基于DSP 的自適應(yīng)濾波器的設(shè)計方案

根據(jù)自適應(yīng)濾波的原理，主要論述和分析了易于實(shí)現(xiàn)的最小均方差算法，通過比較IIR結(jié)構(gòu)和FIR結(jié)構(gòu)濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)，采用橫向FIR結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)濾波器來實(shí)現(xiàn)。為了滿足自適應(yīng)濾波的實(shí)時性要求，采用TMS320F28234芯片的系統(tǒng)設(shè)計，并設(shè)計了其硬件最小系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，最后用TMS320F28234實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波器。仿真結(jié)果表明，本方案的自適應(yīng)濾波器濾波效果優(yōu)越，具有較強(qiáng)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(fù)雜的信號中提取所需要的信號，同時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(tǒng)中應(yīng)用很多，技術(shù)也較為復(fù)雜，有時濾波器的優(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)品開發(fā)非常的重要。

自適應(yīng)濾波器是相對固定濾波器而言的，當(dāng)固定的設(shè)計規(guī)范是未知的，或者采用時不變?yōu)V波器不能滿足設(shè)計的要求設(shè)計規(guī)范時，就需要采用自適應(yīng)濾波器。嚴(yán)格地講，自適應(yīng)濾波器是一種非線性濾波器，因此不滿足齊次性和疊加性條件，如果在某個給定的時刻固定的濾波器參數(shù)，則其輸出信號是輸入信號的線性函數(shù)。自適應(yīng)濾波器是在沒有任何關(guān)于信號和噪聲的先驗(yàn)知識的條件下，自適應(yīng)濾波器利用前一時刻已獲得的濾波器參數(shù)來自動調(diào)節(jié)現(xiàn)時刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號和噪聲未知或隨機(jī)變化的統(tǒng)計特性，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波，所以其適用范圍更廣。

1 DSP 的自適應(yīng)濾波器的總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)采用利用數(shù)字信號處理器來完成自適應(yīng)濾波器的設(shè)計，系統(tǒng)如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理：自適應(yīng)濾波器的整體設(shè)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(shù)字信號。根據(jù)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ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，DSP芯片預(yù)先設(shè)計好的自適應(yīng)濾波算法程序，對輸入的數(shù)字信號處理。這種自適應(yīng)濾波器的設(shè)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(yàn)知識。

經(jīng)過DSP芯片處理后的信號通過DAC再轉(zhuǎn)換成連續(xù)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(yīng)濾波器原理

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

自適應(yīng)濾波器中參數(shù)可調(diào)數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)可以是FIR數(shù)字濾波器或IIR數(shù)字濾波器，也可以是格型數(shù)字濾波器，輸入信號x(n) 通過參數(shù)可調(diào)數(shù)字濾波器后產(chǎn)生輸出信號(或響應(yīng))y(n)，將其與參考信號(或稱期望響應(yīng))d(n)進(jìn)行比較，形成誤差信號e(n)，并以此通過某種自適應(yīng)算法對濾波器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終使e(n) 的均方值最小。

圖2所示即為自適應(yīng)濾波器的一般結(jié)構(gòu)。

1.2 自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)IIR濾波器與自適應(yīng)FIR濾波器相比較，自適應(yīng)IIR 濾波器存在突出的缺點(diǎn)，主要的缺點(diǎn)包括：自適應(yīng)IIR濾波器存在不穩(wěn)定的可能性傾向;而且收斂速度慢等。因此，一般采用FIR濾波器作為自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)。自適應(yīng)濾波器最直接的實(shí)現(xiàn)就是直接形式的FIR結(jié)構(gòu)，但在本論文中采用FIR橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計自適應(yīng)濾波器。這種結(jié)構(gòu)僅包含有由延遲級數(shù)所決定的有限個存儲單元，可歸結(jié)為有限沖激響應(yīng)(FIR)或橫向?yàn)V波器(Kallman)。輸入信號被若干延遲單元延時，其延遲時間可以是連續(xù)的。這些延遲單元的輸出與存儲的一組權(quán)系數(shù)依次相乘，將其乘積相加得到輸出信號。這意味著輸出是輸入信號與所存儲的權(quán)系數(shù)或沖激響應(yīng)的卷積。這種濾波結(jié)構(gòu)僅包含有零點(diǎn)(因?yàn)闆]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(wěn)定的，并能提供線性相位特性。圖3所示為FIR橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)。

1.3 DSP的最小硬件系統(tǒng)設(shè)計

DSP的硬件最小系統(tǒng)設(shè)計包括DSP芯片、電源轉(zhuǎn)換電路、時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG 仿真接口等，如圖4所示。

2 基于DSP 的自適應(yīng)濾波器的軟件設(shè)計

采用TMS320F28234實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波器，自適應(yīng)算法采用基本的LMS算法，濾波器的結(jié)構(gòu)采用橫向FIR結(jié)構(gòu)。

自適應(yīng)濾波器的TMS320F28234的設(shè)計中，程序設(shè)計語言運(yùn)用匯編語言，自適應(yīng)濾波器程序設(shè)計流程如圖5所示。

3 仿真驗(yàn)證

為了說明自適應(yīng)濾波器的優(yōu)越性，這里通過仿真結(jié)果來表明。通過引入一個已有的數(shù)據(jù)文件方式得到一個受到噪聲干擾的正弦波信號，該波形作為自適應(yīng)濾波的輸入信號。自適應(yīng)濾波程序在CCS 環(huán)境下編譯、鏈接、修改語法錯誤，編譯鏈接通過后，加載并連接程序，連接生成公共目標(biāo)代碼文件，在線下載到DSP中運(yùn)行。將編譯產(chǎn)生的可執(zhí)行文件下載到DSP芯片中后，經(jīng)過運(yùn)行得到時域圖，輸入信號的時域圖如圖6所示。

由圖6可以看到，低頻信號中疊加了有噪聲信號，導(dǎo)致低頻信號出現(xiàn)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。在觀察輸出波形時，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(shù)設(shè)置不夠精確等原因造成的高頻噪聲沒有得到完全消除，但是也很明顯的顯現(xiàn)了低通濾波的目的。

4 結(jié)語

本文論述了基于TMS320F28234的自適應(yīng)濾波器系統(tǒng)的設(shè)計方案。方案中的自適應(yīng)濾波器能夠在沒有任何關(guān)于信號和噪聲的先驗(yàn)知識的條件下，達(dá)到最優(yōu)濾波的目的。根據(jù)自適應(yīng)濾波的原理，主要論述和分析了易于實(shí)現(xiàn)的最小均方差算法，通過比較IIR結(jié)構(gòu)和FIR結(jié)構(gòu)濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)，采用橫向FIR結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)濾波器來實(shí)現(xiàn)。為了滿足自適應(yīng)濾波的實(shí)時性要求，采用TMS320F28234芯片的系統(tǒng)設(shè)計，并設(shè)計了其硬件最小系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，最后用TMS320F28234實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波器。在自適應(yīng)濾波器的仿真結(jié)果中，自適應(yīng)濾波器實(shí)現(xiàn)了對含有噪信號的頻率跟蹤，并表明自適應(yīng)濾波器能很好地消除疊加在信號上的噪聲。進(jìn)而驗(yàn)證了本方案的自適應(yīng)濾波器濾波效果優(yōu)越，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。