基于fpga的回波抵消器設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　基于FPGA的回波抵消器設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電子信息工程

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b><

3、/p><p>　　現(xiàn)代通信系統(tǒng)中都不同程度的存在回波現(xiàn)象，從而影響了通信質(zhì)量。而隨著通訊、數(shù)字信號(hào)處理和大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)通信質(zhì)量的要求越來(lái)越高，回波抵消技術(shù)也因此得到快速的發(fā)展，在數(shù)字通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中起著越來(lái)越大的作用。</p><p>　　回波抵消器主要是根據(jù)自適應(yīng)濾波器模擬回波路徑，可以跟蹤回波路徑的變化這一原理設(shè)計(jì)的。而自適應(yīng)回波抵消器有最小均方算法（LMS）（

4、Least Mean Square）,最小二乘算法（RLS）（Recursive Least-squares）和DLMS自適應(yīng)濾波器算法這三種典型算法。RLS算法是在牛頓優(yōu)化算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的，該算法對(duì)輸入的數(shù)據(jù)矢量無(wú)任何限制，在FIR濾波和陣列處理中都可使用，具有較高數(shù)值精度；LMS較RLS算法收斂速度慢，但算法教簡(jiǎn)單，計(jì)算量小易于實(shí)時(shí)處理，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)仍可取得較好濾波效果。</p><p>　　論文根據(jù)自適應(yīng)回

5、波抵消器的典型算法理論最小均方算法（LMS），采用Altera公司的DSP Builder開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)回波抵消器的系統(tǒng)模塊，給出回波抵消系統(tǒng)的模塊圖，介紹了部分關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置，給出詳細(xì)的仿真結(jié)果，最終得到系統(tǒng)模塊的正確波形，并對(duì)模塊進(jìn)行了仿真和系統(tǒng)正確性的驗(yàn)證。論文還記錄和整理了在設(shè)計(jì)與調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題，并給出筆者的分析。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：回波抵消器;LMS; RLS;DLMS</p

6、><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　There are different levels of echo phenomenon in the modern communication systems, which affects the communication quality. With the communications, digi

7、tal signal processing and the rapid development of large scale integrated circuit technology, people are increasingly demanding quality of communication, echo cancellation technology is so rapid developments in digital c

8、ommunications, satellite communications systems from an increasingly large role.</p><p>　　Adaptive echo canceller filter simulation is mainly based on the echo path, you can track changes in the echo path de

9、sign principles. The adaptive echo canceller has the least mean square algorithm (LMS) (Least Mean Square), least squares (RLS) (Recursive Least-squares) adaptive filter algorithm and DLMS algorithm for the three typical

10、.RLS algorithm is based on the improved Newton algorithm, and the algorithm on the input data vectors without any limitations, in the FIR filtering and array proce</p><p>　　The design of a typical of adaptiv

11、e echo canceller algorithms theoretical minimum mean square algorithm (LMS), using Altera's DSP Builder development platform designed for the system of adaptive echo cancellation module, the module gives the echo can

12、cellation system Figure, describes the settings of some key parameters, gives details of the simulation results, finally get the correct waveform system module, and modules for the correctness of the simulation and syste

13、m verification, the paper also</p><p>　　Keywords: Echo Canceller; LMS; RLS; DLMS</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1引言1</b></p><p>　　1.1課題背景和意義

14、1</p><p>　　1.2論文的內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)2</p><p>　　2自適應(yīng)濾波器概述3</p><p>　　2.1 濾波器概念3</p><p>　　2.2 自適應(yīng)濾波器概述4</p><p>　　2.3 自適應(yīng)濾波器算法分類6</p><p>　　2.3.1最小均方算法(LM

15、S)6</p><p>　　2.3.2遞推最小二乘算法(RLS)7</p><p>　　2.3.3 DLMS自適應(yīng)濾波器算法8</p><p>　　3 基于DSP Builder的回波抵消器設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 DSP Builder概述9</p><p>　　3.1.1 DSP Build

16、er平臺(tái)綜述9</p><p>　　3.1.2 DSP Builder設(shè)計(jì)流程9</p><p>　　3.2 加權(quán)系數(shù)模型的建模10</p><p>　　3.3 加權(quán)分量模型的建模11</p><p>　　3.4 自適應(yīng)回波抵消器的建模12</p><p>　　3.5 自適應(yīng)回波抵消器系統(tǒng)建模13<

17、/p><p>　　4系統(tǒng)仿真與調(diào)試16</p><p>　　4.1信號(hào)模塊的正弦波輸出16</p><p>　　4.2 自適應(yīng)回波抵消器系統(tǒng)的輸出波形16</p><p><b>　　5設(shè)計(jì)總結(jié)18</b></p><p>　　致 謝錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。</p><p&g

18、t;<b>　　參考文獻(xiàn)19</b></p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　1.1課題背景和意義</p><p>　　回波信號(hào)是在通信過(guò)程中產(chǎn)生的反射干擾信號(hào)，它會(huì)使接收到的信號(hào)產(chǎn)生混亂。但在數(shù)字通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中，不同程度的存在回波現(xiàn)象，影響了通信質(zhì)量。隨著通訊、數(shù)字信號(hào)處理和大規(guī)模集成電

19、路技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)語(yǔ)音通信質(zhì)量的要求越來(lái)越高。因此，從理論設(shè)計(jì)到工程應(yīng)用對(duì)回波抵消技術(shù)進(jìn)行的深入研究，都有著積極的意義。</p><p>　　隨著人們對(duì)語(yǔ)音通信質(zhì)量要求的提高，回波抵消技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，并為世界各大通訊公司競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)技術(shù)之一。從20世紀(jì)80年代興起以來(lái)，人們一直致力于收斂快，穩(wěn)態(tài)誤差小，近端干擾下收斂穩(wěn)健，回波路徑變化時(shí)追蹤速度快以及算法計(jì)算量小的回波抵消器的研究?；夭ǖ窒髂芄烙?jì)回

20、波路徑的特征參數(shù)，以產(chǎn)生一個(gè)模擬的回波信號(hào)，然后從接收到的信號(hào)中減去該模擬信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)回波抵消的效果。而一般采用自適應(yīng)濾波器模擬回波路徑，因其可以跟蹤回波路徑的變化[1]。</p><p>　　隨著數(shù)字超大規(guī)模集成(VLSI) 技術(shù)的發(fā)展,自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)在許多領(lǐng)域(例如:數(shù)字通信、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)、地震學(xué)、導(dǎo)航系統(tǒng)等) 得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　通過(guò)語(yǔ)音消噪技術(shù)來(lái)提高語(yǔ)音質(zhì)量

21、是語(yǔ)音通信的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，語(yǔ)音處理的根本目的就是準(zhǔn)確的獲取信號(hào)特征值，一切處理的前提保障就是消噪。自適應(yīng)濾波器就是一種有效的語(yǔ)音消噪模型，其中自適應(yīng)濾波器的算法決定了濾波性能，根據(jù)濾波算法優(yōu)化準(zhǔn)則不同，自適應(yīng)濾波器的主要算法可分為兩類基本算法：最小均方誤差（LMS）算法和遞歸最小二乘（RLS）算法。RLS（Recursive Least-squares）算法是在牛頓優(yōu)化算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的，該算法對(duì)輸入的數(shù)據(jù)矢量無(wú)任何限制，在FIR濾波和陣

22、列處理中都可使用，具有較高數(shù)值精度；LMS較RLS算法收斂速度慢，但算法教簡(jiǎn)單，計(jì)算量小易于實(shí)時(shí)處理，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)仍可取得較好濾波效果。兩種自適應(yīng)濾波器算法具有很高的工程應(yīng)有價(jià)值[2]。</p><p>　　1.2論文的內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)</p><p>　　圍繞課題，論文主要做了以下工作：</p><p>　　熟悉Simulink開(kāi)發(fā)工具及DSP Builder開(kāi)發(fā)平

23、臺(tái)，熟悉基于DSP Builder的一般設(shè)計(jì)流程；</p><p>　　2.了解與熟悉數(shù)字濾波器的原理、自適應(yīng)濾波器原理，查閱相關(guān)的基于FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器、自適應(yīng)濾波器一般實(shí)現(xiàn)方案；</p><p>　　3.查閱了解自適應(yīng)濾波器原理理論內(nèi)容，掌握LMS、RLS、NLMS三種算法原理和特點(diǎn)。結(jié)合自己的專業(yè)知識(shí)，采用LMS算法實(shí)現(xiàn)基于自適應(yīng)濾波器。對(duì)該算法進(jìn)行DSP Builder建模；

24、</p><p>　　4.提出基于DSP Builder的自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)方案，將整個(gè)設(shè)計(jì)分為加權(quán)系數(shù)建、加權(quán)分量建模和系統(tǒng)建模等三部分。分別完成每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和DSP Builder仿真、FPGA驗(yàn)證，最終完成頂層的系統(tǒng)建模與仿真。</p><p>　　5.對(duì)設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行整理和分析。</p><p>　　本文一共有五章，第一章為引言，簡(jiǎn)述了本課題

25、的相關(guān)背景和論文的組織結(jié)構(gòu)；第二章介紹了自適應(yīng)濾波器的原理,自適應(yīng)濾波器實(shí)現(xiàn)的算法，LMS、RLS、NLMS的算法原理和各自的特點(diǎn)。第三章為DSP Builder平臺(tái)綜述，并對(duì)基本設(shè)計(jì)流程做了相關(guān)介紹。進(jìn)行DSP Builder的自適應(yīng)回波抵消器的加權(quán)系數(shù)模型的建模和加權(quán)分量模型的建模以及自適應(yīng)回波抵消器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)；第四章為本設(shè)計(jì)的仿真與調(diào)試及其驗(yàn)證；第五章簡(jiǎn)述了設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的困難和解決過(guò)程。 </p><p>

26、;<b>　　2自適應(yīng)濾波器概述</b></p><p><b>　　2.1 濾波器概念</b></p><p>　　凡是有能力進(jìn)行信號(hào)處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信裝備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對(duì)濾波器的研究和生產(chǎn)歷來(lái)為各國(guó)所重視，為世界各大通訊公司競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)技術(shù)之一。</p>

27、;<p>　　濾波器一般分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。目前主流的濾波器均為數(shù)字濾波器。而模擬濾波器是一種用來(lái)消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過(guò)過(guò)濾而得到純凈的交流電?？梢酝ㄟ^(guò)基本的濾波器積木塊——二階通用濾波器傳遞函數(shù)，推導(dǎo)出最通用的濾波器類型：低通、帶通、高通、陷波和橢圓型濾波器。傳遞函數(shù)的參數(shù)——f0、d、hHP、hBP 和hLP，可用來(lái)構(gòu)造所有類型的濾波器。設(shè)計(jì)者只需這5個(gè)參數(shù)即可定義一個(gè)濾波器[3]。</p&

28、gt;<p>　　從輸入信號(hào)中濾出噪聲和干擾以提取有用信息的過(guò)程稱為濾波，相應(yīng)的裝置稱為濾波器。如果濾波器的輸入和輸出均為離散信號(hào)，稱該濾波器為數(shù)字濾波器。當(dāng)濾波器的輸出信號(hào)為輸入端的線性函數(shù)時(shí)，該濾波器稱為線性濾波器，否則就稱為非線性濾波器。一個(gè)典型的數(shù)字濾波器的框圖如圖2-1所示。</p><p><b>　　圖2-1數(shù)字濾波器</b></p><p&g

29、t;　　設(shè)輸入信號(hào)為x(n)，輸出信號(hào)為y(n)，該數(shù)字濾波器可用以下差分方程來(lái)表示：</p><p>　　(2-1) 式中，稱為濾波器系數(shù)。當(dāng)時(shí)，上式變?yōu)椋?lt;/p><p>　　(2-2) 這種濾波器稱為全零點(diǎn)濾波器。如果，時(shí)，則稱為全極點(diǎn)濾波器或遞歸濾波器。由2-2式，可知數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)為：</p><p><

30、;b>　　(2-3)</b></p><p>　　其單位沖擊響應(yīng)函數(shù)為：</p><p>　　(2-4) </p><p><b>　　(2-5) </b></p><p>　　如果當(dāng)n<0時(shí)，有h(n)=0，這樣的濾波器系統(tǒng)稱之為因果系統(tǒng)。如果沖激響應(yīng)函數(shù)是有限長(zhǎng)的，即&l

31、t;/p><p>　　(2-6) </p><p>　　則稱此濾波器為有限沖激響應(yīng)FIR(FiniteImpulseResponse)濾波器，否則，稱之為無(wú)限沖激響應(yīng)IIR(InfiniteImpulseResponse)濾波器。</p><p>　　如果h(n)滿足如下條件：</p><p><b>　　(2-7)<

32、;/b></p><p>　　則稱此濾波器是因果的，并且是穩(wěn)定的。</p><p>　　2.2 自適應(yīng)濾波器概述</p><p>　　所謂的自適應(yīng)濾波，就是利用前一時(shí)刻以獲得的濾波器參數(shù)的結(jié)果，自動(dòng)的調(diào)節(jié)現(xiàn)時(shí)刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號(hào)和噪聲未知的或隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。自適應(yīng)濾波器實(shí)質(zhì)上就是一種能調(diào)節(jié)其自身傳輸特性以達(dá)到最優(yōu)的維納濾波器。自適

33、應(yīng)濾波器不需要關(guān)于輸入信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)，計(jì)算量小，特別適用于實(shí)時(shí)處理。由于無(wú)法預(yù)先知道信號(hào)和噪聲的特性或者它們是隨時(shí)間變化的，僅僅用FIR和II種具有固定濾波系數(shù)的濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。在這種情況下，必須設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波器，以跟蹤信號(hào)和噪聲的變化。自適應(yīng)濾波器的特性變化是由自適應(yīng)算法通過(guò)調(diào)整濾波器系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般而言，自適應(yīng)濾波器由兩部分組成，一是濾波器結(jié)構(gòu)，二是調(diào)整濾波器系數(shù)的自適應(yīng)算法。自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)采用FIR或IIR結(jié)構(gòu)均可，

34、由于IIR濾波器存在穩(wěn)定性問(wèn)題，因此一般采用FIR濾波器作為自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)[4]。圖2-2示出了自適應(yīng)濾波器的一般結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖2-2為自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)的一般形式，圖中x (k)輸入信號(hào)，通過(guò)權(quán)系數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器后產(chǎn)生輸出信號(hào)y (k)，將輸出信號(hào)y (k)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（又稱期望信號(hào)）d(k)進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào)e (k)，e (k)和x (k)通過(guò)自適應(yīng)算法對(duì)濾波器的權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。<

35、;/p><p>　　圖2-2 自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　調(diào)整的目的使得誤差信號(hào)e (k)最小。重復(fù)上面過(guò)程，濾波器在自己的工作過(guò)程中逐漸了解到輸入信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，并以此為根據(jù)自動(dòng)調(diào)整濾波器權(quán)系數(shù)，從而達(dá)到最佳的濾波效果。一旦輸入的統(tǒng)計(jì)規(guī)律發(fā)生了變化，濾波器能夠自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)變化，自動(dòng)調(diào)整濾波器的權(quán)系數(shù)，最終達(dá)到濾波效果，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)過(guò)程。圖2-3是使用自適應(yīng)濾波器的系統(tǒng)識(shí)別

36、原理圖。</p><p>　　圖2-3 自適應(yīng)濾波器的系統(tǒng)識(shí)別框圖</p><p>　　自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)可以采用FIR或IIR濾波器存在穩(wěn)定性問(wèn)題，因此一般采用FIR濾波器作為自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)。自適應(yīng)FIR濾波器結(jié)構(gòu)又可分為3種結(jié)構(gòu)類型：橫向型結(jié)構(gòu)(Transversal Structure)、對(duì)稱橫向型結(jié)構(gòu)(Symmetric Transversal Structure)以及格型結(jié)構(gòu)

37、(Lattice Struture)。本文采用自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)中最常用的FIR橫向型結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2.3 自適應(yīng)濾波器算法分類</p><p>　　2.3.1最小均方算法(LMS)</p><p>　　感知器和自適應(yīng)線性元件在歷史上幾乎是同時(shí)提出的，并且兩者在對(duì)權(quán)值的調(diào)整的算法非常相似。它們都是基于糾錯(cuò)學(xué)習(xí)規(guī)則的學(xué)習(xí)算法。感知器算法存在如下問(wèn)題：不能推

38、廣到一般的前向網(wǎng)絡(luò)中；函數(shù)不是線性可分時(shí)，得不出任何結(jié)果。而由美國(guó)斯坦福大學(xué)的Widrow和Hoff在研究自適應(yīng)理論時(shí)提出的LMS算法，由于其容易實(shí)現(xiàn)而很快得到了廣泛應(yīng)用，成為自適應(yīng)濾波的標(biāo)準(zhǔn)算法[5]。典型的 LMS自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。</p><p>　　LMS算法步驟如下：</p><p>　　1、設(shè)置變量和參量：X(n)為輸入向量，或稱為訓(xùn)練樣本，W(n)為權(quán)值向量，b

39、(n)為偏差， 　　d(n)為期望輸出，y(n)為實(shí)際輸出，η為學(xué)習(xí)速率，n為迭代次數(shù) 　　</p><p>　　2、初始化，賦給w(0)各一個(gè)較小的隨機(jī)非零值，令n=0 　</p><p>　　對(duì)于一組輸入樣本x(n)和對(duì)應(yīng)的期望輸出d，計(jì)算 </p><p>　　e(n)=d(n)-X^T(n)W(n) 　　

40、 (2-8)</p><p>　　W(n+1)=W(n)+ηX(n)e(n) 　　 (2-9) </p><p>　　判斷是否滿足條件，若滿足算法結(jié)束，若否n增加1，轉(zhuǎn)入第3步繼續(xù)執(zhí)行[6]。</p><p>　　圖2-4 LMS自適應(yīng)濾波器算法</p><p>　　2.3.

41、2遞推最小二乘算法(RLS)</p><p>　　基于MMSE準(zhǔn)則的自適應(yīng)算法目標(biāo)在于使濾波器輸出與需要信號(hào)的誤差的平方的統(tǒng)計(jì)平均最小，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)特性尋求最佳濾波。但在實(shí)際中通常已知的僅是一組數(shù)據(jù)，因此只能對(duì)長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行估計(jì)或近似。最小二乘算法可以直接根據(jù)一組數(shù)據(jù)尋求最佳值，根據(jù)MMSE準(zhǔn)則得到的是對(duì)一類數(shù)據(jù)的最佳濾波器，而根據(jù)最小二乘法得到的是對(duì)一組已知數(shù)據(jù)的最佳濾波器。因此常說(shuō)最小二乘法導(dǎo)出的

42、最佳濾波器是“精確”的[7]。根據(jù)最小二乘法算法，w(n)的最佳值應(yīng)使累計(jì)平方誤差性能函數(shù)最小，常數(shù)L是遺忘因子，且0<L<1。為了避免矩陣求逆，通常采用遞推算法來(lái)減少運(yùn)算量。</p><p><b>　　RLS算法描述為：</b></p><p>　　a.初始化：w(0) = 0，.其中I為單位矩陣，，P(n)為輸入向量自相關(guān)矩陣的逆矩陣。</p&

43、gt;<p>　　b.對(duì)每一時(shí)刻n = 0,1,2???計(jì)算:增益矢量: (2-10)</p><p>　　濾波： (2-11)</p><p>　　誤差估計(jì)： (2-12)</p>

44、<p>　　更新權(quán)矢量：w(n +1) = w(n) + g(n)e(n) (2-13) </p><p>　　更新逆矩陣： (2-14)</p><p>　　2.3.3 DLMS自適應(yīng)濾波器算法</p><p>　　相對(duì)于LMS 算法,DLM

45、S 算法的權(quán)系數(shù)更新模塊采用延遲了D 個(gè)節(jié)拍的數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生下一時(shí)鐘周期的權(quán)系數(shù),本設(shè)計(jì)中權(quán)系數(shù)更新延遲了6 個(gè)周期。引入延遲的好處在于可以用前一時(shí)間的誤差值來(lái)實(shí)現(xiàn)更新,在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下,系數(shù)更新和誤差計(jì)算可以同時(shí)進(jìn)行。DLMS 算法權(quán)系數(shù)更新方程可以用下式表示:</p><p>　　w( k + 1) = w( k) + 2μe ( k - D) x( k - D)

46、 (2-15)</p><p>　　DLMS 算法權(quán)系數(shù)更新中延時(shí)D 的引入對(duì)算法的穩(wěn)態(tài)行為影響不大, 關(guān)鍵問(wèn)題是步長(zhǎng)因子μ的選取。DLMS算法的收斂條件為:</p><p>　　相對(duì)于LMS的收斂條件來(lái)說(shuō),DLMS 算法收斂條件更為苛刻[6]。</p><p>　　3 基于DSP Builder的回波抵消器設(shè)計(jì)</p><p>　　3.

47、1 DSP Builder概述</p><p>　　3.1.1 DSP Builder平臺(tái)綜述</p><p>　　Altera可編程邏輯器件(PLD)中的DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要運(yùn)用高級(jí)算法和HDL開(kāi)發(fā)工具來(lái)共同進(jìn)行。Altera DSP Builder將MATLAB和Simulink系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具中的算法開(kāi)發(fā)、仿真和驗(yàn)證功能與VHDL綜合、仿真和Altera開(kāi)發(fā)工具整合在一起，實(shí)現(xiàn)了這些工

48、具的集成。DSP Builder在算法友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境中能幫助設(shè)計(jì)人員生成DSP設(shè)計(jì)硬件表征，從而縮短了DSP設(shè)計(jì)周期。DSP Builder支持系統(tǒng)、算法和硬件設(shè)計(jì)共享一個(gè)公共開(kāi)發(fā)平臺(tái)。設(shè)計(jì)人員可以使用DSP Builder模塊迅速生成Simulink系統(tǒng)建模硬件[8]。</p><p>　　DSP Builder模型中Altera MegaCore是高級(jí)參數(shù)化IP功能，經(jīng)過(guò)配置能夠迅速方便的達(dá)到系統(tǒng)性能要求。而

49、DSP Builder SignalCompiler模塊能讀取由DSP Builder和MegaCore模塊構(gòu)建的Simulink建模文件(.mdl)，生成VHDL文件和工具命令語(yǔ)言(Tcl)腳本，進(jìn)行綜合、硬件實(shí)施和仿真。</p><p>　　3.1.2 DSP Builder設(shè)計(jì)流程</p><p>　　在Altera可編程邏輯器件(PLD)的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要用

50、到高級(jí)算法與硬件描述語(yǔ)言(HDL)開(kāi)發(fā)工具。而Altera DSP Builder集成了這些工具，把MathWorks的MATLAB和Simulink系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具的算法開(kāi)發(fā)、仿真和驗(yàn)證能力與VHDL和Verilog設(shè)計(jì)流程(包括Altera Quartus II軟件)組合在一起。DSP Builder能使系統(tǒng)、算法和硬件設(shè)計(jì)人員共享一個(gè)共同的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。DSP Builder信號(hào)編譯器可讀取Simulink模型文件(.mdl)，使用DS

51、P Builder和MegaCore函數(shù)生成VHDL和Verilog HDL文件及Tcl腳本，以便進(jìn)行合成，硬件執(zhí)行和仿真。圖3-1所示為DSP Builder的設(shè)計(jì)流程[9]。 </p><p>　　圖3-1 DSP Builder、Matlab結(jié)合設(shè)計(jì)及步驟</p><p><b>　　具體設(shè)計(jì)步驟如下：</b></p><p>　　在

52、使用DSP Builder前，在MATLAB/Simulink軟件上生成的設(shè)計(jì)模型。在生成模型后，能為綜合和Quartus II編譯輸出VHDL文件，或生成VHDL或Verilog HDL仿真文件。設(shè)計(jì)流程包括下列步驟：</p><p>　　1. 使用MATLAB/Simulink軟件生成Simulink與DSP Builder組合的模型。</p><p>　　2. 使用SignalCom

53、piler模塊分析設(shè)計(jì)。</p><p>　　3. 在Simulink中，使用監(jiān)視結(jié)果的Scope模塊仿真模型。</p><p>　　4. 運(yùn)行SignalCompiler設(shè)置RTL仿真和綜合。</p><p>　　5. 執(zhí)行RTL仿真。</p><p>　　6. 使用DSP Builder SignalCompiler模塊生成的輸出文件來(lái)執(zhí)

54、行RTL綜合。</p><p>　　7. 在Quartus II軟件中編譯設(shè)計(jì)。</p><p>　　8. 下載到一個(gè)硬件開(kāi)發(fā)板上并測(cè)試。</p><p>　　關(guān)于DSP Builder設(shè)計(jì)平臺(tái)的其它內(nèi)容，讀者可參看相關(guān)文獻(xiàn)。</p><p>　　3.2 加權(quán)系數(shù)模型的建模</p><p>　　自適應(yīng)濾波器模擬回波是通

55、過(guò)自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此先構(gòu)建算法部分，如前文所述，回波抵消器是采用LMS算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，LMS算法迭代公式為：</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　根據(jù)LMS算法迭代公式，在Matlab下的Simulink中進(jìn)行設(shè)計(jì)，即在Matlab中的Simulink環(huán)境中建立一個(gè).mdl模型文件“DXQ”，調(diào)用DSP Builder和Simuli

56、nk庫(kù)中的相關(guān)模塊，設(shè)計(jì)構(gòu)成如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 加權(quán)系數(shù)模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖</p><p>　　圖3-2中x(n)為輸入信號(hào)A，e(n)i為誤差信號(hào)，ui為控制穩(wěn)定性和收斂速度的步長(zhǎng)參量，w(n+1)為n時(shí)刻自適應(yīng)濾波器的系數(shù)矢量估值。</p><p>　　3.3 加權(quán)分量模型的建模</p><p>　　濾波器的估計(jì)輸

57、出是一系列權(quán)值分量與輸入矢量的各分量乘積之和，加權(quán)矢量的各分量是基于上一次迭代權(quán)值及輸入矢量、誤差、步長(zhǎng)的乘積的和。將第i個(gè)單元的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)單獨(dú)提出來(lái)分析，構(gòu)建模型，并封裝后，則可以根據(jù)濾波器階數(shù)的不同而相應(yīng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)多級(jí)級(jí)聯(lián)。根據(jù)濾波器的估計(jì)輸出公式：</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　在加權(quán)系數(shù)模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建出加權(quán)分量模型如圖3

58、-3所示。</p><p>　　圖3-3 加權(quán)分量模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖</p><p>　　圖3-3為加權(quán)分量模型，其中x(n)為輸入信號(hào)A，經(jīng)過(guò)延時(shí)后產(chǎn)生x(n-1)的輸出信號(hào),同時(shí)輸入信號(hào)A產(chǎn)生一個(gè)乘積y(n)o=w(n+1)x(n),而由于濾波器的估計(jì)輸出為一系列權(quán)值分量和輸入矢量的各分量乘積之和，故除第一級(jí)外，后續(xù)單元必須加上前一級(jí)的加權(quán)單元的輸出，故將加權(quán)分量模型封裝后需要進(jìn)行多次級(jí)聯(lián)

59、，這樣在構(gòu)造階數(shù)可變和階數(shù)較大的濾波器時(shí)更能顯出其靈活性。</p><p>　　3.4 自適應(yīng)回波抵消器的建模</p><p>　　將封裝后的加權(quán)分量單元依照階數(shù)級(jí)聯(lián)即可得到自適應(yīng)回波抵消器，圖3-4為階數(shù)為7的自適應(yīng)回波抵消器。</p><p>　　圖3-4自適應(yīng)回波抵消器模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖</p><p>　　圖3-4中d(n)端口輸入為混有

60、回波的接收信號(hào)，y(n)輸出為回波估計(jì)值，e(n)為將接收信號(hào)中的回波抵消后的值，x(n)為輸入信號(hào)，ui為步長(zhǎng)參數(shù)。將模塊封裝后可直接用于頂層設(shè)計(jì)中。</p><p>　　3.5 自適應(yīng)回波抵消器系統(tǒng)建模</p><p>　　利用自適應(yīng)回波抵消器模塊建立一個(gè)完整的系統(tǒng)模型,如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5自適應(yīng)回波抵消器模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖</p&g

61、t;<p>　　在圖3-5中Sine Wave為輸入信號(hào)A，Sine Wave1為輸入信號(hào)B，信號(hào)B在進(jìn)行衰減后與信號(hào)A疊加后，即d(n)輸入自適應(yīng)回波抵消器,x(n)1為輸入信號(hào)A，y(n)為回波抵消器模擬的回波信號(hào)，e(n)為誤差信號(hào)，即為濾除回波后得到的信號(hào)。</p><p>　　圖3-6為信號(hào)模塊“Sine Wave”的參數(shù)設(shè)置圖：幅度設(shè)置為6，頻率設(shè)置為300，抽樣時(shí)間設(shè)置為1/8000；

62、</p><p>　　圖3-6 信號(hào)模塊“Sine Wave”的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　圖3-7為信號(hào)模塊“Sine Wave1”的參數(shù)設(shè)置圖：幅度設(shè)置為1，頻率設(shè)置為1000，抽樣時(shí)間設(shè)置為1/8000；</p><p>　　圖3-7 信號(hào)模塊“Sine Wave1”的參數(shù)設(shè)置</p><p><b>　　4系統(tǒng)仿真與調(diào)

63、試</b></p><p>　　4.1信號(hào)模塊的正弦波輸出</p><p>　　輸入的信號(hào)模塊通過(guò)仿真后輸出波形如圖4-1。從上到下分別為信號(hào)模塊“Sine Wave”,其通過(guò)仿真后輸出頻率為300HZ，幅度為6的正弦波。信號(hào)模塊“ Sine Wave”的衰減信號(hào)，其通過(guò)仿真后輸出頻率為300HZ，幅度為5的正弦波。信號(hào)模塊“Sine Wave1”通過(guò)仿真后輸出頻率為1000H

64、Z，幅度為6的正弦波。</p><p>　　圖4-1 信號(hào)模塊輸出正弦波</p><p>　　4.2 自適應(yīng)回波抵消器系統(tǒng)的輸出波形</p><p>　　自適應(yīng)回波抵消器系統(tǒng)通過(guò)仿真后輸出波形如圖4-2，從上到下分別為信號(hào)模塊“Sine Wave1”和信號(hào)模塊“ Sine Wave”的衰減信號(hào)的混合信號(hào)、經(jīng)過(guò)回波抵消后的輸出信號(hào)。通過(guò)三個(gè)信號(hào)的對(duì)比以及與輸入信號(hào)的

65、對(duì)比，可以直觀地看出相比較輸入的混合干擾信號(hào)d(n)，信號(hào)e(n)中已看不到回波的干擾，由此可見(jiàn)系統(tǒng)的回波抵消效果是很明顯的，其波形失真較小，且由于該模型的適用性較廣，可以根據(jù)傳輸信號(hào)的不同，適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，模型結(jié)構(gòu)有利于硬件實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　圖4-2 自適應(yīng)回波抵消器系統(tǒng)調(diào)制后輸出波形</p><p><b>　　5設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p>

66、<p>　　本次設(shè)計(jì)是基于DSP Builder的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)LMS算法自適應(yīng)回波抵消系統(tǒng)的組成原理，建立了通信中的回波抵消器系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建、仿真演示、顯示結(jié)果、以及性能分析。仿真的結(jié)果證實(shí)了該系統(tǒng)的有效性，較好地反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，對(duì)硬件實(shí)施具有一定的指導(dǎo)意義。</p><p>　　在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了很多難題，開(kāi)始對(duì)于DSP Builder及Simulink軟

67、件在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用完全是空白的，之后通過(guò)從簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)例題中不斷的學(xué)習(xí)了解來(lái)逐步掌握其設(shè)計(jì)的流程及方法。加權(quán)分量模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)工程中的基礎(chǔ)模塊，在設(shè)計(jì)完成加權(quán)分量模型系統(tǒng)之后，通過(guò)對(duì)模塊的封裝級(jí)聯(lián)來(lái)完成回波抵消系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中由于對(duì)DSPbuilder設(shè)計(jì)的不夠熟練，花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)模塊。</p><p>　　通過(guò)本次設(shè)計(jì)使我更加深入的理解了濾波器的原理及其特性。在設(shè)計(jì)之初對(duì)于濾波器概念模糊，不知道從

68、哪入手，怎么來(lái)設(shè)計(jì)模塊。通過(guò)大量的文獻(xiàn)閱讀后對(duì)其概念和特性有了初步的了解，通過(guò)親身設(shè)計(jì)模塊，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)理論知識(shí)的理解。特別是在建模開(kāi)始時(shí)，并沒(méi)有按照一個(gè)模塊一個(gè)模塊的進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)模塊時(shí)也沒(méi)有對(duì)照算法公式進(jìn)行，使自己的設(shè)計(jì)很混亂。如濾波器的估計(jì)輸出是一系列權(quán)值分量與輸入矢量的各分量乘積之和，加權(quán)矢量的各分量是基于上一次迭代權(quán)值及輸入矢量、誤差、步長(zhǎng)的乘積的和，開(kāi)始并沒(méi)有級(jí)聯(lián)的概念，只是對(duì)單一模塊進(jìn)行封裝就運(yùn)用到頂層設(shè)計(jì)中。</

69、p><p>　　在最終設(shè)計(jì)及調(diào)制后信號(hào)基本達(dá)到預(yù)期的效果，通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我受益頗豐，提高了自我學(xué)習(xí)的能力以及對(duì)新知識(shí)的獲取能力以及自身的動(dòng)手能力。本設(shè)計(jì)的最終完成了軟件系統(tǒng)級(jí)的仿真，在將來(lái)的學(xué)習(xí)中會(huì)注重這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，以尋求更好的解決方法。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]基于DSP Builder的回波抵

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