自適應(yīng)對(duì)消器在多路微弱光信號(hào)測(cè)量中的應(yīng)用

尹利忠 程立勛 李偉 石磊

(中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司,河南鄭州 450007)

某多通道光纖適配器漏光在線測(cè)量系統(tǒng)存在干擾、噪聲與信號(hào)同頻帶的問(wèn)題,基于最小均方誤差的自適應(yīng)噪聲對(duì)消器在無(wú)任何信號(hào)與噪聲等先驗(yàn)知識(shí)條件下可以根據(jù)所采樣時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)特征估計(jì)出有用信號(hào),濾除帶內(nèi)噪聲,有效提高信噪比[1]。

1 自適應(yīng)噪聲對(duì)消器基本原理

橫向自適應(yīng)噪聲對(duì)消器模型如圖1 所示。

圖1 自適應(yīng)對(duì)消器模型

參考通道輸入為X0(n),含有50Hz工頻干擾、電路直流分量和高斯白噪聲等,濾波器系數(shù)為W(n),則

誤差信號(hào)

以MSE(均方誤差)性能函數(shù)為目標(biāo)函數(shù),定義為:

基于隨機(jī)梯度最小均方(LMS)算法可以有效求出最優(yōu)W(n)使得X0(n)與X1(n)差異最小[2]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

將(1)、(2)與(4)聯(lián)合,可得到自適應(yīng)噪聲對(duì)消器的迭代公式如下:

2 自適應(yīng)噪聲對(duì)消器算法仿真與性能分析

收斂因子μ和濾波器階數(shù)選取對(duì)自適應(yīng)噪聲對(duì)消器的性能至關(guān)重要[3]。本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)有連續(xù)光信號(hào)和270HZ脈沖光信號(hào)兩種形式,下面針對(duì)兩種信號(hào)形式進(jìn)行仿真分析。

設(shè)定連續(xù)光信號(hào)經(jīng)IV 轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)的電壓值為0.5 V,噪聲為高斯白噪聲,信噪比為-3db,電路直流漂移量為0.2V,50Hz 工頻干擾幅度為0.4V。

濾波器階數(shù)8階,收斂因子為0.1,仿真效果如圖1 所示。

從圖1 可以看到,對(duì)消后信號(hào)噪聲和干擾得到了明顯的抑制,分別提取對(duì)消前后信號(hào)的直流分量,其值分別為0.6769和0.4250,對(duì)應(yīng)的對(duì)消前后測(cè)量誤差分別為26.1%和15%。

圖1 8 階濾波器0.1 步長(zhǎng)連續(xù)光對(duì)消前后時(shí)域波形與頻譜Fig.1 Time-domain waveform and spectrum of 0.1-step continuous optical cancellation for 8-order filter

濾波器階數(shù)16階,收斂因子為0.1,仿真效果如圖2所示。

圖2 16 階濾波器0.1 步長(zhǎng)連續(xù)光對(duì)消前后時(shí)域波形與頻譜Fig.2 Waveform and Spectrum of Time Domain before and after Cancellation of 0.1-step Continuous Light with 16-order Filter

提取對(duì)消后信號(hào)的直流分量,其值為0.4506,對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差為9.8%。

設(shè)定270Hz 脈沖光信號(hào)經(jīng)IV轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)的電壓幅值為0.5V,噪聲為高斯白噪聲,信噪比為-3db,電路直流漂移量為0.2V,50Hz工頻干擾幅度為0.4V。

濾波器階數(shù)8階,收斂因子為0.05,仿真效果如圖3所示。

圖3 8 階濾波器0.05 步長(zhǎng)脈沖光對(duì)消前后時(shí)域波形與頻譜Fig.3 Time-domain waveform and spectrum of 0.05-step long-pulse optical cancellation with 8th-order filter

提取對(duì)消后信號(hào)的交流分量,其值為0.2829,對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差為13.1%。

濾波器階數(shù)16階,收斂因子為0.05,仿真效果如圖4所示。

圖4 16 階濾波器0.05 步長(zhǎng)脈沖光對(duì)消前后時(shí)域波形與頻譜Fig.4 16 order filter 0.05 step pulse light wa ve form and spectrum

提取對(duì)消后信號(hào)的交流分量,其值為0.2752,對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差為10%。

從上面的仿真結(jié)果可以看到,收斂因子μ一定的情況下,16階濾波器數(shù)比8階的濾波器效果好一些,階數(shù)一定的情況下,較小的收斂因子,穩(wěn)態(tài)誤差更小。

3 自適應(yīng)噪聲對(duì)消器算法工程應(yīng)用

STM32F407 基于CortexTM-M4內(nèi)核,最大工作主頻168M,支持單浮點(diǎn)運(yùn)算。它具有3個(gè)獨(dú)立通道的ADC和2個(gè)獨(dú)立通道的DMA,DMA 最大支持8 個(gè)數(shù)據(jù)流的傳輸。

本測(cè)量系統(tǒng)最大支持12路光信號(hào)測(cè)量,本設(shè)計(jì)采用3通道ADC 同時(shí)采樣,單路ADC 進(jìn)行4 路信號(hào)復(fù)用。采用DMA 對(duì)ADC 采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行雙緩存。

L階LMS濾波器每處理一個(gè)采樣點(diǎn)需要進(jìn)行2L次乘法和2L次加法[4],本系統(tǒng)采用批處理的方式,每次運(yùn)算需要進(jìn)行16000次乘法和16000次加法,經(jīng)實(shí)際測(cè)試,CPU主頻運(yùn)行在168MHz,單通道處理時(shí)間大約在20ms左右。

為了驗(yàn)證LMS對(duì)消算法在STM43F407 上運(yùn)算的正確性,將第2章仿真中產(chǎn)生的270HZ脈沖光信號(hào)原始數(shù)據(jù)注入到STM32F407中,與matlab運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。其對(duì)比結(jié)果如圖5 所示。

圖5 運(yùn)算結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of operational results

從圖5可以看到matlab運(yùn)行結(jié)果與STM32F407運(yùn)行結(jié)果基本一致,提取到的信號(hào)功率值分別為0.2583,0.2585,二者誤差很小。

4 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

利用標(biāo)準(zhǔn)光源輸出功率精確的光信號(hào),將光信號(hào)經(jīng)工裝夾具注入到測(cè)量系統(tǒng)前端光電探測(cè)器上,然后測(cè)量系統(tǒng)對(duì)注入的光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如表1和表2所示。

表1 連續(xù)光測(cè)量表Tab.1 Continuous Light Measurements

表2 270Hz 脈沖光測(cè)量表Tab.2 270Hz pulsed light meter

表1和表2的結(jié)果基本符合預(yù)期。

5 總結(jié)

本文針對(duì)某測(cè)量系統(tǒng)存在干擾、噪聲與信號(hào)同頻帶的問(wèn)題,引入LMS 噪聲對(duì)消算法,并進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn),有效提高系統(tǒng)的測(cè)量精度,基本滿足了實(shí)際的工程應(yīng)用需求。