2017年全国大学生电子设计竞赛自适应滤波器(E题)报告.pdf-资料库

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2017 年全国大学生电子设计竞赛自适应滤波器(E 题) 【本科组】 2017 年 08 月 12 日 1

摘要本设计是以 ZYNQ-7020 平台为核心的自适应陷波器,实现对有用信号带宽内的干扰信号的自动跟踪和滤除。本设计主要包括采用模拟方法实现的加法器和移相器，数字方案实现的自适应滤波器模块。加法器模块实现有用信号源和干扰信号的叠加，移相器模块实现对叠加后信号实现 0～180 度的相移。自适应滤波器模块是系统核心，采用并行 LMS 算法实现对干扰信号的自动跟踪和滤除，所得测试结果满足题目要求。关键词：SOC,移相器,自适应陷波器,LMS 算法 Abstract This design is based on ZYNQ-7000 platform as the core of the adaptive notch filter, realize automatic tracking and filtering of the interference signal within the useful signal falls in bandwidth. The design includes adder module, phase shifter module, an adaptive filter module. The two parts module implemented by analog method, the core module mainly is using digital adaptive filter scheme. The adder module achieve superposition of useful signal and interference signal source, phase 0-180 of the output signal of the adder to achieve phase shifter module, adaptive filter module adopts parallel LMS algorithm, to achieve the automatic tracking and filtering of signal interference. Keyword：SOC, phase shifter, adaptive notch filter, LMS 2

目录一．方案论证 ............................................................................................ 4 1.1 方案比较与选择.............................................................................................. 4 1.2 方案描述.......................................................................................................... 5 二．理论分析与计算 ................................................................................ 5 2.1 加法器模块...................................................................................................... 5 2.2 移相器模块...................................................................................................... 6 三．电路与程序设计 ................................................................................ 7 3.1 电路设计.......................................................................................................... 7 3.2 程序设计.......................................................................................................... 7 四．测试方案与测试结果 ........................................................................ 9 五．结论 .................................................................................................. 10 3

自适应滤波器(E 题) 【本科组】一.系统方案 1.方案比较与选择 1）加法器方案一：采用 AD8510 放大器制作加法器采用 ADI 公司的通用运算放大器 AD8510 制作加法器。AD8510 增益带宽积典型值为 8MHz,具有低噪声,低偏置的特点，此方案可以选择对信号进行相加,同时将信号源和后级隔离开来,适合这次低频段运算使用。方案二：采用 OPA1612 制作加法器采用 TI 公司的低噪声精密放大器 OPA0611 实现加法器。OPA1611 具有 40MHz 的单位增益带宽，具有超低噪声和超低失真，性能较好。综合以上两种方案，方案二相对简单,性能较好，故选择方案二。 3）移相器模块方案一：采用无源 RC 移相采用无源 RC 滤波器时，输入信号随着频率的改变，输出信号幅度也发生变化，不符合题目要求，故不采取此方案。方案二：使用有源全通滤波器移相一阶全通滤波器可实现 0～180 通的相移。通过多个的级联，可以实现 0～ 360 可内任意相移，而且有源全通滤波器的幅度频率响应是平坦的，符合题目中移相电路增益为 1 符合题目的要求。综合以上两种方案，方案二稳定可靠，符合题目要求，故选择方案二。 4）自适应滤波器模块方案一：采用模拟方案。由参考信号生成两路正交信号分别和输入信号相乘, 再通过积分器得到一对正交信号的权值，然后分别与两路正交信号相乘得到干扰信号。最后用模拟减法器减去干扰信号即可实现滤波。方案二：采用数字方案。将干扰信号源和加法器的输出信号通过 AD 采样后输入到 ARM 处理器中。在 ARM 中设计多个陷波器分别滤除干扰信号的固定谐波。基波频率通过 LMS 自适应算法跟踪锁定，再通过 DDS 还原干扰信号，再通过与有用信号源的运算操作滤除干扰信号。提一下 ZYNQ 的 PL PS 或在框图上否则后面直接就用到了。综上，方案二实现相对容易，修改参数较为方便，因此选取方案二。 2．方案描述根据方案比较、分析与综合考虑，本系统最终确定的系统框图如图 1 所示： 4

A C D 有用信号源加法器移相器干扰信号源 B ADC ADC 比较器 ZYNQ DAC 10KHz- 100KHz带通滤波器 E 图 1 方案框图加法器将有用信号源 A 和干扰信号源 B 进行线性叠加；移相器可以实现加法器的输出频率为点频时可在 0～180°内相移；B 信号直接通过 ADC 采样，D 路信号分两路，一路进入 ADC 采样，另一路送比较器，再送入 ZYNQ，在 ZYNQ 的 PL 端进行锁相，得到参考信号基频，然后送入 ZYNQ 的 PS 进行 LMS 自适应滤波；滤波后的信号通过 DAC 和一个低通滤波器输出,从而达到滤除有用信号中干扰噪声的目的。二.理论分析与计算 1.加法器模块加法器模块采用同相比例运算电路。电路输入和输出成线性叠加关系,输出和输入满足以下关系式： V out  ( 设 1 R  R 2  R 3  R 4 =10KΩ, 则 1。 2.移相器模块  1 R R 2 R  V out 2 )(V IN 1 3 R  3 R 4 R  V IN 2 4 R  3 R ) 4 R (1) V IN 1  V IN 2 ，实现了两路信号相加。电路见附录图移相器模块采用三个级联的一阶全通滤波器，实现了 0～360°相移。电路图见附图 2。其传输函数为：幅频特性为：相频特性为：  H j    1 1   1  j c R 2  j c R 2 1 (2) H j  (3) 1         j   2arctan    1  R c 2 1    (4) 其中，幅度在整个频带内恒定，相位由 R2、C1 和决定，取 f=50KHz，R 为 10KΩ 电位器，C 为 4.7nF。三．电路与程序设计 5

1.电路设计（1）加法器电路设计具体电路见附图 1。为了实现 IN1 和 IN2 幅度不变的同比例相加,需要 R1=R2=R3=R4=R，取 R=10KΩ。（2）移相器设计具体见附图 2。使用三个一阶全通滤波器级联实现 0～360°内任意连续相移。 2.程序设计作为本系统主控芯片，Xilinx ZC7020 作为整个系统主控。主要分为两部分， PS 和 PL 部分。（1）PL 部分参考信号进入 PL 测频模块和 PLL 模块，得到相位控制字控制 12 路 DDS 产生 6 对正交信号送入 PS 端，经 PS 完成 LMS 算法后，将计算得到的误差信号送入 PL，与有用信号相减后输出。其流程图如图 2 错误!未找到引用源。所示有用信号源参考信号源频率计 DLL DDS … sinx cosx sin3x cos3x · · · sin11x cos11x PS LMS LMS LMS + + - 加法器 + 图 2 PL 部分流程图（2）PS 部分 PS 部分主要完成 6 路信号的 LMS 算法，得到各路滤波输出信号。单路信号的 LMS 算法流程图如图 3 所示。信号输入同相参考正交参考 FIR FIR + - 滤波器输出误差信号更新滤波器值 LMS 图 3 LMS 算法流程图信号输出 6

四.测试方案与测试结果  使用仪器 DG4162 信号源/频率计……1 台 DS1102E 示波器……1 台  测试项目详细测试方案请见附录。测试结果如表 1 和表 2。表 1 基本要求测试结果测量项目题目指标完成情况 1.1 加法器输入峰峰值 1~2V 频率 10~100kHz 1.2 移相器 1.3 自适应滤波器 10~100KHz 内点频上相位 0~180 度可调，放大倍数控制在 1±0.1 输入输出均正弦，频率差≥100Hz 时，输出能够恢复输入信号，幅度频率误差均小于 10%，滤波器对有用信号衰减小于 1% 实现 10~100kHz 内任意频率信号相加 10~100KHz 内任意相位可调，放大倍数 1±0.1 以内频率差≥100Hz 时，输出能够恢复输入信号，幅度频率误差均小于 10%，滤波器对有用信号衰减小于 1% 是否达标是是是测试方案简述与测量仪器 DG4162 函数发生器 DS1102E 示波器示波器频率计 DG4162 函数发生器 DS1102E 示波器示波器频率计 DG4162 函数发生器 DS1102E 示波器示波器测输出信号幅度、频率测试方案按照题目说明 3 表 2 发挥部分测试结果测量项目题目指标完成情况 2.1 自适应滤波器输入输出均正弦，频率差≥100Hz 时，输出能够恢复输入输出均正弦，频率差≥100Hz 时，输出能够恢复输入信输入信号，幅度频率误差均小于 10%，滤波器对有用信号衰减小于 1% 输入三角波和方波信号，频差大于 10Hz，输出恢复波形与输入频差幅差小于 10%，对有用信号衰减小号，幅度频率误差均小于 10%，滤波器对有用信号衰减小于 1% 输入三角波和方波信号，频差大于 10Hz，输出恢复波形与输入频差幅差小于 10%，对有用信号衰减小于 1% 2.2 自适应滤波器是否达标是测试方案简述与测量仪器 DS1102E 示波器 DG4162 信号源测试方案按照题目说明 3 是 DS1102E 示波器 DG4162 信号源测试方案按照题目说明 3 7

2.3 滤波器响应时间于 1% 响应时间不大于 1S 300ms 是 DS1102E 示波器 DG4162 信号源测试方案按照题目说明 4 5.结论本作品完成了题目的所有基础指标和发挥要求，符合题目所有指标。本作品采用 Xilinx ZC7020 作为主控芯片，使用 LMS 算法实现自适应滤波器。本作品滤波效果好，满足题目要求。 6.参考文献 [1] 童诗白主编.模拟电子技术基础（第二版）.北京：高等教育出版社，1988 [2] （加）Simon Haykin（S. 赫金）.自适应滤波器原理(第五版).北京：电子工业出版社，2016 [3]Xinlinx.ZYNQ 开发文档 8

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