基于DSP Builder的自适应线谱增强器设计*

李立伟　程锦房

(海军工程大学兵器工程系　武汉　430033)



基于DSP Builder的自适应线谱增强器设计*

李立伟程锦房

(海军工程大学兵器工程系武汉430033)

采用自适应线谱增强器对舰船辐射噪声中的线谱进行增强,有助于实现对舰船辐射噪声中线谱成分的检测和提取。针对使用VHDL编写底层代码来实现自适应线谱增强器开发效率低等缺点,在Simulink中的DSP Bulider平台下,设计了自适应线谱增强器的模型,自动生成了符合FPGA要求的文件。并结合多种EDA工具,对模型进行仿真、验证,使设计更加灵活与简便,提高了工程应用的效率。

舰船辐射噪声; 线谱; Simulink; DSP Builder; 自适应线谱增强; FPGA

Class NumberTP273

1　引言

舰船辐射噪声的功率谱是由能够反映随机噪声部分能量分布的宽带连续谱和离散的窄带线谱分量迭加而成的[1]。实现对辐射噪声的线谱成分检测和提取,对于舰船目标的检测和识别具有重要的意义。但是,由于通常情况下,线谱特征被淹没于相对较强的宽带背景噪声下,对线谱特征进行有效的提取和检测具有很大的困难[2]。采用自适应线谱增强器对线谱进行增强有助于窄带线谱特征的提取。

通过编写底层HDL代码,用FPGA来实现自适应线谱增强器的开发存在着开发效率低的缺点。而采用FPGA 的DSP 开发工具DSP Builder来设计则可以把Matlab/Simulink的设计文件(.mdl)自动转换成相应的硬件描述语言VHDL设计文件(.vhd),使得设计灵活、简单且高效。因此,本文在分析最小均方误差(LMS)这一自适应算法的基础上,采用DSP Builder并结合多种EDA 工具,设计出了基于LMS算法的自适应线谱增强器,使设计效率和器件性能都大大提高。

2　自适应线谱增强原理

自适应线谱增强器的组成如图1所示,它由可编程滤波器和自适应算法两个部分组成。输入信号x(n)包括信号SN(n)和噪声SB(n),经过一定的延迟,输入可编程滤波器。延迟的作用是噪声解相关,x(n)经过延迟后,保持了信号的相关性,从而将信号与噪声分离开来。而自适应算法部分则通过输入信号和输出信号之差来对滤波器的权值进行调节。

图1　自适应线谱增强器原理图

目前自适应算法主要采用最小均方误差(LMS)算法和递推最小二乘(RLS)算法。其中,最小均方误差(LMS)算法由于计算量小、性能稳定、易于实现等优点,被广泛应用于实践中。其基本思想是通过调整滤波器的权值参数,使得滤波器的输出信号和期望信号之间的均方误差最小。

假设第n时刻的输入信号为x(n),输出信号为y(n),则y(n)=wT(n)x(n-Δ); 定义误差信号e(n)是第n时刻输入信号x(n)与该时刻实际输出信号y(n)之间的差值,即:e(n)=x(n)-y(n)。则LMS算法的权矢量迭代公式为

W(n+1)=W(n)+2μe(n)X(n-Δ)

式中,μ为步长因子,即收敛因子,控制系统的稳定性和自适应的收敛速度,通过调节系数,使e(n)均方误差达到最小。

3　模型的建立与仿真

3.1DSP Builder设计流程

DSP Builder是一个系统级(或算法级)设计工具,它架构在多个软件工具之上,并把系统级(算法仿真建模)和RTL级(硬件实现)两个领域的设计工具连接起来,最大程度地发挥了两种工具的优势。既可以在Simulink中进行图形化设计和仿真,同时又通过SignalCompiler把Matlab/Simulink的设计文件(.mdl)转成相应的硬件描述语言VHDL设计文件(.vhd),以及用于控制综合和编译的tcl脚本。

图2为DSP Builder进行DSP系统设计的流程框图。设计流程从利用Matlab建立DSP电路模型开始,在MatlabSimulink中进行设计输入,然后通过SignalCompiler把Simulink的模型文件(.mdl)转化为通用的硬件描述语言VHDL设计文件(.vhd)。然后对以上顶层设计产生的VHDL和RTL代码和仿真文件进行综合、编译配适及仿真。最后用Quartus ⅱ产生相应的编程文件用于FPGA配置。

图2　DSP Builder进行DSP系统设计的流程框图

3.2系统建模与仿真

由图1 可知,LMS 自适应线谱增强器主要是由延迟模块、加法模块、乘法模块和系数更新模块组成。图3是4 阶自适应线谱增强器的系统框图。输入信号是通过在正弦信号上叠加了一个随机噪声信号得到的。延迟模块、加法模块和乘法模块都是直接调用了DSP Builder 中的模块。而通过Simulink 中的Scope 模块则可以观察到输出信号的波形。系数更新模块的任务是完成滤波器权值参数的更新调整,。而滤波器模块则是完成了4阶FIR滤波器的实现。本文将系数更新模块和滤波器模块各封装成了一个子系统,便于调用,如图4、图5所示。

图3　自适应线谱增强系统框图

图4　系数更新模块图

图5　4阶FIR滤波器模块图

图6为经多次模拟仿真后得出的4阶自适应线谱增强器的Simulink 仿真结果图。其中μ=0. 004。从图中可看出,此时自适应线谱增强的输出达到了比较理想的效果,使得包含信号和噪声的原始输入中的噪声信号衰减,并尽量保留了有用信号,达到了自适应滤除干扰的目的。

图6　自适应线谱增强器Simulink仿真结果图

4　FPGA的实现与验证

在Simulink中进行的算法级的模型仿真成功之后,通过SignalCompiler将Simulink的模型文件(.mdl)转化为通用的硬件描述语言VHDL设计文件(.vhd)。

调用Modelsim针对RTL级VHDL代码仿真验证的结果如图7所示。从图中可以看出,RTL 级仿真结果与在Simulink中的仿真结果基本一致,输出信号中的噪声较输入信号有了很大程度的衰减,达到了自适应滤除干扰的目的,进一步验证了模型和生成的VHDL 代码的正确性。

RTL级仿真通过后再调用QuartusⅡ 对其进行综合、编译与适配,最终生成编程文件即pof文件和sof文件。

5　结语

本文在分析最小均方误差算法的基础上,利用基于FPGA 的DSP 开发工具DSP Builder,完成了自适应线谱增强器模型的设计。该方法将系统级(算法仿真建模)和RTL级(硬件实现)两个领域的设计工具连接起来,最大程度地发挥了两种工具的优势,使得设计灵活、高效,缩短了开发周期,具有很高的应用价值。

图7　自适应线谱增强器RTL级仿真波形图

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Design of Adaptive Line Enhancer Based on DSP Builder

LI LiweiCHENG Jinfang

(Weapon Engineering Department, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

Enhancing the line spetrum of ship-radiated noise by adaptive line enhancer is good to detect and extract line spectra.To solve the problem that adaptive line enhancer implemented by FPGA through bttom layer HDL coding has apoor development efficiency,a model of adaptive line enhancer is established by DSP Builder and files which can be used by FPGAare generated automatically.Then the adaptive line enhancer is simulated by the simulation model,and the feasibility of the model is validated.It is easy and simple to design adaptive line enhancer by using this method.

ship-radiated noise, line spectrum, Simulink, DSP Builder, adaptive line enhancer, FPGA

2016年4月8日,

2016年5月26日

李立伟,男,硕士研究生,研究方向：数字信号处理。程锦房,男,博士生导师,研究方向：数字信号处理。

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.047