1、 PAGE21 / NUMPAGES21課程設(shè)計DSP芯片原理與應(yīng)用課程設(shè)計報告題 目：基于DSP芯片的自適應(yīng)濾波器實現(xiàn)班 級：姓 名：學 號：指導教師：成 績：電子與信息工程學院信息與通信工程系摘 要：自適應(yīng)濾波器是統(tǒng)計信號處理的一個重要組成部分。在實際應(yīng)用中，由于沒有充足的信息來設(shè)計固定系數(shù)的數(shù)字濾波器，或者設(shè)計規(guī)則會在濾波器正常運行時改變，因此我們需要研究自適應(yīng)濾波器。凡是需要處理未知統(tǒng)計環(huán)境下運算結(jié)果所產(chǎn)生的信號或需要處理非平穩(wěn)信號時，自適應(yīng)濾波器可以提供一種吸引人的解決方法，而且其性能通常遠優(yōu)于用常方法設(shè)計的固定濾波器。此外，自適應(yīng)濾波器還能提供非自適應(yīng)方法所不可能提供的新的信號處理

2、能力。本文從自適應(yīng)濾波器研究的意義入手，介紹了自適應(yīng)濾波器的基本理論思想，具體闡述了自適應(yīng)濾波器的基本原理、算法與設(shè)計方法。最后用DSP實現(xiàn)了自適應(yīng)濾波器。實驗結(jié)果表明，該自適應(yīng)濾波器濾波效果優(yōu)越。關(guān)鍵詞：DSP、自適應(yīng)濾波器目錄 TOC * MERGEFORMAT 1 課程設(shè)計的目的和要求 PAGEREF _Toc24560 12 主要容和步驟 PAGEREF _Toc27911 13 詳細設(shè)計過程 PAGEREF _Toc6376 33.1 LMS自適應(yīng)算法 PAGEREF _Toc26631 33.2 FIR 濾波器設(shè)計 PAGEREF _Toc24024 33.3 自適應(yīng)濾波器DSP設(shè)

3、計實現(xiàn) PAGEREF _Toc136 44 實驗過程 PAGEREF _Toc17156 64.1 CCS程序運行后的各種輸出結(jié)果 PAGEREF _Toc5912 64.2 DSP實現(xiàn)結(jié)果 PAGEREF _Toc14001 75 結(jié)論與體會 PAGEREF _Toc30999 91 課程設(shè)計的目的和要求對自適應(yīng)濾波算法的研究是當今自適應(yīng)信號處理中最為活躍的研究課題之一。Windrow等于1967年提出的自適應(yīng)濾波系統(tǒng)的參數(shù)能自動的調(diào)整而達到最優(yōu)狀況，而且在設(shè)計時，只需要很少的或根本不需要任何關(guān)于信號與噪聲的先驗統(tǒng)計知識。自適應(yīng)濾波器本身有一個重要的自適應(yīng)算法，這個算法可以根據(jù)輸入、輸出與

4、原參量信號按照一定準則修改濾波參量，以使它本身能有效的跟蹤外部環(huán)境的變化。因此，自適應(yīng)數(shù)字系統(tǒng)具有很強的自學習、自跟蹤能力和算法的簡單易實現(xiàn)性。自適應(yīng)濾波技術(shù)的核心問題是自適應(yīng)算法的性能問題，提出的自適應(yīng)算法主要有最小均方(LMS)算法、遞歸最小二乘(RLS)算法與相應(yīng)的改進算法如：歸一化(NLMS)算法、變步長(SVSLMS)算法、遞歸最小二乘方格形(RLSL)算法等。這些算法各有特點，適用于不同的場合。比如用于系統(tǒng)辨識、回波消除、自適應(yīng)譜線增強、自適應(yīng)信道均衡、語音線性預(yù)測、自適應(yīng)天線陣等諸多領(lǐng)域。自適應(yīng)濾波，對發(fā)展通信業(yè)務(wù)有著不可或缺的作用。所以是我們通信專業(yè)學習的重點。也是鞏固數(shù)字信號

5、處理知識的一個重要的實驗。2 主要容和步驟自適應(yīng)濾波器主要由兩部分組成：系數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器和用來調(diào)節(jié)或修正濾波器系數(shù)的自適應(yīng)算法。下圖為自適應(yīng)濾波器原理框圖：數(shù)字濾波器FIRY(N)X(N)自適應(yīng)算法LMSF(N)E(N)圖中，自適應(yīng)濾波器有兩個輸入端：一個輸入端的信號Z（n）含有所要提取的信號s(n)，被淹沒在噪聲 d(n)中，s(n).d(n)兩者不相關(guān)，z(n)=s(n)+d(n)。另一輸入端信號為x(n),它是z(n)的一種度量，并以某種方式與噪聲d(n)有關(guān)。x(n)被數(shù)字濾波器所處理得到噪聲d(n)的估計值y(n),這樣就可以從z(n)中減去y(n),得到所要提取的信號s(n)的

6、估計值e(n),表示為：e(n)=z(n)-y(n)=s(n)+d(n)-y(n)。顯然，自適應(yīng)濾波器就是一個噪聲抵消器。如果得到對淹沒信號的噪聲的最佳估計，就能得到所要提取的信號的最佳估計。為了得到噪聲的最佳估計y(n)，可以經(jīng)過適當?shù)淖赃m應(yīng)算法，例如用LMS（最小均方）算法來反饋調(diào)整數(shù)字濾波器的系數(shù)，使得e(n)中的噪聲最小。e(n)有兩種作用：一是得到信號s(n)的最佳估計；二是用于調(diào)整濾波器系數(shù)的誤差信號。 自適應(yīng)濾波器中，數(shù)字濾波器的濾波系數(shù)是可調(diào)的，多數(shù)采用FIR型數(shù)字濾波器，設(shè)其單位脈沖響應(yīng)為h(0), h(1), ,h(N-1),你們它在時刻n的輸出便可寫成如下的卷積形式 y(

7、n)= h(k)x(n-k) （2-1） 為方便起見，上式中的各h(k)亦被稱為權(quán)值。根據(jù)要求，輸出y（n）和目標號d(n)之間應(yīng)滿足最小均方誤差條件，即 Ee2（n）=Ed(n)-y(n)2 （2-2）有最小值，其中e(n)表示誤差。令Ee2（n）/ h(k)=0 （2-3）并把式（22）代入，便得正交條件：Ee(n)x(n-k)=0 , 0kN-1 （2-4）如果令h=hT(0,1,2,.,N-1),x(n)=xT(n,n-1,.,n-N-1)那么式（2-1）便可被寫成y(n)=xT(n)h=hTx(n) (2-5)而由式（2-4）給出的正交條件則變?yōu)椋篍d(n)-y(n)x(n)=0把式

8、（2-5）代入上式后，有 Ed(n)x(n)= Ex(n)xT(n)h (2-6)如果令：r=Ed(n)x(n),xx= Ex(n)xT(n),那么最佳權(quán)向量 h*=xx-1r （2-7）3 詳細設(shè)計過程3.1 LMS自適應(yīng)算法自適應(yīng)算法是根據(jù)某種判斷來設(shè)計的。通常有兩種判據(jù)條件：最小均方誤差判據(jù)和最小二乘法判據(jù)。LMS 算法是以最小均方誤差為判據(jù)的最典型的算法，也是應(yīng)用最廣泛的一種算法。LMS 算法的目標是通過調(diào)整系數(shù)，使輸出誤差序列的均方值最小化，并且根據(jù)這個判據(jù)來修改權(quán)系數(shù)，該算法因此而得名。誤差序列的均方值又叫“均方誤差”(Mean Sqluare Error，MSE)。理想信號 與濾

9、波器輸出之差的期望值最小，并且根據(jù)這個判據(jù)來修改權(quán)系數(shù)。由此產(chǎn)生的算法稱為LMS。3.2 FIR 濾波器設(shè)計設(shè)h(n)，n=0，i2N-l為濾波器的沖激響應(yīng)，輸人信號為x(n)，則FIR濾波器就是要實現(xiàn)下列差分方程： (3-1) 式中，y(n)為輸出信號，即經(jīng)過濾波之后的信號；N為濾波器階數(shù)。FIR濾波器的最主要特點是沒有反饋回路，因此是無條件穩(wěn)定系統(tǒng)，其單位脈沖響應(yīng)h(n)是一個有限長序列。由式(1)可見，F(xiàn)IR濾波算法實際上是一種乘法累加運算。不斷地輸入樣本x(n)，經(jīng)延時(z-1)做乘法累加，再輸出濾波結(jié)果Y(n)對式(1)進行z變換整理后可得FIR濾波器的傳遞函數(shù)為：。 (3-2) F

10、IR濾波器的一般結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。 其中，X(n )=x(n)，x(n-1)，x(n-N+1) 為自適應(yīng)濾波器的輸入矢量；W( n)=w0(1 )，w1 (n )， ，wn-1(n )T 為系統(tǒng)的權(quán)系數(shù)矢量；為時間序列；N 為濾波器的階數(shù)；T為矩轉(zhuǎn)置符。由表達式可以看出 輸出是兩矢量的積。3.3 自適應(yīng)濾波器DSP設(shè)計實現(xiàn)實驗中采用的自適應(yīng)濾波器采用16階FIR濾波器，采用一樣的信號作為參考d(n)和輸入信號x(n)，并采用上一時刻的誤差值來修正本時刻的濾波器系數(shù)，2取值0.0005，對濾波器輸出除128進行幅度限制。實驗流程圖如下：開始初始化并產(chǎn)生輸出波形調(diào)用LMS算法計算輸出結(jié)束LMS算

11、法返回根據(jù)上次誤差調(diào)整參數(shù)濾波用當前FIR濾波參數(shù)濾波程序設(shè)計的整個實現(xiàn)過程主要分為3個步：濾波運算前的相關(guān)運算單元、寄存器以與變量的初始化；原始信號xxi=256*sin(i*2*PI/34); 根據(jù)輸入的采樣值計算濾波器的輸出并求出誤差； 這一步是最重要的濾波計算，我們用FIRLMS(int *nx,float *nh,int nError,int nCoeffNumber) 這個函數(shù)來實現(xiàn)。其完整代碼是int FIRLMS(int *nx,float *nh,int nError,int nCoeffNumber)int i,r;float fWork;r=0;for ( i=0;inC

12、oeffNumber;i+ )fWork=nxi*nError*fU;nhi+=fWork;r+=(nxi-i*nhi);r/=128;return r;收斂因子fU=0.0005。nError是上一次的誤差值, fWork是當前的濾波器權(quán)系數(shù),輸出值r。這里實現(xiàn)自適應(yīng)算法中的公式。輸出值y（n）等于輸入值x(n-1)*w(i)的積分。根據(jù)LMS算法的迭代公式更新濾波器參數(shù)，有新的采樣輸入后轉(zhuǎn)到第二步循環(huán)執(zhí)行。把一信號進行采樣。把采樣點放在數(shù)字中。這里用到了輸入信號數(shù)組xx,輸出信號數(shù)組rr,誤差數(shù)組wc，以與濾波器權(quán)系數(shù)h。通過for循環(huán)語句進行一個一個樣點值濾波計算。得到想要的結(jié)果。for

13、 ( i=COEFFNUMBER+1;iGraph-Property） 設(shè)置如下 圖4-1 設(shè)置輸入信號XX 圖 4-2 設(shè)置輸出信號rr 圖4-3 設(shè)置誤差wc7.觀察結(jié)果8.退出CCS= f * Arabic4.2 DSP實現(xiàn)結(jié)果觀察得結(jié)果的波形如下： 圖4-4 輸出信號原始波形 圖4-5 濾波后輸出信號的波形 圖4-6自適應(yīng) 誤差e（n）波形5 結(jié)論與體會本課程設(shè)計的重點是自適應(yīng)FIR濾波器的設(shè)計和DSP的實現(xiàn)。通過本課程設(shè)計加深了對DSP原理的理解，初步掌握了DSP 芯片的開發(fā)應(yīng)用，為接下來的深入學習打下了堅實的基礎(chǔ)。但是同時還有很多的問題還有待于進一步深入研究，我將在今后的學習工作中

14、，要加強學習，不斷進取。參考文獻 1 吳湘淇,肖熙,郝曉莉.信號系統(tǒng)與信號處理的軟硬件實現(xiàn)M.:電子工業(yè),20022 萬建偉,王 玲.信號處理仿真技術(shù)M.:國防科技大學,20083 John G. Proakis,Dimitris G.Manolakis.數(shù)字信號處理M.方艷梅,永清譯.:電子工業(yè),20074 Sanjit K Mitra.數(shù)字信號處理實驗指導書M.洪等譯.:電子工業(yè),2006附件源程序清單：/*Main()主函數(shù)。 */ Example For ICETEK-VC5416-EDU / CTR Version : V4 / Filename: FirLms.c / Projec

15、t : FirLms.pjt / Version : 2.00 / Write by: Daniel Hawk / Company : Realtimedsp Co.Ltd. / / All Rights opened & no Onus 2005.06 /#includemath.h#define PI 3.1415926#define COEFFNUMBER 16#define INPUTNUMBER 1024int FIRLMS(int *nx,float *nh,int nError,int nCoeffNumber);float hCOEFFNUMBER,fU;int xxINPUTNUMBER,rrINPUTNUMBER,wcINPUTNUMBER;main()int i,nLastOutput;nLastOutput=0;fU=0.0005;for ( i=0;iCOEFFNUMBER;i+ )hi=0;for ( i=0;iINPUTNUMBER;i+ )xxi=256*sin(i*2*PI/34);rri=wci=0;for ( i=COEFFNUMBER+1;iINPUTNUMBER;i+ )nLastOutput=FIRLMS(xx+i,h,nLastOutput-xxi-1,COEFFNUMBER);/ break pointrri=nLastOutput