自适应滤波器毕业设计.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.70M 资料格式：doc 举报版权申诉

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基于TMS320F28234的自适应滤波器设计

摘要

前言

第一章自适应滤波器概述

第1.1节自适应滤波器的研究意义

第1.2节自适应信号处理的研究

第1.3节自适应滤波器的应用

第1.4节系统的设计思想

第二章 DSP芯片的原理

第2.1节 DSP芯片的概述

第2.2节 TMS320F28234的基本结构

第2.3节 TMS320F28234的主要性能

第三章自适应滤波器的设计原理

第3.1节自适应滤波器原理

第3.2节自适应滤波器算法

第3.2.1节自适应线性滤波器

第3.2.2节最小均方（LMS）算法

第3.3节自适应的数字滤波器结构

第3.3.1节数字滤波器的研究

第3.3.2节 FIR横向型滤波器的结构

第3.3.3节 FIR横向型滤波器的工作原理

第四章 TMS320F28234的硬件最小系统设计

第4.1节 TMS320F28234的最小系统组成

第4.2节时钟电路

第4.3节复位电路

第4.4节电源转换电路

第4.5节 JTAG仿真电路

第五章自适应滤波器的软件设计实现

第5.1节自适应滤波器的程序设计流程图

第5.2节自适应滤波器的程序实现

第5.3节仿真结果分析

第六章总结与展望

参考文献

致谢

附件

苏州大学本科生毕业设计(论文) 基于 TMS320F28234 的自适应滤波器设计苏州大学应用技术学院 08 电子转王旭辉 2010 年 4 月目录摘要............................................................................................................................ 3 前言............................................................................................................................ 4 第一章自适应滤波器概述......................................................................................5 第 1.1 节自适应滤波器的研究意义................................................................ 5 第 1.2 节自适应信号处理的研究.................................................................... 5 第 1.3 节自适应滤波器的应用.........................................................................7 第 1.4 节系统的设计思想.................................................................................8 第二章 DSP 芯片的原理.........................................................................................10 第 2.1 节 DSP 芯片的概述.............................................................................. 10 第 2.2 节 TMS320F28234 的基本结构........................................................... 11 第 2.3 节 TMS320F28234 的主要性能...........................................................12 第三章自适应滤波器的设计原理....................................................................... 14 第 3.1 节自适应滤波器原理...........................................................................14 第 3.2 节自适应滤波器算法...........................................................................14 第 3.2.1 节自适应线性滤波器.....................................................................................14 第 3.2.2 节最小均方（LMS）算法.............................................................................16 第 3.3 节自适应的数字滤波器结构.............................................................. 19 第 1 页共 35 页

苏州大学本科生毕业设计(论文) 第 3.3.1 节数字滤波器的研究.....................................................................................19 第 3.3.2 节 FIR 横向型滤波器的结构..........................................................................20 第 3.3.3 节 FIR 横向型滤波器的工作原理..................................................................21 第四章 TMS320F28234 的硬件最小系统设计...................................................22 第 4.1 节 TMS320F28234 的最小系统组成...................................................22 第 4.2 节时钟电路...........................................................................................22 第 4.3 节复位电路...........................................................................................23 第 4.4 节电源转换电路...................................................................................24 第 4.5 节 JTAG 仿真电路................................................................................ 24 第五章自适应滤波器的软件设计实现............................................................... 26 第 5.1 节自适应滤波器的程序设计流程图.................................................. 26 第 5.2 节自适应滤波器的程序实现.............................................................. 26 第 5.3 节仿真结果分析...................................................................................28 第六章总结与展望................................................................................................31 参考文献..................................................................................................................32 致谢.......................................................................................................................... 33 附件.......................................................................................................................... 34 第 2 页共 35 页

苏州大学本科生毕业设计(论文) 摘要本文论述了基于 TMS320F28234 的自适应滤波器系统的设计。自适应滤波器能够在没有任何关于信号和噪声的先验知识的条件下，达到最优滤波的目的。根据自适应滤波的原理，本文中自适应算法主要论述和分析了易于实现的最小均方差算法，通过比较 IIR 结构和 FIR 结构滤波器的优缺点，采用横向 FIR 结构的自适应滤波器来实现。为了满足自适应滤波的实时性要求，采用 TMS320F28234 芯片的系统设计，并设计了其硬件最小系统和软件系统，最后用 TMS320F28234 实现自适应滤波器。从仿真结果表明，自适应滤波器滤波效果的优越。【关键词】：自适应滤波器 LMS 算法 TMS320F28234 [Abstract]: This paper discusses the adaptive filter based on TMS320F28234 system. In the absence of any a priori knowledge of signal and noise conditions, adaptive filters can be the optimal filtering purposes. According to the principle of adaptive filtering, adaptive algorithm in this article mainly discusses and analyzes the easy implementation of the LMS algorithm. By comparing the advantages and disadvantages of FIR filter structure and IIR structure, the structure of transverse adaptive FIR filter to achieve. To meet the requirement of real-time adaptive filtering, using TMS320F28234 chip design, and designed its minimum hardware system and software systems, the ultimate realization of adaptive filters with TMS320F28234. The simulation results show that the adaptive filter gives superior. [Key Words]: adaptive filter LMS algorithm TMS320F28234 第 3 页共 35 页

苏州大学本科生毕业设计(论文) 前言 DSP 芯片（数字信号处理器）是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。可编程 DSP 芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。随着 DSP 技术的发展，人们对信号处理的实时性、准确性和灵活性的要求越来越高，DSP 技术在信号处理中的地位也越来越重要。滤波器通常是为了从含有噪声的数据中提取人们感兴趣的、接近规定质量的信息。而自适应滤波器相对于以前的固定滤波器而言，能够提供一种很好的解决方案，而且其性能通常远优于用常规方法设计的固定滤波器，还有自适应滤波器能提供非自适应方法所不能提供的新的信号处理能力。因此，自适应信号处理技术已在通信、雷达、工业控制等领域获得越来越广泛的应用，另外也有许多与之相关的研究文献与论著。自适应滤波器是在没有任何关于信号和噪声的先验知识的条件下，利用前一时刻已获得的滤波器参数等结果，自动地调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。自适应滤波器实质上就是一种能调节其自身传输特性以达到最优化的维纳滤波器。自适应滤波器的算法比较复杂，应用在均衡信道，抵消回波，增强谱线，抑制噪声等方面。而自适应滤波器的实现通常采用最小均方误差算法完成, 因为 LMS 算法简单有效、鲁棒性好、易于实现等优点，得到了广泛的应用。数字滤波器的结构可以是 FIR 数字滤波器或 IIR 数字滤波器，也可以是格型数字滤波器，由于 IIR 滤波器存在稳定性问题，因此采用 FIR 滤波器作为自适应滤波器的结构。本文从自适应滤波器研究的重要意义入手，根据线性自适应滤波器的原理并以自适应滤波器的算法和结构为整个论文的核心。论文中具体对自适应滤波器的基本原理、算法、结构及设计过程进行详细的论述和分析。第一章阐述了自适应滤波器的研究和一些典型的应用。第二章论述了 DSP 芯片的原理。第三章是自适应滤波器的算法与结构，主要论述了最小均方差算法的原理和数字滤波器的结构。第四章具体论述了基于 TMS320F28234 的硬件最小系统的设计。第五章是自适应滤波器的软件实现，根据最小均方差算法和横向 FIR 结构的自适应滤波器，实现基于 TMS320F28234 的自适应滤波器的设计。第六章为总结与展望。第 4 页共 35 页

苏州大学本科生毕业设计(论文) 第一章自适应滤波器概述第 1.1 节自适应滤波器的研究意义滤波是信号处理领域的一种最基本而又极其重要的技术。滤波的目的是为了处理某个信号，以便利用信号中包含的有用的信息。也就是说，在有用信号的传输过程中，通常会受到噪声或干扰的影响。利用滤波技术可以从复杂的信号中提取所需要的信号，同时抑制噪声或干扰信号，以便更有效地利用原始信号。滤波器在电子电路系统中应用很多，技术也较为复杂，有时滤波器的优劣直接决定产品的性能，所以滤波器的理论研究和产品开发非常的重要。对于系数固定的 FIR、IIR 滤波器所具有的特性是确定的，对于输入信号可根据这个滤波器产生相应的输出，即先有了滤波器系数，然后决定相应的输出值。但有些实际应用往往是反过来要求的，即对滤波器输出的要求是明确的，而滤波器的特性却无法事先知道。自适应滤波器是相对固定滤波器而言的，当固定的设计规范是未知的，或者采用时不变滤波器不能满足设计的要求设计规范时，就需要采用自适应滤波器。严格的讲，自适应滤波器是一种非线性滤波器，因此不满足齐次性和叠加性条件，如果在某个给定的时刻固定的滤波器参数，则其输出信号是输入信号的线性函数。自适应滤波器是在没有任何关于信号和噪声的先验知识的条件下，自适应滤波器利用前一时刻已获得的滤波器参数来自动调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知或随机变化的统计特性，从而实现最优滤波，所以其适用范围更广。如在通信系统中，信号通过信道传输，由于信道频率特性的影响，接收信号失真畸变而引发码间干扰，这将严重影响通信质量，为此，需要在系统中插入一种可调的滤波器以减小码间干扰，这种系数可调的滤波器即为自适应滤波器。其参数可以自动地按照某种准则调整到最佳滤波。自适应滤波器已广泛应用于系统模式识别，通信信道的自适应均衡，雷达与声纳的波束形成，增强和信号预测等。第 1.2 节自适应信号处理的研究信号处理技术一种用于转换、产生模拟或数字信号，其中最为频繁应用的领域就是信号的滤波。数字滤波是语音、图像处理、模式识别和谱分析等应用中的一个基本处理部件，它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，避免模拟滤波器无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。在滤波器的设计中，设计固定系数的数字滤波器要求很明显的设计规范，然而在某中情况下，设计规范是未知或者时变的，其解决的方法就是采用具有自第 5 页共 35 页

苏州大学本科生毕业设计(论文) 适应系数的数字滤波器。自适应滤波器的特性变化是由自适应算法通过调整滤波器系数来实现的。自适应滤波器由两部分组成，一是数字滤波器的结构，二是调整滤波器系数的自适应算法。自适应滤波器的结构可以用许多不同结构来实现，在采用 FIR 或 IIR 结构时，由于 IIR 滤波器存在稳定性问题，因此一般采用 FIR 滤波器作为自适应滤波器的结构。如图 1.1 自适应滤波器的一般结构所示，其中，n 为迭代次数，x(n)为输入信号，y(n)为自适应滤波器的输出信号， d(n)为参考信号或期望信号，而 e(n)=d(n)- y(n)。自适应滤波器的滤波器系数受误差信号 e(n) 控制，根据 e(n)的值和自适应算法自动调整，使输出信号 y(n)最接近期望信号 d(n)。 d(n) + _ e(n) x(n) 数字滤波器 y(n) 自适应算法图 1.1 自适应滤波器的一般结构正如图 1.1 所示的，一个自适应滤波器的完整规范是由如下三项所组成的：（1）应用：自适应技术应用在更多的场合，如在回波消除、系统识别噪声消除以及控制领域等。（2）自适应滤波器结构：自适应滤波器的结构可以用许多不同结构来实现，结构的选取会影响到处理的计算复杂度，还会影响到到达期望性能指标所需的迭代次数。在根据冲激响应相应的形式来划分为有限长冲激响应（Finite Impulse Response, FIR）和无限长冲激响应（Infinite Impulse Response, IIR）。有限长冲激响应数字滤波器可以在设计任意幅频特性的同时，保证严格的线性相位特性，而且 FIR 数字滤波器实现结构主要是非递归的，可以稳定地工作，所以 FIR 数字滤波器被广泛地应用于视频和通信电路中。FIR 滤波器通常应用于非递归结构来实现，而 IIR 滤波器是可利用递归结构来实现的。自适应 FIR 滤波器结构：应用最广泛的自适应 FIR 滤波器结构是横向滤波器，也称为抽头延迟线，他利用正规直接形式实现全零传输函数，而不是采用反馈环节。对于这种结构，输出信号 y(n)是滤波器系数的线性组合，它产生具有唯一最优解的二次均方误差函数 MSE  。为了得到相对于横向滤波器结构来说更好的性能，这些性能是用于计算  2keE   复杂度，收敛速度和有限字长特性等描述。自适应 IIR 滤波器结构：自适应 IIR 滤波器采用的最多结构是标准直接形式结构，因为它的实现和分析都很简单。然而采用递归自适应滤波器会存在一些内在的问题（这些问第 6 页共 35 页

苏州大学本科生毕业设计(论文) 题是由结构决定的，比如要求对极点的稳定行进行监控，而且收敛速度慢）。为了克服这些问题，已经提出了许多不同的结构形式。（3）自适应算法：算法是为了使某个预先知道的准则达到最小化，而自适应的调节滤波器的系数的方法。算法是通过定义最小化算法、目标函数和误差信号的特性来确定的。算法的选择决定了整个自适应过程的几个重要因素，如次优解的存在性、计算的复杂性等。如果利用算法的计算复杂度作为定义准则，则在自适应算法过程中最常采用的一些目标函数有均方误差（MSE）、最小二乘（LS）、加权最小二乘（WLS）、瞬时平方值（ISV）。误差信号的定义中，误差信号的选取对于算法的定义是很关键的。它会影响整个算法中的计算复杂度、鲁棒性等。最小化算法、目标函数和误差信号能够给出一种解释、分析和研究自适应算法的结构化简单方法。几乎所有的一致自适应算法都能够视为这种形式，或者将这种结构稍加变化的结果。定义一个自适应算法的重要步骤是对误差信号的选择，因为这会对一整个收敛过程产生多方面的影响。第 1.3 节自适应滤波器的应用滤波器可分为线性滤波器和非线性滤波器，线性滤波的方法，如 Wiener 滤波、Kalma 滤波和自适应滤波得到了广泛的研究和应用，同时一些非线性滤波方法，如同态滤波、中值滤波等都是现代信号处理的研究，不但有重要的理论意义，而且有广阔的应用前景。自适应滤波的一些经典应用有系统识别，预测和信道均衡等。在系统识别应用中，期望信号是未知系统受到某个宽带信号激励时产生的输出，在大多数情况下，输入的是白噪声信号。宽带信号也通常作为自适应滤波器的输入，如图 1.2 系统辨识的结构所示，当输出均方差最小，自适应滤波器是一个未知的系统模式。 x(n) 未知系统自适应滤波器 d(n) y(n) + - e(n) 图 1.2 系统辨识的结构在预测的情况下，期望的信号是自适应滤波器的输入信号的前向（有时可能是后向）形式，如图 1.3 信号预测的结构所示。收敛后的自适应滤波器代表了输入信号的模式，可以作为输入信号的预测器模式。在信道均衡应用中，经发送的受信道失真影响的原始信号最后为自适应滤波器的原始第 7 页共 35 页

苏州大学本科生毕业设计(论文) 信号，而期望信号是原始信号的时延形式，如图 1.4 信道均衡的结构所示。通常情况，输入信号的时延形式在接收端是可以接收到的，采用形式是标准的训练信号。当均方误差达到最小时，表示自适应滤波器代表了信道的逆模型。 x(n) Z-1 自适应滤波器 y(n) - + e(n) 图 1.3 信号预测的结构 Z-1 m(n) x(n) 信道 + 自适应滤波器图 1.4 信道均衡的结构 d(n) e(n) y(n) - + 第 1.4 节系统的设计思想本论文主要是利用数字信号处理器来完成自适应滤波器的设计，如图 1.5 自适应滤波器设计思路所示。 DSP 的最小硬件系统输入抗混叠滤波器 ADC DSP 芯片 DAC 输出平滑滤波器程序（自适应算法与滤波器结构）图 1.5 自适应滤波器设计思路自适应滤波器的整体设计思路中模拟信号输入，输入信号首先进行抗混叠滤波，然后将模拟信号变换成数字信号。根据奈奎斯特抽样定理，为保证有用信息不丢失，抽样频率至少是输入带限信号最高频率的二倍。经过 ADC 转换成数字信号，DSP 芯片具预先设计好的自适应滤波算法程序，对输入的数字信号处理。这种自适应滤波器的设计是具有跟踪第 8 页共 35 页

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