用DSP快速實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波器算法

1、用DSP快速實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波器算法王永杰(桂林工學(xué)院廣西桂林541004)摘要:自適應(yīng)濾波器可對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的濾波效果。簡(jiǎn)要介紹了自適應(yīng)濾波器LMS算法,并結(jié)合TI公司的C54XDSP特點(diǎn)闡述了算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,以及在編程中對(duì)程序代碼的優(yōu)化。通過(guò)對(duì)一段音頻信號(hào)的仿真實(shí)驗(yàn)證明:對(duì)自適應(yīng)濾波器算法的代碼優(yōu)化使得濾波器的整體濾波效率有了很大的提高。關(guān)鍵詞:自適應(yīng)濾波器;LMS算法;DSP;程序代碼優(yōu)化中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1004373X()ImplementationofProcessor,Guilin,541004,China)Keywords:adaptivefilter;

2、LMSalgorithm;DigitalSignalProcessor;optimizingtheprogramcode1引言在數(shù)字信號(hào)處理中,濾波技術(shù)占有極其重要的地位。數(shù)字濾波與模擬濾波相比,具有許多優(yōu)點(diǎn),如:可以滿足濾波器對(duì)幅度和相位特性的嚴(yán)格要求,可以避免模擬濾波器無(wú)法克服的電壓漂移,溫度漂移和噪聲等問(wèn)題。但在一些數(shù)字信號(hào)處理場(chǎng)合,無(wú)法預(yù)知信號(hào)和噪聲的特性,因此就無(wú)法使用具有固定濾波器系數(shù)的濾波器來(lái)對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。因此需要一種具有跟蹤信號(hào)和噪聲變化,并且能使得濾波器的動(dòng)態(tài)特性隨著信號(hào)和噪聲的變化而變化的濾波器,以達(dá)到最優(yōu)濾波效果。眾所周知,DSP芯片在實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波上具有穩(wěn)定性好、精

3、確度高、不n時(shí)刻濾波器的估計(jì)值,而c(n)的估計(jì)值則由v(n)和h(n;k)惟一決定,即:Mc(n)=k=0h(n;k)v(n-k)圖1自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)框圖自適應(yīng)算法的目的是調(diào)整濾波器的系數(shù)h(n;k),然后按照某種準(zhǔn)則再來(lái)判斷誤差信號(hào)e(n)是否達(dá)到最小。在這一過(guò)程中,常用的判別準(zhǔn)則有最小均方值(LMS)和遞歸最小平方(RLS)算法,這里是以最小均方值(LMS)算法進(jìn)行推導(dǎo)的:M受環(huán)境影響、靈活性好等特點(diǎn)。因此選擇了DSP芯片來(lái)完成自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)并對(duì)編程過(guò)程進(jìn)行了代碼優(yōu)化,以提高濾波器的效率。2自適應(yīng)濾波器算法的引入自適應(yīng)濾波器算法的特性變化是由自適應(yīng)算法通過(guò)調(diào)整濾波器系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和完成的

4、。一般自適應(yīng)濾波器由兩部分組成,一是濾波器的結(jié)構(gòu),二是調(diào)整濾波器系數(shù)的自適應(yīng)算法。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中,x(n)為輸入值,v(n)為參考信號(hào),h(n;k)表示收稿日期:20060630e(n)=x(n)-c(n)=x(n)-k=0h(n;k)v(n-k)h(n+1;k)=h(n;k)+2e(n)v(n-k)(k=0,1,2,3,M)由上述可知,LMS自適應(yīng)算法實(shí)際上是一種遞歸運(yùn)算,因此,就不需要對(duì)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性有先驗(yàn)知識(shí),只需要使用他的瞬態(tài)估計(jì)值即可。在這里,通過(guò)運(yùn)算得到的值只是濾波系數(shù)的估計(jì)值,隨著時(shí)間的變化,濾波系數(shù)也將會(huì)逐步被調(diào)整,這個(gè)估計(jì)值也將逐步改善,最終達(dá)到收斂,其74收斂條

5、件是:0<<1/max式實(shí)現(xiàn)兩累加和的運(yùn)算。RPTZA,#FILTSIZEMAC3COFFP+0%,3DATAP+0%,A上式中,max是輸入信號(hào)x(n)協(xié)方差矩陣的本征值。3基于DSP的自適應(yīng)濾波算法的快速實(shí)現(xiàn)為了提高算法的處理速度及減小系統(tǒng)的硬件規(guī)模,在實(shí)現(xiàn)濾波器算法時(shí),采用了TI公司的TMS320C54X芯片作為核心芯片。因?yàn)槠渚哂懈叨炔⑿行?同時(shí)具有高度專業(yè)化的指令系統(tǒng),可以簡(jiǎn)化編程過(guò)程;模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)程序的可移植性。芯片自身具有的這些優(yōu)點(diǎn),加上在實(shí)現(xiàn)算法時(shí)對(duì)編碼的優(yōu)化,就可使系統(tǒng)的效率得到提高。一個(gè)具體的LMS自適應(yīng)濾波算法的實(shí)現(xiàn),一般由以下幾步構(gòu)成:(1)設(shè)

6、置初始濾波系數(shù)h(0;k)h(0;k)可設(shè)置為任意值,0其中,RPTZ指令將累加器清零初始化,并將立即數(shù)N-1(16位)裝入到重復(fù)計(jì)數(shù)器,使下一條指令重復(fù)執(zhí)行N次。MAC指令實(shí)現(xiàn)將兩存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)的乘積累加到累加器,再使存儲(chǔ)區(qū)指針以循環(huán)尋址的方式指向下一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。在這里,FILTSIZE,COFF系數(shù)緩沖區(qū)指針。為了提高算法的效率,DSP中提供的并行指,這使兩個(gè)周期內(nèi)完成。在LMS,ST|MPY和,P,DATAP分別表示自適應(yīng)濾波器抽頭數(shù),自適應(yīng)濾波器系數(shù)緩沖區(qū)指針和輸入樣值LMS算法僅僅用以下幾條語(yǔ)句就可實(shí)現(xiàn):STA,3COFFP+|MPY3DATAP+0%,ALMS3COFFP,3DATA適的

7、參數(shù)隨時(shí)間n(2)c(n)=k=0h(n;k)v(n-Pk)其中,LMS指令在實(shí)現(xiàn)MAC指令功能的同時(shí),實(shí)現(xiàn)一個(gè)帶四舍五入的加法。而將LMS,ST|MPY和RPTB這3條指令合用可以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算當(dāng)前自適應(yīng)濾波器輸出的同時(shí),更新濾波器的系數(shù)。我們將所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)濾波器算法的DSP快速實(shí)現(xiàn)程序,運(yùn)用到對(duì)音頻信號(hào)的處理過(guò)程。在對(duì)音頻信號(hào)處理當(dāng)中采用的是帶有512抽頭的LMS算法的自適應(yīng)濾波器,系統(tǒng)的采樣頻率為50kHz。對(duì)于一個(gè)數(shù)字濾波器來(lái)說(shuō),通常需要對(duì)每個(gè)輸入樣點(diǎn)進(jìn)行一次計(jì)算,一個(gè)普通LMS算法的DSP程序?qū)崿F(xiàn),通常每個(gè)抽頭的計(jì)算時(shí)間需要3個(gè)MAC周期。而在實(shí)現(xiàn)LMS算法時(shí),由于采用了單周期乘/累加

8、指令MAC、循環(huán)尋址方式和數(shù)據(jù)的塊存儲(chǔ)形式,這樣就使得濾波器每個(gè)濾波樣值的計(jì)算可以在1個(gè)MAC內(nèi)完成,這就大大提高了程序的執(zhí)行速度,減少了信號(hào)處理的時(shí)間。同時(shí),由于在程序中充分利用了DSP所具有的指令執(zhí)行的并行性特點(diǎn),使得程序可以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算當(dāng)前自適應(yīng)濾波器輸出的同時(shí),又更新濾波器的系數(shù)。這比利用循環(huán)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的操作簡(jiǎn)單而且高效。驗(yàn)證結(jié)果表明:對(duì)自適應(yīng)濾波器算法的代碼優(yōu)化,是可行而且高效的。4結(jié)語(yǔ)(3)計(jì)算估計(jì)誤差e(n)=x(n)-c(n)(4)更新濾波器系數(shù)h(n+1;k)=h(n;k)+2e(n)v(n-k)(5)循環(huán)返回(2)從上述的算法實(shí)現(xiàn)步驟不難看出,LMS算法對(duì)每一次新的輸入和

9、輸出采樣只需要做大約2(M+1)次乘/加運(yùn)算。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單并易于實(shí)現(xiàn),在許多實(shí)時(shí)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。利用TMS320C54X實(shí)現(xiàn)LMS自適應(yīng)算法時(shí),存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的存放形式對(duì)DSP指令的有效運(yùn)用有著特殊的意義。合理的存放形式,可使算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)更加快速和高效。為了實(shí)現(xiàn)算法中輸入樣值x(n)和濾波器系數(shù)h(n)的對(duì)應(yīng)項(xiàng)相乘,他們?cè)诖鎯?chǔ)器中的存放形式如圖2所示。圖2TMS320C54X自適應(yīng)濾波器的存儲(chǔ)器組織在編程過(guò)程中,為了充分發(fā)揮DSP芯片的自身優(yōu)點(diǎn)和他在實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì),我們對(duì)自適應(yīng)濾波器算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了代碼優(yōu)化。并通過(guò)對(duì)實(shí)際音頻信號(hào)的處理驗(yàn)證了這種代碼優(yōu)化的可行性和高效性。同時(shí)這樣的代

10、碼優(yōu)化也增強(qiáng)了自適應(yīng)濾波器算法的實(shí)時(shí)性和可移植性。這為今后的工作打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),也給以后的應(yīng)用提供了一種很好的借鑒。(下轉(zhuǎn)第78頁(yè))在TMS320C54X的指令系統(tǒng)中,單周期乘/累加指令MAC和循環(huán)尋址方式可使濾波器每個(gè)樣值的計(jì)算在一個(gè)周期內(nèi)完成。在實(shí)現(xiàn)LMS自適應(yīng)算法時(shí),由于要采用循環(huán)尋址的方式,而且要計(jì)算兩數(shù)組對(duì)應(yīng)項(xiàng)乘積的累加和。因此,采用DSP指令中的RPTZ和MAC結(jié)合循環(huán)尋址方754基帶發(fā)送端的仿真結(jié)果該設(shè)計(jì)在Quartus510環(huán)境下,設(shè)計(jì)語(yǔ)言使用VHDL。使用FPGA芯片ALTERACycloneEp1c60240c8且對(duì)于基帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波更為方便。選擇的成形濾波器是升余

11、弦滾降濾波器,采用分布式算法在時(shí)域上直接進(jìn)行脈沖成形,用FPGA完成所有功能。完成測(cè)試與仿真。圖7為功能仿真圖。圖5卷積交織的實(shí)現(xiàn)框圖圖7主要參數(shù):滾降系數(shù)a=0135,濾波器沖激響應(yīng)波形的截短長(zhǎng)度L=4,濾波器系數(shù)的量化字長(zhǎng)Q=14,濾波器的抽樣點(diǎn)數(shù)M=8。制補(bǔ)碼形式。如圖6可知FP器、計(jì)數(shù)器和ROM。應(yīng)用于微波通信系統(tǒng)降低了數(shù)字接收設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜度,充分體現(xiàn)了對(duì)性價(jià)比的要求,也滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的初衷。但配合芯片STV0299內(nèi)部功能時(shí),也要在發(fā)送端準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的信道編碼和成形濾波方式及參數(shù)。參考文獻(xiàn)1王新梅,肖國(guó)鎮(zhèn).糾錯(cuò)碼原理與方法(修訂版)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.圖

12、6成形濾波器FPGA實(shí)現(xiàn)框圖2卜天,田日才.用FPGA實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)成形的方案設(shè)計(jì)D.(1)移位寄存器是由4個(gè)帶異步復(fù)位端的D觸發(fā)器哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2004.3汪濤,帥克,吳軍.基于單片機(jī)控制的微波壓控振蕩器的設(shè)級(jí)聯(lián)而成,數(shù)據(jù)串行輸入,并行輸出,共用同一個(gè)時(shí)鐘和異步復(fù)位信號(hào)。(2)需要一個(gè)8位的計(jì)數(shù)器,要求能夠異步清零,在計(jì)J.現(xiàn)代電子技術(shù),2005,28(24):56,9.thesisofanMaryTimeSeriesJ.CommunicationsMag224.zine,1989,27(2):15一個(gè)時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)計(jì)數(shù)一次,從000計(jì)數(shù)到111。(3)分布式算法的核心是基于查找

13、表思想,ROM就5UweMeyerBaese,DigitalSignalProcessingwithFieldProgrammableGateArraysM.北京:清華大學(xué)出版社,2003.是一個(gè)查找表,其中存儲(chǔ)了27個(gè)數(shù)據(jù)。作者簡(jiǎn)介李昌林北京交通大學(xué)2004級(jí)研究生。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與個(gè)人通信。(上接第75頁(yè))參考文獻(xiàn)1柯昱,高健,韋巍.二維DCT快速算法的DSP實(shí)現(xiàn)J.機(jī)電工程,1999(5).2王躍科,葉湘濱.現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)M.北京:國(guó)防工業(yè)出5彭啟琮.DSP與實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理M.成都:電子科技大版社,2003.3彭秀艷,王鳳陽(yáng),萬(wàn)博.快速小波變換的定點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)J.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2003,22(3):89,29.4劉彤.用DSP實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器J.無(wú)線通信技術(shù),2000,9(2):5356.學(xué)出版社,1995.6曹斌芳,何怡剛,胡惟文,等.一種改進(jìn)型的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)J.現(xiàn)代電子技術(shù),2006,29(4):35,8.7周金治.基于Matlab與DSP的FIR數(shù)字濾波器軟硬件實(shí)現(xiàn)J.現(xiàn)代電子技術(shù)