用LMS算法消除開關(guān)噪聲對射頻接收機(jī)的影響

吳振淇，卜 剛，孔夢華

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211106)

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用LMS算法消除開關(guān)噪聲對射頻接收機(jī)的影響

吳振淇，卜 剛，孔夢華

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211106)

針對DC-DC開關(guān)電源在為射頻接收機(jī)供電時，引入過大的電源紋波噪聲干擾問題，提出用LMS算法從基帶消除紋波噪聲干擾的解決方案。從紋波噪聲建模出發(fā)，根據(jù)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)利用Simulink仿真工具，搭建了帶電源紋波噪聲干擾的射頻接收機(jī)仿真模型，并利用兩級LMS算法調(diào)整的自適應(yīng)濾波器，從基帶消除紋波噪聲干擾。仿真結(jié)果顯示，在100 mV以下的紋波電壓情況下，帶LMS算法噪聲消除的射頻接收機(jī)系統(tǒng)仍能正常工作；超過100 mV后，算法能減小紋波噪聲對射頻接收機(jī)的干擾。

開關(guān)噪聲；射頻接收機(jī)；LMS算法

WU Zhenqi, BU Gang, KONG Menghua

(College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106, China)

為實(shí)現(xiàn)低功耗的無線通信，希望使用電源轉(zhuǎn)換效率更高的DC-DC開關(guān)電源為射頻系統(tǒng)供電。開關(guān)電源體積小、轉(zhuǎn)換效率高，具有升壓、降壓和反壓功能，但其輸出紋波電壓大，對于電感型開關(guān)電源，還有EMI干擾，這對于噪聲敏感的射頻系統(tǒng)來說，是主要的限制應(yīng)用因素。本文針對開關(guān)電源噪聲的主要來源，對電源紋波噪聲進(jìn)行分析并引入LMS自適應(yīng)濾波算法對其抑制，并根據(jù)ZigBee無線通信標(biāo)準(zhǔn)，使用Simulink搭建了帶開關(guān)電源噪聲干擾的射頻接收機(jī)仿真模型，通過仿真驗(yàn)證了LMS算法對開關(guān)電源紋波噪聲消除的貢獻(xiàn)，從而為開關(guān)電源為射頻接收機(jī)供電提供理論基礎(chǔ)。

1 開關(guān)電源紋波噪聲干擾原理與建模

開關(guān)電源紋波噪聲主要來源于5個方面：低頻紋波、高頻紋波、寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲、功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲、閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。其中與開關(guān)頻率相同的高頻紋波是開關(guān)電源紋波噪聲的主要來源，是本文紋波噪聲建模的重點(diǎn)。對于PWM調(diào)制的開關(guān)電源紋波噪聲而言，其開關(guān)頻率固定，表現(xiàn)為窄帶單頻信號。在耦合到射頻系統(tǒng)時，開關(guān)電源紋波噪聲分量通常從電源端耦合到輸出端，對于一般射頻接收機(jī)電路模塊，均有一項(xiàng)性能指標(biāo)為電源抑制比(PSRR)，紋波噪聲經(jīng)過電源抑制比衰減，耦合到輸出端，經(jīng)后級放大，最終疊加在有用信號中并出現(xiàn)在基帶輸出。

針對開關(guān)電源紋波噪聲這一窄帶單頻特性，使用LMS自適應(yīng)濾波算法在對其濾除將得到較好的效果。LMS自適應(yīng)濾波算法頻域上表現(xiàn)為一個超窄帶的帶阻濾波器，且中心頻率可跟蹤開關(guān)電源噪聲頻率。采用LMS自適應(yīng)濾波算法可在盡可能減小有用信號頻譜損失的同時，消除或抑制開關(guān)電源紋波噪聲，從而提高射頻接收機(jī)的信噪比和誤碼率。

2 紋波噪聲干擾的ZigBee系統(tǒng)仿真

2.1 紋波噪聲干擾的ZigBee系統(tǒng)建模

常見的零中頻射頻接收機(jī)，其射頻鏈路主要由低噪聲放大器(LNA)、混頻器(Mixer)、低通濾波器(LPF)和可變增益放大器(VGA)構(gòu)成，如圖1所示。這些器件不會改變開關(guān)電源紋波噪聲的頻率引起頻偏，考慮到器件的非線性以及混頻器電路，可能產(chǎn)生開關(guān)電源紋波噪聲的高次諧波分量，頻率以基頻的倍頻呈現(xiàn)，若這些頻率仍在系統(tǒng)帶寬內(nèi)，均應(yīng)被考慮。對于結(jié)構(gòu)和原理更加復(fù)雜的鎖相環(huán)和頻率綜合器電路，其干擾可能是乘性非線性的干擾，本文暫不考慮。

圖1 零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證LMS自適應(yīng)濾波算法對消除開關(guān)電源紋波噪聲干擾的射頻接收機(jī)影響的可行性，本文利用Simulink仿真工具搭建了符合ZigBee (IEEE 802.15.4) 標(biāo)準(zhǔn)的射頻接收機(jī)測試系統(tǒng)。根據(jù)文獻(xiàn)[2]實(shí)現(xiàn)的ZigBee射頻接收機(jī)設(shè)計，具體模塊參數(shù)指標(biāo)分配如表1所示。

表1 ZigBee射頻接收機(jī)主要模塊參數(shù)分配

根據(jù)圖1和表1，用SimRF模塊搭建的射頻接收部分系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)噪聲使用熱噪聲模塊直接模擬。開關(guān)電源紋波噪聲使用100 kHz正弦波輸入，幅度可調(diào)根據(jù)不同模塊的電源抑制比從輸出端耦合添加。

圖2 ZigBee系統(tǒng)射頻前端整體框圖

基帶調(diào)制部分，隨機(jī)信號經(jīng)過擴(kuò)頻、OQPSK調(diào)制、升余弦濾波器成型(替代IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的半正弦成型濾波器)，經(jīng)過模擬理想射頻發(fā)射機(jī)直接上變頻并加噪聲后衰減為信號功率為-85 dBm的接收信號?；鶐Ы庹{(diào)部分，ADC采樣信號先經(jīng)過DC偏置消除和升余弦匹配濾波器處理，再進(jìn)行LMS自適應(yīng)濾波器處理，然后通過AGC放大、OQPSK解調(diào)后解擴(kuò)頻，最后進(jìn)行誤碼比較。ZigBee測試系統(tǒng)的整體框圖如圖3所示。

圖3 ZigBee測試系統(tǒng)的整體框圖

2.2 LMS自適應(yīng)濾波器設(shè)計

當(dāng)處理的干擾噪聲以單頻信號為主時，自適應(yīng)噪聲消除系統(tǒng)可演變?yōu)樽赃m應(yīng)陷波器系統(tǒng)，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)相比于正常對輸入通道進(jìn)行自適應(yīng)FIR濾波的結(jié)構(gòu)，所需的抽頭系數(shù)更少，結(jié)構(gòu)更簡單。針對開關(guān)電源紋波噪聲頻率特性單一的特點(diǎn)，選用自適應(yīng)陷波器結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)濾波器可較好地滿足電源紋波噪聲濾除需求的同時，實(shí)現(xiàn)代價更小，且其易于級聯(lián)擴(kuò)展，通用性強(qiáng)。

根據(jù)該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的二級級聯(lián)LMS自適應(yīng)陷波器的Simulink結(jié)構(gòu)作為基帶LMS算法濾波結(jié)構(gòu)。該級聯(lián)系統(tǒng)分別針對開關(guān)電源紋波噪聲的一倍頻和二倍頻分量，參考信號幅度為1，LMS步長調(diào)整為u=0.01。

圖4 自適應(yīng)陷波器結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

根據(jù)IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)定，ZigBee接收機(jī)系統(tǒng)的PER要求<1%。文獻(xiàn)[2]給出PER與BER轉(zhuǎn)化式(1)，其中N為每幀信息所攜帶的比特數(shù)，ZigBee測試幀為22 octs，即N=22×8。

(1)

表2為不同幅度開關(guān)電源輸出紋波噪聲對系統(tǒng)的影響?？煽闯? mV時系統(tǒng)達(dá)到ZigBee接收標(biāo)準(zhǔn)要求，100 mV時經(jīng)過自適應(yīng)濾波處理能達(dá)到要求，200 mV可看到自適應(yīng)濾波能減小誤碼。仿真在自適應(yīng)濾波器參數(shù)完全相同的情況下進(jìn)行。

表2 不同幅度紋波噪聲對ZigBee系統(tǒng)影響仿真BER結(jié)果

圖5為電源紋波噪聲為0 mV時的自適應(yīng)濾波處理前后的星座圖對比，可看到自適應(yīng)濾波器會使得接收信號星座圖散亂，但影響較小，這是由于信號頻譜損失導(dǎo)致的。圖6為電源紋波噪聲為100 mV時的自適應(yīng)濾波處理前后的星座圖對比，可以看到算法抑制了紋波噪聲，提高了接收信號的質(zhì)量，減小了信號星座圖的散亂程度。

圖5 電源紋波噪聲為0 mV時ZigBee基帶信號星座圖

圖6 電源紋波噪聲為100 mV時ZigBee基帶信號星座圖

3 結(jié)束語

本文分析了開關(guān)電源紋波噪聲的模型與對射頻接收機(jī)的干擾原理。在此基礎(chǔ)上，利用Matlab的Simulink系統(tǒng)仿真工具庫，針對ZigBee通信標(biāo)準(zhǔn)，搭建了帶電源紋波噪聲干擾的射頻接收機(jī)仿真系統(tǒng)，對比通過自適應(yīng)濾波與未通過自適應(yīng)濾波兩種情況的誤碼率和星座圖的比較與分析，得出自適應(yīng)濾波在有電源紋波噪聲干擾的情況下確實(shí)能有效濾除部分紋波噪聲帶來的干擾，提升射頻接收機(jī)系統(tǒng)的通信質(zhì)量。本文為開關(guān)電源應(yīng)用在射頻接收機(jī)上提供了一種可能的解決方案，具有良好的應(yīng)用前景。

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Elimination of the Influence of Switching Noise on RF Receiver by LMS Algorithms

For the application of the RF receiver with DC-DC switch power supply, the LMS algorithm is proposed to eliminate the interference from the base band because of too large power ripple noise. Starting from the ripple noise modeling, according to the ZigBee standard, an RF receiver simulation model with ripple noise interference is built using Simulink. The adaptive filter based on the two stage LMS algorithm is used to eliminate the ripple noise from the baseband. The simulation results show that the RF receiver system with LMS algorithm noise elimination can work normally at ripple voltages less than 100 mV, and that the LMS algorithm can reduce the interference of the ripple noise to the RF receiver at voltages greater than 100 mV.

SMPS ripple noise; RF receiver; LMS algorithms

2015- 12- 11

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2012792)

吳振淇(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：集成電路設(shè)計?？讐羧A(1988-)，男，碩士研究生。研究方向：模數(shù)混合集成電路設(shè)計。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.003

TN851

A

1007-7820(2016)10-009-04