董海濤，羅 建，朱 峰，劉義海

（西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072）

0 引言

環(huán)境噪聲是信道中的一種干擾背景場(chǎng)，它是影響科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要因素之一。在科學(xué)研究或?qū)嶒?yàn)測(cè)試過(guò)程中，需要給信號(hào)加入不同特性的噪聲來(lái)模擬實(shí)際環(huán)境背景，用以驗(yàn)證算法或測(cè)試方法的性能。由于環(huán)境噪聲的復(fù)雜性，且通常情況下表現(xiàn)為色噪聲，所以，用單純的白噪聲生成算法及其發(fā)生器［1，2］模擬環(huán)境噪聲不能滿(mǎn)足研究的需求。另外，對(duì)于某些特定實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景更需要具有一定頻譜結(jié)構(gòu)的色噪聲，這就需要研究可以進(jìn)行頻譜特征設(shè)定的色噪聲生成算法及其發(fā)生器軟硬件系統(tǒng)。

針對(duì)以上情況，本文基于自適應(yīng)信號(hào)處理和Wiener最佳濾波器技術(shù)，本文提出了一種頻譜任意可變的色噪聲生成算法。為了能更好地驗(yàn)證和使用模擬環(huán)境噪聲的時(shí)頻域特性，設(shè)計(jì)了可方便進(jìn)行頻域設(shè)定的實(shí)時(shí)色噪聲發(fā)生器，并給出該色噪聲發(fā)生器的測(cè)試結(jié)果。

1 頻譜任意可設(shè)的色噪聲生成算法

頻譜任意可設(shè)的色噪聲生成算法的基本思想是構(gòu)造線(xiàn)性系統(tǒng)，使之具有與要求模擬的噪聲幅頻特性相同的頻率響應(yīng)H（ω），然后通過(guò)白噪聲激勵(lì)此系統(tǒng)，產(chǎn)生功率譜為|H（ω）|2的色噪聲信號(hào)。

本文采用自適應(yīng)模擬技術(shù)［3］構(gòu)造特定頻率響應(yīng)濾波器傳遞函數(shù)H（ω）［4，5］。為了使濾波器具有某一特定的頻率響應(yīng)，在濾波器所要求的頻段范圍內(nèi)選取若干個(gè)離散頻率f1，f2，…，fM，使濾波器在這些離散的頻率點(diǎn)上能夠具有給定的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)?；镜脑O(shè)計(jì)思想如圖1所示。

假定輸入頻率為f1，f2，…，fM的正弦波信號(hào)

則偽濾波器的輸出，即自適應(yīng)濾波器的期望響應(yīng)為

圖1 特定頻率響應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)框圖Fig 1 Design block diagram of specific frequency response filter

其中，αi和θi分別為期望響應(yīng)d（n）在頻率fi處的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)，ci為正常數(shù)，是對(duì)頻率分量fi的代價(jià)因子。

自適應(yīng)濾波器的輸入信號(hào)為

設(shè)自適應(yīng)FIR濾波器的權(quán)系數(shù)為w，則圖1中的自適應(yīng)濾波器的輸出信號(hào)

其中，L為濾波器的階數(shù)。

由Wiener-Hopf方程，該濾波器的最優(yōu)解為

其中，Rx為輸入信號(hào)的自相關(guān)矩陣，P為期望信號(hào)與輸入信號(hào)的互相關(guān)矩陣［6］。

采用LMS自適應(yīng)算法逼近wopt

其中，μ為步長(zhǎng)因子，0＜μ＜1/tr（Rx）。當(dāng)w收斂時(shí)，w≈wopt。根據(jù)以上特定頻率響應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)思想，本文對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)步驟如下:

1）在濾波器所要求的頻段內(nèi)均勻抽取多個(gè)頻率，根據(jù)這些頻率上的設(shè)計(jì)指標(biāo)按式（2）得出偽濾波器的輸出，并給出自適應(yīng)濾波器的階數(shù)和代價(jià)函數(shù)的初值。

2）由式（4）求出設(shè)計(jì)濾波器的解。

3）將設(shè)計(jì)出的濾波器的頻率響應(yīng)（幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)）與設(shè)計(jì)指標(biāo)相比較，如果設(shè)計(jì)的濾波器的頻率特性與設(shè)計(jì)指標(biāo)相差較遠(yuǎn)，則需要增加濾波器的階數(shù);如果濾波器頻率響應(yīng)雖然在給定的離散頻率上滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)，但是在離散點(diǎn)之間振蕩得厲害，則應(yīng)減少濾波器的階數(shù)。重復(fù)步驟（2），最終得到一組最優(yōu)系數(shù)。

2 算法的軟硬件實(shí)現(xiàn)

色噪聲生成算法的軟硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要由任意頻譜結(jié)構(gòu)可設(shè)軟件、串行通信接口、算法數(shù)字信號(hào)處理（DSP）模塊以及模擬信號(hào)匹配輸出四部分組成。頻譜設(shè)定軟件基于Matlab GUI，可通過(guò)多種方法對(duì)信號(hào)頻譜特征進(jìn)行設(shè)定、修改并生成一組特定頻率響應(yīng)濾波器系數(shù)，上位機(jī)通過(guò)RS—485通信接口將濾波器系數(shù)傳遞給DSP。算法DSP模塊基于TMS320F2812 DSP，根據(jù)接收到的實(shí)時(shí)參數(shù)生成具有設(shè)定頻譜特征的色噪聲序列，并經(jīng)信號(hào)輸出部分實(shí)時(shí)輸出信號(hào)。系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖Fig 2 Overall complementation block diagram of system

2．1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2．1．1 串行通信接口設(shè)計(jì)

本文中通信接口主要用于向DSP傳遞生成的特定頻率響應(yīng)濾波器系數(shù)，沒(méi)有大量數(shù)據(jù)傳輸，因此，為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)文中通信接口采用目前最常用的RS—485標(biāo)準(zhǔn)接口通信。MAX485是一種差分平衡型收發(fā)器，采用半雙工通信方式，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，驅(qū)動(dòng)器有過(guò)載保護(hù)功能。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，連接時(shí)只需分別與TMS320F2812的SCIRXD和SCITXD相連即可;/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài);當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)。接口電路如圖3所示。

圖3 串口通信接口電路Fig 3 Interface circuit of serial communication

2．1．2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計(jì)

本文采用TI公司的高性能立體聲音頻編解碼芯片TLV320AIC23B實(shí)時(shí)輸出生成的色噪聲。TLV320AIC23B與TMS320F2812的接口由控制接口和數(shù)據(jù)接口兩部分組成。控制接口用于設(shè)置TLV320AIC23B的工作參數(shù)，可選擇采用SPI或I2C接口，本文采用模擬SPI接口方式;數(shù)據(jù)接口用于輸入/輸出TLV320AIC23B的A/D，D/A數(shù)據(jù)，一般采用IIS與DSP兩種模式，可方便地與TMS320F2812的McASP串口相連接。接口電路如圖4所示。

圖4 TLV320AIC23B與DSP接口電路Fig 4 Interface circuit of TlV320AIC23B and DSP

2．2 算法軟件實(shí)現(xiàn)

2．2．1 GUI任意頻譜結(jié)構(gòu)設(shè)定軟件

GUI任意頻譜結(jié)構(gòu)設(shè)定軟件基于Matlab GUI進(jìn)行設(shè)計(jì)［7］，包含頻譜設(shè)定及修正、濾波器系數(shù)生成以及串口控制3個(gè)部分。頻譜設(shè)定有鼠標(biāo)畫(huà)圖、經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)據(jù)文件加載等設(shè)置方法，對(duì)初始設(shè)置的頻譜形狀可通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)的方式進(jìn)行修正，使頻譜形狀更加接近實(shí)際情況。頻譜設(shè)定后，應(yīng)用特定頻率響應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)方法，計(jì)算出設(shè)定頻域形狀的濾波器系數(shù)，經(jīng)串行通信接口傳遞給DSP。該軟件還可以控制DSP實(shí)時(shí)輸出色噪聲。

2．2．2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

算法軟件實(shí)現(xiàn)以TMS320F2812為平臺(tái)進(jìn)行軟件編程。主要包括白噪聲信號(hào)的產(chǎn)生、設(shè)定頻譜形狀色噪聲信號(hào)的產(chǎn)生、串口通信、以及色噪聲的實(shí)時(shí)輸出等。

本文首先利用混沌映射［8］產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法［9］得到偽隨機(jī)序列，進(jìn)而采用公式法生成均勻分布的高斯白噪聲序。為了保證實(shí)時(shí)輸出設(shè)定頻譜的色噪聲信號(hào)，需要對(duì)噪聲生成算法充分優(yōu)化。本文一方面采用查表法，以適當(dāng)降低部分函數(shù)運(yùn)算精度來(lái)提高程序的運(yùn)算速度［10］;另一方面，通過(guò)采用模塊化數(shù)據(jù)管理，規(guī)范緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取流程，減少了程序占用機(jī)器周期從而提高程序的運(yùn)算速度。DSP程序流程圖如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試數(shù)據(jù)分析

本文對(duì)設(shè)計(jì)的嵌入式軟硬件平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)試流程圖如圖6所示。GUI任意頻譜結(jié)構(gòu)設(shè)定軟件設(shè)定輸出色噪聲頻譜特征，求出最優(yōu)濾波器參數(shù)并將生成的濾波器系數(shù)傳送至硬件平臺(tái)，硬件平臺(tái)實(shí)時(shí)輸出設(shè)定頻譜特征的色噪聲信號(hào)，經(jīng)CoCo—80手持式振動(dòng)噪聲分析儀連續(xù)采集輸出噪聲信號(hào)并導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，使用Matlab軟件分析實(shí)時(shí)輸出信號(hào)頻譜特征，得到實(shí)測(cè)信號(hào)50次統(tǒng)計(jì)平均功率譜圖。實(shí)測(cè)色噪聲功率譜與設(shè)定功率譜對(duì)比圖如圖7所示。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，DSP能實(shí)時(shí)穩(wěn)定輸出10 kHz帶寬的色噪聲信號(hào)。從圖7中可以看出:輸出的色噪聲統(tǒng)計(jì)頻域特征與設(shè)定頻域特征誤差不超過(guò)3 dB。

圖5 DSP程序流程圖Fig 5 Flow chart of DSP program

圖6 測(cè)試流程圖Fig 6 Flow chart of test

圖7 實(shí)測(cè)色噪聲功率譜與設(shè)定功率譜對(duì)比圖Fig 7 Comparison diagram of measured colored noise power spectrum and setting power spectrum

4 結(jié)論

本文通過(guò)自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)設(shè)計(jì)Wiener最佳濾波器，給出了一種色噪聲信號(hào)生成算法，并設(shè)計(jì)了該算法實(shí)現(xiàn)的嵌入式軟硬件平臺(tái)。頻譜設(shè)定軟件操作簡(jiǎn)單且具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以Matlab為基礎(chǔ)集成多種信號(hào)處理算法，針對(duì)不同領(lǐng)域、不同環(huán)境選擇不同的信號(hào)處理算法，從而在該環(huán)境下得到穩(wěn)定的噪聲輸出。實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明:給出的算法對(duì)色噪聲的有效模擬是可行的，算法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)平臺(tái)可直接應(yīng)用于模擬實(shí)際環(huán)境背景，能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用色噪聲的特殊要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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