LMS算法的自适应滤波器FPGA设计与实现.doc

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1、LMS算注的自适应逮谟flFPGAift计与实现 刘开住2,幫LMS算法的自适应滤波器FPGA设计与实现Design and Implementation of FPGA Self -adapting Rlter Based on LMS刘开健2 吴光4C 张漆汝彳(1.昆明理工大学理学院云南昆明650093 ； 2.长江大学电子仕&学院湖北则州434023)摘要文章文提出了一种基于现场可编程逆辑阵列器件(FPGA)的自适应有限冲击响A (Finite Impulse Response,FIR)波器的设计方法。分析了最小均方谋差(Least Mean Squares,LMS)自适应算法

2、的基 本原理，针对通用DSP芯片实现的自适应滤波器处理速度低和使用HDL语言编写底层代码用FPGA实现的 自适应海渡器开发效率低的缺点，提出了基于System Generator (SYSGEN)系统建模的方法。给出了不同步 长因子对算法收散性能的影响，该方法使设计简单、灵活，劣去繁重的VHDL编程过程，自动生成适合哽件 要求的文件，哽件资源耗费少，提离了数字信号处理的速度.关權词自适应濾波器;LMS;System Generator； FPGA中图分类号TN911.72文献标志码A11 万方数据LMS算注的自适应逮谟flFPGAift计与实现 刘开住2,幫11 万方数据LMS算注的自适应逮谟

3、flFPGAift计与实现 刘开住2,幫数字滤波是当今信息处理领域的一种极其重要的 技术。自适应滤波器是一种具有自我调整能力和跟踪 能力的现代滤波器，可根据被控制对象的时变性做出 相应的调整，做出满足某种准则的要求，从而实现最优 滤波。因而自适应滤波器较传统的固定系数滤波器 具有更高的性能，被广泛应用于各个领域。随着微电 子技术的迅速发展,为数字滤波器的梗件实现开辟了 更广阔的领域。特别是在一些对信号处理的实时性要 求比较高、依积功耗有严格限制的场合,使用硬件实现 的数字滤波器更为广泛，如通信、控制、雷达、图像处 理、石油勘探等，使用硬件构成的数字滤波器就显得更 为经济。本文利用系统级建模和F

4、PGA硬件实现的方 法,实现数字的LMS自适应滤波器。1 FIR滤波器原理和自适应滤波算法原理自适应滤波器是指利用前一时刻的结果,自动调 节当前时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知或 随机变化的特性，得到有效的输出注要由参数可调的 数字滤波器和自适应算法两部分组成，如图1所示。1.1 FIR涯波器原理FIR滤波器的基本结构像一个分节的延时线,将 各节的输出加权累加，得到滤波器的输出，数学差分 表达式为：X(n)=A(n)/(n) =x(n-k)h(n)(1)HR滤波器以其线性相位易实现性，可做多频带 滤波器，稳定性较高，易得到高速流水线式的设计, 在实现任意幅頻特性的同时，保证严格的线性相位

5、 特性，在高保真的信号处理中得到广泛应用g 12 自适应建波算法目前自适应算法用得比絞广泛的有2种基本算 法:鼓小均方澳差(LMS)算法和递推最小二乘 (RIE)算法。最早由Widrow和Ho任提出的最小均 方误差(LMS)算法,以其计算量小、性能稳定、易于 实现等优点,被广泛应用于实践中，采用FPGA来实 现,LMS滤波算法是较理想的算法之一。其基本思 想为:通过调整滤波器自身参数，使滤波器的输岀 信号与期望输出信号之间的均方误差最小，并由它 来修改权系数，使得系统输出为有用信号的最佳 估计。假设第n时刻输人宿号为x(n)9输出信号为y 5);定义误差信号e5)是第n时刻输入期望信号d (n

6、)与该时刻实际输出信号y( “)之间的差值,即： e(n) =J(n) -y(n)(2)采用最速下降法的自适应滤波系数为：A(n + 1) =/i(n) +2/ze(ra)x(n)(3)式中“为自适应步长也即收敛因子控制系统的 稳定性和自适应的收敛速度，通过调节系数，使e(n) 均方谋差达到最小。2自适应FIRjg波器的FPGA实现2.1 System Generator 介绍System Generator 是 Xilinx 公司针对 FPGA 的信 号处理开发的建模和设计工具，作为Matlab的一个 Simulink工具箱XHinxBlockset出现。整个开发流程 如图2所示，几乎可以在

7、同一环境中完成开发，真 正实现了自顶向下的设计流程，包括DSP系统的建 模、系统级仿真、设计模型向VHDL硬件描述语言 代码的转换、逻辑综合.RTL( Register Transfer Lev- el)级功能仿真测试、编译适配和布局布线、时序实 时仿真直至对DSP目标器件的编程配置，整个设计 流程将系统描述和硬件实现有机地融为二体，充分 显示了现代电子设计自动化开发的待点与优势。Madab/Simulink建模与仿艮System Generator VHDLkISE综合、RModefeim表生成、编仿真译实现BIT文件编程下载FPGA硬件系统>嵌入式逻辑分析图2 System Gene

8、rator设卄谏程图2.2 LMS自适应建波器的SYSGEN实现根据F1R滤波器结构和LMS算法原理可见, LMS自适应滤波器主要由延迟模块、乘法模块、加 法模块和系数更新模块组成。对延长线输入第(町 的LMS算法实现，需要N次乘法和1次自动增益 (2“也能完成乘法功能，由于a 一般比较小，用自 动增强模块实现可以滅少资源的损耗)运算,N个 加法器,N个延时寄存器用于滤波系数的更新;需 要N次乘法,N1个加法器,N-1个延时寄存器 用于可调滤波电路;控制部分电路由1个减法器, 主要产生误差信号。4阶自适应滤波器的系统框图 如图3所示。S3 4阶LMS自适应总波器的聚统框圈3系统仿真与调试本文所

9、设计的滤波器可以用于很多未知统计 量系统中，为便于理解，假设系统应用于通信系统 中,有用信号为1个频率为0.1 MHz的正弦波信号, 通过1个信号频率随时间变化的加性噪声信道，此 加性噪声为chrip信号，通过滤波后，提取出有用信 号用于后面的通信和处理。濾波结果显示滤波器 效果较好。3.1 SYSGEN仿U结果分析LMS算法的收敛速度和精度主要取决于滤波器 的阶数和自适应步长因子阶数的确定主要取决 于滤波信号,并非越高越好，阶数的增加会使得硬件 资源的耗费成倍的增长，在考虑阶数时需要综合考 虑滤波器的精度和硬件资源后确定。而保证算法收 敛，要求0 “ < N*乱;2(町，“值的大小决定

10、着收敛速度的变化。多次模拟仿真发现,4阶自适应 HK®波器，在时=0. 1时SYSGEN坏境中仿典结 果如图4所示。系统信息信号和噪声信号的混合信 号x(n)(0.1MHz的正弦波信号与加性噪声chrip信 号的和)，输出信号y5)基本上和期望信号J(n)波 形一致，频率随时间变化的chrip信号(即噪声)被有 效的滤除，达到了自适应滤除干扰的目的，且信号失 真较小。S4 4阶LMS自适应FIRit波II的SYSGEN仿JI结果11 万方数据仪确仪覆与分析监MJ2008年第4期3.2硬件协同仿真在SYSGEN环境中完成算法级仿真后,得到系 统级功能验证，通过System Genera

11、tor模块自动生成 VHDL代码和RTL测试文件，结合XilinxFPGA集 成开发环境ISE9. li中顺利通过编译、仿真、综合、执 行后生成.bit文件,下载到Xilinx - FPGA芯片Vie tex2Pxc2vp20中,完成硬件协同仿真。调用Modelsim 针对RTL级VHDL代码仿真验证结果如图5所示, 其仿真结果完全与图4结果相一致。结果显示，随信 号的不断变化5)与d(n)基本一致，真正实现了 口动调节滤波器参数，适应信号和噪声未知或随机 变化的统计特性的要求。图5 RTL级仿真波形图下载到Virtex2Pxc2vp20中，实现速度为41. 573MHz的4阶LMS自适应滤波

12、器，其速度是文献 5中速度的8倍。使用资源为196个Flip Flops块, 205个4输入杳找表(LUTs) 各占芯片资源的1% ,9 个18*18嵌入式乘法器，占芯片乘法器的10% ,表 明实现整个系统只需芯片资源的很小一部分，剩余 资源可用于实现后面的信号处理部分功能。通过对 FPGA基本逻辑单元的使用情况和滤波滤波结果的分 析，进一步说明采用FPGA实现WS算法的自适应 滤波器是可行的。3.3结果比较及其应用从上述各个波形图都可以看出，无论是算法级 仿真还是RTL级硬件VHDL代码仿真，结果是一致 的，达到了自适应濾除干扰信号的目的，而且信号失 真较小，证明了硬件(FPGA)实现自适应

13、滤波的可行 性。本设计具备灵活的可修改性，可以根据时间性 能要求和系统规模限制进行相应的调整;可以作为 各类自适应算法的1个功能模块，配以不同的系数运 算模块，便可以实现自适应算法功庞。这种自适应 滤波器在实际生活中应用非常广泛，如系统辨识、噪 声对消、检测等。在实际应用时，只要将系统置于整 个系统中，将获取的电信号代替本文中的输入信号 力5),可以从信号无法用常规检测的干扰场中，将信 号加以挑选，并从包含信号和噪声的原始输入中减 去，衰祓或消除噪声和干扰,尽员保留有用信号。4结论本文提出了基于LMS算法的FIR自适应滤波器 的FPGA实现的新方法，由于开发工具SYSGEN及 FPGA中大量乘

14、加模块,在设计中通过增加延迟寄存 器来提高FPGA硬件运行速度，对于算法较复杂的自 适应滤波器优化设计具有很大的实用价值。通过调 节滤波器的步长因子进行仿真分析，给出了相 应的仿真结果，进行的硬件设计验证设计出了响应 速度为41.573MHz的4阶LMS自适应滤波器。参考文献1 邹燕碧，高鹰自适应滤波算法综述J 广州 大学学报(自然科学版),2002,1(2) ：44502 潘松,黄继业，曾tt. SOPC技术实用教程M, 北京:清华大学出版社,2005 ： 150-166.3 草景繁，欧阳景正一种新的变步长自适应滤 波算法J 数据采集与处理,1997,12(3)： 171-194.4 Xil

15、inx System Generator for DSP Version 9. 1 User*s Guide, pdf. 2007.5 李国蜂.数字通信中自适应滤波器的研究D天津:南开大学,2002万方数据仪确仪覆与分析监MJ2008年第4期(上接第9页)- 参考文献1王骐,何嘉斌单片机控制GSM模块实现短信3收发的软件设计J.单片机与嵌入式系统应用,:All5(1):63-66.李鸿.用单片机控制手机收发短信息J.电 子技术应用,2002(1):24-26.李艳华，陈惹明.单片机控制GSM手机的技术 及应用J).单片机与嵌入式系统应用,2005 (2)：73-75 万方数据LMS算法的自适应

16、滤波器FPGA设计与实现文献钱接作者： 作者单位：刘开他 吴光敬.张海波，Liu KaijianWu Guangmin. Zhang Haibo刘开健,Liu Kaijian(昆明理匸人学理学院，云南昆明,650093;氏江大学电(信息学院，湖北 荆州,134023),吴光城,Wu Guangmin(昆明理丁人学理学院，云南昆明，650093),账海波,Zhang Haibo(长江人学电孑信息学院，湖北荆州,434023)刊名:仪器仪表与分析监测英文刊名: 年,卷(期)： 被引用次数:INSTRUMENTATION ANALYSIS MONITORING2008. "(4)0次1.

17、邹燕孙.gg门适应滤波给丿、二述期刊论文广州人学学报 仃1然科学版)2002(02)2. 业.黄纳业.曾統S0PC技术实用教程20053. 盘景繁欧阳最正一种新的变步Kfl适应滤波0丿;期刊论文-数据采集与处理1997(03)4. Xilinx System Generator for DSF Version 9.1 User's Guide.pdf 20075. 李国峰数字通侑中白适应滤波益的研究学位论文：20029. 期刊论文陈桶楠张怀亮陈亮基FFPCA的LMS自适W滤波器设计-船电技术2009, 29(10)甚J FPCA的n适应滤液at设计足而心；处幵技术用丨刃实跌的觅蜃集础本

18、文介分析最小均力八'LMS)n的苹础I-.详I讨论了LMStr 现的数溜和时序，给出了 种门适应谑波器的FPGA汝计力案仿真结果衣明，该方案I分竹效，现L1成功应用于实床的数7侑U处理系统.10. 期刊论文赵巧红.曾照福.ZHAO Qiao Hong. ZENG Zhao Fu改进的LMS%法I适应滤波器的DSP实现微型机与应 世2009, 28 (9) 分析£，l；LMSW；Af|适应滤波器垄本原理，使川MATLAB对U、q仿九并应用SLEPP510"和占板进行DSP实现，給果衣明.变步长LMS算法臆够克JK 幅定步t<LMSW-法的才)只有较快收欽建麼较小

19、楼态课羌.本文链接：lvttp: d g wanfangdata com. cn/Periodicdl_yqybyfxjc200804004 aspx似文献(1僚)1.期刊论文壬秀芳.刘凯.3赛.WAXG Xiu-f&ng LIU Kai. MA Sai恥于改进LHS篦法的自适应滤波器-大庆石油学院 学报2009, 33(6) 皿丄在门适应淞波器中符到广泛应用，但足"4対噪声敏臥 收敛速度牧慢尊问粧在传统的LMSH-iZ的廉細上,捉出 种改追翌的LMSt：法,即用谋；的相关值去11节步长，改吏传统的步长更、，从而捉品利完售UBM法的件tt. M fMATLAB软件的仿嬴餡果衣

20、明:用改进的LMSR. L I屁滋波器误死小丹6X10、(3).收敛速度快.可明忙降低噪声XJLMSW-的越响.2.期刊论文蒙俊甫侯祥博Meng jun-fu. hou xiang-bo LMS自适应滤波器的仿真与实现-信息通(.72010, *(1)本文概述了 LMSW,肮応淀液器的的肛木恳孤利用MATLAB印DspbuHdJS人込W池波器的仿化* 1 2 3 4 * 6 7 8丽托硕捉高TFPGA的没计效 降低了议计人员対硬件的耍求.3.期刊论文 刘堆&高金定.齐海真.LIU Xiong-fei GAO Jin-ding. QI Hdbing LMSI适应滤波器FPGA实现的新方

21、法压电与声光2007,29(1) 针対用数字信巧处理签(DS2旳门心、滤波黔处理速度氐 抗I扰-j底层HDL代码用现场可編丹门阡列FPCA实现卄发效率低的缺点利用最新DSP Builder Il建址了甚于址小均方误羌(LMS)件法的S阶 进制频移键控(2FSK)信巧云噪F1适应滤波器的KJV. EPF10K100EQC20S-1器件上设 il HlT处艸連及为36.63 MHzffjS阶fl适应滤波器.1F速麼足通过珈吗底层VHDL代码设计的(1适应滤波器7倍，足采用DSP通用处珅器TMS3：OOIXi殳计的fl适 炖滋波器的25倍.4.期刊论文张立萍LMS自适应滤波器的Matlab设计与仿真

22、-赤峰学院学报(自然科学版)2010, 26(5)门适应技术匕纟'、被I泛应用j薮F1仁、山达和I业拧制箸紈域本丈以随机I扰咙丿WJ；什为研究对叙flMadab上设计J'LMSZ喋门适应遞波器的 程序改变自适应参数,进行了一系列的仿九为使件实現提供r令力的参占.5期刊论文刘琴张爱华LIU Qin. ZHANG Ai-hua基于DSP的LMS自适应滤波器的实现-中原工学院学报2007,18 (6) 6jfiJHDSP.5JVDB32OC5IO2 I*实现了肛LMSt?汰的介适应滤波器并对调试运行給衆进行了分析讨论.兀饴果为将隶硕件实现LMSI适应泥波器捉供 了对矗保证，为门适网淞

23、波器金实际中的应用捉供了 冷6.期刊论文 陈黎戏 竽亚萍.姚淑iE. CHEN Lixia. LI Yaping. YAO Shuxia圧J LMS舁法和Matlab的I适应滤波器的设计-华北水利水电学院学报200& 29(4) LMSW法件能待点M Matlab坏境卜姗叮从I IMS如法的何限KC适应濾波辭酬程庠住.Q,用所设计的滤波辭对受门喋声円尤的岀音依兮及止戎 波信号进行波波珅论分析和仿口结果茨明，所设计的fl适应滤波器!I冇快速的珊踪能力和枚欽件能.“桔态误羌较小.7.学位论文李国蜡数字通信中自适应滤波器的研究2001该文4伙笊文狱调硏的以础I：对I适应m人uHj了灯述.分类

24、、总结和分析选出了ifi<NFPs«j件实现的门适hvntfc.即lmsi适应打祛并对该e 法步的选择.加粽速态決矩逬疔了分析和研児为门适应池波誥的酸件实现打卜了口好的円论如毗4 MATLAB半台上，編码了I适应滅波器的占 Mjtfl r自砂amttfcai的siMixixK枳型，并进行r枳拟仿仏待出含理的结果同尉対小波理论和小波包理论消*行分町半台上，用 VHDLU沽逬行楠述，斛决J用VHDLi富i描述”负牧的运却问世和浮点数运卸问題(这是敎，滤波器中的卜您数学运貝)完成数？FIR濾波常和垄, FIR的LMSfl适应滤波辭的枝件设计9逻辑综介并进行了模拟仿久ALTERA公司的

25、FLEX10K系列芯片h.对卜述波波器系统进厅了实现.紂出了止确的給架 fl FPGA I：实现的16阶FIR数了池波器.数据处J甲連度可高达ll6XHz /t FPCA上实现的圳8阶FIK的LMS"适W池波器数据处珅速度对达3XH二.而ffDSP上实 现的殺门阶FIR的LMSfl适应渡波器数据处刃速JftJUjL 12MHz.8.期刊论文 魁.陈炯聪.杨奇逊丛丁小波变换和LMsn适应津波器的m相接地m-法电力系统门动化 2001,28(9)烁合佔用小枝变换刖论和址小均方误Z-(LMS)FI适应滤波辭技术，捉出种小电渝按地系统甲相按地故歸选线方法.该方法对故舜发工坊的零序电流 信融进行小波变凤通过LMSH适应波波踐对小波系数逬行淀波丈噪利用云噪百的信息辺行选线.该方浓链冇效地从被噪声干扰的信I；中得到仃用的信息 克QR 了故耳信号信噪比低的缺点，并鏡充分利用故怖信息连续河斷 仇场故初曲数甥对後方i人进行了険证馆果衣明该方法能够満足实用豪求.授权便用：黄小强(wfxadz),授权号：7fedel72-c33b-498d-90ce-9def00ab5d00下载时间:2010年9月12日