自适应滤波器设计

陶秀文 吴文念

摘要：本设计为一个工作频率为10kHz～100kHz，移相范围为0度到360度的自适应滤波器。本设计的自适应滤波器是可以根据干扰信号的特征进而滤除混合信号中的干扰信号，从而恢复并输出有用信号波形。整个设计包括：电源模块、加法器模块、移相器模块以及滤波模块。自适应滤波器是使用前一时刻已经获得的滤波器参数结果，自动调节现时刻的滤波器的参数，以此适应未知噪声和未知信号的统计特性，或者随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。

关键词：自适应滤波器；加法器模块；移相器模块；LMS算滤波模块

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）05-0244-02

随着超大规模集成电路技术的迅速进步，具有自学习、自跟踪、对参数经常变化的动态系统有较好的控制效果特性的自适应滤波技术在后续的技术研发上起着举足轻重的作用。本设计制作一个工作频率为10kHz～100kHz的自适应滤波器，可以根据干扰信号的特征滤除混合信号中的干扰信号，从而恢复并输出有用信号。

1 方案设计

1.1整体设计方案

整个设计包括：电源模块、加法器模块、移相器模块以及滤波模块。首先通过采用OP07芯片用来实现加法器功能，再根据电容电感移相功能将RC与运放联系起来组成有源的移相电路，滤波器模块是使用DSP的DMA方式对外部信号进行实时采集，外部模拟信号首先进行A/D转换，再通过MCB SP的接收寄存器接收数据。依据自适应滤波算法，对该信号进行自适应滤波。滤波后的信号存放数据区满发出中断，接着请求信号输出。使用DMA方式将传输输出数据，由D/A转换之后输出，整体框图见图1。自适应滤波器经过对比使用FIR横向滤波器的结构，通过设计LMS算法自动地调整滤波系数，使其达到最佳滤波特性[1]。

1.2 放大器模块电路的选择

本设计采用OP07芯片，它是一种非斩波稳零、低噪声的双极性运算放大器集成电路。因为OP07具有特别低的输入失调电压，因此OP07在很多应用场合并不需要额外的调零措施，同时OP07还具有输入偏置电流低和开环增益高等特点，使得它尤其适用于高增益的测量和放大传感器等方面，如图2所示[2]。

1.3移相电路的选择

设计中考虑到，直接利用电路中电容和电感移相功能进行移相，最大移相范围只有90度，不能满足设计需求，所以在原有电路的基础上将RC与运放联系起来组成有源的移相电路，这样即可以实现0度到360度的移相范围，电路如下图3所示[3]。

1.4自适应滤波器结构的设计

自适应滤波器特性的变化是根据自适应算法经过调整滤波器系数来实现的。通常情况下自适应滤波器由两部分组成，一部分是滤波器结构，另一部分是用来调整滤波器系数的自适应算法。

一般有FIR和IIR两种自适应滤波器结构。FIR滤波器相比于IIR滤波器稳定性强，且横向结构算法容易实现计算量少，因此自适应滤波器采用FIR横向濾波器结构。如图4所示。

此图中，输入信号是x（n），输出信号是y（n），参考信号（期望信号）是d（n）， d（n）和y（n）的误差信号为e（n）。受误差信号e（n）控制的自适应滤波器的滤波器系数，可根据e（n）的值和自适应算法进行自动调整。

1.5自适应滤波器算法选择

采用最小均方算法（缩写：LMS），虽然此算法相比于传统的递归最小二乘法来说收敛速度比较慢，但是它算法简单运算方便，易于实现，程序流程图如图5所示。

2 系统测试

针对系统的各个模块进行相应的功能测试，并观察结果，保证设计符合要求，实现设计功能。

1）加法器测试

测试方法：接入正负电源，分别控制输入信号1和信号2均为1～2V，频率为10kHz～100kHz，观察数字式示波器的输出信号波形及峰峰值变化是否满足设计要求。

2）移相器测试

测试方法：接入正负电源，输入信号3，调节50kΩ的滑动变阻器，观察示波器的输出信号波形、峰峰值变化以及相位差的大小是否满足设计要求。

3）加法器和移相器相连测试

测试方法：加法器和移相器相连，将加法器的输出信号作为移相器的输入信号，分别改变加法器的输入信号1和输入信号2的频率和峰峰值，测得输出信号频率的峰峰值，通过调节移相器的滑动变阻器，测得输出信号与输入信号的相位差范围在0°～360°。

3 结束语

自适应滤波器广泛应用于通信领域的自动均衡、回波消除以及其他有关领域信号处理的参数识别、噪声消除等方面。本设计的自适应滤波器满足设计要求，具有较好的滤波效果。

参考文献：

[1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M]. 4版.北京：高等教出版社，2006.

[2] 刘益成.数字信号处理[M].西安：西安电子科技出版社，2004.

[3] Simon Haykin.自适应滤波器原理[M].北京：电子工业出版社，2003.

【通联编辑：唐一东】