基于SystemVue的LMS自适应滤波器设计及其FPGA实现

作者:陈辉铭;曹张帅;张萌萌 刊名:科技传播 上传者:刘耀庚

【摘要】本文介绍了一种基于FPGA的LMS自适应滤波器实现的新方法 ,通过LMS算法以及FIR滤波器原理,详细地介绍了用SystemVue进行系统的设计以及算法的仿真,并使用其Code Generator功能产生了Verilog HDL代码,经过ModelSim进行RTL级仿真后在FPGA上实现。

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口 与怡 基于 的 自适应滤波器设计及其 实现 陈辉铭 , 曹张帅 , 张萌萌四川大学电子信息学院 , 四 川成都 摘 要 本文介绍 了一种基于 的 自适应 滤波器 实现的新方 法 , 通过 算法 以及 滤波器原理 , 详细地介绍 了用 进行系统的设计以 及算法的仿真 , 并使用其 功 能产生 了 代码 , 经过 进行 级仿真后在 上 实现 。 关 键 词 算法 自适应 滤波器 一 中图分类号 文献标识码 文章编号 一 一 一 引言 自适应滤波器具有在未知环境下 良好运行并跟踪时变输入统计量的能力 , 使得 自适应滤波器成为信号处理和 自动控制应用的强有力手段 。 实际上 , 自适应滤波器 己经成功地运用于通信 、 雷达 、 声呐 、 地震学和生物 医学工程等领域 。 用 硬件实现的数字滤波器能很好的解决并行性和速度 问题 , 而且其具有灵活的可配置特性和优 良的抗干扰能力 。 通常是通过编写硬件描述语言 来实现基于 的数字滤波器 , 但这种方式开发周 期长 、 难度较大且容 易出错 。 本文利用系统级开发工具 进行系统建模并算法验证 , 生成 了 代码 , 同时结合多种 工具对代码进行验证 , 设计 出了基于 算法的 自适应滤波器 , 这种开发方式具有开发周期短 、易于实现及可靠性高的优点 。 自适应滤波器基本理论及其结构 自适应滤波器是带有一 定的自适应算法来更新系数的滤波器 , 故可 以运用在未知的和不断变化的环境中 。 自适应算法通过调整滤波器系数来决定滤波的特性 , 一种典型的性能标准是基于误差信号 , 即滤波器的输出信号和期望响应之差 。 其 中最小均方误差 一 二 , 算法因适合于硬件实现而被广泛应用 。 自适应滤波器的理论基础是维纳的最优滤波理论 。 如 图 所示 , 、 、 、 分别为输入信号 、 输出信号 、 期望响应和误差信号 , 可调抽头系数为 。 , 二 , , ⋯ , 一 , 其中 为滤波器长度 , 表示系数随时间变化 。 二 , , ⋯ , 则 自适应 工 滤波器的输出 可 以表示为 对 一少 一 艺、 胡 误差信号 可 以表示为 二 一 系数 的更新是通过一系列的迭代运算使得误差信号达到最小 。 抽头系数的代价函数即均方误差 。 , , 定义为 二 对于给定的系数向量 二 。, , ⋯ , 和输入信号 及期望 响应 , 可 以通过式 和 得出 二 仁 一 肠 , 其 中 二 是 输 入 信 号 自相 关 矩 阵 二为期望响应与输入信号 向量的互相关矩阵 。 将代价函数 相对于抽头系数 的关系 曲面称为滤波器的误差性能曲面 。 为 了设计最优滤波器 , 即选择最优滤波器系数使代价函数 达到最小值 , 定义代价函数的梯度向量为甲即 甲 二 二一枷 令甲 习 , 方程 。 二 可 以得到最优滤波器系数向量满足维纳 一 霍夫 」叫 胜 ’ 匕 一图 抽头系数的向量形式为 二 , , ⋯ , 甄一其中上标 是矩阵转置运算 。 输入信号的向量形式为 如 果 是 可 逆 矩 阵 , 那 么 最 优 抽 头 系 数 向量 为 。 二 将 式带入 可得最小均方误差为 二 一 但是在许多实际应用 中 , 信号是非平稳 的 , 或者其统计特性位置 。 因此其误差性能曲面的参数 , 甚至解析表达式都是变化的或者未知的 。 因此 , 只能根据 己知 的测量数据 , 采用某种算法 自动地对性能 曲面进行搜索 , 寻找最小点 , 从而得到最优系数向量 。 其中最陡下 降法就是沿着性能 曲面最陡方向向下 调整系数向量 , 搜索性能 曲面最小点 。

参考文献

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