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

前言
由空氣動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)超音速運(yùn)動(dòng)的物體，由于運(yùn)動(dòng)速度大于局部聲速時(shí)會(huì)產(chǎn)生激波，彈道聲波是超聲速?gòu)椡栾w行時(shí)沖擊空氣分子所形成的激波（ Shock waves）。采用激波原理進(jìn)行報(bào)靶是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，它利用激波信號(hào)進(jìn)行超音速飛行體探測(cè)，是一種新的目標(biāo)探測(cè)方法。本文研究對(duì)象為移動(dòng)靶車(chē)，該遙控自動(dòng)裝置自帶電源和動(dòng)力裝置，能在 25Km/h內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速，但是，由于其工作環(huán)境比較惡劣，自身振動(dòng)、風(fēng)吹、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的巨大干擾，嚴(yán)重影響了自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的報(bào)靶精度。為了適應(yīng)現(xiàn)代化部隊(duì)訓(xùn)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(lái)實(shí)現(xiàn) LMS自適應(yīng)濾波器，完成對(duì)強(qiáng)背景噪聲環(huán)境下激波信號(hào)的濾波，在滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理前提下，以提高報(bào)靶系統(tǒng)的報(bào)靶精度。
1 問(wèn)題的提出及方案選取
本設(shè)計(jì)起初設(shè)計(jì)電路采用的模擬高通濾器，后來(lái)又設(shè)計(jì)成帶通濾波器，然而通過(guò)實(shí)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(hào)處理器件用軟件設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，其數(shù)據(jù)吞吐率、處理速度和實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)不如基于 FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器，因?yàn)?，基?FPGA的數(shù)字濾器代表了未來(lái)數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展方向，用戶可以很方便
吳學(xué)禮：博士生導(dǎo)師。基金項(xiàng)目：總參軍訓(xùn)和兵種部項(xiàng)目
的結(jié)合實(shí)際需要設(shè)計(jì)出自己的可編程數(shù)字信號(hào)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(hào)處理領(lǐng)域。
自適應(yīng)濾波器的常用實(shí)現(xiàn)形式有 FIR和IIR兩種，而 FIR濾波器是實(shí)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(diǎn)，因此它沒(méi)有 IIR因兼有可調(diào)的零點(diǎn)和極點(diǎn)而帶來(lái)的不穩(wěn)定問(wèn)題，此外，LMS計(jì)算量小，易于硬件實(shí)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(jì)結(jié)構(gòu)
本文所涉及的激波信號(hào)處理部分的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示，由信號(hào)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(hào)被超聲波傳感器捕獲以后，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)理送到 AD轉(zhuǎn)換器件，本設(shè)計(jì)采用 MAX197AD轉(zhuǎn)換器件，由 FPGA設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)對(duì)其控制，進(jìn)行 AD轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)入基于 FPGA設(shè)計(jì)的自適應(yīng)濾波器中濾波，最后再進(jìn)行 DA轉(zhuǎn)換傳輸?shù)胶罄m(xù)處理電路，由于本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)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(jì)
LMS算法是以期望響應(yīng)和濾波器輸出信號(hào)之間的均方值為準(zhǔn)則，依據(jù)輸入信號(hào)在迭代過(guò)程中估計(jì)梯度矢量，并更新權(quán)值系數(shù)以達(dá)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(jī)梯度的最速下降法。根據(jù) LMS算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，在 FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以分為主要的幾個(gè)模塊：FIR濾波器模塊、誤差計(jì)算模塊、權(quán)值存儲(chǔ)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(jì)中采用 VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，根據(jù) MAX197的轉(zhuǎn)換要求，其輸出為 12位寬度的數(shù)字信號(hào)，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(shí)鐘，firen為 FIR濾波器使能，suben為誤差計(jì)算模塊使能，cuncuen為權(quán)值存儲(chǔ)模塊使能，coffen為權(quán)值更新模塊使能，都為高電平有效。