用DSP快速實現(xiàn)自適應(yīng)濾波器算法

1、用DSP快速實現(xiàn)自適應(yīng)濾波器算法王永杰(桂林工學(xué)院廣西桂林541004)摘要:自適應(yīng)濾波器可對信號實現(xiàn)最優(yōu)的濾波效果。簡要介紹了自適應(yīng)濾波器LMS算法,并結(jié)合TI公司的C54XDSP特點闡述了算法的實現(xiàn)過程,以及在編程中對程序代碼的優(yōu)化。通過對一段音頻信號的仿真實驗證明:對自適應(yīng)濾波器算法的代碼優(yōu)化使得濾波器的整體濾波效率有了很大的提高。關(guān)鍵詞:自適應(yīng)濾波器;LMS算法;DSP;程序代碼優(yōu)化中圖分類號:TP273文獻標識碼:B文章編號:1004373X()ImplementationofProcessor,Guilin,541004,China)Keywords:adaptivefilter;

2、LMSalgorithm;DigitalSignalProcessor;optimizingtheprogramcode1引言在數(shù)字信號處理中,濾波技術(shù)占有極其重要的地位。數(shù)字濾波與模擬濾波相比,具有許多優(yōu)點,如:可以滿足濾波器對幅度和相位特性的嚴格要求,可以避免模擬濾波器無法克服的電壓漂移,溫度漂移和噪聲等問題。但在一些數(shù)字信號處理場合,無法預(yù)知信號和噪聲的特性,因此就無法使用具有固定濾波器系數(shù)的濾波器來對信號實現(xiàn)最優(yōu)濾波。因此需要一種具有跟蹤信號和噪聲變化,并且能使得濾波器的動態(tài)特性隨著信號和噪聲的變化而變化的濾波器,以達到最優(yōu)濾波效果。眾所周知,DSP芯片在實現(xiàn)數(shù)字濾波上具有穩(wěn)定性好、精

3、確度高、不n時刻濾波器的估計值,而c(n)的估計值則由v(n)和h(n;k)惟一決定,即:Mc(n)=k=0h(n;k)v(n-k)圖1自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)框圖自適應(yīng)算法的目的是調(diào)整濾波器的系數(shù)h(n;k),然后按照某種準則再來判斷誤差信號e(n)是否達到最小。在這一過程中,常用的判別準則有最小均方值(LMS)和遞歸最小平方(RLS)算法,這里是以最小均方值(LMS)算法進行推導(dǎo)的:M受環(huán)境影響、靈活性好等特點。因此選擇了DSP芯片來完成自適應(yīng)濾波器的設(shè)計并對編程過程進行了代碼優(yōu)化,以提高濾波器的效率。2自適應(yīng)濾波器算法的引入自適應(yīng)濾波器算法的特性變化是由自適應(yīng)算法通過調(diào)整濾波器系數(shù)來實現(xiàn)和完成的

4、。一般自適應(yīng)濾波器由兩部分組成,一是濾波器的結(jié)構(gòu),二是調(diào)整濾波器系數(shù)的自適應(yīng)算法。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中,x(n)為輸入值,v(n)為參考信號,h(n;k)表示收稿日期:20060630e(n)=x(n)-c(n)=x(n)-k=0h(n;k)v(n-k)h(n+1;k)=h(n;k)+2e(n)v(n-k)(k=0,1,2,3,M)由上述可知,LMS自適應(yīng)算法實際上是一種遞歸運算,因此,就不需要對信號的統(tǒng)計特性有先驗知識,只需要使用他的瞬態(tài)估計值即可。在這里,通過運算得到的值只是濾波系數(shù)的估計值,隨著時間的變化,濾波系數(shù)也將會逐步被調(diào)整,這個估計值也將逐步改善,最終達到收斂,其74收斂條

5、件是:0<<1/max式實現(xiàn)兩累加和的運算。RPTZA,#FILTSIZEMAC3COFFP+0%,3DATAP+0%,A上式中,max是輸入信號x(n)協(xié)方差矩陣的本征值。3基于DSP的自適應(yīng)濾波算法的快速實現(xiàn)為了提高算法的處理速度及減小系統(tǒng)的硬件規(guī)模,在實現(xiàn)濾波器算法時,采用了TI公司的TMS320C54X芯片作為核心芯片。因為其具有高度并行性,同時具有高度專業(yè)化的指令系統(tǒng),可以簡化編程過程;模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計可以增強程序的可移植性。芯片自身具有的這些優(yōu)點,加上在實現(xiàn)算法時對編碼的優(yōu)化,就可使系統(tǒng)的效率得到提高。一個具體的LMS自適應(yīng)濾波算法的實現(xiàn),一般由以下幾步構(gòu)成:(1)設(shè)

6、置初始濾波系數(shù)h(0;k)h(0;k)可設(shè)置為任意值,0其中,RPTZ指令將累加器清零初始化,并將立即數(shù)N-1(16位)裝入到重復(fù)計數(shù)器,使下一條指令重復(fù)執(zhí)行N次。MAC指令實現(xiàn)將兩存儲區(qū)數(shù)據(jù)的乘積累加到累加器,再使存儲區(qū)指針以循環(huán)尋址的方式指向下一個存儲區(qū)。在這里,FILTSIZE,COFF系數(shù)緩沖區(qū)指針。為了提高算法的效率,DSP中提供的并行指,這使兩個周期內(nèi)完成。在LMS,ST|MPY和,P,DATAP分別表示自適應(yīng)濾波器抽頭數(shù),自適應(yīng)濾波器系數(shù)緩沖區(qū)指針和輸入樣值LMS算法僅僅用以下幾條語句就可實現(xiàn):STA,3COFFP+|MPY3DATAP+0%,ALMS3COFFP,3DATA適的

7、參數(shù)隨時間n(2)c(n)=k=0h(n;k)v(n-Pk)其中,LMS指令在實現(xiàn)MAC指令功能的同時,實現(xiàn)一個帶四舍五入的加法。而將LMS,ST|MPY和RPTB這3條指令合用可以實現(xiàn)在計算當(dāng)前自適應(yīng)濾波器輸出的同時,更新濾波器的系數(shù)。我們將所設(shè)計的自適應(yīng)濾波器算法的DSP快速實現(xiàn)程序,運用到對音頻信號的處理過程。在對音頻信號處理當(dāng)中采用的是帶有512抽頭的LMS算法的自適應(yīng)濾波器,系統(tǒng)的采樣頻率為50kHz。對于一個數(shù)字濾波器來說,通常需要對每個輸入樣點進行一次計算,一個普通LMS算法的DSP程序?qū)崿F(xiàn),通常每個抽頭的計算時間需要3個MAC周期。而在實現(xiàn)LMS算法時,由于采用了單周期乘/累加

8、指令MAC、循環(huán)尋址方式和數(shù)據(jù)的塊存儲形式,這樣就使得濾波器每個濾波樣值的計算可以在1個MAC內(nèi)完成,這就大大提高了程序的執(zhí)行速度,減少了信號處理的時間。同時,由于在程序中充分利用了DSP所具有的指令執(zhí)行的并行性特點,使得程序可以實現(xiàn)在計算當(dāng)前自適應(yīng)濾波器輸出的同時,又更新濾波器的系數(shù)。這比利用循環(huán)方式來實現(xiàn)這樣的操作簡單而且高效。驗證結(jié)果表明:對自適應(yīng)濾波器算法的代碼優(yōu)化,是可行而且高效的。4結(jié)語(3)計算估計誤差e(n)=x(n)-c(n)(4)更新濾波器系數(shù)h(n+1;k)=h(n;k)+2e(n)v(n-k)(5)循環(huán)返回(2)從上述的算法實現(xiàn)步驟不難看出,LMS算法對每一次新的輸入和

9、輸出采樣只需要做大約2(M+1)次乘/加運算。其實現(xiàn)過程比較簡單并易于實現(xiàn),在許多實時系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。利用TMS320C54X實現(xiàn)LMS自適應(yīng)算法時,存儲器中數(shù)據(jù)的存放形式對DSP指令的有效運用有著特殊的意義。合理的存放形式,可使算法實現(xiàn)起來更加快速和高效。為了實現(xiàn)算法中輸入樣值x(n)和濾波器系數(shù)h(n)的對應(yīng)項相乘,他們在存儲器中的存放形式如圖2所示。圖2TMS320C54X自適應(yīng)濾波器的存儲器組織在編程過程中,為了充分發(fā)揮DSP芯片的自身優(yōu)點和他在實現(xiàn)信號處理方面的優(yōu)勢,我們對自適應(yīng)濾波器算法的實現(xiàn)進行了代碼優(yōu)化。并通過對實際音頻信號的處理驗證了這種代碼優(yōu)化的可行性和高效性。同時這樣的代

10、碼優(yōu)化也增強了自適應(yīng)濾波器算法的實時性和可移植性。這為今后的工作打下一個堅實的基礎(chǔ),也給以后的應(yīng)用提供了一種很好的借鑒。(下轉(zhuǎn)第78頁)在TMS320C54X的指令系統(tǒng)中,單周期乘/累加指令MAC和循環(huán)尋址方式可使濾波器每個樣值的計算在一個周期內(nèi)完成。在實現(xiàn)LMS自適應(yīng)算法時,由于要采用循環(huán)尋址的方式,而且要計算兩數(shù)組對應(yīng)項乘積的累加和。因此,采用DSP指令中的RPTZ和MAC結(jié)合循環(huán)尋址方754基帶發(fā)送端的仿真結(jié)果該設(shè)計在Quartus510環(huán)境下,設(shè)計語言使用VHDL。使用FPGA芯片ALTERACycloneEp1c60240c8且對于基帶信號進行數(shù)字濾波更為方便。選擇的成形濾波器是升余

11、弦滾降濾波器,采用分布式算法在時域上直接進行脈沖成形,用FPGA完成所有功能。完成測試與仿真。圖7為功能仿真圖。圖5卷積交織的實現(xiàn)框圖圖7主要參數(shù):滾降系數(shù)a=0135,濾波器沖激響應(yīng)波形的截短長度L=4,濾波器系數(shù)的量化字長Q=14,濾波器的抽樣點數(shù)M=8。制補碼形式。如圖6可知FP器、計數(shù)器和ROM。應(yīng)用于微波通信系統(tǒng)降低了數(shù)字接收設(shè)計的難度和復(fù)雜度,充分體現(xiàn)了對性價比的要求,也滿足我們設(shè)計的初衷。但配合芯片STV0299內(nèi)部功能時,也要在發(fā)送端準確的實現(xiàn)相對應(yīng)的信道編碼和成形濾波方式及參數(shù)。參考文獻1王新梅,肖國鎮(zhèn).糾錯碼原理與方法(修訂版)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.圖

12、6成形濾波器FPGA實現(xiàn)框圖2卜天,田日才.用FPGA實現(xiàn)基帶信號成形的方案設(shè)計D.(1)移位寄存器是由4個帶異步復(fù)位端的D觸發(fā)器哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2004.3汪濤,帥克,吳軍.基于單片機控制的微波壓控振蕩器的設(shè)級聯(lián)而成,數(shù)據(jù)串行輸入,并行輸出,共用同一個時鐘和異步復(fù)位信號。(2)需要一個8位的計數(shù)器,要求能夠異步清零,在計J.現(xiàn)代電子技術(shù),2005,28(24):56,9.thesisofanMaryTimeSeriesJ.CommunicationsMag224.zine,1989,27(2):15一個時鐘的上升沿到來時計數(shù)一次,從000計數(shù)到111。(3)分布式算法的核心是基于查找

13、表思想,ROM就5UweMeyerBaese,DigitalSignalProcessingwithFieldProgrammableGateArraysM.北京:清華大學(xué)出版社,2003.是一個查找表,其中存儲了27個數(shù)據(jù)。作者簡介李昌林北京交通大學(xué)2004級研究生。主要研究方向為無線通信與個人通信。(上接第75頁)參考文獻1柯昱,高健,韋巍.二維DCT快速算法的DSP實現(xiàn)J.機電工程,1999(5).2王躍科,葉湘濱.現(xiàn)代動態(tài)測試技術(shù)M.北京:國防工業(yè)出5彭啟琮.DSP與實時數(shù)字信號處理M.成都:電子科技大版社,2003.3彭秀艷,王鳳陽,萬博.快速小波變換的定點DSP實現(xiàn)J.自動化技術(shù)與應(yīng)用,2003,22(3):89,29.4劉彤.用DSP實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器J.無線通信技術(shù),2000,9(2):5356.學(xué)出版社,1995.6曹斌芳,何怡剛,胡惟文,等.一種改進型的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計J.現(xiàn)代電子技術(shù),2006,29(4):35,8.7周金治.基于Matlab與DSP的FIR數(shù)字濾波器軟硬件實現(xiàn)J.現(xiàn)代電子技術(shù)