hou xiang-bo LMS自適應(yīng)濾波器的仿真與實現(xiàn) -信息通信2010,""(1本文概述了LMS算法和LMS濾波器的的基本原理,利用MATLAB和DspBuilder立算法模型,完成LMS自適應(yīng)濾波器的仿真與設(shè)計.有效地提高TFPGA的設(shè)計效率,降低了設(shè)計人員對

15、硬件的要求.3.期刊論文 劉雄飛. 高金定. 齊海兵. LIU Xiong-fei. GAO Jin-ding. QI Hai-bing LMS自適應(yīng)濾波器FPGA實現(xiàn)的新方法 -壓電與聲光2007,29(1針對用數(shù)字信號處理器(DSP實現(xiàn)的自適應(yīng)濾波器處理速度低、抗干擾性差和編寫底層HDL代碼用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA實現(xiàn)開發(fā)效率低的缺點,該文利用最新DSP Builder工具建立了基于最小均方誤差(LMS算法的8階二進制頻移鍵控(2FSK信號去噪自適應(yīng)濾波器的模型,在EPFl0K100EQC208-1器件上設(shè)計出了處理速度為36.63 MHz的8階自適應(yīng)濾波器,其速度是通過編寫底層VHDL

16、代碼設(shè)計的自適應(yīng)濾波器7倍,是采用DSP通用處理器TMS320C54X設(shè)計的自適應(yīng)濾波器的25倍.4.期刊論文 張立萍 LMS自適應(yīng)濾波器的Matlab設(shè)計與仿真 -赤峰學院學報（自然科學版）2010,26(5自適應(yīng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、雷達和工業(yè)控制等領(lǐng)域.本文以隨機干擾噪聲信號作為研究對象,在Madab上設(shè)計了LMS去噪自適應(yīng)濾波器的程序,改變自適應(yīng)參數(shù),進行了一系列的仿真,為硬件實現(xiàn)提供了有力的參考.5.期刊論文 劉琴. 張愛華. LIU Qin. ZHANG Ai-hua 基于DSP的LMS自適應(yīng)濾波器的實現(xiàn) -中原工學院學報2007,18(6在通用DSP芯片TMS320C54

17、02上實現(xiàn)了基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器,并對調(diào)試運行結(jié)果進行了分析討論,其結(jié)果為將來硬件實現(xiàn)LMS自適應(yīng)濾波器提供了可靠保證,為自適應(yīng)濾波器在實際中的應(yīng)用提供了參考.6.期刊論文 陳黎霞. 李亞萍. 姚淑霞. CHEN Li-xia. LI Ya-ping. YAO Shu-xia 基于LMS算法和Matlab的自適應(yīng)濾波器的設(shè)計 -華北水利水電學院學報2008,29(4根據(jù)LMS算法性能特點,在Matlab環(huán)境下編寫了基于LMS算法的有限長自適應(yīng)濾波器的程序(*.m,用所設(shè)計的濾波器對受白噪聲干擾的語音信號及正弦波信號進行濾波.理論分析和仿真結(jié)果表明,所設(shè)計的自適應(yīng)濾波器具有快速的跟蹤能力

18、和收斂性能,且穩(wěn)態(tài)誤差較小.7.學位論文 李國峰 數(shù)字通信中自適應(yīng)濾波器的研究 20018.期刊論文 齊鄭. 陳炯聰. 楊奇遜 基于小波變換和LMS自適應(yīng)濾波器的單相接地選線方法 -電力系統(tǒng)自動化2004,28(9綜合應(yīng)用小波變換理論和最小均方誤差(LMS自適應(yīng)濾波器技術(shù),提出了一種小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法.該方法對故障發(fā)生后的零序電流信號進行小波變換,通過LMS自適應(yīng)濾波器對小波系數(shù)進行濾波去噪,利用去噪后的信息進行選線.該方法能有效地從被噪聲干擾的信號中得到有用的信息,克服了故障信號信噪比低的缺點,并能夠充分利用故障信息連續(xù)判斷.應(yīng)用現(xiàn)場故障錄波數(shù)據(jù)對該方法進行了驗證,結(jié)果表明該方法能夠滿足實用要求.9.期刊論文 陳楠楠. 張懷亮. 陳亮 基于FPGA的LMS自適應(yīng)濾波器設(shè)計 -船電技術(shù)2009,29(10基于FPGA的自適應(yīng)濾波器設(shè)計是自適應(yīng)信號處理技術(shù)用于工程實踐的重要基礎(chǔ).本文在分析最小均方誤差(L