數(shù)字電路信號傳輸抗干擾技術(shù)研究

馬克才

（青海高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海 海東 810700）

0 引 言

數(shù)字電路基于半導(dǎo)體技術(shù)將各部分元件集成起來構(gòu)成電子設(shè)備的運(yùn)行電路。數(shù)字電路的數(shù)據(jù)傳輸是通過數(shù)字信號進(jìn)行的，具有邏輯運(yùn)算和邏輯處理功能[1]。數(shù)字電路的高度集成特性，使其在信號的采集、轉(zhuǎn)換以及傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)均可能受到外界因素、電磁環(huán)境以及內(nèi)部元件的干擾，進(jìn)而產(chǎn)生畸變信號，降低數(shù)字信號傳輸精度。數(shù)字電路是大規(guī)模集成電路的核心，驅(qū)動(dòng)著電子信息技術(shù)的發(fā)展。數(shù)字電路在電子設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用頻率較高，為保障電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和正常工作，需要優(yōu)化數(shù)字電路的抗干擾性能[2-3]，具體可從抑制干擾源、阻斷干擾傳播路徑以及優(yōu)化元件抗干擾性能等方面實(shí)現(xiàn)。

1 基于自適應(yīng)濾波的數(shù)字電路信號傳輸抗干擾方法

1.1 自適應(yīng)濾波器抗干擾原理

一般的數(shù)字帶通濾波器可以通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的FIR濾波器和IIR濾波器消除調(diào)制信號頻段在200～600 Hz的干擾信號，但難以消除數(shù)字電路信號傳輸頻帶內(nèi)的全部干擾。為改進(jìn)數(shù)字帶通濾波器的抗干擾弊端，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)濾波器來抵抗數(shù)字電路產(chǎn)生的信號干擾，顯著優(yōu)點(diǎn)是輸入信號頻譜不會(huì)造成濾波性能下降[4]。

自適應(yīng)濾波器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)可以修正。在抵抗一般外界干擾時(shí)，濾波器只需修正參數(shù)即可。自適應(yīng)算法可自動(dòng)重新設(shè)置濾波器參數(shù)，重新定義自身的處理能力與性能，以應(yīng)對變化的外部條件，同時(shí)可以通過實(shí)時(shí)追蹤外部條件的變化，最終將參數(shù)設(shè)置為理想狀態(tài)[5]。和維納濾波器相比，自適應(yīng)濾波器無需求取準(zhǔn)確的信號處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)即可發(fā)揮抗干擾作用[6]。目前，數(shù)字電路抗干擾技術(shù)研究中線性濾波器使用頻率較高，因此選用自適應(yīng)線性濾波器實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路信號傳輸?shù)目垢蓴_。

自適應(yīng)算法和數(shù)字濾波器是自適應(yīng)濾波器的主要構(gòu)成。自適應(yīng)濾波器去除數(shù)字電路中干擾信號的運(yùn)行原理，如圖1所示。

其中：a(i)、c(i)表示輸入信號與輸出信號，通過數(shù)字濾波器調(diào)制輸入信號；g(i)表示期望信號，和輸出信號b(i)之間存在誤差，誤差信號為t(i)。自適應(yīng)算法的功能是修正誤差信號的參數(shù)，以獲取誤差信號的均差值下限。誤差信號計(jì)算方法如下：

圖1 自適應(yīng)濾波器抗干擾原理

1.2 自適應(yīng)濾波電路硬件設(shè)計(jì)

自適應(yīng)濾波技術(shù)最關(guān)鍵的作用是排除噪聲和干擾信號，在大量繁瑣的數(shù)字信號中找到有價(jià)值的真實(shí)信號，并高效還原原始信號[7]。結(jié)合自適應(yīng)濾波器的抗干擾原理，設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中移相器、同相加法器以及FIR自適應(yīng)濾波器是自適應(yīng)濾波電路的主要構(gòu)件。

圖2 自適應(yīng)濾波電路硬件結(jié)構(gòu)

1.2.1 電路基于同相加法器實(shí)現(xiàn)同相信號的相加運(yùn)算

輸出與輸入阻抗的特征分別表現(xiàn)為低和高，采用NE5532加法器，在保障信號低失真度的情況下提高單位增益和輸出擺幅，確保電路的短路保護(hù)功能。同時(shí)，使用0°～180°超前相位移向器調(diào)整數(shù)字信號波。

1.2.2 電路采用FIR濾波器進(jìn)行信號濾波

濾波器內(nèi)部集成了信號預(yù)處理模塊、電源管理模塊以及邏輯觸發(fā)模塊，共同完成信號濾波，抑制干擾[8]。電源模塊使用3路供電結(jié)構(gòu)，以滿足整個(gè)濾波電路的用電需求，并通過穩(wěn)定供電降低濾波的波動(dòng)性。預(yù)處理模塊先除去一部分的環(huán)境噪聲，降低了信號濾波的難度。數(shù)字電路信號的干擾信號和有價(jià)值信號分為3路進(jìn)行傳輸，a1(i)、a2(i)、a3(i)分別表示有價(jià)值數(shù)字信號、干擾性數(shù)字信號以及二者的混合信號。FIR自適應(yīng)濾波器可以精準(zhǔn)分析a2(i)信號的特征，制定針對性的干擾抵抗算法，有效清除a3(i)中的a2(i)，最終輸出有價(jià)值信號的波形。

1.3 RLS自適應(yīng)濾波算法設(shè)計(jì)

RLS自適應(yīng)濾波算法收斂速度比較快，用時(shí)較短，其性能不受干擾信號頻譜特征的影響，但計(jì)算量較大且過程相對繁瑣[9]。首先獲取加權(quán)累積誤差代價(jià)函數(shù)的最小值，其次設(shè)置運(yùn)算所需的n-1次迭代濾波器抽頭權(quán)向量，最后采用最新的數(shù)值求取n次迭代權(quán)向量的預(yù)估值，完成自適應(yīng)濾波的遞推過程，獲取新的無干擾因素的數(shù)字電路傳輸信號[10]。定義ε(n)表示需要進(jìn)行最小化的代價(jià)函數(shù)，表達(dá)式為：

當(dāng)運(yùn)行時(shí)刻為i時(shí)，期望信號g(i)和輸出信號b(i)的差值為t(i)。μ表示遺忘因子，其值在（0,1）之間。根據(jù)式（2）能夠看出，相比i時(shí)刻，時(shí)間越大的數(shù)據(jù)，對應(yīng)的權(quán)重值越小，這賦予了RLS自適應(yīng)濾波器在波動(dòng)條件下的運(yùn)行能力[11]。

RLS自適應(yīng)濾波器抗干擾后的輸出信號b(i)可通過式（3）求?。?/p>

式中，i時(shí)刻抽頭輸入向量與抽頭權(quán)向量分別用v(n)、r(n)表示，二者計(jì)算公式為：

其中，M表示RLS自適應(yīng)濾波器的階數(shù)。

計(jì)算代價(jià)函數(shù)的下限值的運(yùn)行過程為：

式中，z(n)、λ(n)分別表示互相關(guān)向量和自相關(guān)矩陣。因?yàn)橛?jì)算λ(n)的逆是獲取r(n)最佳估計(jì)值的前提條件，所以實(shí)際計(jì)算時(shí)利用遞推法求取權(quán)矢量值，可以克服矩陣求逆計(jì)算量大的問題，計(jì)算方式如下：

RLS算法通過式（8）～式（10）進(jìn)行遞推求解：

式（8）～式（10）的計(jì)算值分別為第n個(gè)增益矢量、先驗(yàn)估計(jì)誤差以及權(quán)矢量。

求取λ(n)自相關(guān)矩陣的逆p(n)：

在RLS自適應(yīng)濾波器去除數(shù)字電路信號傳輸干擾的過程中，為符合下一時(shí)刻的輸入信號v(n+1)，需調(diào)整性能。濾波器的權(quán)矢量隨著誤差信號的改變而變化，需縮小輸出信號與期望信號間的差距[12]，排除數(shù)字電路信號在傳輸過程中的干擾信號。

2 實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)基于RLS自適應(yīng)算法的自適應(yīng)濾波器，用于排除數(shù)字電路傳輸過程中的干擾信號和信號噪聲。為驗(yàn)證它在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中抗干擾的有效性，展開信號波形檢測實(shí)驗(yàn)。

將采集的具有明顯畸變的數(shù)字電路信號作為原始輸入信號，觀察處理前后信號噪聲的變化情況?？垢蓴_處理前的原始輸入信號如圖3所示。

圖3 抗干擾處理前的原始信號

將輸入信號傳輸至RLS自適應(yīng)濾波器中，采用RLS算法調(diào)整濾波參數(shù)，最終輸出如圖4所示的濾波后數(shù)字信號。

圖4 本文方法處理后的數(shù)字電路信號波形

對比圖3和圖4可知，原始信號畸變明顯。在采樣范圍內(nèi)，左右兩側(cè)平穩(wěn)信號的波動(dòng)幅度較大，抖動(dòng)頻次高。處理后數(shù)字信號的波動(dòng)變化趨勢更加清晰，兩側(cè)信號抖動(dòng)的幅度顯著降低，且基本可以消除采樣初始階段的信號噪聲，證明該方法具有良好的抗干擾效果。

3 結(jié) 論

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)水平的提升，人們對電子設(shè)備的信號輸出質(zhì)量提出了較高要求，因此避免數(shù)字電路信號傳輸中的干擾是保障電路正常運(yùn)行的基本要求。數(shù)字電路信號干擾的抑制方法種類繁多，本文基于RLS算法設(shè)計(jì)的自適應(yīng)濾波器有效排除了數(shù)字信號傳輸?shù)脑肼暩蓴_，準(zhǔn)確輸出有價(jià)值的信號。本文方法抑制數(shù)字電路信號干擾的優(yōu)勢如下：首先，RLS自適應(yīng)濾波器對數(shù)字信號傳輸頻帶沒有約束，可解決大部分信號干擾問題，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)字帶通濾波器的抗干擾缺陷；其次，RLS自適應(yīng)濾波器無需信號傳輸和信號噪聲的先驗(yàn)知識即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的抗干擾功能；最后，通過實(shí)驗(yàn)證明了本文方法相比遺傳算法自適應(yīng)濾波器、LMS自適應(yīng)濾波器抑制干擾信號的誤差最小，取得了良好的數(shù)字信號抗干擾效果。數(shù)字電路信號傳輸路徑復(fù)雜且系統(tǒng)，不能忽視任何環(huán)節(jié)上的信號干擾問題。因此，未來研究中要以優(yōu)化數(shù)字信號傳輸效率為前提，研究多種高性能的信號抗干擾方法，為電子設(shè)備研發(fā)提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)方案。