自适应实验报告.docx

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自适应实验报告

实验一时域自适应干扰抑制系统仿真验证

实验原理

FIR滤波器

考虑有M个权系数（抽头）的横向滤波器（或称FIR滤波器），如图1-1所示。

滤波器的输入为随机过程x（n），输出为

1.1

其中，wi表示横向滤波器的权系数。

图1-1M抽头的FIR滤波器

定义输入信号向量和权向量分别为

1.2

1.3

则输出可表示为

1.4

信号y（n）平均功率可以表示为

1.5

其中，矩阵

为向量x（n）的M维自相关矩阵。

实验目的

在MATLAB中验证时域自适应干扰抑制算法（MVDR算法）。

实验内容

编写MATLAB程序，仿真验证时域自适应干扰抑制算法（MVDR算法）。

实验器材、工具

MATLAB软件

实验步骤

1.系统结构

依据以下的时域自适应干扰抑制系统的结构，编写MATLAB程序，对所设计的系统进行仿真验证。

2.MATLAB程序编写

（1）基带采样频率为400KHz，产生频率分别为0.1MHz和0.05MHz的两个单频信号，将其等幅叠加。

（2）将基带信号内插后，经DUC上变频，可得载频为10MHz的中频。

信号。

在中频信号上添加高斯白噪声，使得信噪比为15dB。

（3）将含噪声的中频信号进行DDC下变频，并将数据率降400Ksps，得基带信号。

（4）以频率为0.1MHz的单频信号作为期望信号，采用基于FIR滤波结构的MVDR算法，剔除干扰信号，获得期望信号。

3.程序仿真验证

（1）复基带信号功率谱

（1）DUC后实信号功率谱

（2）DDC后复基带信号功率谱

（3）MVDR滤波后信号的功率谱

经时域MVDR滤波处理后，如图1-10所示，可发现0.05MHz处的单频信号被抑制掉了，而保留了0.1MHz处的期望信号。

实验二空域自适应干扰抑制和DOA估计系统仿真验证

实验原理

1.基于MVDR算法的DBF方法

图2-1空域滤波器原理

如图2-1所示的空域滤波器（以均匀线阵为例），滤波器权向量

2.1

空域滤波输出为

2.2

采用与时域滤波器推导类似的原理，滤波器权向量w应满足：

（1）约束

，这是为了使方向上的信号无失真地通过滤波器。

（2）输出平均功率P=wRw最小，其

，达到抑制其他方向的信号和噪声的目的。

由此得权值求解的表达式

2.3

最终可解得最优权值

2.4

2.基于MUSIC算法的信号DOA估计方法

当K个远场窄带信号从

方向入射到M阵元的阵列（以线阵为例）时，则阵列接收信号可表示为

2.5

其中，

为阵列接收数据向量，

为方向矩阵，

为空间信号向量，是白噪声向量。

设各信号源间相互统计独立，则有

2.6

其中pk为第k个信号的平均功率。

自相关矩阵R可表示为

2.7

其中

为高斯白噪声的均分差。

天线阵列的阵元数M>K时，有

2.8

可得出矩阵APAH存在K个正的特征值。

对2.7式的自相关矩阵R做特征值分解，并将特征值按单调非递增顺序排列，即

，这些特征值对应的归一化特征向量分别是

，其中

和

分别张成信号子空间Es和噪声子空间EN。

定义矩阵

2.9

可得到信号的空间MUSIC谱

2.10

Pmusic（

）的K个峰值位置，就是信号波达方向

k的估计，其中k=1,2,…K。

实验目的

（1）认识、熟悉常用的阵列接收信号模型。

（2）学习空域滤波自适应算法原理。

（3）学习空间谱估计方法。

实验内容

（1）编写MATLAB程序，仿真均匀线阵的基于MVDR算法的DBF方法和基于MUSIC算法的信号DOA估计方法。

（2）编写MATLAB程序，仿真均匀圆阵的基于MVDR算法的DBF方法和基于MUSIC算法的信号DOA估计方法。

实验器材、工具

MATLAB软件

实验步骤

1.系统结构

依据以下的空域自适应干扰抑制和DOA估计系统结构，编写MATALAB程序，对所设计的系统进行仿真验证。

图2-2系统框图

2.MATLAB程序编写

（1）基带采样频率为400KHz，产生频率分别为0.1MHz和0.05MHz的两个单频信号；

（2）考虑具有4个阵元的均匀线阵，两个单频信号的入射方向分别为0度和40度，在空间相位补偿单元分别对两个信号进行相位补偿，用于相位补偿的阵元间距与波长比为0.5，然后叠加，可得4个阵元的基带信号；

（3）将4个阵元的基带信号分别进行上变频，得4个载波频率为10MHz的中频信号。

在中频信号上分别添加高斯白噪声，使得信噪比为15dB。

（4）将含噪声的4个中频信号分别进行DDC下变频，并将数据率降到400Ksps，得4个基带信号；

（5）以入射方向为0度的单频信号作为期望信号，采用MVDR波束形成算法，剔除干扰信号，获得期望信号；

（6）采用MUSIC算法估计两个单频信号的入射方向。

（7）考虑具有4个阵元的均匀圆阵，入射方位角和俯仰角自行设定，重复上述过程。

3.程序仿真验证

3.14阵元均匀线阵验证

图2-3均匀线阵单路信号DUC-DDC变换后功率谱

图2-3是频率分别为0.1MHz和0.05MHz的两个单频信号经DUC-DDC变换后得到的接收端的复基带信号的功率谱。

图2-4均匀线阵空域滤波后输出信号功率谱

空域滤波以入射方向为0度的单频信号（0.1MHz信号）作为期望信号，采用MVDR波束形成算法，剔除干扰信号，获得期望信号。

图2-4所示，输出信号中保留了0度的单频信号（0.1MHz信号），而滤除了来波方向为40度的0.05MHz的单频信号。

图2-5均匀线阵空域MUSIC谱

图2-5所示为经DUC-DDC处理后的4路接收端信号合成的空域MUSUC谱，2个峰值分别在0度与40度处，与输入信号的入射方向一致，验证了基于MUSIC算法的信号DOA估计方法的正确性。

3.24阵元均匀圆阵验证

图2-6均匀圆阵单路信号DUC-DDC变换后功率谱

图2-7均匀圆阵空域滤波后输出信号功率谱

均匀圆阵的两个输入信号，0.1MHz的单频信号和0.05MHz的单频信号分别从（45°,0°）和（60°,90°）入射。

以（45°,0°）方向的单频信号为期望信号，采用空域MVDR算法进行滤波，剔除干扰，得对期望信号的估计。

从图2-7可以看出，采用空域滤波算法把0.05MHz的单频信号滤除掉了，保留了0.1MHz的单频期望信号。

实验三4阵元线阵发射通道数字处理

实验原理

本次试验介绍4通道数字处理实验平台的使用，学习使用EDA工具编写4发射通道数字处理程序，并把处理后的信号输出，经D/A转换后，在试验台的中频信号输出接口查看输出中频信号。

实验目的

（1）熟悉软件无线电实验箱MFSS6842的使用。

（2）熟悉EDA编程工具QuartusII及仿真工具Modelsim的使用。

（3）学习数字上变频原理及实现。

实验内容

（1）学习软件无线电实验箱MFSS6842的使用。

（2）编写4阵元（模拟4阵元线阵）发射通道数字处理程序。

（3）验证数字上变频程序。

实验器材、工具

软件无线电实验箱MFSS6842，EDA编程软件QuartusII，仿真工具Modelsim，MATLAB软件。

实验步骤

1.1接口说明试验箱前面板的接口如图3-1所示

前面板有9个接口，实验中使用到的接口：

1：

10M参考输出时钟接口，该接口输出频率为10MHz的正弦波，设备在没有外部参考输入时钟的情况下，必须将该接口和10M参考输入时钟接口相连，设备才能正常工作。

2：

10MHz，10dBm参考输入时钟接口，该接口是一个输入接口，为设备提供工作时钟，如果该接口没有输入，则设备不能正常工作。

当不使用外部参考时钟时，可以将设备的10M参考输出时钟接口直接和10M参考输入时钟接口相连，如图3-2所示

图3-2参考时钟

3：

+5V电源输入接口，该接口为设备提供工作电源。

4：

电源开关，当按下电源开关时，开关上的红色指示灯亮起，设备可以正常工作。

当再次按下电源开关的时，开关弹起，红色指示灯熄灭，此时设备关闭。

8：

FPGAJTAG调试口,该接口用于实验平台中FPGA器件程序的下载。

在计算机的QUARTUSII开发软件中编写好测试程序后通过该接口下载到实验平台中的FPGA器件中运行，并可以通过该接口对程序观察程序的运行状况。

试验箱后面板的接口如图3-3所示

实验中用到的接口：

1-4：

为4个独立的DA回放中频信号输出接口，该接口可以输出中频信号，通过在实验平台中编写程序控制4个接口的输出信号。

5-8：

为4个独立的AD中频信号输入接口，通过在实验平台中编写程序可以实现对输入中频信号实现AD采样，并对采集到的数字信号进行分析和处理。

1.2设备连接说明

（1）设备在没有外部参考输入时钟的情况下，必须将10M参考输入时钟接口和10M参考输出时钟接口相连。

（2）将电源适配器与设备的+5V电源输入接口相连。

在连接的过程中注意，应将接适配器接口的红色圆点与设备接口的红色圆点对齐，然后用手握住适配器接口的底部，用力将适配器接口推入，当听到“咔”声响后表示接口正确连接。

在拔掉接口的连接时，用手握住适配器接口的顶部，用力向外拔出即可。

（3）将USBBlaster下载线与设备的FPGAJTAG调试口相连，注意FPGAJTAG接口为7芯，连接时的操作方法与电源接口的操作方法一样。

最终设备的连接如图3-4所示，只需连接3处红色标记处。

2FPGA程序编写

实验模拟4通道均匀线阵的发射端，系统整体架构如图3-5所示

图3-5通道发射端系统架构

在FPGA中，生成4路基带信号，经DUC变换后，输入D/A芯片转换为模拟中频输出。

2.1基带信号产生

图3-5所示的4通道的基带信号，是通过使用4组ROM分别存储基带信号经不同相位补偿后的数据实现的，具体实现过程如下：

（1）在MATLAB中以采样频率为400KHz，产生频率分别为0.1MHz和0.05MHz的两个单频信号。

对4个阵元均匀线阵，设两个单频信号的入射方向分别为0度和40度，分别对两个信号进行相位补偿，然后等幅叠加，可得4个通道的复基带信号。

（2）把复基带信号分实部和虚部分别存储到ROM中。

这是通过把数据存储到ROM的初始化“.mif”或“.hex”文件中，再在调用ROM的IP核设置中实现的，总共需要2*4=8个ROM来存储4组基带数据。

2.2数字上变频

基带信号经内插后，再滤波、混频即可得到上变频后的中频信号。

在本实验中，基带信号的采样率为fs=0.4MHz，两个基带信号频率分别是0.1MHz和0.05MHz，需要把信号加载到频率为10MHz的载波上去。

我们选择了内插的倍数N=64，即等效后的采样率（数据率）为Nfs=25.6MHz。

但在FPGA实现中，直接实现N=64倍的内插后滤波，由于数字滤波器所需的通带截止频率fc与阻带起始频率fa相对于等效后的采样率25.6MHz来说太小，根据FIR滤波器设计的所需的阶数公式

。

滤波其所需阶数很高（其中为滤波器纹波系数），实现耗用的资源非常多。

所以采用4x4x4的分级内插、滤波的结构，以降低资源耗用，分级内插的结构如图3-6所示

↑4

LPF1

↑4

LPF2

↑4

LPF3

图3-6分级内插结构

数字上混频后得到载波为10MHz的中频实信号，两个单频信号的频率分别变为10.05MHz和10.1MHz。

经D/A转换后输出为模拟中频信号，可以在试验箱的中频输出端观察这两个中频信号。

3.程序验证

为验证程序的正确性，可以把中频输出端接到示波器或频谱仪，查看输出信号的频率，两个单频信号应分别变为10.1MHz和10.05MHz。

如没有示波器或频谱仪，可用上面采集的数据文件到MATLAB中画频谱（功率谱）图验证。

得到基带信号上变频后的频谱图，如图3-7和图3-8所示

上面两图所示，通道一的单频信号的频率分别上移到10.05MHz和10.1MHz，为数字上变频的正确结果。

其它三个通道的功率谱应该也是一样的效果，这就验证了程序的正确性。

实验四4阵元线阵接收通道数字处理

实验原理

本次试验利用4通道的数字处理实验平台验证数字上变频与数字下变频的整个过程。

数字上变频后的中频数字信号经D/A转换后输出为模拟中频信号，再将此中频信号经A/D转换后输入到FPGA中，进行数字下变频处理。

采集下变频之后的数据进行4路信号空域DOA估计与单路信号时域滤波。

实验目的

（1）熟悉软件无线电实验箱MFSS6842的使用。

（2）熟悉EDA编程工具QuartusII及仿真工具Modelsim的使用。

（3）学习数字下变频原理及实现。

实验内容

（1）编写4阵元（模拟4阵元线阵）接收通道数字处理程序。

（2）验证数字上变频、下变频的整个数字处理程序。

（3）用下变频后采集的数据进行4路信号的空域DOA估计与单路信号时域

滤波。

实验器材、工具

软件无线电实验箱MFSS6842，EDA编程软件QuartusII，仿真工具Modelsim，MATLAB软件。

实验步骤

1.实验平台

本实验还是使用软件无线电实验箱MFSS6842，试验箱的前面板的线路连接与实验三完全一致。

需要注意的是，由于本次实验要做接收信号的数字下变频处理，需要使用到中频信号输入接口。

要把4路中频信号输出接口与对应的4路中频信号输入接口相连，如图4-1所示

图4-1中频输出、输入连接

2.FPGA程序编写

2.1数字下变频

数字处理程序的上变频程序就是实验三中的内容，只需再加入数字下变频部分的程序就可以了。

数字下变频的基本原理如图4-2所示

图4-2数字下变频原理

中频信号经混频后滤波可得到目标信号的基带信号，再经抽取以降低数据的速率。

实验中信号的中频为10MHz，输入信号的采样率为25.6MHz，其频谱示意图如图4-3所示

图4-3输入中频信号频谱

混频后信号的频谱如图4-4所示，可以直接设计一个低通滤波器，使得其通带截止频率fc=0.1MHz，阻带起始频率fa=5.5MHz，滤波后进行64倍抽取得到数据率为0.4Msps的数字基带信号。

图4-4混频后信号频谱及滤波器设计

在这里我们为了更好地理解一般通用的数字下变频结构，采用了4x4x4的分级滤抽取的结构，如图4-5所示

LPF4

↓4

LPF5

↓4

LPF6

↓4

图4-5分级抽取结构

3.程序验证

3.1单路输出数据时域滤波

复制“stp1_auto_signaltap_0.txt”到“duc_ddc_matlab\5.FPGA单路输出数据时域滤波”文件夹中，运行“main”文件，得到单路输出数据时域滤波的结果。

实验中，以0.1MHz信号从0°方向入射，做目标信号；0.05MHz信号从40°方向入射，做干扰信号。

进行时域滤波时，滤除0.05MHz的单频干扰信号，而保留0.1MHz的目标信号，注意观察数据处理的频谱变化图。

下面图4-6和图4-7都是第1路信号的数据处理的频谱变化图，在MATLAB中修改相应位置的程序，可以改成其它3路信号的处理。

图4-6下变频后信号功率谱

图4-7时域滤波后信号频谱

3.24路输出数据空域滤波与DOA估计

复制“stp1_auto_signaltap_0.txt”到“duc_ddc_matlab\6.FPGA输出数据空域滤波与DOA估计”文件夹中，运行“main”文件，得到4路输出数据空域滤波的结果。

实验中，以0.1MHz信号从0°方向入射，做目标信号；0.05MHz信号从40°方向入射，做干扰信号。

进行空域滤波时，滤除40°方向的单频干扰信号，而保留0°方向的目标信号，注意观察数据处理的频谱变化图，与空域滤波器的方向图。

由图4-8和图4-9的对比可以看出，空域滤波器滤除了频率为0.5MHz的单频干扰信号，而保留了0.1MHz处的目标信号。

图4-8空域滤波前输入信号频谱

图4-9空域滤波器后输出信号频谱

图4-10是形成的空域滤波器的方向图，由此图可以看出，空域滤波器在干扰的入射角40°的位置形成零点（凹口），从而抑制了此方向入射的频率为0.5MHz的干扰信号。

图4-10空域滤波器方向图

图4-11和图4-12是采用两种方法得到的输入信号的空域归一化MUSIC谱与

MVDR谱。

从两图中都可以看出，两种方法对信号的入射角度都得到了较为精确的估计，估计出的信号入射角都在0°和40°附近，与实际信号的入射角相差不大。

图4-11输入信号空域归一化MUSIC谱

图4-12输入信号空域归一化MVDR谱