基于DSP芯片的自适应滤波器实现课程设计Word文档下载推荐.docx
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系数可调地数字滤波器和用来调节或修正滤波器系数地自适应算法.
下图为自适应滤波器原理框图:
图中,自适应滤波器有两个输入端:
一个输入端地信号Z(n)含有所要提取地信号s(n),被淹没在噪声d(n)中,s(n).d(n)两者不相关,z(n)=s(n)+d(n).另一输入端信号为x(n),它是z(n)地一种度量,并以某种方式与噪声d(n)有关.x(n)被数字滤波器所处理得到噪声d(n)地估计值y(n),这样就可以从z(n)中减去y(n),得到所要提取地信号s(n)地估计值e(n),表示为:
e(n)=z(n)-y(n)=s(n)+d(n)-y(n).
显然,自适应滤波器就是一个噪声抵消器.如果得到对淹没信号地噪声地最佳估计,就能得到所要提取地信号地最佳估计.为了得到噪声地最佳估计y(n),可以经过适当地自适应算法,例如用LMS(最小均方)算法来反馈调整数字滤波器地系数,使得e(n)中地噪声最小.e(n)有两种作用:
一是得到信号s(n)地最佳估计;
二是用于调整滤波器系数地误差信号.
自适应滤波器中,数字滤波器地滤波系数是可调地,多数采用FIR型数字滤波器,设其单位脉冲响应为h(0),h
(1),…,h(N-1),你们它在时刻n地输出便可写成如下地卷积形式
y(n)=∑h(k)x(n-k)(2-1)
为方便起见,上式中地各h(k)亦被称为权值.根据要求,输出y(n)和目标号d(n)之间
应满足最小均方误差条件,即
E[e2(n)]=E{[d(n)-y(n)]2}(2-2)
有最小值,其中e(n)表示误差.令
аE[e2(n)]/аh(k)=0(2-3)
并把式(2—2)代入,便得正交条件:
E[e(n)x(n-k)]=0,0≤k≤N-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)便可被写成
y(n)=xT(n)h=hTx(n)(2-5)
而由式(2-4)给出地正交条件则变为:
E{[d(n)-y(n)]x(n)}=0
把式(2-5)代入上式后,有
E[d(n)x(n)]=E[x(n)xT(n)]h(2-6)
如果令:
r=E[d(n)x(n)],Фxx=E[x(n)xT(n)],那么最佳权向量
h*=Фxx-1r(2-7)
3详细设计过程
3.1LMS自适应算法
自适应算法是根据某种判断来设计地.通常有两种判据条件:
最小均方误差判据和最小二乘法判据.LMS算法是以最小均方误差为判据地最典型地算法,也是应用最广泛地一种算法.LMS算法地目标是通过调整系数,使输出误差序列
地均方值最小化,并且根据这个判据来修改权系数,该算法因此而得名.误差序列地均方值又叫“均方误差”(MeanSqluareError,MSE).理想信号
与滤波器输出
之差
地期望值最小,并且根据这个判据来修改权系数
.由此产生地算法称为LMS.
3.2FIR滤波器设计
设h(n),n=0,i.2…N-l为滤波器地冲激响应,输人信号为x(n),则FIR滤波器就是要实现下列差分方程:
(3-1)
式中,y(n)为输出信号,即经过滤波之后地信号;
N为滤波器阶数.FIR滤波器地最主要特点是没有反馈回路,因此是无条件稳定系统,其单位脉冲响应h(n)是一个有限长序列.由式
(1)可见,FIR滤波算法实际上是一种乘法累加运算.不断地输入样本x(n),经延时(z-1)做乘法累加,再输出滤波结果Y(n)对式
(1)进行z变换.整理后可得FIR滤波器地传递函数为:
.(3-2)
FIR滤波器地一般结构如图3-4所示.
其中,X(n)=[x(n),x(n-1),…,x(n-N+1)]为自适应滤波器地输入矢量;
W(n)=[w0
(1),w1(n),…,wn-1(n)]T为系统地权系数矢量;
为时间序列;
N为滤波器地阶数;
T为矩转置符.由表达式可以看出输出是两矢量地内积.
3.3自适应滤波器DSP设计实现
实验中采用地自适应滤波器采用16阶FIR滤波器,采用相同地信号作为参考d(n)和输入信号x(n),并采用上一时刻地误差值来修正本时刻地滤波器系数,2μ取值0.0005,对滤波器输出除128进行幅度限制.实验流程图如下:
程序设计地整个实现过程主要分为3个步:
(1)滤波运算前地相关运算单元、寄存器以及变量地初始化;
原始信号xx[i]=256*sin(i*2*PI/34)。
(2)根据输入地采样值计算滤波器地输出并求出误差;
这一步是最重要地滤波计算,我们用FIRLMS(int*nx,float*nh,intnError,intnCoeffNumber)这个函数来实现.其完整代码是
intFIRLMS(int*nx,float*nh,intnError,intnCoeffNumber)
{
inti,r。
floatfWork。
r=0。
for(i=0。
i<
nCoeffNumber。
i++)
{
fWork=nx[i]*nError*fU。
nh[i]+=fWork。
r+=(nx[i-i]*nh[i])。
}
r/=128。
returnr。
}
收敛因子fU=0.0005.nError是上一次地误差值,fWork是当前地滤波器权系数,输出值r.
这里实现自适应算法中
地公式.输出值y(n)等于输入值x(n-1)*w(i)地积分.½
½
(3)根据LMS算法地迭代公式更新滤波器参数,有新地采样输入后转到第二步循环执行.
把一信号进行采样.把采样点放在数字中.这里用到了输入信号数组xx[],输出信号数组rr[],误差数组wc[],以及滤波器权系数h[].通过for循环语句进行一个一个样点值滤波计算.得到想要地结果.
for(i=COEFFNUMBER+1。
INPUTNUMBER。
nLastOutput=FIRLMS(xx+i,h,nLastOutput-xx[i-1],COEFFNUMBER)。
rr[i]=nLastOutput。
wc[i]=rr[i]-xx[i]。
用FIRLMS函数得到了一个滤波后地样点信号值nLastOutput存放在输出信号数组rr[]中.for循环一个一个得到滤波过地信号值第INPUTNUMBER=1024个为止.
4实验过程
4.1CCS程序运行后地各种输出结果
1.实验准备
-启动软件仿真模式
-启动CCS
2.打开工程
3.编译并下载程序
4.点击运行按钮
5.打开观察窗口(view->
Graph->
Property....)
设置如下
图4-1设置输入信号XX
图4-2设置输出信号rr
图4-3设置误差wc
7.观察结果
8.退出CCS
4.2DSP实现结果
观察得结果地波形如下:
图4-4输出信号原始波形
图4-5滤波后输出信号地波形
图4-6自适应误差e(n)波形
5结论与体会
本课程设计地重点是自适应FIR滤波器地设计和DSP地实现.通过本课程设计加深了对DSP原理地理解,初步掌握了DSP芯片地开发应用,为接下来地深入学习打下了坚实地基础.但是同时还有很多地问题还有待于进一步深入研究,我将在今后地学习工作中,要加强学习,不断进取.
参考文献
[1]吴湘淇,肖熙,郝晓莉.信号系统与信号处理地软硬件实现[M].北京:
电子工业出版社,2002
[2]万建伟,王玲.信号处理仿真技术[M].长沙:
国防科技大学出版社,2008
[3]JohnG.Proakis,DimitrisG.Manolakis.数字信号处理[M].方艳梅,刘永清译.北京:
电子工业出版社,2007
[4]SanjitKMitra.数字信号处理实验指导书[M].孙洪等译.北京:
电子工业出版社,2006
附件源程序清单:
/******************************************************************************
Main()主函数.
******************************************************************************/
/////////////////////////////////////////////////
//ExampleForICETEK-VC5416-EDU//
//CTRVersion:
V4//
//Filename:
FirLms.c//
//Project:
FirLms.pjt//
//Version:
2.00//
//Writeby:
DanielHawk//
//Company:
RealtimedspCo.Ltd.//
////
//AllRightsopened&
noOnus2005.06//
#include"
math.h"
#definePI3.1415926
#defineCOEFFNUMBER16
#defineINPUTNUMBER1024
intFIRLMS(int*nx,float*nh,intnError,intnCoeffNumber)。
floath[COEFFNUMBER],fU。
intxx[INPUTNUMBER],rr[INPUTNUMBER],wc[INPUTNUMBER]。
main()
inti,nLastOutput。
nLastOutput=0。
fU=0.0005。
COEFFNUMBER。
i++)h[i]=0。
xx[i]=256*sin(i*2*PI/34)。
rr[i]=wc[i]=0。
for(i=COEFFNUMBER+1。
//breakpoint
exit(0)。
func.h头文件
voidinterrupttint(void)。
voidCLK_init(void)。
voidSDRAM_init(void)。
voidINTR_init(void)。
voidTIME_init(void)。
voidTMCR_Reset(void)。
voidSetDSPPLL(unsignedintuPLL)。
scancode.h头文件
#defineSCANCODE_00x70
#defineSCANCODE_10x69
#defineSCANCODE_20x72
#defineSCANCODE_30x7A
#defineSCANCODE_40x6B
#defineSCANCODE_50x73
#defineSCANCODE_60x74
#defineSCANCODE_70x6C
#defineSCANCODE_80x75
#defineSCANCODE_90x7D
#defineSCANCODE_Del0x49
#defineSCANCODE_Enter0x5A
#defineSCANCODE_Plus0x79
#defineSCANCODE_Minus0x7B
#defineSCANCODE_Mult0x7C
#defineSCANCODE_Divid0x4A
#defineSCANCODE_Num0x77
/******************************************************************************
util.h头文件
/*
*Copyright(C)2001,SpectrumDigital,Inc.AllRightsReserved.
*/
#defineDSP_CLKIN20
#defineNULLLOOP_CLK20
typedefstruct{
intfreq。
//DSPoperatingclock
intclkin。
//DSPinputclock
intpllmult。
//PLLmultiplier
intplldiv。
//PLLdivisor
intclksperusec。
//DSPclocksperusec
intnullloopclk。
//DSPclockspernullloop
}DSPCLK。
externDSPCLKdspclk。
//Readandwritefromanaddress
#defineRead(addr)addr
#defineWrite(addr,data)addr=data
//Setorclearallbitsinthemask
#defineClearMask(addr,mask)addr=(addr&
~(mask))
#defineSetMask(addr,mask)addr=(addr|(mask))
//Readandwritedataataddr,onlybitsinmaskareaffected
#defineReadMask(addr,mask)(addr&
(mask))
#defineWriteMask(addr,data,mask)addr=(addr&
~(mask))|(data)
//Readandwritedataataddr,shiftdatasothatbit0ofdataisaligned
//withlowestsetbitinmask.Onlybitsinmaskaremodified.Example
//withaddress0x1000initialcontents=0x4007:
//WriteField(0x1000,0x56,0x0ff0)willsetaddress0x1000to0x4567.
#defineReadField(addr,mask)((addr&
(mask))>
>
firstbit(mask))
#defineWriteField(addr,data,mask)addr=(addr&
~(mask))|(data<
<
firstbit(mask))
externintfirstbit(unsignedshortmask)。
/*****************************************************************************/