2017年全国大学生电子设计竞赛自适应滤波器(E题)报告

12017年全国大学生电子设计竞赛自适应滤波器(E题)【本科组】2017年08月12日2摘要本设计是以ZYNQ-7020平台为核心的自适应陷波器,实现对有用信号带宽内的干扰信号的自动跟踪和滤除。本设计主要包括采用模拟方法实现的加法器和移相器，数字方案实现的自适应滤波器模块。加法器模块实现有用信号源和干扰信号的叠加，移相器模块实现对叠加后信号实现0～180度的相移。自适应滤波器模块是系统核心，采用并行LMS算法实现对干扰信号的自动跟踪和滤除，所得测试结果满足题目要求。关键词：SOC,移相器,自适应陷波器,LMS算法AbstractThisdesignisbasedonZYNQ-7000platformasthecoreoftheadaptivenotchfilter,realizeautomatictrackingandfilteringoftheinterferencesignalwithintheusefulsignalfallsinbandwidth.Thedesignincludesaddermodule,phaseshiftermodule,anadaptivefiltermodule.Thetwopartsmoduleimplementedbyanalogmethod,thecoremodulemainlyisusingdigitaladaptivefilterscheme.Theaddermoduleachievesuperpositionofusefulsignalandinterferencesignalsource,phase0-180oftheoutputsignaloftheaddertoachievephaseshiftermodule,adaptivefiltermoduleadoptsparallelLMSalgorithm,toachievetheautomatictrackingandfilteringofsignalinterference.Keyword：SOC,phaseshifter,adaptivenotchfilter,LMS3目录一．方案论证............................................................................................41.1方案比较与选择..............................................................................................41.2方案描述..........................................................................................................5二．理论分析与计算................................................................................52.1加法器模块......................................................................................................52.2移相器模块......................................................................................................6三．电路与程序设计................................................................................73.1电路设计..........................................................................................................73.2程序设计..........................................................................................................7四．测试方案与测试结果........................................................................9五．结论..................................................................................................104自适应滤波器(E题)【本科组】一.系统方案1.方案比较与选择1）加法器方案一：采用AD8510放大器制作加法器采用ADI公司的通用运算放大器AD8510制作加法器。AD8510增益带宽积典型值为8MHz,具有低噪声,低偏置的特点，此方案可以选择对信号进行相加,同时将信号源和后级隔离开来,适合这次低频段运算使用。方案二：采用OPA1612制作加法器采用TI公司的低噪声精密放大器OPA0611实现加法器。OPA1611具有40MHz的单位增益带宽，具有超低噪声和超低失真，性能较好。综合以上两种方案，方案二相对简单,性能较好，故选择方案二。3）移相器模块方案一：采用无源RC移相采用无源RC滤波器时，输入信号随着频率的改变，输出信号幅度也发生变化，不符合题目要求，故不采取此方案。方案二：使用有源全通滤波器移相一阶全通滤波器可实现0～180通的相移。通过多个的级联，可以实现0～360可内任意相移，而且有源全通滤波器的幅度频率响应是平坦的，符合题目中移相电路增益为1符合题目的要求。综合以上两种方案，方案二稳定可靠，符合题目要求，故选择方案二。4）自适应滤波器模块方案一：采用模拟方案。由参考信号生成两路正交信号分别和输入信号相乘,再通过积分器得到一对正交信号的权值，然后分别与两路正交信号相乘得到干扰信号。最后用模拟减法器减去干扰信号即可实现滤波。方案二：采用数字方案。将干扰信号源和加法器的输出信号通过AD采样后输入到ARM处理器中。在ARM中设计多个陷波器分别滤除干扰信号的固定谐波。基波频率通过LMS自适应算法跟踪锁定，再通过DDS还原干扰信号，再通过与有用信号源的运算操作滤除干扰信号。提一下ZYNQ的PLPS或在框图上否则后面直接就用到了。综上，方案二实现相对容易，修改参数较为方便，因此选取方案二。2．方案描述根据方案比较、分析与综合考虑，本系统最终确定的系统框图如图1所示：5加法器移相器ADCZYNQ有用信号源比较器干扰信号源ADCDAC10KHz-100KHz带通滤波器ABCED图1方案框图加法器将有用信号源A和干扰信号源B进行线性叠加；移相器可以实现加法器的输出频率为点频时可在0～180°内相移；B信号直接通过ADC采样，D路信号分两路，一路进入ADC采样，另一路送比较器，再送入ZYNQ，在ZYNQ的PL端进行锁相，得到参考信号基频，然后送入ZYNQ的PS进行LMS自适应滤波；滤波后的信号通过DAC和一个低通滤波器输出,从而达到滤除有用信号中干扰噪声的目的。二.理论分析与计算1.加法器模块加法器模块采用同相比例运算电路。电路输入和输出成线性叠加关系,输出和输入满足以下关系式：121234V()(VV)23434outININRRRRRRRRR(1)设4321RRRR=10KΩ,则12VVVoutININ，实现了两路信号相加。电路见附录图1。2.移相器模块移相器模块采用三个级联的一阶全通滤波器，实现了0～360°相移。电路图见附图2。其传输函数为：121211jcRHjjcR(2)幅频特性为：1Hj(3)相频特性为：2112arctanjRc(4)其中，幅度在整个频带内恒定，相位由R2、C1和决定，取f=50KHz，R为10KΩ电位器，C为4.7nF。三．电路与程序设计61.电路设计（1）加法器电路设计具体电路见附图1。为了实现IN1和IN2幅度不变的同比例相加,需要R1=R2=R3=R4=R，取R=10KΩ。（2）移相器设计具体见附图2。使用三个一阶全通滤波器级联实现0～360°内任意连续相移。2.程序设计作为本系统主控芯片，XilinxZC7020作为整个系统主控。主要分为两部分，PS和PL部分。（1）PL部分参考信号进入PL测频模块和PLL模块，得到相位控制字控制12路DDS产生6对正交信号送入PS端，经PS完成LMS算法后，将计算得到的误差信号送入PL，与有用信号相减后输出。其流程图如图2错误!未找到引用源。所示频率计有用信号源参考信号源DLLDDSLMSLMSLMS…···sinxcosxsin3xcos3xsin11xcos11x加法器++-+PS图2PL部分流程图（2）PS部分PS部分主要完成6路信号的LMS算法，得到各路滤波输出信号。单路信号的LMS算法流程图如图3所示。同相参考正交参考FIRFIR信号输入滤波器输出LMS误差信号更新滤波器值信号输出+-图3LMS算法流程图7四.测试方案与测试结果使用仪器DG4162信号源/频率计……1台DS1102E示波器……1台测试项目详细测试方案请见附录。测试结果如表1和表2。表1基本要求测试结果测量项目题目指标完成情况是否达标测试方案简述与测量仪器1.1加法器输入峰峰值1~2V频率10~100kHz实现10~100kHz内任意频率信号相加是DG4162函数发生器DS1102E示波器示波器频率计1.2移相器10~100KHz内点频上相位0~180度可调，放大倍数控制在1±0.110~100KHz内任意相位可调，放大倍数1±0.1以内是DG4162函数发生器DS1102E示波器示波器频率计1.3自适应滤波器输入输出均正弦，频率差≥100Hz时，输出能够恢复输入信号，幅度频率误差均小于10%，滤波器对有用信号衰减小于1%频率差≥100Hz时，输出能够恢复输入信号，幅度频率误差均小于10%，滤波器对有用信号衰减小于1%是DG4162函数发生器DS1102E示波器示波器测输出信号幅度、频率测试方案按照题目说明3表2发挥部分测试结果测量项目题目指标完成情况是否达标测试方案简述与测量仪器2.1自适应滤波器输入输出均正弦，频率差≥100Hz时，输出能够恢复输入信号，幅度频率误差均小于10%，滤波器对有用信号衰减小于1%输入输出均正弦，频率差≥100Hz时，输出能够恢复输入信号，幅度频率误差均小于10%，滤波器对有用信号衰减小于1%是DS1102E示波器DG4162信号源测试方案按照题目说明32.2自适应滤波器输入三角波和方波信号，频差大于10Hz，输出恢复波形与输入频差幅差小于10%，对有用信号衰减小输入三角波和方波信号，频差大于10Hz，输出恢复波形与输入频差幅差小于10%，对有用信号衰减小于1%是DS1102E示波器DG4162信号源测试方案按照题目说明38于1%2.3滤波器响应时间响应时间不大于1S300ms是DS1102E示波器DG4162信号源测试方案按照题目说明45.结论本作品完成了题目的所有基础指标和发挥要求，符合题目所有指标。本作品采用XilinxZC7020作为主控芯片，使用LMS算法实现自适应滤波器。本作品滤波效果好，满足题目要求。6.参考文献[1]童诗白主编.模拟电子技术基础（第二版）.北京：高等教育出版社，1988[2]（加）SimonHaykin（S.赫金）.自适应滤波器原理(第五版).北京：电子工业出版社，2016[3]Xinlinx.ZYNQ开发文档9附录附图附图1加法器原理图附图2移相器电路