基于DSP的自適應濾波器的設計方案

　　簡(jiǎn)介：　根據自適應濾波的原理，主要論述和分析了易于實(shí)現的最小均方差算法，通過(guò)比較IIR結構和FIR結構濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)，采用橫向FIR結構的自適應濾波器來(lái)實(shí)現。為了滿(mǎn)足自適應濾波的實(shí)時(shí)性要求，采用TMS320F28234芯片的系統設計，并設計了其硬件最小系統和軟件系統，最后用TMS320F28234實(shí)現自適應濾波器。仿真結果表明，本方案的自適應濾波器濾波效果優(yōu)越，具有較強的實(shí)用性。

　　0 引言

　　濾波是信號處理領(lǐng)域的一種最基本而又極其重要的技術(shù)。利用濾波技術(shù)可以從復雜的信號中提取所需要的信號，同時(shí)抑制噪聲或干擾信號，以便更有效地利用原始信號。濾波器在電子電路系統中應用很多，技術(shù)也較為復雜，有時(shí)濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的性能，所以濾波器的理論研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)非常的重要。

　　自適應濾波器是相對固定濾波器而言的，當固定的設計規范是未知的，或者采用時(shí)不變?yōu)V波器不能滿(mǎn)足設計的要求設計規范時(shí)，就需要采用自適應濾波器。嚴格地講，自適應濾波器是一種非線(xiàn)性濾波器，因此不滿(mǎn)足齊次性和疊加性條件，如果在某個(gè)給定的時(shí)刻固定的濾波器參數，則其輸出信號是輸入信號的線(xiàn)性函數。自適應濾波器是在沒(méi)有任何關(guān)于信號和噪聲的先驗知識的條件下，自適應濾波器利用前一時(shí)刻已獲得的濾波器參數來(lái)自動(dòng)調節現時(shí)刻的濾波器參數，以適應信號和噪聲未知或隨機變化的統計特性，從而實(shí)現最優(yōu)濾波，所以其適用范圍更廣。

　　1 DSP 的自適應濾波器的總體方案設計

　　本系統采用利用數字信號處理器來(lái)完成自適應濾波器的設計，系統如圖1所示。

　　系統工作原理：自適應濾波器的整體設計思路中模擬信號輸入，輸入信號首先進(jìn)行抗混疊濾波，然后將模擬信號變換成數字信號。根據奈奎斯特抽樣定理，為保證有用信息不丟失，抽樣頻率至少是輸入帶限信號最高頻率的2倍。經(jīng)過(guò)ADC轉換成數字信號，DSP芯片預先設計好的自適應濾波算法程序，對輸入的數字信號處理。這種自適應濾波器的設計是具有跟蹤信號和噪聲變化的能力，也不需要知道關(guān)于輸入信號的先驗知識。

　　經(jīng)過(guò)DSP芯片處理后的信號通過(guò)DAC再轉換成連續的模擬波形，之后進(jìn)行平滑濾波就可得到需要的模擬信號。

　　1.1 自適應濾波器原理

　　自適應濾波器是一種能夠自動(dòng)調整本身參數的特殊維納濾波器，在設計時(shí)不需要預先知道關(guān)于輸入信號和噪聲的統計特性，它能夠在工作過(guò)程中逐步“了解”或估計出所需的統計特性，并以此為依據自動(dòng)調整自身的參數，以達到最佳濾波效果。一旦輸入信號的統計特性發(fā)生變化，它又能夠跟蹤這種變化，自動(dòng)調整參數，使濾波器性能重新達到最佳。

　　自適應濾波器中參數可調數字濾波器結構可以是FIR數字濾波器或IIR數字濾波器，也可以是格型數字濾波器，輸入信號x(n) 通過(guò)參數可調數字濾波器后產(chǎn)生輸出信號(或響應)y(n)，將其與參考信號(或稱(chēng)期望響應)d(n)進(jìn)行比較，形成誤差信號e(n)，并以此通過(guò)某種自適應算法對濾波器參數進(jìn)行調整，最終使e(n) 的均方值最小。

　　圖2所示即為自適應濾波器的一般結構。

　　1.2 自適應濾波器結構

　　自適應IIR濾波器與自適應FIR濾波器相比較，自適應IIR 濾波器存在突出的缺點(diǎn)，主要的缺點(diǎn)包括：自適應IIR濾波器存在不穩定的可能性?xún)A向;而且收斂速度慢等。因此，一般采用FIR濾波器作為自適應濾波器的結構。自適應濾波器最直接的實(shí)現就是直接形式的FIR結構，但在本論文中采用FIR橫向結構設計自適應濾波器。這種結構僅包含有由延遲級數所決定的有限個(gè)存儲單元，可歸結為有限沖激響應(FIR)或橫向濾波器(Kallman)。輸入信號被若干延遲單元延時(shí)，其延遲時(shí)間可以是連續的。這些延遲單元的輸出與存儲的一組權系數依次相乘，將其乘積相加得到輸出信號。這意味著(zhù)輸出是輸入信號與所存儲的權系數或沖激響應的卷積。這種濾波結構僅包含有零點(diǎn)(因為沒(méi)有遞歸反饋單元)，因此，若要獲得截止的頻率特性，則需要有大量的延遲單元。但是，這種濾波器始終是穩定的，并能提供線(xiàn)性相位特性。圖3所示為FIR橫向濾波器結構。

　　1.3 DSP的最小硬件系統設計

　　DSP的硬件最小系統設計包括DSP芯片、電源轉換電路、時(shí)鐘電路、復位電路、JTAG 仿真接口等，如圖4所示。

　　2 基于DSP 的自適應濾波器的軟件設計

　　采用TMS320F28234實(shí)現自適應濾波器，自適應算法采用基本的LMS算法，濾波器的結構采用橫向FIR結構。

　　自適應濾波器的TMS320F28234的設計中，程序設計語(yǔ)言運用匯編語(yǔ)言，自適應濾波器程序設計流程如圖5所示。

　　3 仿真驗證

　　為了說(shuō)明自適應濾波器的優(yōu)越性，這里通過(guò)仿真結果來(lái)表明。通過(guò)引入一個(gè)已有的數據文件方式得到一個(gè)受到噪聲干擾的正弦波信號，該波形作為自適應濾波的輸入信號。自適應濾波程序在CCS 環(huán)境下編譯、鏈接、修改語(yǔ)法錯誤，編譯鏈接通過(guò)后，加載并連接程序，連接生成公共目標代碼文件，在線(xiàn)下載到DSP中運行。將編譯產(chǎn)生的可執行文件下載到 DSP芯片中后，經(jīng)過(guò)運行得到時(shí)域圖，輸入信號的時(shí)域圖如圖6所示。

　　由圖6可以看到，低頻信號中疊加了有噪聲信號，導致低頻信號出現了較大的畸變。低頻的信號中疊加了比較多的高頻噪聲，只有進(jìn)行高頻濾波才能夠得到比較好的原始低頻信號。在觀(guān)察輸出波形時(shí)，能夠看到輸出波形中僅剩余了低頻信號，濾除了高頻成分。通過(guò)圖6 和圖7的對比，輸入信號的高頻噪聲基本上得到了濾除。但是由于參數設置不夠精確等原因造成的高頻噪聲沒(méi)有得到完全消除，但是也很明顯的顯現了低通濾波的目的。

　　4 結語(yǔ)

　　本文論述了基于TMS320F28234的自適應濾波器系統的設計方案。方案中的自適應濾波器能夠在沒(méi)有任何關(guān)于信號和噪聲的先驗知識的條件下，達到最優(yōu)濾波的目的。根據自適應濾波的原理，主要論述和分析了易于實(shí)現的最小均方差算法，通過(guò)比較IIR結構和FIR結構濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)，采用橫向FIR結構的自適應濾波器來(lái)實(shí)現。為了滿(mǎn)足自適應濾波的實(shí)時(shí)性要求，采用TMS320F28234芯片的系統設計，并設計了其硬件最小系統和軟件系統，最后用TMS320F28234 實(shí)現自適應濾波器。在自適應濾波器的仿真結果中，自適應濾波器實(shí)現了對含有噪信號的頻率跟蹤，并表明自適應濾波器能很好地消除疊加在信號上的噪聲。進(jìn)而驗證了本方案的自適應濾波器濾波效果優(yōu)越，具有較強的實(shí)用性。