[發(fā)明專利]一種基于FPGA的自適應(yīng)算法模塊化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011000059.2
• 申請(qǐng)日: 2020-09-22
• 公開（公告）號(hào): CN112199912B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁軍;李軍;孟祥勝;趙強(qiáng);王巍;趙汝法
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/331
• 分類號(hào): G06F30/331;G06F30/327
• 代理公司: 重慶市恒信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50102
• 代理人: 陳棟梁

1.一種基于FPGA的自適應(yīng)算法模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

首先，進(jìn)行規(guī)范型和非規(guī)范型的自適應(yīng)LMS濾波器的硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整個(gè)自適應(yīng)FxLMS系統(tǒng)電路模型的搭建；然后借助System generator工具生成HDL硬件描述語言；最后進(jìn)行綜合布局布線的時(shí)序后仿真部分；

所述規(guī)范型和非規(guī)范型的自適應(yīng)LMS濾波器的硬件電路結(jié)構(gòu)包括噪聲數(shù)據(jù)接收部分、規(guī)范型和非規(guī)范型的LMS算法部分、快速傅里葉變換FFT的顯示部分，其中噪聲數(shù)據(jù)接收部分，利用MATLAB的audioread()讀取外界聲級(jí)計(jì)傳感器采集的噪聲信號(hào)存入MATLAB矩陣，然后通過Simulink的From workspace模塊獲取該矩陣所包含的噪聲信號(hào)，規(guī)范型和非規(guī)范型LMS算法部分的輸入包括兩個(gè)部分，分別是噪聲輸入x(n)和期望信號(hào)d(n)，算法輸出包括自適應(yīng)濾波后的抗噪聲信號(hào)y(n)和誤差信號(hào)e(n)，規(guī)范型和非規(guī)范型LMS算法部分的自適應(yīng)濾波器的階數(shù)和步長隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整；快速傅里葉變換FFT的顯示部分，使用FFT ipcatalog，通過將控制信號(hào)端配置為布爾類型使其正常工作，同時(shí)，將接收到的輸入噪聲信號(hào)x(n)，和輸出抗噪聲信號(hào)y(n)進(jìn)行快速傅里葉變換，最后，通過Simulink的示波器Scop進(jìn)行觀察。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的自適應(yīng)算法模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述規(guī)范型和非規(guī)范型的自適應(yīng)FxLMS的硬件電路模型具體為：規(guī)范型自適應(yīng)FxLMS的電路模型包括，主通道傳遞函數(shù)模塊、次級(jí)通道傳遞函數(shù)模塊、規(guī)范型LMS算法模塊、參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器模塊，其中主通道傳遞函數(shù)模塊用于模擬聲音傳播的聲學(xué)路徑，次級(jí)通道傳遞函數(shù)模塊用于對(duì)次級(jí)路徑進(jìn)行補(bǔ)償，規(guī)范型LMS算法模塊用于將輸入信號(hào)進(jìn)行流水線處理，參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器模塊用于將規(guī)范型LMS算法模塊的輸出進(jìn)行權(quán)值更新，非規(guī)范型相比較規(guī)范型而言，不同點(diǎn)在于，非規(guī)范型FxLMS自適應(yīng)算法采用全并行的輸入方式。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的自適應(yīng)算法模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的規(guī)范型和非規(guī)范型的LMS算法電路結(jié)構(gòu)，其中規(guī)范型LMS對(duì)輸入信號(hào)x(n)做流水線處理，隨著e(n)＝[d(n)-y(n)]的變化，參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的自適應(yīng)算法模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，整個(gè)自適應(yīng)FxLMS加入了次級(jí)路徑的補(bǔ)償S(Z)，該補(bǔ)償采用的低通濾波器進(jìn)行模擬，是為了避免因?yàn)檩敵鰕(n)的次級(jí)路徑效應(yīng)導(dǎo)致極點(diǎn)的產(chǎn)生。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的自適應(yīng)算法模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述自適應(yīng)FxLMS系統(tǒng)電路模型通過基本的乘法器、加法器和基本的邏輯單元組成3階、5階、8階的自適應(yīng)濾波器，其中對(duì)步長因子的約束具體為：

其中μ：FxLMS算法的步長；λ_max：自相關(guān)矩陣的特征值的最大值。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的自適應(yīng)算法模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述LMS算法將衡量系統(tǒng)性能的平均均方誤差用瞬時(shí)均方誤差來代替，故權(quán)值更新的公式如下所示：

又因?yàn)閑(k)＝d(k)-y(k)，

故LMS的迭代權(quán)值更新算法如下：

w(k+1)＝w(k)+2μe(k)x(k)

經(jīng)過矩陣變換則：

E[v(k+1)]＝(I-2μΛ)E[v(k)]

E[v(k)]＝(I-2μΛ)^kE[v(0)]

I-2μΛ是一個(gè)對(duì)角矩陣，I為單位矩陣，Λ表示對(duì)角矩陣，k表示序列，E[v(k)]表示期望；x(k)表示輸入數(shù)據(jù)信號(hào)；所以步長必須滿足：即LMS算法需要保持穩(wěn)定，步長應(yīng)該滿足此值；

其中w(k+1)：表示權(quán)值系數(shù)；表示更新迭代參數(shù)的期望值；λ_max：表示輸入音頻信號(hào)自相關(guān)矩陣特征值的最大值；μ：表示自適應(yīng)算法的步長因子。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的自適應(yīng)算法模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述自適應(yīng)LMS算法部分采用規(guī)范型的設(shè)計(jì)方法，該方法通過將輸入信號(hào)進(jìn)行流水線處理使得整個(gè)算法的在對(duì)應(yīng)階數(shù)的周期時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)算法的運(yùn)算，其中的權(quán)值更新的公式表示為如下所示：

其中，w_n(k)：為權(quán)值系數(shù)，μ：為步長因子，e(k)：為接收到的誤差信號(hào)，x(k-N)：為輸入的參考信號(hào)。