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        基于LMS算法消除瞬變壓力檢測系統(tǒng)中的噪聲

        2012-11-22 06:17:30路立平景亞來
        關(guān)鍵詞:濾波器濾波動態(tài)

        路立平,景亞來

        (鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院,河南 鄭州 450002)

        現(xiàn)階段,在工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域,瞬變壓力檢測的作用非常重要.在瞬變壓力檢測中,因電子設(shè)備的性能,在傳感器的輸出信號中不可避免地有噪聲信號.另外,在對傳感器進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償時,由于拓展了設(shè)備的帶寬,而噪聲又是高頻信號[1],故設(shè)備頻帶的擴(kuò)展會引起嚴(yán)重的噪聲干擾,進(jìn)而影響系統(tǒng)測量的精度.此外,在信號的采集和傳播途徑中都會引入噪聲,噪聲的引入影響了對真實信號的處理.有時候,較強(qiáng)的噪聲會“遮蓋”信號,從而難以得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的真實信號[2].因此,有效地消除和抑制噪聲對于瞬變壓力信號檢測系統(tǒng)具有非常重要的意義.

        有效抑制和消除噪聲的方法可以分為兩類:被動噪聲抑制和主動噪聲抑制.被動噪聲抑制從噪聲源、傳播途徑和接收者3個方面利用聲學(xué)材料和聲學(xué)結(jié)構(gòu)來抑制噪聲.傳統(tǒng)的噪聲消除技術(shù)大多采用被動的方法[3],設(shè)計帶通或帶阻等數(shù)字濾波器.但是,由于噪聲的不確定性,所以無法充分了解噪聲的先驗知識,很難設(shè)計出估計系統(tǒng)的數(shù)字濾波器.有時候,設(shè)計的規(guī)則會在濾波器正常運(yùn)行時改變,故可變系數(shù)的自適應(yīng)濾波器被提出 .

        隨著自動控制理論和現(xiàn)代信號處理技術(shù)的發(fā)展,主動噪聲抑制技術(shù)開始以自適應(yīng)算法為主要研究方向.自適應(yīng)濾波器具有跟蹤信號和噪聲變化的能力,自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)是自適應(yīng)濾波原理的擴(kuò)展,它能夠從被噪聲干擾的環(huán)境中檢測和提取出有用信號.

        1 瞬變壓力檢測系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

        文獻(xiàn)[4]研究了炮口沖擊波測試問題,針對固態(tài)壓阻型壓力傳感器建立了壓力傳感器激波管校準(zhǔn)實驗系統(tǒng),采用系統(tǒng)辨識的方法建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型:

        (1)

        對應(yīng)幅值誤差為±5%和±2%的工作頻率分別為5.875 kHz和4.114 kHz.由于該系統(tǒng)的時域震蕩次數(shù)較多,超調(diào)量較大,文獻(xiàn)[4]設(shè)計了數(shù)字補(bǔ)償濾波器:

        (2)

        補(bǔ)償后的等效系統(tǒng)幅值誤差為±5%和±2%的工作頻率分別為124.1 kHz和110.7 kHz.雖然補(bǔ)償后系統(tǒng)的帶寬得到了擴(kuò)展,補(bǔ)償了動態(tài)測量的誤差,但可能引入嚴(yán)重的高頻噪聲干擾而影響系統(tǒng)的精度.為了解決該問題,需研究基于自適應(yīng)濾波消除噪聲干擾的方法.

        2 自適應(yīng)濾波原理

        圖1 自適應(yīng)濾波器的一般結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of adaptive filter

        經(jīng)典的濾波方法在有用信號和噪聲占用不同頻帶時,濾波效果比較好.但是,當(dāng)信號與噪聲的頻帶有重疊時,傳統(tǒng)濾波方法的濾波效果欠佳[5].自適應(yīng)濾波器依靠遞推算法進(jìn)行運(yùn)算,這使得該濾波器可以在無法獲得有關(guān)信號特征完整知識的環(huán)境下,圓滿地完成濾波運(yùn)算.該濾波器的濾波器參數(shù)是不斷變化的,它可以隨著輸入信號特征的變化而動態(tài)地改變參數(shù),從而保持最佳的濾波狀態(tài).

        自適應(yīng)濾波器的一般結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,x(n)是自適應(yīng)濾波器的輸入信號,d(n)是期望響應(yīng),y(n)是自適應(yīng)濾波器的響應(yīng)輸出信號,e(n)是系統(tǒng)的估計誤差且e(n)=d(n)-y(n).自適應(yīng)數(shù)字濾波器的濾波參數(shù)受誤差信號e(n)的控制,可根據(jù)e(n)的值自動調(diào)整,以便使得輸出的y(n+1)接近于所期望的參考信號d(n+1).

        3 噪聲消除原理及LMS算法

        圖2 常用濾波消噪原理Fig.2 The principle of filter to denoise

        4 Matlab仿真程序及結(jié)果分析

        圖3 濾波器原理圖Fig.3 The filter principle diagram

        由于反饋的存在,容易引起IIR濾波器的不穩(wěn)定,相反,F(xiàn)IR濾波器總是穩(wěn)定的.故本研究仿真實驗采用橫向結(jié)構(gòu)的4階FIR濾波器,結(jié)構(gòu)圖見圖3.有用信號分量采用正弦信號s,參考噪聲信號x采用具有正態(tài)分布的隨機(jī)序列.由于抽頭權(quán)向量的先驗知識未知,故取權(quán)值w為零序列,程序略.

        仿真采用幅度為1的正弦信號作為有用信號,函數(shù)randn產(chǎn)生一組具有正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)作為待濾除的噪聲信號分量.在前人的研究基礎(chǔ)上,經(jīng)過反復(fù)試驗比較得出,當(dāng)步長μ為0.003的時候,既可以保證較小的失調(diào)又可以使得LMS算法的確立時間較短,從而使本研究所設(shè)計的消噪方法在精度和速度兩個方面都可以達(dá)到系統(tǒng)的要求.

        在有用信號中加入噪聲后,信號的幅度變大,并且變得雜亂,如圖4與圖5所示.被噪聲干擾的雜亂信號經(jīng)過自適應(yīng)濾波器消除噪聲后,輸出結(jié)果含有很少的期望信號以外的信號分量,輸出信號的幅度非常接近原始有用信號的幅度,系統(tǒng)的信噪比得到了很大的提高.從圖5中可以明顯地看出,只需要經(jīng)過很短的時間,輸出信號便與原始有用信號基本吻合,可以很好地滿足動態(tài)測試的要求,達(dá)到了將噪聲濾除的目的.

        圖4 仿真結(jié)果Fig.4 The simulation results

        圖5 仿真結(jié)果Fig.5 The simulation results

        5 結(jié)論

        在瞬變壓力動態(tài)測試過程中,基于LMS算法設(shè)計出了自適應(yīng)濾波器.相對于經(jīng)典的濾波方法,自適應(yīng)具有自動調(diào)節(jié)自身參數(shù)的能力,可在未知外界干擾源特征、傳遞途徑不斷變化以及背景噪聲和被測對象聲波相似的情況下,有效地消除外界噪聲的干擾而獲得高信噪比的對象信號.這一技術(shù)在測試環(huán)境不太理想的工作現(xiàn)場可為機(jī)械元件、內(nèi)燃機(jī)的噪聲與振動等動態(tài)壓力信號做故障診斷和測試分析提供有效的方法和依據(jù),具有一定的理論意義和應(yīng)用價值以及廣泛的應(yīng)用前景.

        參考文獻(xiàn):

        [1] 劉清,孫穎.用實時小波分析消除噪聲的動態(tài)測量誤差補(bǔ)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報,2006,6(3):1-5.

        [2] 余榮貴.自適應(yīng)濾波器在噪聲消除中的應(yīng)用于研究[D].南昌:南昌航空大學(xué),2008.

        [3] 曹斌芳.自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)的研究[D].長沙:湖南大學(xué),2007.

        [4] 張文娜.壓力傳感器的辨識建模及動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)研究[D].長沙:國防科技大學(xué),2002.

        [5] 陳琳,李建勛,戴虎,等.自適應(yīng)濾波在動態(tài)推力測量中的應(yīng)用[J].宇航學(xué)報,2010,31(7):1819-1825.

        [6] 張曉光,王艷芬,王剛,等.基于DSP的自適應(yīng)噪聲消除[J].電視技術(shù),2009,33(1):78-80.

        [7] 曹斌芳,何怡剛,郭杰榮.強(qiáng)噪聲背景下的語音信號提取研究[J].噪聲與振動控制,2008(4):145-149.

        [8] 陳琳,李建勛,戴虎,等.自適應(yīng)濾波在動態(tài)推力測量中的應(yīng)用[J].宇航學(xué)報,2010,31(7):1819-1825.

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