李立偉　程錦房

(海軍工程大學(xué)兵器工程系　武漢　430033)

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基于DSP Builder的自適應(yīng)線譜增強器設(shè)計*

李立偉程錦房

(海軍工程大學(xué)兵器工程系武漢430033)

采用自適應(yīng)線譜增強器對艦船輻射噪聲中的線譜進行增強,有助于實現(xiàn)對艦船輻射噪聲中線譜成分的檢測和提取。針對使用VHDL編寫底層代碼來實現(xiàn)自適應(yīng)線譜增強器開發(fā)效率低等缺點,在Simulink中的DSP Bulider平臺下,設(shè)計了自適應(yīng)線譜增強器的模型,自動生成了符合FPGA要求的文件。并結(jié)合多種EDA工具,對模型進行仿真、驗證,使設(shè)計更加靈活與簡便,提高了工程應(yīng)用的效率。

艦船輻射噪聲; 線譜; Simulink; DSP Builder; 自適應(yīng)線譜增強; FPGA

Class NumberTP273

1　引言

艦船輻射噪聲的功率譜是由能夠反映隨機噪聲部分能量分布的寬帶連續(xù)譜和離散的窄帶線譜分量迭加而成的[1]。實現(xiàn)對輻射噪聲的線譜成分檢測和提取,對于艦船目標(biāo)的檢測和識別具有重要的意義。但是,由于通常情況下,線譜特征被淹沒于相對較強的寬帶背景噪聲下,對線譜特征進行有效的提取和檢測具有很大的困難[2]。采用自適應(yīng)線譜增強器對線譜進行增強有助于窄帶線譜特征的提取。

通過編寫底層HDL代碼,用FPGA來實現(xiàn)自適應(yīng)線譜增強器的開發(fā)存在著開發(fā)效率低的缺點。而采用FPGA 的DSP 開發(fā)工具DSP Builder來設(shè)計則可以把Matlab/Simulink的設(shè)計文件(.mdl)自動轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的硬件描述語言VHDL設(shè)計文件(.vhd),使得設(shè)計靈活、簡單且高效。因此,本文在分析最小均方誤差(LMS)這一自適應(yīng)算法的基礎(chǔ)上,采用DSP Builder并結(jié)合多種EDA 工具,設(shè)計出了基于LMS算法的自適應(yīng)線譜增強器,使設(shè)計效率和器件性能都大大提高。

2　自適應(yīng)線譜增強原理

自適應(yīng)線譜增強器的組成如圖1所示,它由可編程濾波器和自適應(yīng)算法兩個部分組成。輸入信號x(n)包括信號SN(n)和噪聲SB(n),經(jīng)過一定的延遲,輸入可編程濾波器。延遲的作用是噪聲解相關(guān),x(n)經(jīng)過延遲后,保持了信號的相關(guān)性,從而將信號與噪聲分離開來。而自適應(yīng)算法部分則通過輸入信號和輸出信號之差來對濾波器的權(quán)值進行調(diào)節(jié)。

圖1　自適應(yīng)線譜增強器原理圖

目前自適應(yīng)算法主要采用最小均方誤差(LMS)算法和遞推最小二乘(RLS)算法。其中,最小均方誤差(LMS)算法由于計算量小、性能穩(wěn)定、易于實現(xiàn)等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于實踐中。其基本思想是通過調(diào)整濾波器的權(quán)值參數(shù),使得濾波器的輸出信號和期望信號之間的均方誤差最小。

假設(shè)第n時刻的輸入信號為x(n),輸出信號為y(n),則y(n)=wT(n)x(n-Δ); 定義誤差信號e(n)是第n時刻輸入信號x(n)與該時刻實際輸出信號y(n)之間的差值,即:e(n)=x(n)-y(n)。則LMS算法的權(quán)矢量迭代公式為

W(n+1)=W(n)+2μe(n)X(n-Δ)

式中,μ為步長因子,即收斂因子,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)的收斂速度,通過調(diào)節(jié)系數(shù),使e(n)均方誤差達(dá)到最小。

3　模型的建立與仿真

3.1DSP Builder設(shè)計流程

DSP Builder是一個系統(tǒng)級(或算法級)設(shè)計工具,它架構(gòu)在多個軟件工具之上,并把系統(tǒng)級(算法仿真建模)和RTL級(硬件實現(xiàn))兩個領(lǐng)域的設(shè)計工具連接起來,最大程度地發(fā)揮了兩種工具的優(yōu)勢。既可以在Simulink中進行圖形化設(shè)計和仿真,同時又通過SignalCompiler把Matlab/Simulink的設(shè)計文件(.mdl)轉(zhuǎn)成相應(yīng)的硬件描述語言VHDL設(shè)計文件(.vhd),以及用于控制綜合和編譯的tcl腳本。

圖2為DSP Builder進行DSP系統(tǒng)設(shè)計的流程框圖。設(shè)計流程從利用Matlab建立DSP電路模型開始,在MatlabSimulink中進行設(shè)計輸入,然后通過SignalCompiler把Simulink的模型文件(.mdl)轉(zhuǎn)化為通用的硬件描述語言VHDL設(shè)計文件(.vhd)。然后對以上頂層設(shè)計產(chǎn)生的VHDL和RTL代碼和仿真文件進行綜合、編譯配適及仿真。最后用Quartus ⅱ產(chǎn)生相應(yīng)的編程文件用于FPGA配置。

圖2　DSP Builder進行DSP系統(tǒng)設(shè)計的流程框圖

3.2系統(tǒng)建模與仿真

由圖1 可知,LMS 自適應(yīng)線譜增強器主要是由延遲模塊、加法模塊、乘法模塊和系數(shù)更新模塊組成。圖3是4 階自適應(yīng)線譜增強器的系統(tǒng)框圖。輸入信號是通過在正弦信號上疊加了一個隨機噪聲信號得到的。延遲模塊、加法模塊和乘法模塊都是直接調(diào)用了DSP Builder 中的模塊。而通過Simulink 中的Scope 模塊則可以觀察到輸出信號的波形。系數(shù)更新模塊的任務(wù)是完成濾波器權(quán)值參數(shù)的更新調(diào)整,。而濾波器模塊則是完成了4階FIR濾波器的實現(xiàn)。本文將系數(shù)更新模塊和濾波器模塊各封裝成了一個子系統(tǒng),便于調(diào)用,如圖4、圖5所示。

圖3　自適應(yīng)線譜增強系統(tǒng)框圖

圖4　系數(shù)更新模塊圖

圖5　4階FIR濾波器模塊圖

圖6為經(jīng)多次模擬仿真后得出的4階自適應(yīng)線譜增強器的Simulink 仿真結(jié)果圖。其中μ=0. 004。從圖中可看出,此時自適應(yīng)線譜增強的輸出達(dá)到了比較理想的效果,使得包含信號和噪聲的原始輸入中的噪聲信號衰減,并盡量保留了有用信號,達(dá)到了自適應(yīng)濾除干擾的目的。

圖6　自適應(yīng)線譜增強器Simulink仿真結(jié)果圖

4　FPGA的實現(xiàn)與驗證

在Simulink中進行的算法級的模型仿真成功之后,通過SignalCompiler將Simulink的模型文件(.mdl)轉(zhuǎn)化為通用的硬件描述語言VHDL設(shè)計文件(.vhd)。

調(diào)用Modelsim針對RTL級VHDL代碼仿真驗證的結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出,RTL 級仿真結(jié)果與在Simulink中的仿真結(jié)果基本一致,輸出信號中的噪聲較輸入信號有了很大程度的衰減,達(dá)到了自適應(yīng)濾除干擾的目的,進一步驗證了模型和生成的VHDL 代碼的正確性。

RTL級仿真通過后再調(diào)用QuartusⅡ 對其進行綜合、編譯與適配,最終生成編程文件即pof文件和sof文件。

5　結(jié)語

本文在分析最小均方誤差算法的基礎(chǔ)上,利用基于FPGA 的DSP 開發(fā)工具DSP Builder,完成了自適應(yīng)線譜增強器模型的設(shè)計。該方法將系統(tǒng)級(算法仿真建模)和RTL級(硬件實現(xiàn))兩個領(lǐng)域的設(shè)計工具連接起來,最大程度地發(fā)揮了兩種工具的優(yōu)勢,使得設(shè)計靈活、高效,縮短了開發(fā)周期,具有很高的應(yīng)用價值。

圖7　自適應(yīng)線譜增強器RTL級仿真波形圖

[1] 單廣超,趙漢波.艦船輻射噪聲線譜檢測與分析[J].艦船電子工程,2014(10):119-122.

SHAN Guangchao,ZHAOHanbo.Detection and Analysis of ShipRadiated-noise Line Spectrum[J]. Ship Electronic Engineering,2014(10):119-122.

[2] 孫昕,李兵,房毅.改進的自適應(yīng)線譜增強方法(DALE方法)用于線譜檢測研究[J].中國科技信息,2012(8):62-62.

SUN Xi,LIBing,FANGYi.ModifiedAdaptive Line-spectrum Enhancement Algorithm to the Detection of Line—spectrum Signal[J].China Science and Technology Information,2012(8):62-62.

[3] 劉雄飛,高金定,齊海兵.LMS自適應(yīng)濾波器FPGA實現(xiàn)的新方法[J].壓電與聲光,2007,29(1):87-89.

LIU Xiongfei,GAO Jinding,QI Haibing.A New Way on FPGA Implementation of LMS Adaptive Filter[J]Piezoelectric and acoustooptic,2007,29(1):87-89.

[4] 雷能芳.基于DSP Builder數(shù)字信號處理器的FPGA設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2010,18(11):128-130.

LEI Nengfang.FPGA design of digital signal processor based on DSP Builder[J]. Electronic Design Engineering,2010,18(11):128-130.

[5] 孟莎莎,董會寧,董健.基于DSP Builder的自適應(yīng)濾波器的模型搭建[J].通信技術(shù),2011,44(8):146-148.

MENG Shasha,DONG Huining,DONG Jian.DSP Builder-based Model of Adaptive Digital Filter[J]. Communications Technology,2011,44(8):146-148.

[6] 徐賢忠.自適應(yīng)線譜增強器淺析[J].科技信息,2010(15):96-97.

XU Zhongxian.Simple Analysis on Adaptive Line-spectrum Enhancement Algorithm[J]. Science and Technology Information,2010(15):96-97.

[7] 張曉勇.線譜提取的改進自適應(yīng)譜線增強算法[J].電信技術(shù)研究,2014(4):16-20.

ZHANG Xiaoyong.Modified Adaptive Line-spectrum Enhancement Algorithm to extract Line—spectrum Signal[J].Research on Telecommunication Technology,2014(4):16-20.

[8] 劉開健,吳光敏,張海波.LMS算法的自適應(yīng)濾波器FPGA設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀器儀表與分析監(jiān)測,2008(4):10-12.

LIU Kaijian,WUGuangmin,ZHANGHaibo.Design and Implementation of FPGA Self- adapting Filter Based on LMS.Instrumentation.Analysis[J]. Monitoring,2008(4):10-12.

[9] 趙閃,陳新華,孫長瑜,等.低頻線譜檢測ALE算法應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報,2013,31(11):56-59.

ZHAO Shan,CHEN Xinhua,SUN Changyu,YU Huabing.Applications of Adaptive Line-spectrum Enhancement Algorithm to theDetection of Low Frequency Line—spectrum Signal[J].Sceience and Technology Review,2013,31(11):56-59.

[10] 陳楠楠,張懷亮,陳亮.基于FPGA的LMS自適應(yīng)濾波器設(shè)計[J].船電技術(shù),2009,29(10):39-42.

CHEN Nannan,ZHANG Huailiang,CHENLiang.Design Method of LMS Adaptive Filter Based on FPGA[J].Marine Electric and Electronic Technology,2009,29(10):39-42.

Design of Adaptive Line Enhancer Based on DSP Builder

LI LiweiCHENG Jinfang

(Weapon Engineering Department, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

Enhancing the line spetrum of ship-radiated noise by adaptive line enhancer is good to detect and extract line spectra.To solve the problem that adaptive line enhancer implemented by FPGA through bttom layer HDL coding has apoor development efficiency,a model of adaptive line enhancer is established by DSP Builder and files which can be used by FPGAare generated automatically.Then the adaptive line enhancer is simulated by the simulation model,and the feasibility of the model is validated.It is easy and simple to design adaptive line enhancer by using this method.

ship-radiated noise, line spectrum, Simulink, DSP Builder, adaptive line enhancer, FPGA

2016年4月8日,

2016年5月26日

李立偉,男,碩士研究生,研究方向：數(shù)字信號處理。程錦房,男,博士生導(dǎo)師,研究方向：數(shù)字信號處理。

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.047