基于K60的自適應濾波器的設計

郭成鈞　胡佳文　袁匯豐

摘要：自適應濾波器是指根據環境的改變，使用自適應算法來改變濾波器的參數和結構的濾波器。自適應濾波器的最重要的特征就在于它能夠在未知環境中有效工作，并能夠跟蹤輸入信號的時變特征。本次的設計主要由加法器、移相電路和自適應濾波器組成。設計采用加法器將有用信號與干擾信號疊加成混合信號，移相電路能做到將10KHz-100KHz的混合信號進行0-180度移相。通過自適應濾波器，采用干擾抵消等方法，濾除干擾信號，能從混合信號中恢復出有用信號。

關鍵詞：加法器；移相電路；濾波

中圖分類號：TN713 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0172-02

隨著數字式電子計算機技術的產生和飛速發展，為了便于計算機對信號進行處理，產生了在抽樣定理指導下將連續時間信號變換成離散時間信號的完整的理論和方法。信號在它的產生、轉換、傳輸的每一個環節都可能由于環境和干擾的存在而畸變，解決的辦法之一就是利用自適應濾波器，讓其時實的跟蹤信道的特性然后不斷的調整均衡器的參數使其保持在最優的狀態。比如，我們日常使用的擴音設備，如果不注意將麥克風和喇叭靠的太近則會產生令人厭煩的嘯叫聲，采用自適應濾波技術將能有效的避免這種情況。因此設計一個自適應濾波器，要求能在特定的要求下恢復出有用信號。

1 整體設計

本濾波器主要由加法器、移相器和自適應濾波器三部分組成。其基本電路應用原理如圖1所示。

圖1中，有用信號源和干擾信號源為兩個獨立信號源，輸出信號分別為信號A和信號B，且頻率不相等。自適應濾波器根據干擾信號B特征，采用干擾抵消等方法，濾除混合信號D中的干擾信號B，以恢復有用信號A的波形，其輸出為信號E。

2 硬件電路設計

2.1 加法器

本加法器選擇的是同相加法器，同相加法器輸入阻抗高，輸出阻抗低。而加法器的運算放大器是選用了德州儀器公司的NE5532運放，NE5532是高性能運算放大器結合優異直流和交流特性。它們的特點是非常低的噪聲，高輸出驅動能力，高單位增益和最大輸出擺幅帶寬，低失真，高擺率，輸入保護二極管，以及輸出短路保護。運算放大器內部補償為單位增益操作。器件規定的最大限額為等效輸入噪聲電壓。且滿足信號峰值均為1～2V，頻率范圍為10KHz～100KHz的要求。

2.2 移相器

本移相器是0-180°超前相位移向器，運算放大器依然采用NE5532，推導公式如下：

移相器原理圖如圖2所示。

2.3 自適應濾波器

自適應濾波器的內部組成是先對B信號進行移相得到B1，再用減法器對D信號和B1信號進行相減，要做到干擾抵消，就需要使B信號的移相角度和C信號的移相角度保持一致，而C信號是一個0-180°的隨機移相。本設計使用控制反饋，用Freescale公司KinetisK60系列mcu作為控制芯片，對減法器的輸出信號E進行A/D轉換和采樣，通過輸出和期望的對比，用K60去驅動移相電路的電位器，做到對干擾信號B的同步移相，使干擾抵消，恢復有用信號A。自適應濾波器內部組成如圖3所示。

同步移相依然使用0-180°超前相位移相電路，其中電位器用的是電動電位器，用K60輸出PWM波通過驅動電路去控制電動電位器。

減法器是一個簡單的減法運算電路，又稱差動輸入運算電路，對共模信號有抑制作用。

采樣控制則通過藍宙電子k60最小系統版的A/D模塊，將模擬信號進行采樣，k60最短的16位單工采樣轉換時間為0.73us，通過多組采樣得到的數據，經過分析確定其是否接近所期望的波形，到得到所期望的波形時就停止PWM波的輸出，使電動電位器停止轉動，此時移動的相位就為同步移相，測試中有用信號A為正弦信號。控制采樣還帶有供電模塊使7.5V的電源能通過降壓降到5V來給K60中的各個模塊供電，oled顯示模塊以便來進行現象觀察。

電機的驅動電路用的是RZ7888驅動芯片，RZ7888是一款DC雙向馬達驅動電路。它有兩個邏輯輸入端子用來控制電機前進、后退及制動。

3 系統軟件設計

該系統的軟件采用IAR Embedded Workbench 7.3編程，IAR是瑞典IAR Systems公司為微處理器開發的一個集成開發環境，支持ARM，AVR，MSP430等芯片內核平臺。

在主程序中，先配置好各個參數如A/D讀取引腳、PWM波輸出引腳、最小周期采樣轉換的時間設定。設置每5MS進定時器中斷，在定時器中斷中對采樣過來的多組數據進行處理和分析，本實驗中取多采集的數據的極大值進行比較，當多個極大值的數值都極為接近且每個極大值之間的采樣數據間隔相同時就認為輸出波形為正弦信號，即已經恢復出了有用信號A，至此停止PWM波的輸出。期間oled顯示屏主要是對程序的調試起輔助作用。程序流程圖如圖4所示。

4 測試結果

當A信號（有用信號）為頻率為50KHz峰峰值為1V的正弦波，B信號（干擾信號）為頻率10KHz峰峰值為1V的正弦波時，C點能正確顯示疊加后的波形，移相器即D點大致能實現0-180度的調相，E點能夠得到清晰的10KHz且峰峰值約為1V的正弦波。當不斷改變A、B兩個信號的頻率與峰峰值，CDE點都能得到清晰的正弦波。當干擾信號波改為三角波時，E點輸出結果依舊是清晰的原有用信號波，當干擾信號改為方波時，E點輸出結果為略帶毛刺的原有用信號波。測得結果的信號圖如圖5所示。

5 結語

本設計通過硬件電路和軟件的配合，再將A、B信號通過加法器、移相器、自適應濾波器的情況下，能順利的恢復出有用信號A的波形，在2017年全國大學生電子設計競賽的測試要求下，該方案已經合格可行。本設計具有以下特點：

（1）本自適應濾波器能在已知干擾信號的情況下，從混合信號中濾除干擾信號。（2）自適應濾波器對于有用信號并無太大影響。（3）改變混合信號的相位并不影響自適應濾波器的濾波功能。（4）自適應濾波器能用于多種場合，如有關領域信號處理的參數識別、噪音消除、譜估計等方面。

參考文獻

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