一種自適應增強譜線算法的優化設計與實現

徐成節

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

一種自適應增強譜線算法的優化設計與實現

徐成節

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

自適應譜線增強(ALE)算法能夠提高高動態、低信噪比信號的載波頻率估計精度。針對實際應用中該算法消耗硬件資源多、結構復雜、使用效率低等問題,提出了結合可編程邏輯門陣列(FPGA)優化的ALE算法結構方法,簡化了ALE硬件電路。設計結果表明,改進ALE方法后,可實現信噪比為0～20 dBHz、最大多普勒動態為800 Hz/s的測控信號載波頻率準確估計。

測控通信;信號載波捕獲;頻率估計;自適應譜線增強;低信噪比;高動態

1 引 言

深空測控通信中,信號載波捕獲是一個重要內容。由于目標距離遠,地面站接收信號十分微弱,接收信噪比非常低,接收信號的動態非常大(主要指接收信號的多普勒頻率變化率)。在工程中往往需要采用反映信號頻率高階變化的高階窄帶鎖相環進行跟蹤鎖定,典型的應用是采用三階鎖相環跟蹤頻率斜升信號。考慮到信噪比極低,鎖相環帶寬必須設計得很窄,以保證環路輸出信噪比,因此環路的捕獲帶也相應較窄,而三階鎖相環在窄帶條件下,頻率斜率也需要預先捕獲,故在頻率捕獲階段需要同時將頻率和頻率斜率捕獲到一個較窄的范圍內。傳統的方法是采用基于快速傅里葉變換(FFT)的測頻方法,但應用FFT測頻時,往往需要信號頻率在采樣期間保持不變或者較小范圍內變化,這和信號頻率的高動態相矛盾,因此FFT等傳統的測頻方法在高動態信號頻率估計中的應用有很大的局限性。

自適應譜線增強器(ALE)是一種具有自我調整和增強能力的自適應特殊濾波器,可根據輸入信號和自適應譜線增強信號誤差進行調整 ,從而實現信號噪聲的自適應對消和信號增強濾波。在高動態低信噪比下使用ALE后再進行FFT頻譜分析,能夠解決高動態的多普勒要求FFT的分析帶寬大、兩者相互制約的矛盾。文中結合深空測控工程需求,進行了Matlab仿真,提出了一種適用于低信噪比、高動態的信號頻率估計的改進ALE算法,從硬件設計、參數選擇、數據處理、流水線結構處理等方面進行了設計分析,并在深空探測工程中得到了有效的應用。

2 ALE原理

ALE自適應譜線增強濾波設計中,沒有外部參考信號,是利用延遲一段時間后窄帶信號的相關函數會顯著地強于寬帶噪聲這一特征,將輸入信號接入具有固定延遲的延遲線作為參考信號。參考信號的寬帶噪聲和原始輸入的寬帶噪聲相關性就會迅速減弱,而窄帶周期信號的相關性不會受到影響。ALE自適應濾波會有一個學習過程,學習過程就是誤差信號趨于不斷減小的過程。當學習過程進入穩態后,濾波器輸出是原窄帶周期信號和一個隨機的誤差,其誤差可以通過選取合適的步長因子而達到很小的振幅。ALE在FPGA中實現的原理圖[1]如圖1所示。

圖1 ALE原理框圖Fig.1 Theory structural block diagram of ALE

圖1中,ALE自適應譜線增強濾波設計輸入信號為

式中,sk為載波信號,nk為高斯白噪聲。

ALE自適應譜線增強濾波設計輸出信號為

輸出一步誤差信號為

一步權系數更新矢量為

式中,s+n是信號和噪聲能量之和;u為收斂因子或稱迭代步長,是控制ALE收斂速度和穩定性的收斂參數;L+1為ALE自適應濾波器的階數[2-4]。

3 ALE算法硬件實現

3.1 ALE流水結構

ALE自適應譜線增強算法核心部分是流水結構設計,也是硬件設計難點。用FPGA實現復雜數字信號處理并不像DSP中那樣簡單,需要考慮時序同步、數據寬度、小數問題以及如何有效位舍入。根據深空測控需求,該設計采用128階自適應濾波器實現ALE,濾波器初始權系數全部為0,按照式(4)的算法進行迭代更新,算法實現中用到大量乘法運算。乘法運算的12位數據,權系數采樣12位小數,二進制數相乘得到的結果是1個24位二進制數。為了提高自適應濾波速度,設計中采用流水線的濾波器結構。流水線結構能夠顯著地提高處理的速度,但是要消耗更多的硬件資源,特別是硬件乘法器,如果ALE濾波器的長為L,則需要2L個通用乘法器(由于收斂因子u選用固定的,可以用移位方式處理,節約了L個乘法器)。ALE算法硬件實現的流水線結構框圖[5]如圖2所示。

圖2 ALE硬件實現的流水結構圖Fig.2 The parallel and serial structural diagram of ALE in FPGA

3.2 ALE硬件應用關鍵點

根據上述ALE自適應譜線增強算法流水結構設計,需要解決好下列幾個關鍵問題。

(1)迭代步長u

用于控制收斂速度和穩態誤差。u值大,收斂快,但收斂后的穩態誤差大;u值小,收斂慢,但收斂后的穩態誤差小。因此,需要確定合適的 u值。本設計根據公式(5)和深空測控工程情況,輸入信噪比小于20 dBHz情況下,要求收斂后誤差小,結合Matlab軟件仿真和硬件實際實現效果選用 u=2-28,硬件設計中選用移位寄存器實現。

(2)權向量長度L

增加長度,ALE算法收斂性能會得到提高,但增大了計算量且硬件實現難度越大;減小長度,收斂變慢,甚至算法無法收斂。因此,需要確定合適的權長。如圖2中L+1階自適應濾波器需要2L+2個乘法器,如128階就需要256個乘法處理器。

(3)乘法器處理

在ALE前進行低通濾波,降低了數據速率,如低通濾波器帶寬為20 kHz,ALE流水鐘采用120 MHz,128階ALE可以采樣256個串行乘法器,可以大大節約乘法器面積,256個乘法器只需要一個乘法器面積分時使用。

(4)小數處理

在FPGA中不支持浮點運算,ALE運算中,迭代步長很小,自適應濾波器中必然涉及小數處理。在硬件設計中將小數轉化為二進制數處理,做加法時,小數要對齊處理,乘法時要注意小數點的位數[6]。

(5)數據精度處理

在本設計中,由于迭代步長很小,必需保留中間數據的有效位數,如果太長不利于整體設計,從而在不影響ALE效果前提下,保留有效的位數非常重要。在做乘法和加法后,都需要進行有效的截取,在不斷試驗中,確保每一步信號截取的位數。

(6)時序處理

本設計采用流水線處理,在不影響信號流程情況下部分采用串并結合的方式處理。通過不斷的仿真和試驗,確保每一狀態的時序,從而保證整個時序的完整可靠。

3.3 權系數更新設計

令u=2-28,可以將式(5)優化處理為

由式(6)可以看出,迭代步長處理由兩個移位寄存器就可以處理,乘法器可以同上采用串行處理,節約硬件資源,一步權系數更新如圖3所示。

圖3 權系數更新硬件設計Fig.3 The design diagram of wkin FPGA

4 系統建模和硬件實驗

4.1 載波捕獲原理

載波捕獲主要功能是完成信號的頻率捕獲,主要由AD采樣、載波混頻、低通濾波、載波鑒相、自適應增強器、FFT運算、數據處理等構成,其原理框圖如圖4所示。

圖4 載波捕獲原理框圖Fig.2 The theory structural diagram of the carrier capture

輸入信號經過AD采樣后進行混頻,混頻信號經過低通濾波后送到鑒相單元,得到鑒相誤差。鑒相誤差在一定的線性范圍內具有正弦信號的特征。鑒相誤差通過自適應譜線增強器,再進行FFT運算分析可以得到載波頻率偏差的信息,從而完成載波捕獲。針對載波多普勒和動態范圍可以進行多路并行處理,從而快速完成載波多普勒頻率和動態捕獲。

4.2 硬件實現結果

如圖 4,LPF帶寬為 20 kHz,掃描速率為800 Hz/s,鑒相后頻率誤差為2 kHz;ALE階數為128階,迭代步長 u=2-28;AD信號輸入的信噪比分別為10 dBHz、20 dBHz;圖5～6為鑒相后直接進行FFT和經過ALE再進行FFT,兩者輸出信噪比的對比。

從硬件實現結果表明,低信噪比高動態情況下,ALE后信號噪聲明顯得到了對消,從圖5可以看出,AD信號輸入的信號 S/φ=10 dBHz,多普勒為800 Hz/s,信號幅度不變情況下,ALE后信號噪聲下降了3.5 dB,信噪比也提高了3.5 dB;從圖6可以看出,AD信號輸入的信號 S/φ=20 dBHz,多普勒為800 Hz/s,信號幅度不變情況下,ALE后信號噪聲下降了8.5 dB,信噪比也提高了8.5 dB;ALE后FFT比直接FFT的信噪比得到了明顯的提高,載波捕獲概率都得到了有效的提高。

圖5 S/φ=10 dBHz,直接FFT和ALE后FFT輸出信噪比對比Fig.5 The BER comparison between FFT and FFT after ALE when S/φ=10 dBHz

圖6 S/φ=20 dBHz,直接FFT和ALE后FFT輸出信噪比對比Fig.6 The BER comparison betwwen FFT and FFT after ALE when S/φ=20 dBHz

5 結束語

ALE算法的設計和研究過程比較復雜,本文根據深空測控低信噪比實際需求,主要針對ALE部分進行了系統仿真和建模,在FPGA中優化設計并實現了128階ALE算法,有效地完成了 S/φ為0～20 dBHz、最大多普勒動態為800 Hz/s的載波頻率精確捕獲。硬件實驗和應用結果表明,ALE算法在低信噪比、高動態情況下能夠有效提高信噪比,但該算法在極低信號噪聲對消能力上還有待進一步提高和研究。

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LI Ming-yang,BAI Peng.Design of Adaptive Line Enhancement System Based on FPGA Modern Electronics Technique[J].Modern Electronic Technology,2010,33(10):118-121.(in Chinese)

[6]金健,陳濤.采用FPGA實現基于LMS算法的自適應均衡器的設計研究[J].航天電子技術,2007(4):12-15.

JIN Jian,CHEN Tao.Design and Research of LMS Algorithm-Based Adaptive Equalizer with FPGA[J].Avionics Technology,2007(4):12-15.(in Chinese)

XU Cheng-jiewas born in Anqing,Anhui Province,in 1975.He is now an engineer with the M.S.degree.His research concerns space TT&C signal processing.

Email:xx-cj@163.com

Optimization Design and Implementation of Adaptive Line Enhancers

XU Cheng-jie
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

The arithmetic of adaptive line enhancers(ALE)can improve carrier frequency estimation accuracy of high dynamic signal with very low signal to noise ratio(SNR).However,the ALE structure is complex,and hardware resource is extensively consumed.To solve above problems,an optimized methed is proposed based on large-scale field programmable gate array(FPGA),which simplifies ALE circuits.It is proved that by the improved method,the carrier frequency of tracking telemetry and command(TT&C)signal can be accurately estimated under the condition of signal to noise power spectrum density ratio 0～20 dBHz and dynamic doppler rate 800 Hz/s.

TT&C;signal carrier capture;frequency estimation;ALE;low SNR;high dynamic

TN911.2

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.021

1001-893X(2012)06-0939-04

2011-12-26;

2012-04-24

徐成節(1975),男,安徽安慶人,碩士,工程師,主要研究方向為航天測控信號處理。