基于FPGA器件和DSP系統實現自適應回波抵消器的設計

在數字通信、衛星通信等系統中，不同程度的存在回波現象，影響了通信質量。為了消除回波可以采用回波抵消器，它能估計回波路徑的特征參數，以產生一個估計的回波信號，然后從接收信號中減去該信號，以實現回波抵消。而一般采用自適應濾波器模擬回波路徑，可以跟蹤回波路徑的變化。

DSP Builder是Ahera公司推出的面向DSP開發的系統級工具，它作為Matlab的一個Simulink工具箱出現，使得用FPGA設計的DSP系統完全可以通過圖形化界面進行設計和仿真。

文中介紹以DSP Builder為平臺完成自適應回波抵消器的FPGA電路設計，用FPGA驗證設計電路的正確性和可靠性。

1 、自適應回波抵消器原理

自適應回波抵消結構框圖，如圖1所示。

基于FPGA器件和DSP系統實現自適應回波抵消器的設計

圖1中s（n）表示B信號；x’（n）表示A信號產生的回波；v（n）為近端環境噪聲；y’（n）是濾波器模擬的回波信號；e（n）是殘留回波信號或誤差信號。信號d（n）由B信號s（n）和回波x’（n）及噪聲組成，即d（n）=x’（n）+s（n）+v（n）。假定模擬回波信號估計為

基于FPGA器件和DSP系統實現自適應回波抵消器的設計

當自適應濾波器的單位脈沖響應能很好地模擬回波通道的傳遞函數時，可以認為時，從而有e（n）=s（n）+v（n），這樣傳向遠端的信號中不包括回波信號x’（n），即回波被抵消。

其中，回波抵消器的主要部分自適應濾波器所用算法選擇LMS算法，其迭代公式為

基于FPGA器件和DSP系統實現自適應回波抵消器的設計

式中，X（n） =［X（n），X（n-1），X（n-2），…，X（n-M+1）］T表示時刻n時的輸入信號矢量，由最近M個信號采樣值構成，W（n）=［W0（n），Wl（n），…，WM-1（n）］T表示n時刻自適應濾波器的系數矢量估值，μ是控制穩定性和收斂速度的步長參量。

2 、FPGA硬件設計

設計選用FPGA是Altera公司Cyclone系列的EPlCl2Q240C8。FPGA中I／O端口可自由定義，電路設計方便、編程靈活、不易受外部干擾。系統編譯環境采用QuartusⅡ，頂層設計為圖形化方式。芯片模塊劃分為分頻模塊、D／A轉換模塊和回波抵消器模塊。分頻模塊采用VHDL語言編程實現，D／A轉換模塊采用硬件電路實現，同波抵消器模塊用DSPBuilder軟件進行設計。

2．1 分頻模塊設計

分頻模塊是將外部時鐘進行分頻設定，得到系統內部DA模塊和回波抵消器模塊所需要的時鐘。分頻模塊的外部時鐘輸入頻率為50 MHz，8分頻后產生的時鐘頻率約為6 MHz。

2．2 回波抵消器模塊設計

該部分采用層次化的設計方法。利用DSP Builder模塊構建自適應算法部分，根據LMS算法迭代公式（4）和濾波器的估計輸出式（2），建立加權分量模型。如圖2（a）所示。

基于FPGA器件和DSP系統實現自適應回波抵消器的設計

在圖2（a）中，第i個延時單元的輸入信號為x（n），延時后的輸出信號為x（n-1），同時輸入信號x（n）產生一個乘積y’（n）=ω（n）x（n），由于是濾波器的估計輸出是一系列權值分量與輸入矢量的各分量乘積之和。因此，除第一級外，后續單元必須加上前一級的加權單元的輸出。封裝后，則可以根據濾波器階數的不同而相應調整，以實現多級級聯。尤其是在構造階數可變和階數較大的濾波器時更能顯出其靈活性。然后將封裝后的加權分量單元依照階數級聯，并再次封裝即構成抵消器模塊。可運用于頂層模型中。

在頂層系統模型中連接各子模塊，如圖2（b）所示，圖中兩個信號源sin2，sin1采用正弦信號發生器實現，利用正弦查找表產生正弦波數據，函數調用格式為lOsin（［0：2π／2∧4：2π］）和5sin［0：2π／2∧6：2π］，其輸入地址分別為4位和6位，輸出為16位。Dixiaoqi模塊由圖2（a）級聯封裝得到，模塊Parallel to serial為并行／串行轉換器。

設計中，因語音信號頻率可以看作約為3．4 kHz，所以信號采樣頻率設為8 kHz，假設回波延遲2．5 ms（小于回波對聽覺產生干擾的范圍20 ms），考慮收斂速度和實現情況，步長采用0．1，計算得出濾波器階數20。

2．3 D／A轉換模塊設計

利用Texas Instruments公司的D／A芯片TLC5620，并輔助使用4輸入與門SN74HC08M和運算放大器LM358AM，構建數模轉換器。TLC5620是8位電壓輸出的數模轉換器，需5V外接電壓，有4個輸出端口可以選擇。利用擴展插槽與FPGA連接，信號接119腳，時鐘由所編程序在FPGA內實現，通過73腳與TLC5620連接，控制信號通過63腳連接TLC5620。

3 、DSP Builder仿真和FPGA驗證

通過Simulink仿真得到波形，如圖3（a）所示，圖中第一行為返回A聽筒的誤差e信號波形，第二行為輸入話筒的所有信號，即B信號與回波信號之和。由變化的波形可以看出，隨著自適應濾波器的“學習”過程，回波逐漸被抵消。

利用ModelSim針對生成的RTL級VHDL代碼進行功能仿真，設置信號為模擬形式，如圖3（b）所示，圖中為減去回波后的誤差信號，與Simu-link仿真結果一致。

使用ModelSim完成RTL級功能仿真，其仿真結果并不能精確反映電路的全部硬件特性，進行門級的時序仿真仍然十分重要。在Quartus Ⅱ下編譯后進行時序仿真，其仿真波形，如圖3（c）所示。

把回波抵消器模型轉化生成圖元文件，作為一個子模塊在頂層系統中調用。在QuartusⅡ環境下，調用各個子模塊，構成完整的系統原理圖設計，然后進行編譯、仿真和引腳分配等工作。最后下載到FPGA芯片中，對硬件進行測試，采用SignalTapⅡ實際測得的值如圖4所示，驗證本設計的正確性。

最后通過D／A轉換電路接入示波器。觀測結果，如圖5（a），圖5（b）所示，通過比較混合回波的信號和經過抵消后得到的返回聽筒的消除回波以后的信號，可以看出回波已基本消除，設計達到目的。通過測試，回波衰減率約為25 dB，基本達到ITUTG．167標準中回波衰減率至少20 dB的要求。

4 、結束語

采用DSP Builder進行設計，使用圖形界面，用模塊化設計代替以往的VHDL語言編程，并綜合多種設計工具，便于研究者迅速地將算法級的構思應用于系統設計中，從而可以專注于系統算法的設計，避免了繁瑣的語言編程和電路設計，提高了設計速度，縮短設計周期，為產品開發節約了研發時間。

責任編輯：gt

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基于FPGA圓陣超聲自適應波束形成的設計

本文采用自適應的FIR濾波器結構，結合時延最小均方（DLMS）算法，充分利用FPGA芯片運算速度快，存儲資源豐富等優點設計和實現了基于FIR超聲陣列自適應波束形成。主動聲納信號為窄帶

2012-05-15 10:14:48

822

基于FPGA的光電系統同步自適應電路設計與實現

基于FPGA的光電系統同步自適應電路設計與實現

2016-01-04 17:03:55

基于DSP的異步電機自適應模糊PID控制的設計

基于DSP的異步電機自適應模糊PID控制的設計-2009。

2016-04-05 10:33:01

基于FPGA的高速實時圖像采集和自適應閾值算法

基于FPGA的高速實時圖像采集和自適應閾值算法

2016-05-10 13:45:28

一種改進的NLMS自適應濾波器的FPGA實現_趙茂林

一種改進的NLMS自適應濾波器的FPGA實現_趙茂林

2017-01-08 10:30:29

LMS自適應算法的FPGA設計與實現_陳亮

LMS自適應算法的FPGA設計與實現_陳亮

2017-03-19 11:27:34

信道均衡技術與基于FPGA的自適應均衡器的研究與設計

使用FPGA芯片和Verilog HDL設計實現了自適應均衡器并仿真驗證了新方法的有效性。信道均衡技術（Channel equalization）是指為了提高衰落信道中的通信系統的傳輸性能而采取的一種抗衰落措施。它主要是減小信道的多徑時延帶來的碼間串擾

2017-10-26 10:24:58

自適應抵消器設計

在過去的35年，自適應抵消器引起了研究學者的廣泛關注，自適應抵消器已經廣泛應用于通信系統、控制系統、生物醫學等領域。目前完成自適應抵消算法的硬件平臺主要有專用集成電路（ASIC）、現場可編程門陣列

2017-11-11 15:55:24

虛擬多參考輸入自適應同址干擾抵消算法

針對同一空間內相鄰發射機對接收機產生的同址干擾，將接收信號過采樣后虛擬出多路參考信號并與兩級自適應濾波器相結合，構成了一種虛擬多參考輸入自適應同址干擾抵消算法。通過在接收純干擾信號階段調整第一

2018-03-19 16:29:12

基于FPGA與CAN總線控制器的自適應汽車前照燈系統的設計

此系統中的前照燈控制器采用FPGA來控制CAN總線控制器、數/模轉換器和全橋電機驅動器等器件來實現接收方向盤轉角信號，并使電機運行帶動前照燈的轉向。自適應前照燈系統控制中心使用的是ARM9處理器。

2018-12-10 09:11:00

3055

基于FPGA實現的自適應濾波器提高自動報靶系統的報靶精度

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。

2019-04-02 09:31:00

2372

使用FPGA實現自適應卡爾曼濾波器的設計論文說明

在視頻圖像獲取過程中“由于噪聲對圖像序列的降質”需要設計實時噪聲濾波器。討論了視頻圖像的卡爾曼濾波問題及自適應卡爾曼濾波算法“并討論了自適應卡爾曼濾波算法的簡化”以利于硬件實現自適應卡爾曼濾波器“并進行了簡化算法仿真”完成基于FPGA實現的實時自適應卡爾曼濾波器的設計。

2021-01-22 14:29:29