基于K60的自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)

郭成鈞　胡佳文　袁匯豐

摘要：自適應(yīng)濾波器是指根據(jù)環(huán)境的改變，使用自適應(yīng)算法來(lái)改變?yōu)V波器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)的濾波器。自適應(yīng)濾波器的最重要的特征就在于它能夠在未知環(huán)境中有效工作，并能夠跟蹤輸入信號(hào)的時(shí)變特征。本次的設(shè)計(jì)主要由加法器、移相電路和自適應(yīng)濾波器組成。設(shè)計(jì)采用加法器將有用信號(hào)與干擾信號(hào)疊加成混合信號(hào)，移相電路能做到將10KHz-100KHz的混合信號(hào)進(jìn)行0-180度移相。通過(guò)自適應(yīng)濾波器，采用干擾抵消等方法，濾除干擾信號(hào)，能從混合信號(hào)中恢復(fù)出有用信號(hào)。

關(guān)鍵詞：加法器；移相電路；濾波

中圖分類號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）02-0172-02

隨著數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生和飛速發(fā)展，為了便于計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生了在抽樣定理指導(dǎo)下將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變換成離散時(shí)間信號(hào)的完整的理論和方法。信號(hào)在它的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)拿恳粋€(gè)環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，解決的辦法之一就是利用自適應(yīng)濾波器，讓其時(shí)實(shí)的跟蹤信道的特性然后不斷的調(diào)整均衡器的參數(shù)使其保持在最優(yōu)的狀態(tài)。比如，我們?nèi)粘Ｊ褂玫臄U(kuò)音設(shè)備，如果不注意將麥克風(fēng)和喇叭靠的太近則會(huì)產(chǎn)生令人厭煩的嘯叫聲，采用自適應(yīng)濾波技術(shù)將能有效的避免這種情況。因此設(shè)計(jì)一個(gè)自適應(yīng)濾波器，要求能在特定的要求下恢復(fù)出有用信號(hào)。

1 整體設(shè)計(jì)

本濾波器主要由加法器、移相器和自適應(yīng)濾波器三部分組成。其基本電路應(yīng)用原理如圖1所示。

圖1中，有用信號(hào)源和干擾信號(hào)源為兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)源，輸出信號(hào)分別為信號(hào)A和信號(hào)B，且頻率不相等。自適應(yīng)濾波器根據(jù)干擾信號(hào)B特征，采用干擾抵消等方法，濾除混合信號(hào)D中的干擾信號(hào)B，以恢復(fù)有用信號(hào)A的波形，其輸出為信號(hào)E。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 加法器

本加法器選擇的是同相加法器，同相加法器輸入阻抗高，輸出阻抗低。而加法器的運(yùn)算放大器是選用了德州儀器公司的NE5532運(yùn)放，NE5532是高性能運(yùn)算放大器結(jié)合優(yōu)異直流和交流特性。它們的特點(diǎn)是非常低的噪聲，高輸出驅(qū)動(dòng)能力，高單位增益和最大輸出擺幅帶寬，低失真，高擺率，輸入保護(hù)二極管，以及輸出短路保護(hù)。運(yùn)算放大器內(nèi)部補(bǔ)償為單位增益操作。器件規(guī)定的最大限額為等效輸入噪聲電壓。且滿足信號(hào)峰值均為1～2V，頻率范圍為10KHz～100KHz的要求。

2.2 移相器

本移相器是0-180°超前相位移向器，運(yùn)算放大器依然采用NE5532，推導(dǎo)公式如下：

移相器原理圖如圖2所示。

2.3 自適應(yīng)濾波器

自適應(yīng)濾波器的內(nèi)部組成是先對(duì)B信號(hào)進(jìn)行移相得到B1，再用減法器對(duì)D信號(hào)和B1信號(hào)進(jìn)行相減，要做到干擾抵消，就需要使B信號(hào)的移相角度和C信號(hào)的移相角度保持一致，而C信號(hào)是一個(gè)0-180°的隨機(jī)移相。本設(shè)計(jì)使用控制反饋，用Freescale公司KinetisK60系列mcu作為控制芯片，對(duì)減法器的輸出信號(hào)E進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和采樣，通過(guò)輸出和期望的對(duì)比，用K60去驅(qū)動(dòng)移相電路的電位器，做到對(duì)干擾信號(hào)B的同步移相，使干擾抵消，恢復(fù)有用信號(hào)A。自適應(yīng)濾波器內(nèi)部組成如圖3所示。

同步移相依然使用0-180°超前相位移相電路，其中電位器用的是電動(dòng)電位器，用K60輸出PWM波通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制電動(dòng)電位器。

減法器是一個(gè)簡(jiǎn)單的減法運(yùn)算電路，又稱差動(dòng)輸入運(yùn)算電路，對(duì)共模信號(hào)有抑制作用。

采樣控制則通過(guò)藍(lán)宙電子k60最小系統(tǒng)版的A/D模塊，將模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，k60最短的16位單工采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.73us，通過(guò)多組采樣得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析確定其是否接近所期望的波形，到得到所期望的波形時(shí)就停止PWM波的輸出，使電動(dòng)電位器停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)移動(dòng)的相位就為同步移相，測(cè)試中有用信號(hào)A為正弦信號(hào)?？刂撇蓸舆€帶有供電模塊使7.5V的電源能通過(guò)降壓降到5V來(lái)給K60中的各個(gè)模塊供電，oled顯示模塊以便來(lái)進(jìn)行現(xiàn)象觀察。

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路用的是RZ7888驅(qū)動(dòng)芯片，RZ7888是一款DC雙向馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路。它有兩個(gè)邏輯輸入端子用來(lái)控制電機(jī)前進(jìn)、后退及制動(dòng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件采用IAR Embedded Workbench 7.3編程，IAR是瑞典IAR Systems公司為微處理器開發(fā)的一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，支持ARM，AVR，MSP430等芯片內(nèi)核平臺(tái)。

在主程序中，先配置好各個(gè)參數(shù)如A/D讀取引腳、PWM波輸出引腳、最小周期采樣轉(zhuǎn)換的時(shí)間設(shè)定。設(shè)置每5MS進(jìn)定時(shí)器中斷，在定時(shí)器中斷中對(duì)采樣過(guò)來(lái)的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，本實(shí)驗(yàn)中取多采集的數(shù)據(jù)的極大值進(jìn)行比較，當(dāng)多個(gè)極大值的數(shù)值都極為接近且每個(gè)極大值之間的采樣數(shù)據(jù)間隔相同時(shí)就認(rèn)為輸出波形為正弦信號(hào)，即已經(jīng)恢復(fù)出了有用信號(hào)A，至此停止PWM波的輸出。期間oled顯示屏主要是對(duì)程序的調(diào)試起輔助作用。程序流程圖如圖4所示。

4 測(cè)試結(jié)果

當(dāng)A信號(hào)（有用信號(hào)）為頻率為50KHz峰峰值為1V的正弦波，B信號(hào)（干擾信號(hào)）為頻率10KHz峰峰值為1V的正弦波時(shí)，C點(diǎn)能正確顯示疊加后的波形，移相器即D點(diǎn)大致能實(shí)現(xiàn)0-180度的調(diào)相，E點(diǎn)能夠得到清晰的10KHz且峰峰值約為1V的正弦波。當(dāng)不斷改變A、B兩個(gè)信號(hào)的頻率與峰峰值，CDE點(diǎn)都能得到清晰的正弦波。當(dāng)干擾信號(hào)波改為三角波時(shí)，E點(diǎn)輸出結(jié)果依舊是清晰的原有用信號(hào)波，當(dāng)干擾信號(hào)改為方波時(shí)，E點(diǎn)輸出結(jié)果為略帶毛刺的原有用信號(hào)波。測(cè)得結(jié)果的信號(hào)圖如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)硬件電路和軟件的配合，再將A、B信號(hào)通過(guò)加法器、移相器、自適應(yīng)濾波器的情況下，能順利的恢復(fù)出有用信號(hào)A的波形，在2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的測(cè)試要求下，該方案已經(jīng)合格可行。本設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

（1）本自適應(yīng)濾波器能在已知干擾信號(hào)的情況下，從混合信號(hào)中濾除干擾信號(hào)。（2）自適應(yīng)濾波器對(duì)于有用信號(hào)并無(wú)太大影響。（3）改變混合信號(hào)的相位并不影響自適應(yīng)濾波器的濾波功能。（4）自適應(yīng)濾波器能用于多種場(chǎng)合，如有關(guān)領(lǐng)域信號(hào)處理的參數(shù)識(shí)別、噪音消除、譜估計(jì)等方面。

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