自适应滤波器开题报告

全文总字数：2478字

1. 研究目的与意义

从连续的（或离散的）输入数据中滤出噪声和干扰以提取有用信息的过程称为滤波。相应的装置称为滤波器。20世纪40年代，维纳奠定了关于最佳滤波器研究的基础。要实现维纳滤波，就要求输入过程是广义平稳的,并且输入过程的统计特性是已知的。根据其他最佳准则的滤波亦有同样要求。然而，由于输入过程取决于外界的信号、干扰环境。这种环境的统计特性常常是未知的、变化的，因而不能满足上述两个要求。而自适应滤波器在输入过程的统计特性未知时，或是输入过程的统计特性变化时，能够调整自己的参数，以满足某种最佳准则的要求。这就是研究自适应滤波器的目的。

随着数字信号处理技术的迅速发展，自适应滤波器在诸多科学领域有着越来越广泛的应用。比如，利用自适应干扰抵消原理抵消胎儿心电图中的母亲的心音以及语音中干扰的抵消；利用自适应预测原理分离窄带信号和宽带信号；利用自适应建模原理中的正向建模和逆向建模将其广泛应用于自适应控制系统、相干估计、语音分析等领域中。采用自适应滤波的技术可以从复杂的信号中提取出所需要的信号，同时抑制噪声或干扰信号，以便更有效地利用原始信号。自适应滤波器在电子电路系统中应用很多，技术也较为复杂，有时滤波器和自适应算法的优劣直接决定产品的性能，所以自适应滤波器的理论研究和硬件开发意义重大。

2. 国内外研究现状分析

国内研究概况

自适应滤波器自上个世纪40年代发展至今，由于设计简单、性能佳的特

点已成为了目前数字滤波器领域最活跃的分支之一。当前较为成熟的自适应算法主要有rls（recursive least square）算法和lms算法。近几年我国科学家已经在fpga上实现了基于lms算法的自适应滤波器设计，并提出改进的延迟lms自适应滤波器，这种新型算法提高了滤波器的数据吞吐率。此外有研究者也提出了变步长lms自适应滤波算法用以改善算法的收敛性能。在设计结构方面，有研究者在fpga上对改进后的lms算法的处理速率以及逻辑占用率进行了分析和研究，利用符号算法节约了自适应滤波器对乘法器资源的占用。另外，流水线结构的设计也提高了数据的处理速率。

3. 研究的基本内容与计划

通过自适应算法的计算复杂度和收敛性这两个性能指标，对比lms、nlms、rls算法的优缺点，lms算法更易于系统的设计；由于fir数字滤波器由单位延迟单元、乘法器、加法器三个部分组成，故硬件相对易于实现。所以本文研究的是基于lms算法和fir结构的自适应滤波器。

自适应滤波器的总体设计系统包括分频器、函数信号产生模块、加法器、d触发器以及自适应算法模块。其中，分频器产生的分频信号作为整个系统的统一时钟信号，函数信号产生模块分别产生有用信号和干扰信号，d触发器对输入其中的信号进行存储并输出，加法器对有用信号和干扰信号进行叠加产生混叠信号。将混叠信号和噪声信号输入自适应算法模块后，该模块可根据最小均方误差准则对噪声信号进行最佳估计，再用混叠信号与所估计的噪声信号作减法运算所产生的误差信号即为对原始有用信号的最佳估计。误差信号就是该系统最终的滤波输出信号。

以altera公司的fpga器件为开发平台，采用verilog hdl语言为开发工具来实现自适应滤波系统的设计。所使用到的软件及硬件平台包括verilog hdl语言、quartusⅡ开发套件、modelsim仿真软件、de2开发板、signaltapⅡ硬件测试工具等。首先对自适应lms算法的原理进行研究，然后通过matlab软件编写lms算法（包括干扰抵消法和直接预测法）程序，并在matlab中进行仿真，在验证了哪个参数最合适的基础上，采用fir结构将lms自适应算法在fpga平台上通过verilog hdl语言进行编程，用modelsim对所编写的程序进行仿真，在仿真结果正确的前提下将程序下载到altera公司的de2开发板上进行验证，最后用signaltapⅡ对其进行结果观测。本设计的研究计划如下：

4. 研究创新点

（1）在lms自适应滤波器的设计中，根据算法的结构特点结合fpga硬件语言特点进行模块化设计，分别阐述了各模块的设计结构，对模块进行调用和综合。从而加快了处理速率，减少了硬件资源，使设计具有更加灵活的结构特点。

（2）采用高斯白噪声信号作为干扰测试信号使得自适应滤波器的工作环境更接近实际的信道环境，保证了自适应滤波器工作的可靠性和实用性。

（3） 为了在硬件设计中创造出自适应滤波器的工作环境，在研究自适应滤波器模块的同时，也实现了基于fpga的函数信号产生模块和加法器模块。