基于FPGA的高速自適應格型濾波器的實現

摘要：針對高速高靈敏度數字信號處理時對于自適應濾波器的數值特性和實時性的要求，在一種自適應格型聯(lián)合濾波器的基礎上提出算法改進，采用馳豫超前流水線技術和時序重構技術，在損失較小濾波性能的情況下，在FPGA中實現算法并可以達到較高的工作頻率。
關鍵詞：自適應濾波器；FPGA；梯度格型濾波器；流水線；時序重構

0 引言
在處理微弱信號的時候自適應濾波器所處的環(huán)境可能是非平穩(wěn)的，輸入信號的自相關矩陣和互相關向量等算法參量將隨時間變化，會對濾波器的收斂跟蹤性能造成較大影響?，F代通信系統(tǒng)發(fā)展到3G，4G后，幾十甚至上百兆比特每秒的數據傳輸速率對自適應處理技術是個極大的挑戰(zhàn)。如何在這類高速環(huán)境中運用自適應算法處理高靈敏度信號并使算法保持較低的復雜度以利于實現，是工程應用中必須解決的問題。
由Levinson-Durbin遞推公式得到的自適應格型結構以其反射系數收斂快，對輸入信號自相關矩陣的特征值擴散相對惰性，是解決此類問題的一個優(yōu)良選擇。GALJP(Gradient Adaptive Lattice Joint Processing)是一種梯度自適應格型結構和LMS結構組成的聯(lián)合濾波器，由格型結構對輸入信號進行迅速解耦，用LMS結構進行自適應處理?？紤]到實時處理的要求，采用高度并行的FPGA進行算法實現是一個很好的選擇。但是由于GALJP的結構相對復雜，導致其在FPGA中實現的工作頻率不高。本文以自適應噪聲對消為模型，采用流水線技術和時序重構技術對GALJP算法結構進行改進優(yōu)化，提出一種改進型RD-GALJP結構。在算法性能影響不大的情況下，在FPGA中能實現達到167．53 MHz采樣吞吐率，適合于高速自適應應用的場合。

1 梯度自適應聯(lián)合濾波算法(GALJP)
格型濾波器具有快速解耦的性質，利用這個特性，結合基本LMS算法得到的一種實用的聯(lián)合處理結構GALJP，如圖1所示。這種聯(lián)合濾波器由多級格型預測器和LMS期望響應估計器組合而成，它可以先將信號輸入進行快速Gram-Schmidt正交化，并由后續(xù)的自適應期望響應估計器的LMS算法對去耦信號進行自適應濾波，以改善輸入信號特征值擴散對傳統(tǒng)LMS算法性能的影響。這種結構具有很大的優(yōu)點，如調節(jié)濾波器的階數十分方便，增減節(jié)數不會影響到系統(tǒng)全局的優(yōu)化，改變某一節(jié)不需要對整個系統(tǒng)進行調節(jié)。

GALJP的基本算法如下：


式中：m=2，3，…，M+1，不同于傳統(tǒng)的單個誤差e調節(jié)各級濾波器權向量更新，上面的GALJP算法是把各節(jié)誤差信號em(n)的均方值由單節(jié)計算，采用多級單LMS結構，并分別指導各級權向量更新。