自适应谱线增强器和陷波器的设计
自适应谱线增强器和陷波器的设计
1 引言
自适应谱线增强器最早是Widrow等人与1975年在研究自适应噪声相消时提出来的,目的是将正弦波与宽带噪声分离出来,并提取正弦波信号。相反,如果正弦波信号是希望抑制的噪声或干扰,实现这一任务的的自适应滤波器称为陷波器。现在,自适应谱线增强器和陷波器已广泛的应用于瞬时频率估计,谱分析,窄带检测,语音编码,窄带干扰抑制,干扰检测,数字式数据接收机的自适应载体恢复的领域。
自适应陷波器是用来恢复淹没在背景噪声中的未知频率的正弦信号以及估计正弦信号的频率。在自适应陷波器的设计中,我们总是希望得到足够的尖截止特性,为了达到这个目的,自适应FIR滤波器通常需要很高的阶数,从而导致计算量很大,但是自适应IIR滤波器只用二阶就能得到最佳的近似。一个IIR陷波器是指在单位圆上,它的幅度响应在某一个特定值处为零,此值我们称为陷波频率,而它的幅度在单位圆上的其他点时几乎是连续不变的。我们利用陷波器的输入减去输出,便可以得到具有尖截至特性的带通滤波器,从而在有效减小背景干扰噪声的同时,恢复输入信号中的正弦信号。
考虑下面的观测信号
)()sin()()()(1nvnwAnvnsnxipiii (1)
式中Ai,wi,oi分别是第i个正弦波信号的幅值,频率和初始相位:v(n)为加性的宽带噪声,可以是有色的。
希望设计的滤波器,让含噪声的信号x(n)通过该滤波器后,输出中只含有P个正弦波信号s(n),而没有其他任何信号或噪声。由于P个正弦波信号的功率谱为P条离散的谱线,所以这种只抽取正弦波信号的滤波器称为谱线增强器。令H(w)是谱线增强器的传递函数,为了抽取P个正弦波,并拒绝所有其他信号和噪声,传递函数H(w)必须满足以下条件:
pwwwH.....,0,1)(0其他若 (2)
反之,若陷波器的传递函数
pwwwH.....1,0)(0其他若 (3)
则滤波器将抑制掉P个正弦波信号,并让v(n)完全通过,这种滤波器的作用相当一个正弦波的陷阱,故称为陷波器。
自适应谱线增强器或陷波器是一种自适应滤波器,其传递函数满足式(2)或式(3),事实上,自适应谱线增强器很容易由自适应陷波器实现,见图(1)。
图1 用自适应陷波器构成的自适应谱线增强器
如图,观测信号x(n)=s(n)+v(n)通过自适应陷波器,抑制掉正弦波信号,产生v(n)的最优估计v1(n),然后与观测信号相减,产生正弦波信号的估计s1(n)=s(n)+v(n)-v1(n)。如果陷波器是理想的,则v1(n)=v(n),从而使得s1(n)=s(n)。利用陷波器构造的自适应谱线增强器简称为陷波器型自适应谱线增强器。
2 基于IIR格型滤波器的自适应陷波器设计
基于自适应无线冲激响应(IIR)滤波器可以实现自适应陷波器和自适应谱线增强器,它是由Rao与Kung提出的,原理图如图1。
为了改进直接式IIR滤波器的缺陷,Cho等人提出在图1所示的谱线增强器中使用格型IIR陷波器代替直接式IIR陷波器实现陷波器传递函数,这种格型IIR滤波器的结构如图2所示,由两个格型滤波器级联而成。上方的格型滤波器H1(Z)的输入为x(n),输出为s0(n);而下方的格型滤波器H2(z)的输入为s0(n),输出为s2(n)。
可以看出图2上方的格型滤波器为IIR结构,而下方的格型滤波器为FIR结构,可以得出整个滤波器的传递函数为
211102111021)1(1)1(1)()()(zazaazkzkkZHZHZH (4)
可见,图2上方的格型滤波器H1(Z)贡献为整个格型滤波器的极点部分,相当于AR模型,而下方的格型滤波器H2(Z)则贡献为整个格型滤波器的零点部分,它是一个格型FIR滤波器。因此,整个格型滤波器具有无限多个冲激响应,为IIR格型滤波器。
又由于(4)式必须满足陷波器的条件,故有:
1211010)1()1(kakkaa (5)
有上式给出:
12101)1(kkkao (6)
式(5)和式(6)说明,权系数a0和a1由权系数k0和k1确定,由于 接近于1,因此,有一下近似关系式:
0011kaka (7)
这表明,只需要推导k0和k1的自适应更新公式即可。
由以上的推导即可得出格型FIR滤波器的LMS自适应算法:
)1()([21)1()()1()()1()()()()(22nrnsnDnDnrnsnCnCnDnCnkmmmmmmmmmmm
式中,m=0,1;遗忘因子0<<1;而sm(n)和rm(n)分别是图2下方的格型滤波器第m级的前向和后向残差。
3 Matlab仿真验证
为简单起见,设观测信号为x(n)=s(n)+v(n)=12sin(0.44n)+v(n),让此观测信号通过设计的陷波器H(Z),可以得出估计噪声v1,然后用观测信号x(n)减去估计噪声v1(n),就可以推出需要估计的信号s1(n),此即仿真谱线增强器的过程。
设计陷波器时采用基于IIR格型滤波器的自适应陷波器的设计,由上述思想所述,设计陷波器时,只需要确定二阶的FIR滤波器的系数k0,k1。这里运用LMS算法来自适应的调整k0,k1的系数,来调整滤波器的性能。图3为最后N时刻自适应得到的陷波器频率响应的仿真图:
00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-20-10010Normalized Frequency ( rad/sample)Phase (degrees)00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-1-0.500.5Normalized Frequency ( rad/sample)Magnitude (dB)
图3 陷波器的频率响应
可以看出:当信号通过陷波器后,其频率响应确实在信号频率点0.44处明显的被凹陷,而且凹陷的尖峰值接近与1,与预想的设计要求一致。可以通过调整遗忘因子来调整滤波器的性能,多次调试证明,至接近于1时滤波器滤波效能好,接近于0时效能较差。
用此陷波器构成普型增强器最后得到的输出估计信号s1(n)如图4:
010203040506070-15-10-5051015
输入信号u(n)滤波输出u1(n)
图4 信号输入与滤波器输出的信号估计
图4蓝线所绘为信号输入,红线所绘为经滤波器输出的估计信号,可以看出,二者的时域波形图基本一致,这说明所设计的自适应谱线增强器大体上估计出了输入信号,达到了设计目的。
4 小结
本文主要用Matlab语言实现了基于格型IIE滤波器的自适应陷波器算法,自适应算法部分用的是LMS算法,绘制出了所设计的陷波器的频率响应图,最后通过输入信号和输出信号在时域波形的一致型验证了自适应频谱增强器设计的正确性。从计算机仿真结果中可以看出:自适应陷波器可以用来降低背景干扰,增强信号,同时可以估计出信号的频率,而用陷波器构成的谱线增强器则能很好的从噪声环境中估计出输入信号。
基于FPGA的自适应谱线增强系统设计
基于FPGA的自适应谱线增强系统设计
李明阳;柏鹏
【摘 要】在此基于Altera公司的现场可编程门阵列(FPGA)芯片EP2C8F256C6,采用最小均方算法设计了自适应谱线增强(ALE)处理系统.以FPGA为处理核心,实现数据采样控制、数据延时控制、LMS核心算法和输出存储控制等.充分利用FPGA高速的数据处理能力和丰富的片内乘法器,设计了LMS算法的流水践结构,保证整个系统具有高的数据吞吐能力和处理速度.并且通过编写相应的VHDL程序在Quartus Ⅱ软件上进行仿真,仿真结果表明该设计可以快速、准确地实现自适应谱线增强.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2010(033)010
【总页数】4页(P118-121)
【关键词】自适应谱线增强;最小均方算法;现场可编程门阵列;流水线结构
【作 者】李明阳;柏鹏
【作者单位】空军工程大学,工程学院,陕西,西安,710038;空军工程大学,工程学院,陕西,西安,710038
【正文语种】中 文
【中图分类】TP368.1;TP274
0 引 言 在信号采集与处理中,常只关心具有较窄带宽和较强周期特征的信号,这时宽带噪声成为必须滤除的有害成分。信号的频谱携带着信源最本质的特征,但是实际采集的信号不可避免地受到宽带噪声或宽带干扰的影响,如何快速、高效地消除这些噪声和干扰,增强目标谱线在信号处理领域具有重要的意义。ALE利用窄带信号的周期性和宽带噪声的弱相关性,能够在信号特征未知的条件下自适应地将信号从噪声中提取出来,广泛应用于目标识别和特征提取中。FPGA因具有高度的设计灵活性、高速的数据处理能力、丰富的片内资源而在数字信号处理领域占用重要的地位。在此利用FPGA作为数字信号处理的核心部分。流水线结构和分布式算法即是充分利用FPGA高速处理能力,实现复杂数字信号处理算法的有效途径。ALE核心部分构造了利用LMS(Least Mean Square LMS)算法实现自适应谱线增强以及硬件实现的FPGA流水线结构。
基于 DSP Builder的自适应线谱增强器设计
基于 DSP Builder的自适应线谱增强器设计
李立伟;程锦房
【期刊名称】《计算机与数字工程》
【年(卷),期】2016(44)10
【摘 要】Enhancing the line spetrum of ship - radiated noise by adaptive
line enhancer is good to detect and extract line spectra .To solve the
problem that adaptive line enhancer implemented by FPGA through bttom
layer HDL coding has apoor development efficiency ,a model of adaptive
line enhancer is established by DSP Builder and files which can be used by
FP‐GAare generated automatically .Then the adaptive line enhancer is
simulated by the simulation model ,and the feasibility of the model is
validated .It is easy and simple to design adaptive line enhancer by using
this method .%采用自适应线谱增强器对舰船辐射噪声中的线谱进行增强,有助于实现对舰船辐射噪声中线谱成分的检测和提取。针对使用 VHDL 编写底层代码来实现自适应线谱增强器开发效率低等缺点,在 Simulink 中的 DSP Bulider 平台下,设计了自适应线谱增强器的模型,自动生成了符合 FPGA 要求的文件。并结合多种 EDA 工具,对模型进行仿真、验证,使设计更加灵活与简便,提高了工程应用的效率。
一种自适应增强谱线算法的优化设计与实现
第52卷第6期 2012年6月 电讯技术 Telecommunication Engineering V0J.52 No.6 Jtm.2012
文章编号:1001—893X(2012)06—0939—04
一种自适应增强谱线算法的优化设计与实现
徐成节
(中国西南电子技术研究所,成都610036)
摘要:自适应谱线增强(ALE)算法能够提高高动态、低信噪比信号的载波频率估计精度。针对实
际应用中该算法消耗硬件资源多、结构复杂、使用效率低等问题,提出了结合可编程逻辑门阵列(FP.
GA)优化的ALE算法结构方法,简化了ALE硬件电路。设计结果表明,改进ALE方法后,可实现信
噪比为0~20 dBHz、最大多普勒动态为800 Hz/s的测控信号载波频率准确估计。
关键词:测控通信;信号载波捕获;频率估计;自适应谱线增强;低信噪比;高动态
中图分类号:TN911.2 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1001—893x.2012.06.021
Optimization Design and Implementation of Adaptive Line Enhancers
XU Cheng-jie
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)
Abstract:The arithmetie of adaptive line enhalleers(ALE)can improve carrier frequency estimation accuracy of high dynamic signal with very low signal to noise ratio(SNR).However,the AI structure is complex,and hardware resource is extensively consumed.To solve above problems,an optimized methed is proposed based on large—scale field programmable gate array(FPGA),which simplifies ALE circuits.It is proved that by the im・ proved method,the carrier frequency of tracking telemetry and command(TF&C)signal Can be accurately esti・ mated under the condition of signal to noise power spectrum densi ̄ratio 0—。20 dBHz and dynamic doppler rate 800 Hz/s. Key words:TF&C;signal carrier capture;frequency estimation;AI正;low SNR;hJ gh dynamic
一种自适应增强谱线算法的优化设计与实现 2
一种自适应增强谱线算法的优化设计与实现
徐成节
【摘 要】自适应谱线增强(ALE)算法能够提高高动态、低信噪比信号的载波频率估计精度.针对实际应用中该算法消耗硬件资源多、结构复杂、使用效率低等问题,提出了结合可编程逻辑门阵列(FPGA)优化的ALE算法结构方法,简化了ALE硬件电路.设计结果表明,改进ALE方法后,可实现信噪比为0~20 dBHz、最大多普勒动态为800 Hz/s的测控信号载波频率准确估计.
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2012(052)006
【总页数】4页(P939-942)
【关键词】测控通信;信号载波捕获;频率估计;自适应谱线增强;低信噪比;高动态
【作 者】徐成节
【作者单位】中国西南电子技术研究所,成都610036
【正文语种】中 文
【中图分类】TN911.2
深空测控通信中,信号载波捕获是一个重要内容。由于目标距离远,地面站接收信号十分微弱,接收信噪比非常低,接收信号的动态非常大(主要指接收信号的多普勒频率变化率)。在工程中往往需要采用反映信号频率高阶变化的高阶窄带锁相环进行跟踪锁定,典型的应用是采用三阶锁相环跟踪频率斜升信号。考虑到信噪比极低,锁相环带宽必须设计得很窄,以保证环路输出信噪比,因此环路的捕获带也相应较窄,而三阶锁相环在窄带条件下,频率斜率也需要预先捕获,故在频率捕获阶段需要同时将频率和频率斜率捕获到一个较窄的范围内。传统的方法是采用基于快速傅里叶变换(FFT)的测频方法,但应用FFT测频时,往往需要信号频率在采样期间保持不变或者较小范围内变化,这和信号频率的高动态相矛盾,因此FFT等传统的测频方法在高动态信号频率估计中的应用有很大的局限性。
自适应谱线增强器(ALE)是一种具有自我调整和增强能力的自适应特殊滤波器,可根据输入信号和自适应谱线增强信号误差进行调整 ,从而实现信号噪声的自适应对消和信号增强滤波。在高动态低信噪比下使用ALE后再进行FFT频谱分析,能够解决高动态的多普勒要求FFT的分析带宽大、两者相互制约的矛盾。文中结合深空测控工程需求,进行了Matlab仿真,提出了一种适用于低信噪比、高动态的信号频率估计的改进ALE算法,从硬件设计、参数选择、数据处理、流水线结构处理等方面进行了设计分析,并在深空探测工程中得到了有效的应用。
基于免疫算法的自适应谱线增强器的设计
基于免疫算法的自适应谱线增强器的设计
杭海梅
【期刊名称】《内江科技》
【年(卷),期】2011(032)012
【摘 要】本文将免疫算法应用到LMS自适应滤波器的优化设计中,应用MATLAB软件对免疫算法在自适应谱线增强器中的应用进行了仿真研究,给出了算法中关键参数μ的优化结果,取得了较好的效果。
【总页数】1页(P102-102)
【作 者】杭海梅
【作者单位】苏州工业职业技术学院电子工程系
【正文语种】中 文
【中图分类】U666.15
【相关文献】
1.基于自适应谱线增强器预测的有源电力滤波器无差拍控制方法 [J], 周福举;郑建勇;张宸宇;邓凯;王嘉明;
2.基于自适应谱线增强器预测的有源电力滤波器无差拍控制方法 [J], 周福举;郑建勇;张宸宇;邓凯;王嘉明
3.基于FTF算法的自适应谱线增强器在罗兰-C信号处理中的应用 [J], 田维;华宇;高媛媛
4.基于串联动量滤波器的自适应谱线增强器 [J], 郭业才;韩迎鸽;饶伟;赵俊渭
5.基于相干累积算法的多级自适应谱线增强器 [J], 郭业才;韩迎鸽;赵俊渭;饶伟 因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买
(完整word版)50HZ自适应陷波器
一 课题意义的及要求
陷波器也叫带阻滤波器,能保证在其他频率信号不损失的情况下,有效地抑制输入信号中某一频率的干扰。由于我国采用的是50Hz的交流电,所以在平时需要对信号进行采集处理和分析时,经常会存在50Hz工频干扰,对于信号的处理造成很大的干扰,于是,很有必要设计50Hz的陷波器。采用自适应滤波组成的陷波器,与一般硬件组成的固定网络的陷波器比较,它既能自适应地准确跟踪干扰频率又容易控制带宽。
在本次设计中,应用自适应滤波器滤除输入随机信号中的50Hz工频干扰,并分析比较了不同算法在此设计中的优缺点,及在何种参数下效果最优和那一种机构更适合此设计。
二 自适应陷波器原理
自适应陷波器原理图
其原始输入为任意信号s(t)与t0cos单频干扰的叠加,经采样后送入kd端,kd=kd+)cos(0kt。参考输入分两路,其中一路经90向移,两路都经过采样后加到1x及2x端,它门分别是
)cos(0,1ktcxk
)sin(0,2ktcxk
所以,采用两个权可以使组合后的正弦波的振幅和相位都能加以调整,而两个权也意味着有两个自由度待调整。经过kkxw,1,1与kkxw,2,2相加得到ky,其相位和振
幅得到相应调整后可与原输入中的干扰分量相一致,使输出ke中的0频率的干扰得以抵消,达到陷波的目的。
三 结构及方法的选择
自适应滤波器的结构有横向滤波器和格型结构,用自适应横向滤波器实现陷波,比较简单且易于实现,而格型滤波器的计算复杂,不易于实际运用。故本设计中选择横向滤波器结构。
在算法选择方面,分别对LMS算法,RLS算法, 进行了仿真实验。比较了其优劣。
四 LMS 算法不同参数的实验结果分析
3.1带有50Hz工频干扰的随机信号及其功率谱图
3.2不同步长对输出结果的影响
下图依次是u =0.003,u =0.03 u =0. 3时的输出功率谱图
学位论文-—设计一个简单的陷波器
本科生毕业论文(设计)
题 目: 设计一个简单的陷波器
目录
前言.....................................................
1.滤波器基本内容介绍......................................
1.1滤波器的概念...........................................
1.2滤波器的分类...........................................
1.3陷波器与滤波器的关系...................................
2.陷波器的设计............................................
2.1陷波器的特性...........................................
2.2陷波器设计原理.........................................
2.3陷波器设计的实例......................................
2.5陷波器设计程序........................................
3.陷波器的仿真及性能分析.................................
结束语
参考文献
致谢
摘要
本文介绍了滤波器的基本概念,滤波器的种类,分析了各种常见滤波器的功能用途。并且指明了陷波器是一种特殊功用的带阻滤波器。另外,还分析了现有的几种常见的设计方案。选择借助 Z变换和零极点设计数字陷波器。
陷波器的设计,实质上是数学逼近理论的应用.通过计算让物理可实现的实际陷波器频率特性逼近理想的或给定的频率特性 ,以达到去除干扰提取有用信号的目的.借助z变换和零极点来设计陷波器就是利用离散时间系统z变换和对该系统中零点和极点的分析来进行设计陷波器。
陷波器
%陷波器的设计
%陷波器的传输函数为
% B(1/z) (z-exp(j*2*pi*f0))*(z-exp(-j*2*pi*f0))
%H(z) = -------- = --------------------------------------------
% A(1/z) (z-a*exp(j*2*pi*f0))*(z-a*exp(-j*2*pi*f0))
%其中f0为陷波器要滤除信号的频率,a为与陷波器深度相关的参数,a越大,深度越深。
%已知信号中存在3000Hz单频干扰;
%要求通过陷波器滤除3000Hz干扰信号
%参数设置:采样率Ts=0.0000625s,采样长度:8000
clf;clear;
%设置初值
f0=3000;
Ts=0.0000625;
fs=1/Ts;
NLen=8000;
n=0:NLen-1;
%陷波器的设计
apha=-2*cos(2*pi*f0*Ts);
beta=0.9543;
b=[1 apha 1];
a=[1 apha*beta beta^2];
figure(1);
freqz(b,a,NLen,fs);%陷波器特性显示
010002000300040005000600070008000-100-50050100Frequency (Hz)Phase (degrees)010002000300040005000600070008000-300-200-1000100Frequency (Hz)Magnitude (dB)
Figure1.陷波器特性显示
%Notch design
clf;clear;
f0=3000;
Ts=0.0000625;
apha=-2*cos(2*pi*f0*Ts);
beta=0.9543;
b=[1 apha 1];
a=[1 apha*beta beta^2];
陷波器设计
1
数字信号处理
课 程 设 计 报 告 书
题目 陷波器设计
I 课程设计任务书
班 级 电信111 姓 名 小丢
题 目 陷波器设计
技术参数、设计要求、 检测数据等 在信号采集时,往往受到50Hz电源频率干扰,分别用FIR和IIR滤波器设计方法设计实现一个50Hz陷波器,要求陷波器阻带在50Hz2Hz以内,给定采样频率400sfHz,
(1)设计一个50Hz的陷波器,给出原理框图,用多频信号(含有50Hz)作为输入,输出为滤去50Hz单频干扰之后的信号;
(2)要求设计FIR和IIR滤波器分别至少采用2种方案实现;
(3)分析比较各种方法所设计陷波器性能。
设计进度安排或工作计划 2014.7.1 ~2014.7.2: 熟悉课题,查询相关资料,完成方案选择。
2014.7.3~2014.7.6: 设计模块划分、实现及各模块调试、验证。
2014.7.7~2014.7.8: 设计整体实现、调试及验证,并开始撰写报告。
2014.7.9~2014.7.10: 设计完成,课程设计报告撰写并定稿,上交。
其
它 认真阅读数字信号处理课程设计报告撰写规范;课题小组经协商好要指定组长并明确分工,形成良好团队工作氛围;基于课题基本要求,各小组课再细化、增加要求;课题小组每成员均需各自撰写一份课程设计报告。
II 课题题目
摘 要
随着数字技术的发展,数字滤波器在许多领域得到广泛的应用。它是通信、语言、图像、自动控制、雷达、航空航天、生物医学信号处理等领域中的一种基本处理部件,具有稳定性好、精度高、灵活性大等突出优点。
在信号采集时,往往受到50Hz电源频率干扰,尤其是在供电系统不稳定、外界环境适应性差时严重影响要采集信号的正确判断。本设计研究一种在MATLAB语言环境下分别用IIR和FIR滤波器设计方法设计实现一个数字陷波器,并将设计的滤波器应用到混合的正弦信号,通过仿真测试,用两种方法设计的滤波器可以很好的消除50Hz的工频干扰,并分析比较了各种方法所设计的陷波器性能。
基于lms的自适应陷波器的设计与实现
基于lms的自适应陷波器的设计与实现
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