數字電路信號傳輸抗干擾技術研究

馬克才

（青海高等職業技術學院，青海 海東 810700）

0 引 言

數字電路基于半導體技術將各部分元件集成起來構成電子設備的運行電路。數字電路的數據傳輸是通過數字信號進行的，具有邏輯運算和邏輯處理功能[1]。數字電路的高度集成特性，使其在信號的采集、轉換以及傳輸等環節均可能受到外界因素、電磁環境以及內部元件的干擾，進而產生畸變信號，降低數字信號傳輸精度。數字電路是大規模集成電路的核心，驅動著電子信息技術的發展。數字電路在電子設備設計中的應用頻率較高，為保障電子設備的穩定運行和正常工作，需要優化數字電路的抗干擾性能[2-3]，具體可從抑制干擾源、阻斷干擾傳播路徑以及優化元件抗干擾性能等方面實現。

1 基于自適應濾波的數字電路信號傳輸抗干擾方法

1.1 自適應濾波器抗干擾原理

一般的數字帶通濾波器可以通過設計相應的FIR濾波器和IIR濾波器消除調制信號頻段在200～600 Hz的干擾信號，但難以消除數字電路信號傳輸頻帶內的全部干擾。為改進數字帶通濾波器的抗干擾弊端，設計了一種自適應濾波器來抵抗數字電路產生的信號干擾，顯著優點是輸入信號頻譜不會造成濾波性能下降[4]。

自適應濾波器的參數和結構可以修正。在抵抗一般外界干擾時，濾波器只需修正參數即可。自適應算法可自動重新設置濾波器參數，重新定義自身的處理能力與性能，以應對變化的外部條件，同時可以通過實時追蹤外部條件的變化，最終將參數設置為理想狀態[5]。和維納濾波器相比，自適應濾波器無需求取準確的信號處理系統的結構與參數即可發揮抗干擾作用[6]。目前，數字電路抗干擾技術研究中線性濾波器使用頻率較高，因此選用自適應線性濾波器實現數字電路信號傳輸的抗干擾。

自適應算法和數字濾波器是自適應濾波器的主要構成。自適應濾波器去除數字電路中干擾信號的運行原理，如圖1所示。

其中：a(i)、c(i)表示輸入信號與輸出信號，通過數字濾波器調制輸入信號；g(i)表示期望信號，和輸出信號b(i)之間存在誤差，誤差信號為t(i)。自適應算法的功能是修正誤差信號的參數，以獲取誤差信號的均差值下限。誤差信號計算方法如下：

圖1 自適應濾波器抗干擾原理

1.2 自適應濾波電路硬件設計

自適應濾波技術最關鍵的作用是排除噪聲和干擾信號，在大量繁瑣的數字信號中找到有價值的真實信號，并高效還原原始信號[7]。結合自適應濾波器的抗干擾原理，設計自適應濾波器硬件結構如圖2所示，其中移相器、同相加法器以及FIR自適應濾波器是自適應濾波電路的主要構件。

圖2 自適應濾波電路硬件結構

1.2.1 電路基于同相加法器實現同相信號的相加運算

輸出與輸入阻抗的特征分別表現為低和高，采用NE5532加法器，在保障信號低失真度的情況下提高單位增益和輸出擺幅，確保電路的短路保護功能。同時，使用0°～180°超前相位移向器調整數字信號波。

1.2.2 電路采用FIR濾波器進行信號濾波

濾波器內部集成了信號預處理模塊、電源管理模塊以及邏輯觸發模塊，共同完成信號濾波，抑制干擾[8]。電源模塊使用3路供電結構，以滿足整個濾波電路的用電需求，并通過穩定供電降低濾波的波動性。預處理模塊先除去一部分的環境噪聲，降低了信號濾波的難度。數字電路信號的干擾信號和有價值信號分為3路進行傳輸，a1(i)、a2(i)、a3(i)分別表示有價值數字信號、干擾性數字信號以及二者的混合信號。FIR自適應濾波器可以精準分析a2(i)信號的特征，制定針對性的干擾抵抗算法，有效清除a3(i)中的a2(i)，最終輸出有價值信號的波形。

1.3 RLS自適應濾波算法設計

RLS自適應濾波算法收斂速度比較快，用時較短，其性能不受干擾信號頻譜特征的影響，但計算量較大且過程相對繁瑣[9]。首先獲取加權累積誤差代價函數的最小值，其次設置運算所需的n-1次迭代濾波器抽頭權向量，最后采用最新的數值求取n次迭代權向量的預估值，完成自適應濾波的遞推過程，獲取新的無干擾因素的數字電路傳輸信號[10]。定義ε(n)表示需要進行最小化的代價函數，表達式為：

當運行時刻為i時，期望信號g(i)和輸出信號b(i)的差值為t(i)。μ表示遺忘因子，其值在（0,1）之間。根據式（2）能夠看出，相比i時刻，時間越大的數據，對應的權重值越小，這賦予了RLS自適應濾波器在波動條件下的運行能力[11]。

RLS自適應濾波器抗干擾后的輸出信號b(i)可通過式（3）求取：

式中，i時刻抽頭輸入向量與抽頭權向量分別用v(n)、r(n)表示，二者計算公式為：

其中，M表示RLS自適應濾波器的階數。

計算代價函數的下限值的運行過程為：

式中，z(n)、λ(n)分別表示互相關向量和自相關矩陣。因為計算λ(n)的逆是獲取r(n)最佳估計值的前提條件，所以實際計算時利用遞推法求取權矢量值，可以克服矩陣求逆計算量大的問題，計算方式如下：

RLS算法通過式（8）～式（10）進行遞推求解：

式（8）～式（10）的計算值分別為第n個增益矢量、先驗估計誤差以及權矢量。

求取λ(n)自相關矩陣的逆p(n)：

在RLS自適應濾波器去除數字電路信號傳輸干擾的過程中，為符合下一時刻的輸入信號v(n+1)，需調整性能。濾波器的權矢量隨著誤差信號的改變而變化，需縮小輸出信號與期望信號間的差距[12]，排除數字電路信號在傳輸過程中的干擾信號。

2 實驗分析

設計基于RLS自適應算法的自適應濾波器，用于排除數字電路傳輸過程中的干擾信號和信號噪聲。為驗證它在數字電路設計中抗干擾的有效性，展開信號波形檢測實驗。

將采集的具有明顯畸變的數字電路信號作為原始輸入信號，觀察處理前后信號噪聲的變化情況。抗干擾處理前的原始輸入信號如圖3所示。

圖3 抗干擾處理前的原始信號

將輸入信號傳輸至RLS自適應濾波器中，采用RLS算法調整濾波參數，最終輸出如圖4所示的濾波后數字信號。

圖4 本文方法處理后的數字電路信號波形

對比圖3和圖4可知，原始信號畸變明顯。在采樣范圍內，左右兩側平穩信號的波動幅度較大，抖動頻次高。處理后數字信號的波動變化趨勢更加清晰，兩側信號抖動的幅度顯著降低，且基本可以消除采樣初始階段的信號噪聲，證明該方法具有良好的抗干擾效果。

3 結 論

隨著現代電子技術水平的提升，人們對電子設備的信號輸出質量提出了較高要求，因此避免數字電路信號傳輸中的干擾是保障電路正常運行的基本要求。數字電路信號干擾的抑制方法種類繁多，本文基于RLS算法設計的自適應濾波器有效排除了數字信號傳輸的噪聲干擾，準確輸出有價值的信號。本文方法抑制數字電路信號干擾的優勢如下：首先，RLS自適應濾波器對數字信號傳輸頻帶沒有約束，可解決大部分信號干擾問題，彌補了傳統數字帶通濾波器的抗干擾缺陷；其次，RLS自適應濾波器無需信號傳輸和信號噪聲的先驗知識即可實現數字信號的抗干擾功能；最后，通過實驗證明了本文方法相比遺傳算法自適應濾波器、LMS自適應濾波器抑制干擾信號的誤差最小，取得了良好的數字信號抗干擾效果。數字電路信號傳輸路徑復雜且系統，不能忽視任何環節上的信號干擾問題。因此，未來研究中要以優化數字信號傳輸效率為前提，研究多種高性能的信號抗干擾方法，為電子設備研發提供優質的數字電路設計方案。