LMS自適應濾波器在激波報靶系統中的應用

前言
由空氣動力學原理，當超音速運動的物體，由于運動速度大于局部聲速時會產生激波，彈道聲波是超聲速彈丸飛行時沖擊空氣分子所形成的激波（ Shock waves）。采用激波原理進行報靶是一項具有挑戰性的技術，它利用激波信號進行超音速飛行體探測，是一種新的目標探測方法。本文研究對象為移動靶車，該遙控自動裝置自帶電源和動力裝置，能在 25Km/h內無級調速，但是，由于其工作環境比較惡劣，自身振動、風吹、發電機和電動機的巨大干擾，嚴重影響了自動報靶系統的報靶精度。為了適應現代化部隊訓練的需要，本文采用 FPGA和自適應濾波技術，利用硬件電路來實現 LMS自適應濾波器，完成對強背景噪聲環境下激波信號的濾波，在滿足實時數據處理前提下，以提高報靶系統的報靶精度。
1 問題的提出及方案選取
本設計起初設計電路采用的模擬高通濾器，后來又設計成帶通濾波器，然而通過實踐發現，其濾波效果都比較差，難以滿足系統精度的要求；采用通用 DSP數字信號處理器件用軟件設計數字濾波器，其數據吞吐率、處理速度和實時性遠不如基于 FPGA硬件實現的數字濾波器，因為，基于 FPGA的數字濾器代表了未來數字信號處理的發展方向，用戶可以很方便
吳學禮：博士生導師。基金項目：總參軍訓和兵種部項目
的結合實際需要設計出自己的可編程數字信號處理芯片，現在已經較為廣泛地應用在高端數字信號處理領域。
自適應濾波器的常用實現形式有 FIR和IIR兩種，而 FIR濾波器是實際應用較為廣泛的一種，FIR濾波器只有可調的零點，因此它沒有 IIR因兼有可調的零點和極點而帶來的不穩定問題，此外，LMS計算量小，易于硬件實現，故本文采用的濾波器是基于FIR基礎之上構建的 LMS自適應濾波器。
2 系統設計結構
本文所涉及的激波信號處理部分的整體結構框圖如圖 1所示，由信號采集傳感器、模數轉換器件、FPGA器件、數模轉換器件構成。高速瞬態的激波信號被超聲波傳感器捕獲以后，經過適當調理送到 AD轉換器件，本設計采用 MAX197AD轉換器件，由 FPGA設計的狀態機對其控制，進行 AD轉換，然后再進入基于 FPGA設計的自適應濾波器中濾波，最后再進行 DA轉換傳輸到后續處理電路，由于本設計的主要任務是設計基于 LMS算法的自適應濾波器，其它部分將不作詳述。

3 LMS自適應濾波器設計
LMS算法是以期望響應和濾波器輸出信號之間的均方值為準則，依據輸入信號在迭代過程中估計梯度矢量，并更新權值系數以達到最有效的一種自適應迭代算法，它在優化方法中采用了基于隨機梯度的最速下降法。根據 LMS算法的實現過程，在 FPGA實現時，可以分為主要的幾個模塊：FIR濾波器模塊、誤差計算模塊、權值存儲模塊、權值更新模塊以及控制模塊。其模塊框圖如圖 2所示。設計中采用 VHDL語言設計，根據 MAX197的轉換要求，其輸出為 12位寬度的數字信號，因此，此處采用 12位并行數據輸入，12并行數據輸出，權值系數的數據寬度為 16位，reset為系統復位，高電平有效，clk為系統時鐘，firen為 FIR濾波器使能，suben為誤差計算模塊使能，cuncuen為權值存儲模塊使能，coffen為權值更新模塊使能，都為高電平有效。