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

4 自適應(yīng)濾波器的 FPGA實(shí)現(xiàn)
4.1 N階 FIR濾波器模塊的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省 FPGA的內(nèi)部資源，提高利用效率，此處采用串行乘加的方法實(shí)現(xiàn)。 FIR濾波器模塊實(shí)現(xiàn) 16階的 FIR濾波，輸入量主要包括 AD轉(zhuǎn)換后的激波信號(hào)數(shù)據(jù)的輸入和權(quán)值系數(shù)的輸入，xin是 AD轉(zhuǎn)換后的輸出信號(hào)，為 12位字寬，其中 1位符號(hào)位，10位精度位，將此信號(hào)存儲(chǔ)在深度為 N的 RAM中作為 16階 FIR濾波器的輸入；FIR的權(quán)系數(shù) win存儲(chǔ)在另外一個(gè) RAM中，字寬 16位，其中最高位為符號(hào)位。通過(guò)控制模塊輸出地址信號(hào)控制讀各個(gè)存儲(chǔ)模塊的讀寫動(dòng)作，此處的乘法器為 28位有符號(hào)數(shù)的乘法器，加法器完成累加任務(wù)，當(dāng) 16階乘法以及累加運(yùn)算做完后，由控制模塊輸出 youten信號(hào)，對(duì)鎖存的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效截取，然后輸出。其實(shí)現(xiàn)的框圖如圖 3所示。在該設(shè)計(jì)中，采用 VHDL語(yǔ)言編程完成，生成對(duì)應(yīng)的頂層原理符號(hào)，然后按設(shè)計(jì)方案把它們連接成頂層原理圖。

4.2控制模塊本模塊主要是控制從激波數(shù)據(jù)輸入模塊和權(quán)系數(shù)輸入模塊讀取數(shù)據(jù)輸入信號(hào)和權(quán)系數(shù)到乘法器的輸入端，同時(shí)還控制累加器完成累加任務(wù)，然后產(chǎn)生一個(gè)使能信號(hào)，對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行截取操作，然后輸出到下一級(jí)模塊中。本模塊為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它主要完成：初始化各個(gè)模塊；根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生各個(gè)模塊的控制信號(hào)，控制每個(gè)單元完成特定的工作；采用整體流水線和局部流水線的方式，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊工作，從而提高整個(gè)濾波系統(tǒng)的整體性能。
4.3計(jì)算模塊

本模塊包括：誤差計(jì)算模塊和權(quán)值計(jì)算模塊。誤差模塊實(shí)際就是一個(gè)減法器，主要計(jì)算 FIR濾波器輸出和期望值之間的誤差，然后，在控制模塊的作用下，當(dāng)誤差滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，便使能其輸出，得到最終的輸出結(jié)果。在權(quán)值計(jì)算模塊中，綜合考慮收斂性和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，設(shè)定 u=1/4092，即 u=10H，這樣只需對(duì)誤差計(jì)算模塊的誤差輸出進(jìn)行移位運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)，省掉了乘法器的使用，節(jié)省了 FPGA資源，提高了計(jì)算速度，另外，在計(jì)算 2ue(k)x(k)時(shí)，可以在 e(k)與 x(k)相乘后直接右移 12位，即可得出權(quán)值變量。
5 自適應(yīng)濾波器的仿真與校驗(yàn)
在 Quartus II6.0綜合環(huán)境下，首先對(duì)輸入設(shè)計(jì)文件（ .vhd、.bdf）進(jìn)行編譯（包括建庫(kù)、
邏輯綜合、器件適配、仿真數(shù)據(jù)截取等），系統(tǒng)自動(dòng)編譯完成后自動(dòng)生成 .pof文件，然后通過(guò) JTAG下載電纜把 .pof文件下載到 FPGA器件中即可。本設(shè)計(jì)選用 CycloneII系列的 EP2C8Q208C8芯片，系統(tǒng)時(shí)鐘為 20MHz，輸入信號(hào)、參考輸入和濾波器輸出都是 12位，考慮到 FPGA還要實(shí)現(xiàn)其它功能，因此在進(jìn)行系統(tǒng)的芯片選型時(shí)，留有較大的冗余量。實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)試電路板從計(jì)算機(jī)中讀取輸入數(shù)據(jù)到 FPGA中，然后經(jīng)過(guò) FPGA處理后，將處理的數(shù)據(jù)送回計(jì)算機(jī)中。
仿真時(shí)，設(shè)期望信號(hào)為 900，輸入信號(hào)為 500，實(shí)際輸出為 895，誤差為 5，在 63.2us處收斂到穩(wěn)定狀態(tài)。其時(shí)序仿真波形如圖 4所示。