自適應濾波器設計

陶秀文 吳文念

摘要：本設計為一個工作頻率為10kHz～100kHz，移相范圍為0度到360度的自適應濾波器。本設計的自適應濾波器是可以根據干擾信號的特征進而濾除混合信號中的干擾信號，從而恢復并輸出有用信號波形。整個設計包括：電源模塊、加法器模塊、移相器模塊以及濾波模塊。自適應濾波器是使用前一時刻已經獲得的濾波器參數結果，自動調節現時刻的濾波器的參數，以此適應未知噪聲和未知信號的統計特性，或者隨時間變化的統計特性，從而實現最優濾波。

關鍵詞：自適應濾波器；加法器模塊；移相器模塊；LMS算濾波模塊

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）05-0244-02

隨著超大規模集成電路技術的迅速進步，具有自學習、自跟蹤、對參數經常變化的動態系統有較好的控制效果特性的自適應濾波技術在后續的技術研發上起著舉足輕重的作用。本設計制作一個工作頻率為10kHz～100kHz的自適應濾波器，可以根據干擾信號的特征濾除混合信號中的干擾信號，從而恢復并輸出有用信號。

1 方案設計

1.1整體設計方案

整個設計包括：電源模塊、加法器模塊、移相器模塊以及濾波模塊。首先通過采用OP07芯片用來實現加法器功能，再根據電容電感移相功能將RC與運放聯系起來組成有源的移相電路，濾波器模塊是使用DSP的DMA方式對外部信號進行實時采集，外部模擬信號首先進行A/D轉換，再通過MCB SP的接收寄存器接收數據。依據自適應濾波算法，對該信號進行自適應濾波。濾波后的信號存放數據區滿發出中斷，接著請求信號輸出。使用DMA方式將傳輸輸出數據，由D/A轉換之后輸出，整體框圖見圖1。自適應濾波器經過對比使用FIR橫向濾波器的結構，通過設計LMS算法自動地調整濾波系數，使其達到最佳濾波特性[1]。

1.2 放大器模塊電路的選擇

本設計采用OP07芯片，它是一種非斬波穩零、低噪聲的雙極性運算放大器集成電路。因為OP07具有特別低的輸入失調電壓，因此OP07在很多應用場合并不需要額外的調零措施，同時OP07還具有輸入偏置電流低和開環增益高等特點，使得它尤其適用于高增益的測量和放大傳感器等方面，如圖2所示[2]。

1.3移相電路的選擇

設計中考慮到，直接利用電路中電容和電感移相功能進行移相，最大移相范圍只有90度，不能滿足設計需求，所以在原有電路的基礎上將RC與運放聯系起來組成有源的移相電路，這樣即可以實現0度到360度的移相范圍，電路如下圖3所示[3]。

1.4自適應濾波器結構的設計

自適應濾波器特性的變化是根據自適應算法經過調整濾波器系數來實現的。通常情況下自適應濾波器由兩部分組成，一部分是濾波器結構，另一部分是用來調整濾波器系數的自適應算法。

一般有FIR和IIR兩種自適應濾波器結構。FIR濾波器相比于IIR濾波器穩定性強，且橫向結構算法容易實現計算量少，因此自適應濾波器采用FIR橫向濾波器結構。如圖4所示。

此圖中，輸入信號是x（n），輸出信號是y（n），參考信號（期望信號）是d（n）， d（n）和y（n）的誤差信號為e（n）。受誤差信號e（n）控制的自適應濾波器的濾波器系數，可根據e（n）的值和自適應算法進行自動調整。

1.5自適應濾波器算法選擇

采用最小均方算法（縮寫：LMS），雖然此算法相比于傳統的遞歸最小二乘法來說收斂速度比較慢，但是它算法簡單運算方便，易于實現，程序流程圖如圖5所示。

2 系統測試

針對系統的各個模塊進行相應的功能測試，并觀察結果，保證設計符合要求，實現設計功能。

1）加法器測試

測試方法：接入正負電源，分別控制輸入信號1和信號2均為1～2V，頻率為10kHz～100kHz，觀察數字式示波器的輸出信號波形及峰峰值變化是否滿足設計要求。

2）移相器測試

測試方法：接入正負電源，輸入信號3，調節50kΩ的滑動變阻器，觀察示波器的輸出信號波形、峰峰值變化以及相位差的大小是否滿足設計要求。

3）加法器和移相器相連測試

測試方法：加法器和移相器相連，將加法器的輸出信號作為移相器的輸入信號，分別改變加法器的輸入信號1和輸入信號2的頻率和峰峰值，測得輸出信號頻率的峰峰值，通過調節移相器的滑動變阻器，測得輸出信號與輸入信號的相位差范圍在0°～360°。

3 結束語

自適應濾波器廣泛應用于通信領域的自動均衡、回波消除以及其他有關領域信號處理的參數識別、噪聲消除等方面。本設計的自適應濾波器滿足設計要求，具有較好的濾波效果。

參考文獻：

[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M]. 4版.北京：高等教出版社，2006.

[2] 劉益成.數字信號處理[M].西安：西安電子科技出版社，2004.

[3] Simon Haykin.自適應濾波器原理[M].北京：電子工業出版社，2003.

【通聯編輯：唐一東】