DSP自适应滤波器设计

1、DSPDSP 器件及应用器件及应用设计报告设计报告 题题 目：目： 自适应滤波器的设计自适应滤波器的设计 专专 业：业： 电子信息工程电子信息工程 班班 级：级： 06 级信处级信处 2 班班 姓姓 名：名： 陈帅均陈帅均 学学 号：号： 2006021156 评评 分：分： 年年 月月 日日自适应滤波的 DSP 实现摘摘 要要随着 DSP 技术的高建发展，人们对信号处理的实时性、准确性和灵活性的要求越来越高，DSP 技术在信号处理中的地位也越来越重要。自适应滤波器是一种复杂的算法，设计它是为了在均衡信道，抵消回波，增强谱线，抑制噪声等方面有所应用。而自适应滤波器的实现主要采用最小均方误差算法

2、完成。自适应算法通过调整滤波器系数来实现可以更好地跟踪信号的变化，最终实现自适应滤波。根据环境的改变，使用自适应算法来改变滤波器的参数和结构。这样的滤波器就称之为自适应滤波器。一般情况下，不改变自适应滤波器的结构。而自适应滤波器的系数是由自适应算法更新的时变系数。即其系数自动连续地适应于给定信号，以获得期望响应。自适应滤波器的最重要的特征就在于它能够在未知环境中有效工作，并能够跟踪输入信号的时变特征。关键词关键词：自适应滤波器；数字信号处理器；最小均方误差算法；Matlab 仿真目目 录录1 引言.11.1背景和意义.11.2本文的主要任务及结构.22 自适应滤波器.22.1自适应滤波器原理.

3、22.2自适应滤波器算法.32.3自适应滤波器仿真.63.软件介绍4 结论.18参考文献.19附 录.191 引言1.1 背景和意义滤波是电子信息处理领域的一种最基本而又极其重要的技术。在有用信号的传输过程中，通常会受到噪声或干扰的污染。利用滤波技术可以从复杂的信号中提取所需要的信号，同时抑制噪声或干扰信号，以便更有效地利用原始信号。滤波器实际上是一种选频系统，它对某些频率的信号予以很小的衰减，让该部分信号顺利通过；而对其他不需要的频率信号则予以很大的衰减，尽可能阻止这些信号通过。在电子系统中滤波器是一种基本的单元电路，使用很多，技术也较为复杂，有时滤波器的优劣直接决定产品的性能，所以很多国家

4、非常重视滤波器的理论研究和产品开发。自适应滤波器简介 自适应滤波器属于现代滤波器的范畴，自适应滤波器是相对固定滤波器而言的，固定滤波器属于经典滤波器，它滤波的频率是固定的，自适应滤波器滤波的频率则是自动适应输入信号而变化的，所以其适用范围更广。在没有任何关于信号和噪声的先验知识的条件下，自适应滤波器利用前一时刻已获得的滤波器参数来自动调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知或随机变化的统计特性，从而实现最优滤波。所谓自适应滤波，就是利用前一时刻已获得的滤波器参数等结果，自动地调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。自适应滤波器实质上就是一种能

5、调节其自身传输特性以达到最优化的维纳滤波器。自适应滤波器是近 30 年来发展起来的关于信号处理方法和技术的滤波器，其设计方法对滤波器的性能影响很大。维纳滤波器等滤波器设计方法都是建立在信号特征先验知识基础上的。然而，在实际应用中常常无法得到信号特征先验知识，在这种情况下，自适应滤波器能够得到较好的滤波性能。当输入信号的统计特性未知，或者输入信号的统计特性变化时，自适应滤波器能够自动地迭代调节滤波器参数，以满足某种准则的要求，从而实现最优滤波。因此，自适应滤波器具有“自我调节”和“跟踪”能力。基于二阶统计量即相关函数的自适应滤波算法在自适应信号处理中有着广泛的应用 1.2 本文的主要任务及结构本

6、论文所完成的任务是自适应滤波器的一个认识过程，并设计出一个自适应滤波器。其中用到了LMS算法，这是滤波器的基本算法，并用MATLAB软件进行仿真。第1章引言，本章介绍了自适应滤波器的背景和意义。第2章自适应滤波器。分别介绍了其原理，算法，及仿真过程。第3章对本次设计用到的软件进行介绍。最后是结论，对全文进行总结，并对该课题的前景进行展望。2.自适应滤波器2.1 自适应滤波器的原理自适应滤波器的特性变化是由自适应算法通过调整滤波器系数来实现的。一般而言，自适应滤波器由两部分组成，一是滤波器结构，二是调整滤波器系数的自适应算法。自适应滤波器的结构采用 FIR 或 IIR 结构均可，由于 IIR 滤

7、波器存在稳定性问题，因此一般采用 FIR 滤波器作为自适应滤波器的结构。图 1 给出了自适应滤波器的一般结构。图 1 为自适应滤波器结构的一般形式，图中 x(n)为输入信号，通过参数可调的数字滤波器后产生输出信号 y(n)，将输出信号 y(n)与标准信号(或者为期望信号)d(n)进行比较，得到误差信号 e(n)。e(n)和 x(n)通过自适应算法对滤波器的参数进行调整，调整的目的使得误差信号 e(n)最小。自适应滤波器设计中最常用的是 FIR 横向型结构。图 2 是横向型滤波器的结构示意图。其中：x(n)为自适应滤波器的输入；w(n)为自适应滤波器的冲激响应：w(n)=w(O)，w(1)，w(

8、N-1)；y(n)为自适应2.2 自适应滤波算法自适应滤波算法自适应滤波器除了包括一个按照某种结构设计的滤波器，还有一套自适应的算法。自适应算法是根据某种判断来设计的。自适应滤波器的算法主要是以各种判据条件作为推算基础的。通常有两种判据条件：最小均方误差判据和最小二乘法判据。LMS 算法是以最小均方误差为判据的最典型的算法，也是应用最广泛的一种算法。最小均方误差(Least Mean Square，LMS)算法是一种易于实现、性能稳健、应用广泛的算法。所有的滤波器系数调整算法都是设法使 y(n)接近 d(n)，所不同的只是对于这种接近的评价标准不同。LMS 算法的目标是通过调整系数，使输出误差

9、序列 e(n)=d(n)-y(n)的均方值最小化，并且根据这个判据来修改权系数，该算法因此而得名。误差序列的均方值又叫“均方误差”(Mean Sqluare Error，MSE)。理想信号 d(n)与滤波器输出 y(n)之差 e(n)的期望值最小，并且根据这个判据来修改权系数 wi(n)。由此产生的算法称为 LMS。均方误差 表示为：对于横向结构的滤波器，代入 y(n)的表达式：其中：R=EX(n)XT(n)为 NN 的自相关矩阵，它是输入信号采样值间的相关性矩阵。P=Ed(n)X(n)为 N1 互相关矢量，代表理想信号 d(n)与输入矢量的相关性。在均方误差 达到最小时，得到最佳权系数它应满

10、足下式：这是一个线形方程组，如果 R 矩阵为满秩的，R-1 存在，可得到权系数的最佳值满足：W*=R-1p。用完整的矩阵表示为：显然 x(m)=Ex(n)x(n-m)为 x(n)的自相关值，xd(R)=Ex(n)d(n 一k)为 x(n)与 d(n)互相关值。在有些应用中，把输入信号的采样值分成相同的一段(每段称为一帧)，再求出 R，P 的估计值得到每帧的最佳权系数。这种方法称为块对块自适应算法。如语音信号的线性预测编码 LPC 就是把语音信号分成帧进行处理的。R，P 的计算，要求出期望值 E，在现实运算中不容易实现，为此可通过下式进行估计：用以上方法获得最佳 W*的运算量很大，对于一些在线或

11、实时应用的场合，无法满足其时间要求。大多数场合使用迭代算法，对每次采样值就求出较佳权系数，称为采样值对采样值迭代算法。迭代算法可以避免复杂的 R-1 和 P 的运算，又能实时求得近似解，因而切实可行。LMS 算法是以最快下降法为原则的迭代算法，即 W(n+1)矢量是 W(n)矢量按均方误差性能平面的负斜率大小调节相应一个增量：W(n+1)=W(n)-(n)，这个“是由系统稳定性和迭代运算收敛速度决定的自适应步长。(n)为 n 次迭代的梯度。对于 LMS 算法(n)为下式 Ee2(n)的斜率：由上式产生了求解最佳权系数 W*的两种方法，一种是最陡梯度法。其思路为：设计初始权系数 W(0)，用 W

12、(n+1)=W(n)一 (n)迭代公式计算，到W(n+1)与 W(n)误差小于规定范围。其中(n)计算可用估计值表达式：上式 K 取值应足够大。如果用瞬时一 2e(n)X(n)来代替上面对-2Ee(n)X(n)的估计运算，就产生了另一种算法随机梯度法，即 Widrow-Hoft 的 LMS 算法。此时迭代公式为：W(n+1)=W(n)+2ue(n)X(n)以后讨论的 LMS 算法都是基于 WidrOW-Hoff 的 LMS 算法。上式的迭代公式假定滤波器结构为横向结构。对于对称横向型结构也可推出类似的迭代公式：W(n+1)=W(n)+2ue(n)X(n)+X(n 一 N+1)2.3 自适应滤波

13、算法的理论仿真自适应滤波算法的理论仿真使用 Matlab 编程，采用自适应滤波器技术实现信噪分离，也就是去噪。程序如下：程序运行的结果如图 3 所示。通过 CCS 软件环境，把滤波程序烧录到 DSP 芯片中，在 CCS DSK C5000环境下输出仿真结果：输入信号为余弦信号和随机噪声的叠加。程序正确运行后，观察运行结果，得出如图 4，图 5 所示的仿真图。通过仿真实验结果表明：自适应滤波器却能很好地消除叠加在信号上的噪声，虽然也可以用固定滤波器来实现，但设计固定滤波器时需要预先知道信号和噪声的统计特性，而自适应滤波器则不需要，并且当信号和噪声的统计特性发生变化时，自适应滤波器也能自动地调节其

14、冲激响应特性来适应新的情况，因此，自适应滤波器具有更加广阔的应用前景。自适应滤波器程序：#include#include#include#define PI 3.14159#define DELAY 1#define M0 16#define MD 17#define Q 15short signal_make(short N,short T);int mpy(int,int);int mpyh(int,int);int mpyhl(int,int);int add2(int,int);int main()/*/ testshort i = 32767;short j = -12325;sho

15、rt z;int temp;temp = (int)i;z = (i * j) 15;printf(%d,z);*/ short y,e; short N = 30000; FILE *fp1; FILE *fp2; int SMD; int WM0; short st; short i = N; short u0 = 10; short u,j; int sum; int *p1 = NULL; int *p2 = NULL; int a; signal_make(N,100); u = u0; fp1 = fopen(signal_1,rb); fp2 = fopen(signal_2,w

16、b+); for (j = M0 - 1;j = 0;j-) Wj = 0; for (j = MD - 1;j = 0;j-) Sj = 0; while (i) fread(&st,sizeof(short),1,fp1);/ printf(%dn,st); p2 = (int*)(short*)S + 1); for (p1 = S;p1 = &SMD - 1;p1+) *p1 = *p2; p2+; sum = 0; *(short*)(&SMD - 1) + 1)= st; for (j = 0;j Q); e = st - y; a = (u * e) (Q

17、 - 1); for (j = 0;j Q) & 0 x0000ffff) + (mpyhl(Sj,a) 1) + (e * e) (Q + 11); fwrite(&y,sizeof(short),1,fp2); i-; fclose(fp1); fclose(fp2); return 0;int add2(int a,int b) short *p1; short *p2; short *p3; int c; p1 = (short*)(&a); p2 = (short*)(&b); p3 = (short*)(&c); *p3 = *p1 + *p

18、2; p1+; p2+; p3+; *p3 = *p1 + *p2; return c;int mpy(int a,int b) short *p1; short *p2; int c; p1 = (short*)(&a); p2 = (short*)(&b); c = *p1 * *p2; return c;int mpyhl(int a,int b) short *p1; short *p2; int c; p1 = (short*)(&a) + 1; p2 = (short*)(&b); c = *p1 * *p2; return c;int mpyh(i

19、nt a,int b) short *p1; short *p2; int c; p1 = (short*)(&a) + 1; p2 = (short*)(&b) + 1; c = *p1 * *p2; return c;short signal_make(short N,short T) short i = N; short x,r; double temp; FILE *fp; if (fp = fopen(signal_1,wb+) = NULL) printf(can not open file.); return -1; while (i) temp = sin(2

20、* PI * i / T); r = (rand() - 16384) 3; x = (short)(temp * 5000 + r);/* if (fwrite(&x,sizeof(short),1,fp) != 1) printf(file write errorn); i-; fclose(fp); return 0;3. 仿真软件介绍1.TMS320F206 简介 TMS320F206 是 TI 公司推出的一种 DSP 芯片，它是基于 TMS320C5x 之上的高速定点数字处理芯片，具有改进的哈佛结构（并行分离的程序和数据总线）、高性能 CPU 及高效的指令集等特点。其主要特性

21、如下：CPU 具有 32 位 CALU、32 位累加器、1616 位并行乘法器、三个移位寄存器、八个 16 位辅助寄存器。存储器个有 224K 字可寻址存储空间、544 字片内 DRAM、4K 字片内 SRA或 32K 字节内快闪存储器。指令速度为 50ns、35ns 及 25ns 单指令周期。外围电路有软件可编程定时器、软件可编程等待状态发生器、片内锁相环时钟发生器、同步和异步系列串口。2 硬件接口电路设计2.1 TLC5510 前端电路设计TLC5510 前端电路如图 1 所示。在电路中，模拟电源 VDDA 和数字电源 VDDD 相互独立。VDDA 与数字地AGND 之间及 VDDD 与模

22、拟地 DGND 之间都用 4.7F 电容、0.1F 电容和铁氧磁环去耦和消除电源的纹波。AGND 与 DGND 分开，以避免数字信号给模拟信号带来噪声。放大后的视频信号直接加在 TLC5510 的 19 脚。TLC5510 的时钟信号由 TMS320F206 的时钟信号输出脚 CLKOUT1 提供。2.2 TLC5510 与 TMS320F206 接口电路设计TLC5510 与 TMS320F206 接口电路图如图 2 所示。TLC5510 数字地与 TMS320F206 的地相连。因 TLC5510 内部有数字输出缓冲，所以 TLC5510 的脚D1：D8gn TMS320F206 脚D0:D7直接相连。TMS320F2