LMS自適應(yīng)濾波器在激波報靶系統(tǒng)中的應(yīng)用

前言
由空氣動力學原理，當超音速運動的物體，由于運動速度大于局部聲速時會產(chǎn)生激波，彈道聲波是超聲速彈丸飛行時沖擊空氣分子所形成的激波（ Shock waves）。采用激波原理進行報靶是一項具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，它利用激波信號進行超音速飛行體探測，是一種新的目標探測方法。本文研究對象為移動靶車，該遙控自動裝置自帶電源和動力裝置，能在 25Km/h內(nèi)無級調(diào)速，但是，由于其工作環(huán)境比較惡劣，自身振動、風吹、發(fā)電機和電動機的巨大干擾，嚴重影響了自動報靶系統(tǒng)的報靶精度。為了適應(yīng)現(xiàn)代化部隊訓練的需要，本文采用 FPGA和自適應(yīng)濾波技術(shù)，利用硬件電路來實現(xiàn) LMS自適應(yīng)濾波器，完成對強背景噪聲環(huán)境下激波信號的濾波，在滿足實時數(shù)據(jù)處理前提下，以提高報靶系統(tǒng)的報靶精度。
1 問題的提出及方案選取
本設(shè)計起初設(shè)計電路采用的模擬高通濾器，后來又設(shè)計成帶通濾波器，然而通過實踐發(fā)現(xiàn)，其濾波效果都比較差，難以滿足系統(tǒng)精度的要求；采用通用 DSP數(shù)字信號處理器件用軟件設(shè)計數(shù)字濾波器，其數(shù)據(jù)吞吐率、處理速度和實時性遠不如基于 FPGA硬件實現(xiàn)的數(shù)字濾波器，因為，基于 FPGA的數(shù)字濾器代表了未來數(shù)字信號處理的發(fā)展方向，用戶可以很方便
吳學禮：博士生導師?；痦椖浚嚎倕④娪柡捅N部項目
的結(jié)合實際需要設(shè)計出自己的可編程數(shù)字信號處理芯片，現(xiàn)在已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用在高端數(shù)字信號處理領(lǐng)域。
自適應(yīng)濾波器的常用實現(xiàn)形式有 FIR和IIR兩種，而 FIR濾波器是實際應(yīng)用較為廣泛的一種，F(xiàn)IR濾波器只有可調(diào)的零點，因此它沒有 IIR因兼有可調(diào)的零點和極點而帶來的不穩(wěn)定問題，此外，LMS計算量小，易于硬件實現(xiàn)，故本文采用的濾波器是基于FIR基礎(chǔ)之上構(gòu)建的 LMS自適應(yīng)濾波器。
2 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)
本文所涉及的激波信號處理部分的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示，由信號采集傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器件、FPGA器件、數(shù)模轉(zhuǎn)換器件構(gòu)成。高速瞬態(tài)的激波信號被超聲波傳感器捕獲以后，經(jīng)過適當調(diào)理送到 AD轉(zhuǎn)換器件，本設(shè)計采用 MAX197AD轉(zhuǎn)換器件，由 FPGA設(shè)計的狀態(tài)機對其控制，進行 AD轉(zhuǎn)換，然后再進入基于 FPGA設(shè)計的自適應(yīng)濾波器中濾波，最后再進行 DA轉(zhuǎn)換傳輸?shù)胶罄m(xù)處理電路，由于本設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計基于 LMS算法的自適應(yīng)濾波器，其它部分將不作詳述。

3 LMS自適應(yīng)濾波器設(shè)計
LMS算法是以期望響應(yīng)和濾波器輸出信號之間的均方值為準則，依據(jù)輸入信號在迭代過程中估計梯度矢量，并更新權(quán)值系數(shù)以達到最有效的一種自適應(yīng)迭代算法，它在優(yōu)化方法中采用了基于隨機梯度的最速下降法。根據(jù) LMS算法的實現(xiàn)過程，在 FPGA實現(xiàn)時，可以分為主要的幾個模塊：FIR濾波器模塊、誤差計算模塊、權(quán)值存儲模塊、權(quán)值更新模塊以及控制模塊。其模塊框圖如圖 2所示。設(shè)計中采用 VHDL語言設(shè)計，根據(jù) MAX197的轉(zhuǎn)換要求，其輸出為 12位寬度的數(shù)字信號，因此，此處采用 12位并行數(shù)據(jù)輸入，12并行數(shù)據(jù)輸出，權(quán)值系數(shù)的數(shù)據(jù)寬度為 16位，reset為系統(tǒng)復(fù)位，高電平有效，clk為系統(tǒng)時鐘，firen為 FIR濾波器使能，suben為誤差計算模塊使能，cuncuen為權(quán)值存儲模塊使能，coffen為權(quán)值更新模塊使能，都為高電平有效。