lms算法自適應(yīng)濾波器的dsp設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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1、http://www.paper.edu.cnLMS算法自適應(yīng)濾波器的DSP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)梁飛，陳永泰，唐浩武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院（430070）Email:liangfei1011@tom.com摘要：最小均方（LMS）算法是一種很有用且很簡單的估計(jì)梯度的方法。這種算法自60年代初提出以后很快得到廣泛的應(yīng)用，它的突出優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小，而且數(shù)字信號(hào)處理器的快速發(fā)展也使自適應(yīng)濾波器實(shí)時(shí)、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)成為可能.本文以TMS320C54x為例，在DSP上實(shí)現(xiàn)了LMS算法的自適應(yīng)濾波器，并對(duì)其在回聲抵消應(yīng)用中所需要的相關(guān)技術(shù)做了簡單的研究和探討。關(guān)鍵詞：

2、LMS，自適應(yīng)濾波器，DSP，回波抵消器1.引言數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中使用最廣泛的一種線性系統(tǒng)環(huán)節(jié)，是數(shù)字信號(hào)處理的重要基礎(chǔ)。它的功能本質(zhì)上說是將一組輸人的數(shù)字序列通過一定的運(yùn)算后轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M輸出的數(shù)字序列。由于自適應(yīng)濾波器可以自動(dòng)地調(diào)節(jié)自身的參數(shù)，而在設(shè)計(jì)時(shí)只需要很少的或根本不需要任何關(guān)于信號(hào)和噪聲的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)知識(shí)，因而其發(fā)展很快。[1]2.自適應(yīng)Filter原理自適應(yīng)Filter由參數(shù)可調(diào)的數(shù)字結(jié)構(gòu)（or稱自適應(yīng)處理器）和自適應(yīng)算法兩部分組成。AdjustableAlgorithm的原則：最終使e(n)均方值最??！AdaptiveFi

3、lter是一種能自動(dòng)調(diào)整本身參數(shù)的特殊WienerFilter。它在設(shè)計(jì)時(shí)，不需先知道輸入信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。它能在自己工作中逐漸學(xué)會(huì)or估計(jì)出所需的統(tǒng)計(jì)特性。并以此依據(jù)自動(dòng)調(diào)整自己的參數(shù)以達(dá)到最佳Filtering的目的。總之，自適應(yīng)最大的特性：學(xué)習(xí)（learning）、跟蹤（tracing）。Least-Mean-SquareAdaptiveAlgorithm最小均方（LMS）自適應(yīng)算法其核心是用平方誤差代替均方誤差。LMS算法是一種很有用的估計(jì)梯度的方法。它的突出優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小，且不脫線計(jì)算，只要知道輸入信號(hào)和參考響應(yīng)。2代2它的總

4、體思想是由e(n)??→E[e(n)]。代讓單個(gè)平方誤差序列的梯度??(n)??→多個(gè)平方誤差序列統(tǒng)計(jì)平均的梯度。QW(n+1)=W(n)+μ(??(n))2?[E(e(n))]?(n)=?W2?[e(n)]→W(n+1)=W(n)+μ(???(n))??(n)=?W-1-http://www.paper.edu.cn22?[e(n)]?e(n)?(n)==2e(n)=?2e(n)X(n)?W?WT(e(n)=d(n)?WX(n))∴W(n+1)=W(n)+2μe(n)X(n)→LMS算法的基本關(guān)系式[2]LMS算法除了基本的算法之外，有許

5、多變型，如Sign-errorLMS算法、Sign-dataLMS算法、Sign-signLMS算法等。以下就是這幾種LMS算法的系數(shù)迭代公式。基本LMS：w(k,n+1)=w(k,n)+ue(n)x(n?k)Sign-errorLMS：w(k,n+1)=w(k,n)+u?sgn[e(n)]x(n?k)Sign-dataLMS：w(k,n+1)=w(k,n)+ue(n)?sgn[x(n?k)]Sign-signLMS：w(k,n+1)=w(k,n)+u?sgn[e(n)]sgn[x(n?k)]上面幾個(gè)式子中，w(k,n)和w(k,n+1)分

6、別式子迭代前后的系數(shù)值，n和n+1表示前后兩個(gè)時(shí)刻，k=0～N-1,N為濾波器的階數(shù)。u為收斂因子，e(n)是誤差信號(hào)，x(n-k)是輸入信號(hào)。sgn[x]是符號(hào)函數(shù)，即當(dāng)x≥0時(shí)，其值為1，否則為-1。由于自適應(yīng)濾波器要求的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因此需要高性能的DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。下面本文以采用基本LMS算法的自適應(yīng)濾波其為例，介紹自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。[3]3.自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)和芯片種類選擇W(n)0xw(n)W(n)?11zy(n)xw(n-1)1.Σ?1zxw(n-2)W(n)?1Lzxw(n-L)－＋d(n)e(n)2.Σ自適應(yīng)處理器圖1

7、自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)圖自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)可以采用FIR或IIR結(jié)構(gòu).因?yàn)榛芈暵窂降臎_擊響應(yīng)呈一種細(xì)節(jié)度很高但又極不規(guī)律的形狀，為達(dá)到一定質(zhì)量的辨識(shí)效果，自適應(yīng)濾波器必須提供許多可調(diào)節(jié)參數(shù)；而且在自適應(yīng)過程中還需要自適應(yīng)濾波器的穩(wěn)定性足夠好，基于這兩點(diǎn)考慮，本文的設(shè)計(jì)采用了橫向型結(jié)構(gòu)的FIR濾波器(如上圖1)。-2-http://www.paper.edu.cn在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，自適應(yīng)濾波器的系數(shù)處于不斷的調(diào)整當(dāng)中，要求的實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，因此需要高性能的DSP芯片來實(shí)現(xiàn).另外兼顧到成本、封裝等設(shè)計(jì)要求，則性價(jià)比比較高的定點(diǎn)DSP芯片就成為首要選擇.本文

8、算法的軟硬件實(shí)現(xiàn)選擇了目前比較流行的TMS320C54x定點(diǎn)DSP[4]芯片為目標(biāo)平臺(tái)。[5]4.關(guān)于TMS320C54x及LMS自適應(yīng)濾波器的實(shí)現(xiàn)TMS320C54x是TI公司