LMS自适应滤波器在激波报靶系统中的应用

前言
由空气动力学原理，当超音速运动的物体，由于运动速度大于局部声速时会产生激波，弹道声波是超声速弹丸飞行时冲击空气分子所形成的激波（ Shock waves）。采用激波原理进行报靶是一项具有挑战性的技术，它利用激波信号进行超音速飞行体探测，是一种新的目标探测方法。本文研究对象为移动靶车，该遥控自动装置自带电源和动力装置，能在 25Km/h内无级调速，但是，由于其工作环境比较恶劣，自身振动、风吹、发电机和电动机的巨大干扰，严重影响了自动报靶系统的报靶精度。为了适应现代化部队训练的需要，本文采用 FPGA和自适应滤波技术，利用硬件电路来实现 LMS自适应滤波器，完成对强背景噪声环境下激波信号的滤波，在满足实时数据处理前提下，以提高报靶系统的报靶精度。
1 问题的提出及方案选取
本设计起初设计电路采用的模拟高通滤器，后来又设计成带通滤波器，然而通过实践发现，其滤波效果都比较差，难以满足系统精度的要求；采用通用 DSP数字信号处理器件用软件设计数字滤波器，其数据吞吐率、处理速度和实时性远不如基于 FPGA硬件实现的数字滤波器，因为，基于 FPGA的数字滤器代表了未来数字信号处理的发展方向，用户可以很方便
吴学礼：博士生导师。基金项目：总参军训和兵种部项目
的结合实际需要设计出自己的可编程数字信号处理芯片，现在已经较为广泛地应用在高端数字信号处理领域。
自适应滤波器的常用实现形式有 FIR和IIR两种，而 FIR滤波器是实际应用较为广泛的一种，FIR滤波器只有可调的零点，因此它没有 IIR因兼有可调的零点和极点而带来的不稳定问题，此外，LMS计算量小，易于硬件实现，故本文采用的滤波器是基于FIR基础之上构建的 LMS自适应滤波器。
2 系统设计结构
本文所涉及的激波信号处理部分的整体结构框图如图 1所示，由信号采集传感器、模数转换器件、FPGA器件、数模转换器件构成。高速瞬态的激波信号被超声波传感器捕获以后，经过适当调理送到 AD转换器件，本设计采用 MAX197AD转换器件，由 FPGA设计的状态机对其控制，进行 AD转换，然后再进入基于 FPGA设计的自适应滤波器中滤波，最后再进行 DA转换传输到后续处理电路，由于本设计的主要任务是设计基于 LMS算法的自适应滤波器，其它部分将不作详述。

3 LMS自适应滤波器设计
LMS算法是以期望响应和滤波器输出信号之间的均方值为准则，依据输入信号在迭代过程中估计梯度矢量，并更新权值系数以达到最有效的一种自适应迭代算法，它在优化方法中采用了基于随机梯度的最速下降法。根据 LMS算法的实现过程，在 FPGA实现时，可以分为主要的几个模块：FIR滤波器模块、误差计算模块、权值存储模块、权值更新模块以及控制模块。其模块框图如图 2所示。设计中采用 VHDL语言设计，根据 MAX197的转换要求，其输出为 12位宽度的数字信号，因此，此处采用 12位并行数据输入，12并行数据输出，权值系数的数据宽度为 16位，reset为系统复位，高电平有效，clk为系统时钟，firen为 FIR滤波器使能，suben为误差计算模块使能，cuncuen为权值存储模块使能，coffen为权值更新模块使能，都为高电平有效。