基于DSP Builder的子帶分解自適應(yīng)濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　(1)由于對信號的抽取，使完成自適應(yīng)濾波所需的計(jì)算量得以減少；

　　(2)在子帶進(jìn)行自適應(yīng)濾波使收斂性能有所提高。

　　l 基于子帶分解的自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)

　　基于子帶分解的自適應(yīng)濾波，其時域結(jié)構(gòu)如圖1所示。將輸入信號x(n)和參考信號d(n)分別進(jìn)行子帶分解，抽取，在子帶上進(jìn)行自適應(yīng)濾波，再將子帶上的估計(jì)信號y0(n)和y1(n)經(jīng)內(nèi)插和合成濾波器組得到最后的合成信號。其中濾波器W00(n)和W11(n)是兩個子帶上的自適應(yīng)濾波器，而W01(n)和W10(n)表示子帶間自適應(yīng)濾波器。這是由于濾波器組均是FIR濾波器，不可能有銳截止的理想特性，只能以長度為代價來換取近似的特性；這時在嚴(yán)格采樣下得到的子帶信號必然有混疊，需加入子帶間濾波以消除其影響。這里的子帶自適應(yīng)濾波器采用基于NLMS算法自適應(yīng)濾波器。NLMS算法和LMS算法相比。雖然計(jì)算量稍有增加，但可使得自適應(yīng)濾波器收斂速度大大提高。

　　2 雙通道濾波器組的設(shè)計(jì)

　　本文采用的分析和綜合濾波器之間的關(guān)系如下：

　　H1(z)=H0(-z)，G1(z)=-2H0(-z)，G0(z)=2H1(-z)。由上述表達(dá)式可知設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)H0(z)，只要H0(z)確定，H1(z)，G0(z)，G1(z)也可確定。本文采用等波紋逼近設(shè)計(jì)法進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)。該方法設(shè)計(jì)的濾波器呈現(xiàn)等波紋頻響特性。等波紋逼近設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的濾波器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)由于誤差均勻分布于整個頻帶，對固定的階數(shù)N，可以得到最優(yōu)良的濾波特性；

　　(2)通帶最平坦，阻帶最小衰減達(dá)到最大。

　　Matlab集成了一套強(qiáng)大的濾波器設(shè)計(jì)工具FDATOOL，可以完成多種濾波器的設(shè)計(jì)、分析和性能*估。本文中FPGA硬件實(shí)現(xiàn)部分用到的4個FIR濾波器的頻率特性曲線見圖2。

　　3 系統(tǒng)建模與仿真

　　DSP Builder是Altera公司推出的一個面向DSP開發(fā)的系統(tǒng)級工具，它是作為Matlab的一個Simulink工具箱(ToolBox)出現(xiàn)的。DSP Bui-lder作為Simulink中的一個工具箱，使得在使用FPGA設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)時完全可以通過Simulink的圖形化界面進(jìn)行，只需簡單地進(jìn)行DSP Builder工具箱中的模塊調(diào)用即可。

　　圖3中的基于子帶分解的自適應(yīng)濾波器模塊框圖系統(tǒng)由分析濾波器子系統(tǒng)h00，h01，h10，h11，綜合濾波器子系統(tǒng)g00，g01、抽取，插值，加法，減法器，自適應(yīng)濾波器等模塊組成。h00和h10是完全一模一樣的低通濾波器，h01和h11是完全一模一樣的高通濾波器。h00，h01，g00，g01的幅頻特性曲線見圖2。h00對應(yīng)圖2中的h0，h01對應(yīng)圖中的h1，g00對應(yīng)圖中的g0，g01對應(yīng)圖中的g1。Subysteml，Subyst-em2，Subystem3，Subystem4是自適應(yīng)濾波器。Subystem2，Subystem3自適應(yīng)濾波器的階數(shù)是Subysteml，Subystem4階數(shù)的1／20。期望信號由sine wavel模塊提供，輸入信號由Sine wave2和Random Bitstream疊加在一起的信號組成。系統(tǒng)所需的模塊都是直接調(diào)用DSP builder中的模塊。Subystem2是7階NLMS算法自適應(yīng)濾波器，其框圖見圖4。如果調(diào)高提高收斂速度，則可增加延遲模塊、自適應(yīng)子系統(tǒng)模塊，加法器模塊即可，但需消耗更多的硬件資源。

　　自適應(yīng)濾波器模塊主要由延遲單元，權(quán)值更新子系統(tǒng)、加法器模塊，乘法器模塊組成。它是將抽取過后的信號進(jìn)行自適應(yīng)濾波。

　　FIR濾波器的單位沖激響應(yīng)是有限長的，其z變換為。分析和綜合濾波器系統(tǒng)主要由延遲單元、加法器、加法器模塊組成。分析和綜合濾波器不可能有銳截止的理想特性，必須通過增加階數(shù)來逼近。分析濾波器子系統(tǒng)h00，h01，h10，h11，綜合濾波器子系統(tǒng)g00，g01均采用橫截型結(jié)構(gòu)。

　　權(quán)值更新子系統(tǒng)模塊主要由乘法器、除法器、加法器、延遲單元、總線類型轉(zhuǎn)換等模塊組成。該子系統(tǒng)主要完成濾波器的權(quán)值更新。w(k+1)=w(k)+μ／γ+xT(k)x(k)e(k)x(k)運(yùn)算和wi(k)xi(k)運(yùn)算。

　　4 仿真

　　Matlab的Simulink環(huán)境具有強(qiáng)大的圖形化仿真驗(yàn)證功能，用DSP Builder模塊設(shè)計(jì)好一個新的模型后，可以直接在Simulink中進(jìn)行算法級、系統(tǒng)級仿真驗(yàn)證。該設(shè)計(jì)的Simulink仿真如圖6所示，輸出信號含有毛刺，這說明輸出信號與期望信號還有一定的穩(wěn)態(tài)誤差?？梢酝ㄟ^增加濾波器的階數(shù)，或修改步長控制參數(shù)μ，以達(dá)到更好的效果。

　　運(yùn)行Signal complier可將通過Simulink的模塊文件(．mdl)轉(zhuǎn)換成通過的硬件描述語言VHDL文件；運(yùn)行Testbench(測試平臺)可將Sine wavel、Sinewavel+noise、Clock轉(zhuǎn)換成針對HDL仿真器ModelSim的測試文件。由圖7可知輸出信號Sine out逐漸趨于穩(wěn)定，逼近與期望信號sine wavel，因此設(shè)計(jì)結(jié)果滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)過程。

　　5 結(jié)語

　　本文只是從硬件的角度出發(fā)設(shè)計(jì)兩個子帶自適應(yīng)濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)。由于分解濾波器組的非理想特性，有必要采取子帶間濾波，子帶間的濾波可大大提高收斂速度。子帶自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)和研究過程是比較復(fù)雜的，這里就主要的設(shè)計(jì)研究思想做了一個闡述，鑒于設(shè)計(jì)中的自適應(yīng)濾波器的階數(shù)選取相對較小，因而對自適應(yīng)濾波器的穩(wěn)態(tài)誤差有一定的影響，通過增加自適應(yīng)濾波器的階數(shù)，分析和綜合濾波器的階數(shù)、數(shù)據(jù)的位數(shù)來提高精度。