自適應對消器在多路微弱光信號測量中的應用

尹利忠 程立勛 李偉 石磊

(中訊郵電咨詢設計院有限公司鄭州分公司,河南鄭州 450007)

某多通道光纖適配器漏光在線測量系統存在干擾、噪聲與信號同頻帶的問題,基于最小均方誤差的自適應噪聲對消器在無任何信號與噪聲等先驗知識條件下可以根據所采樣時間序列的統計特征估計出有用信號,濾除帶內噪聲,有效提高信噪比[1]。

1 自適應噪聲對消器基本原理

橫向自適應噪聲對消器模型如圖1 所示。

圖1 自適應對消器模型

參考通道輸入為X0(n),含有50Hz工頻干擾、電路直流分量和高斯白噪聲等,濾波器系數為W(n),則

誤差信號

以MSE(均方誤差)性能函數為目標函數,定義為:

基于隨機梯度最小均方(LMS)算法可以有效求出最優W(n)使得X0(n)與X1(n)差異最小[2]。其數學表達式如下:

將(1)、(2)與(4)聯合,可得到自適應噪聲對消器的迭代公式如下:

2 自適應噪聲對消器算法仿真與性能分析

收斂因子μ和濾波器階數選取對自適應噪聲對消器的性能至關重要[3]。本文設計的測量系統有連續光信號和270HZ脈沖光信號兩種形式,下面針對兩種信號形式進行仿真分析。

設定連續光信號經IV 轉換后對應的電壓值為0.5 V,噪聲為高斯白噪聲,信噪比為-3db,電路直流漂移量為0.2V,50Hz 工頻干擾幅度為0.4V。

濾波器階數8階,收斂因子為0.1,仿真效果如圖1 所示。

從圖1 可以看到,對消后信號噪聲和干擾得到了明顯的抑制,分別提取對消前后信號的直流分量,其值分別為0.6769和0.4250,對應的對消前后測量誤差分別為26.1%和15%。

圖1 8 階濾波器0.1 步長連續光對消前后時域波形與頻譜Fig.1 Time-domain waveform and spectrum of 0.1-step continuous optical cancellation for 8-order filter

濾波器階數16階,收斂因子為0.1,仿真效果如圖2所示。

圖2 16 階濾波器0.1 步長連續光對消前后時域波形與頻譜Fig.2 Waveform and Spectrum of Time Domain before and after Cancellation of 0.1-step Continuous Light with 16-order Filter

提取對消后信號的直流分量,其值為0.4506,對應的測量誤差為9.8%。

設定270Hz 脈沖光信號經IV轉換后對應的電壓幅值為0.5V,噪聲為高斯白噪聲,信噪比為-3db,電路直流漂移量為0.2V,50Hz工頻干擾幅度為0.4V。

濾波器階數8階,收斂因子為0.05,仿真效果如圖3所示。

圖3 8 階濾波器0.05 步長脈沖光對消前后時域波形與頻譜Fig.3 Time-domain waveform and spectrum of 0.05-step long-pulse optical cancellation with 8th-order filter

提取對消后信號的交流分量,其值為0.2829,對應的測量誤差為13.1%。

濾波器階數16階,收斂因子為0.05,仿真效果如圖4所示。

圖4 16 階濾波器0.05 步長脈沖光對消前后時域波形與頻譜Fig.4 16 order filter 0.05 step pulse light wa ve form and spectrum

提取對消后信號的交流分量,其值為0.2752,對應的測量誤差為10%。

從上面的仿真結果可以看到,收斂因子μ一定的情況下,16階濾波器數比8階的濾波器效果好一些,階數一定的情況下,較小的收斂因子,穩態誤差更小。

3 自適應噪聲對消器算法工程應用

STM32F407 基于CortexTM-M4內核,最大工作主頻168M,支持單浮點運算。它具有3個獨立通道的ADC和2個獨立通道的DMA,DMA 最大支持8 個數據流的傳輸。

本測量系統最大支持12路光信號測量,本設計采用3通道ADC 同時采樣,單路ADC 進行4 路信號復用。采用DMA 對ADC 采樣數據進行雙緩存。

L階LMS濾波器每處理一個采樣點需要進行2L次乘法和2L次加法[4],本系統采用批處理的方式,每次運算需要進行16000次乘法和16000次加法,經實際測試,CPU主頻運行在168MHz,單通道處理時間大約在20ms左右。

為了驗證LMS對消算法在STM43F407 上運算的正確性,將第2章仿真中產生的270HZ脈沖光信號原始數據注入到STM32F407中,與matlab運算結果進行對比分析。其對比結果如圖5 所示。

圖5 運算結果對比Fig.5 Comparison of operational results

從圖5可以看到matlab運行結果與STM32F407運行結果基本一致,提取到的信號功率值分別為0.2583,0.2585,二者誤差很小。

4 系統性能驗證

利用標準光源輸出功率精確的光信號,將光信號經工裝夾具注入到測量系統前端光電探測器上,然后測量系統對注入的光信號進行測量。測量結果如表1和表2所示。

表1 連續光測量表Tab.1 Continuous Light Measurements

表2 270Hz 脈沖光測量表Tab.2 270Hz pulsed light meter

表1和表2的結果基本符合預期。

5 總結

本文針對某測量系統存在干擾、噪聲與信號同頻帶的問題,引入LMS 噪聲對消算法,并進行工程實現,有效提高系統的測量精度,基本滿足了實際的工程應用需求。