DSP 自适应滤波器与系统辨识实验

实验6: 自适应滤波器与系统辨识实验一．实验目的1．熟悉自适应滤波器的基本概念，掌握LMS 算法的基本原理。

2．掌握LMS 算法的DSP 实现方法。

3. 熟悉自适应方法进行系统辨识的原理和方法。

4. 学习采用虚拟仪器记录、分析信号的方法。

二．实验设备PC 兼容机一台，操作系统为Windows2000，安装Code Composer Studio 4.2软件。

C55x DSP 实验箱。

三．实验原理1．自适应滤波器的基本概念和LMS 算法 基于LMS 算法的自适应滤波器结构见下图。

其中，)(n x 、)(n d 分别称为滤波器的输入信号（或参考输入信号，或参考信号）和期望信号，)(n e 称为滤波器的误差信号，()y n 称为滤波器的控制输出信号或输出信号。

W(z)称为控制滤波器或主滤波器，)(n w i 为控制滤波器的权值系数，0,1......1l L =-，L 为滤波器阶数。

定义滤波器输入信号向量和滤波器系数向量分别为[]()()(1)....(1)Tn x n x n x n L =--+X （1-1）[]011()()()....()TL n w n w n w n -=W （1-2）于是，滤波器输出信号可表达为()()()()()T T y n n n n n ==w x x w （1-3a ）或∑=-=Ll l l n x n w n y 0)()()( （1-3b ）误差信号可表达为()()()()()()T e n d n y n d n n n =-=-w x （1-4）自适应滤波器的目的是以迭代的方式逐步调整滤波器系数)(n w l ，使误差信号)(n e 的能量（或幅度）不断减小，趋近最优值。

在LMS 算法中，定义2()()n e n ξ=为性能函数，采用梯度法进行寻优，由此可导出滤波器系数更新公式：(1)()()()n n e n n μ+=+w w x （1-5）其中μ为收敛因子。

μ的取值要合适，太小收敛速度过慢，太大则会导致系统会不稳定。

2．自适应系统辨识的基本原理基于LMS 算法的自适应系统辨识原理见下图，其中)(G z 为待辨识的系统。

白噪声信号发生器发出的辨识噪声)(n u 一方面注入待辨识系统)(G z ，一方面作为自适应滤波器的参考输入信号。

算法收敛后，自适应滤波器的系数)(n w 就可取为待辨识系统)(G z 的冲击响应g 。

3. 本实验的硬件结构辨识系统结构见下图。

其中，白噪声信号)(n u 由VC5509A 内部产生，经AIC23B 的一路DAC 输出，注入图中所示某未知电路模块；该未知电路模块的输出信号作为AIC23B 的一路输入信号，经ADC 得到)(n d 。

同时，)(n u 、)(n d 分别作为自适应滤波器的参考输入信号和期望输入信号。

自适应滤波器所涉及的计算由VC5509A 完成。

该系统所得辨识结果为从信号)(n u 开始到)(n d 之间所包括的所有子系统，除了未知电路模块外，还包括所用到的AIC23B 的DAC 和ADC 部分。

4．实验源程序（1）lab6.c 为主程序，首先完成系统初始化、变量初始化，然后通过查询定时器中断服务程序实现采样时间控制，在每一个采样时间内调用一次自适应系统辨识模块，完成一次自适应滤波，当滤波次数达到规定次数时停止辨识，并进入循环等待状态。

（2）process.c 为自适应系统辨识模块。

每次自适应系统辨识过程中完成的操作：1）产生一个白噪声数据，一方面作为主滤波器的参考输入x(n)，一方面由JP5的引脚LOUT0输出至被辨识系统的输入端口；2）从JP5引脚LIN0读入来自被辨识系统的输出端口的信号，作为主滤波器的期望信号d(n)；3）主滤波器采用当前系数w (n)，对参考输入信号进行FIR 滤波，得到控制输出信号y(n)；4）将期望信号与控制输出信号相减得到误差信号e(n)，误差信号由JP5的引脚LOUT1输出，以便采用虚拟信号分析仪记录误差信号、观察自适应滤波的过程；5）采用LMS 算法对主滤波器进行系数更新。

（3）lab5.cmd 为命令文件。

（4）其它模块还有：sdram_init.c ，aic23.c ，i2c.c ，util.c ，vectors.asm 。

（5）有关头文件：5509.h ，c55xxdefs.h ，util.h 。

四．实验步骤1． 预习： （1）认真阅读本实验指导书第三部分，熟悉自适应滤波和自适应辨识的基本原理和方法。

（2）认真阅读本实验指导书第七部分，理解主程序和process.c 模块，以及所涉及的相关模块及其作用。

2. 实验准备： 双击桌面图标，启动Code Composer Studio ，选择工作目录。

3．建立工程lab6。

4. 向工程lab6中加载文件：lab6.c ，lab5.cmd ，sdram_init.c ，aic23.c ，i2c.c ，util.c ，vectors.asm ，5509.h ，c55xxdefs.h ，util.h 。

5．建立配置文件xml （选择VC5509A Emulater 模式，仿真器选择XDS100V2）。

6. 使用导线连接JP5的引脚LOUT0与LIN0，将虚拟仪器的信号输入端接JP5的引脚LOUT1。

7．编译、链接工程，下载程序。

打开虚拟仪器记录窗口开始记录波形。

8. 运行程序，数秒钟后停止执行程序，停止虚拟仪器记录。

1）采用CCS观察波形。

打开图形观察窗口，观察滤波器系数波形，观察相关信号。

2）观察虚拟仪器所记录的误差信号波形。

9. 修改相关参数（滤波器长度、收敛步长、辨识次数等），重复上述第7、8步操作，直至得到误差信号与期望输入信号（或控制输出信号）相比足够小时，取主滤波器系数作为辨识结果。

10．退出CCS。

五．实验结果六．思考题（1）本实验的辨识的系统包括哪些环节？（2）选做：用导线将使VC5509A板上JP5-LOUT0引脚连接至实验箱上的功率放大器和扬声器，将麦克连接至实验箱上信号调理板的Mic信号输入端，再将信号调理板的信号输出端连接至VC5509A板上JP5-LIN0引脚，重复实验。

此时所辨识的系统包括哪些环节？此时得到的系统冲击响应与原实验相比有什么特点？七．附录（1）主程序/* 本实验使用vc5509A板右上角的JP5接线排座.* 从左边起，JP5的引脚分别是AIC23B0的LLINE（标记为LIN0）、RLINE（标记为RIN0）、NC、* LOUT（标记为LOUT0）、ROUT （标记为ROUT0）*/#include "5509.h"#include "util.h"#include "math.h"/*********************************************************************************/int timer_flag; //用户自定义定时器中断标志.在定时器isr中改变，在主程序中查询、复位int N_iden; //辨识次数int n_iden; //辨识进程计数器，该值等于N_iden时结束辨识过程.float WhiteNoise; //白噪声信号当前值float ErrorSignal; //误差噪声信号当前值float DesiredSignal;//期望信号当前值float w[L],x[L]; //主滤波器系数向量和当前参考输入信号向量.L为主滤波器阶数,在util.h中定义和修改float d[L],e[L],y[L]; //期望、误差、控制输出等信号向量.用于调试程序时观察信号波形.void INTR_init(); //中断初始化模块void TIMER_init(); //定时器初始化子程序void wait(unsigned int cycles); //时延子程序int i;float Mu=0.05; //自适应滤波器的收敛因子，在信号处理模块process.c中使用float alpha; //=Mu*e(n)，在信号处理模块process.c中使用void main(){/*---------------------------系统部件初始化---------------------------------------- */PLL_Init(144); //调用锁相环初始化子程序,使CPU时钟频率为144MHz.该模块代码定义在util.c中.wait(29); //调用时延子程序，使CPU时延29个周期. 该模块代码定义在main函数后SDRAM_init(); //调用SDRAM初始化子程序. 该模块代码定义在sdram_init.c中AIC23_Init(); //调用AIC23初始化子程序. 该模块代码定义在aic23.c中INTR_init(); //调用中断初始化子程序.该模块代码定义在main函数后TIMER_init(); //调用定时器初始化子程序.该模块代码定义在main函数后/*---------------------------变量初始化---------------------------------------- */for(i=0;i<L;i++){w[i]=0.0; //初始化主滤波器系数向量x[i]=0.0; //初始化参考输入信号向量d[i]=0.0;e[i]=0.0;y[i]=0.0;}ErrorSignal=0;DesiredSignal=0;timer_flag=0;n_iden=0;N_iden=16000;/*---------------------------辨识过程主循环------------------------------------ */while(n_iden<N_iden){if(timer_flag==1) //在主程序中清timer_flag为0，在定时器isr中置timer_flag为1.{ //如果timer_flag为0则继续查询，若为1则调用LMS_Filter进行一次辨识过程timer_flag=0;LMS_Filter();n_iden++;}}/*---------------------------辨识过程结束后进入等待--------------------------------- */while (1){}}/*****************************/void interrupt Timer(){timer_flag=1;}/******************************/void wait(unsigned int cycles){int i;for ( i = 0 ; i < cycles ; i++ ){}}void INTR_init( void ){PC55XX_MMR pMMR = (PC55XX_MMR)C55XX_MMR_ADDR;Write(pMMR->ivpd,0xd0);Write(pMMR->ivph,0xd0);Write(pMMR->ier0,0x10);Write(pMMR->dbier0,0x10);Write(pMMR->ifr0,0xffff);asm(" BCLR INTM");}void TIMER_init(void){PC55XX_TIMER pTIMER = (PC55XX_TIMER)C55XX_TIM0_ADDR;//4KWrite(pTIMER->tim,0); // Timer registerWrite(pTIMER->prd,0x8CA0); // Timer period registerWrite(pTIMER->tcr,0x00E0); // Timer control registerWrite(pTIMER->prsc,0); // Timer prescaler register}}（2）自适应辨识子程序#include "5509.h"#include "util.h"#include "extaddr.h"#include "math.h"extern float ErrorSignal;extern float DesiredSignal;extern float WhiteNoise;extern float Pu,Mu,alpha;extern float w[L],x[L];extern float d[L],e[L],y[L];void LMS_Filter(){int i;int outputTemp,inputTemp;PC55XX_MCSP pMCBSP0 = (PC55XX_MCSP)C55XX_MSP0_ADDR;while (!ReadMask(pMCBSP0 -> spcr2, SPCR2_XRDY)); // 等待McBSP0准备好/* ------------------------------获得期望信号-----------------------------------*/inputTemp = Read(pMCBSP0->ddr1); //读取来McBSP0的数据，该数据为经由AIC23采集的被辨识系统的输出信号inputTemp = Read(pMCBSP0->ddr2);DesiredSignal=(float)inputTemp;/* ----------------------生成辨识白噪声信号，并输出-----------------------------------*/WhiteNoise=rand()-0x4000; //产生辨识白噪声信号，浮点数outputTemp=(int)WhiteNoise; //转化为整数Write(pMCBSP0->dxr1,outputTemp); //将数据送到McBSP0,经由AIC23转换成模拟信号输出,作为被辨识系统的输入信号Write(pMCBSP0->dxr2,outputTemp);/* ------------------------更新参考输入信号向量-----------------------------------*/for(i=L-1;i>0;i--){x[i]=x[i-1];}x[0]=WhiteNoise/32768;/* ------------------------更新期望输入信号向量-----------------------------------*/for(i=L-1;i>0;i--){d[i]=d[i-1];}d[0]=DesiredSignal/32768;/* --------------------计算主滤波器的输出-----------------------------------------*/y[0]=0.0;for(i=0;i<L;i++){y[0]=y[0]+w[i]*x[i];}/* ------------------------更新误差信号向量-----------------------------------*/for(i=L-1;i>0;i--){e[i]=e[i-1];}/* ------------------------计算误差信号-----------------------------------------*/e[0]=d[0]-y[0];/* ------------------------更新主滤波器系数--------------------------------------*/alpha=Mu*e[0];for(i=0;i<L;i++){w[i]=w[i]+alpha*x[i];} }。