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