LMS自適應濾波器在激波報靶系統中的應用

前言
由空氣動(dòng)力學(xué)原理，當超音速運動(dòng)的物體，由于運動(dòng)速度大于局部聲速時(shí)會(huì )產(chǎn)生激波，彈道聲波是超聲速彈丸飛行時(shí)沖擊空氣分子所形成的激波（ Shock waves）。采用激波原理進(jìn)行報靶是一項具有挑戰性的技術(shù)，它利用激波信號進(jìn)行超音速飛行體探測，是一種新的目標探測方法。本文研究對象為移動(dòng)靶車(chē)，該遙控自動(dòng)裝置自帶電源和動(dòng)力裝置，能在 25Km/h內無(wú)級調速，但是，由于其工作環(huán)境比較惡劣，自身振動(dòng)、風(fēng)吹、發(fā)電機和電動(dòng)機的巨大干擾，嚴重影響了自動(dòng)報靶系統的報靶精度。為了適應現代化部隊訓練的需要，本文采用 FPGA和自適應濾波技術(shù)，利用硬件電路來(lái)實(shí)現 LMS自適應濾波器，完成對強背景噪聲環(huán)境下激波信號的濾波，在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)數據處理前提下，以提高報靶系統的報靶精度。
1 問(wèn)題的提出及方案選取
本設計起初設計電路采用的模擬高通濾器，后來(lái)又設計成帶通濾波器，然而通過(guò)實(shí)踐發(fā)現，其濾波效果都比較差，難以滿(mǎn)足系統精度的要求；采用通用 DSP數字信號處理器件用軟件設計數字濾波器，其數據吞吐率、處理速度和實(shí)時(shí)性遠不如基于 FPGA硬件實(shí)現的數字濾波器，因為，基于 FPGA的數字濾器代表了未來(lái)數字信號處理的發(fā)展方向，用戶(hù)可以很方便
吳學(xué)禮：博士生導師?；痦椖浚嚎倕④娪柡捅N部項目
的結合實(shí)際需要設計出自己的可編程數字信號處理芯片，現在已經(jīng)較為廣泛地應用在高端數字信號處理領(lǐng)域。
自適應濾波器的常用實(shí)現形式有 FIR和IIR兩種，而 FIR濾波器是實(shí)際應用較為廣泛的一種，FIR濾波器只有可調的零點(diǎn)，因此它沒(méi)有 IIR因兼有可調的零點(diǎn)和極點(diǎn)而帶來(lái)的不穩定問(wèn)題，此外，LMS計算量小，易于硬件實(shí)現，故本文采用的濾波器是基于FIR基礎之上構建的 LMS自適應濾波器。
2 系統設計結構
本文所涉及的激波信號處理部分的整體結構框圖如圖 1所示，由信號采集傳感器、模數轉換器件、FPGA器件、數模轉換器件構成。高速瞬態(tài)的激波信號被超聲波傳感器捕獲以后，經(jīng)過(guò)適當調理送到 AD轉換器件，本設計采用 MAX197AD轉換器件，由 FPGA設計的狀態(tài)機對其控制，進(jìn)行 AD轉換，然后再進(jìn)入基于 FPGA設計的自適應濾波器中濾波，最后再進(jìn)行 DA轉換傳輸到后續處理電路，由于本設計的主要任務(wù)是設計基于 LMS算法的自適應濾波器，其它部分將不作詳述。

3 LMS自適應濾波器設計
LMS算法是以期望響應和濾波器輸出信號之間的均方值為準則，依據輸入信號在迭代過(guò)程中估計梯度矢量，并更新權值系數以達到最有效的一種自適應迭代算法，它在優(yōu)化方法中采用了基于隨機梯度的最速下降法。根據 LMS算法的實(shí)現過(guò)程，在 FPGA實(shí)現時(shí)，可以分為主要的幾個(gè)模塊：FIR濾波器模塊、誤差計算模塊、權值存儲模塊、權值更新模塊以及控制模塊。其模塊框圖如圖 2所示。設計中采用 VHDL語(yǔ)言設計，根據 MAX197的轉換要求，其輸出為 12位寬度的數字信號，因此，此處采用 12位并行數據輸入，12并行數據輸出，權值系數的數據寬度為 16位，reset為系統復位，高電平有效，clk為系統時(shí)鐘，firen為 FIR濾波器使能，suben為誤差計算模塊使能，cuncuen為權值存儲模塊使能，coffen為權值更新模塊使能，都為高電平有效。