自适应对消器在多路微弱光信号测量中的应用

尹利忠 程立勋 李伟 石磊

(中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司,河南郑州 450007)

某多通道光纤适配器漏光在线测量系统存在干扰、噪声与信号同频带的问题,基于最小均方误差的自适应噪声对消器在无任何信号与噪声等先验知识条件下可以根据所采样时间序列的统计特征估计出有用信号,滤除带内噪声,有效提高信噪比[1]。

1 自适应噪声对消器基本原理

横向自适应噪声对消器模型如图1 所示。

图1 自适应对消器模型

参考通道输入为X0(n),含有50Hz工频干扰、电路直流分量和高斯白噪声等,滤波器系数为W(n),则

误差信号

以MSE(均方误差)性能函数为目标函数,定义为:

基于随机梯度最小均方(LMS)算法可以有效求出最优W(n)使得X0(n)与X1(n)差异最小[2]。其数学表达式如下:

将(1)、(2)与(4)联合,可得到自适应噪声对消器的迭代公式如下:

2 自适应噪声对消器算法仿真与性能分析

收敛因子µ和滤波器阶数选取对自适应噪声对消器的性能至关重要[3]。本文设计的测量系统有连续光信号和270HZ脉冲光信号两种形式,下面针对两种信号形式进行仿真分析。

设定连续光信号经IV 转换后对应的电压值为0.5 V,噪声为高斯白噪声,信噪比为-3db,电路直流漂移量为0.2V,50Hz 工频干扰幅度为0.4V。

滤波器阶数8阶,收敛因子为0.1,仿真效果如图1 所示。

从图1 可以看到,对消后信号噪声和干扰得到了明显的抑制,分别提取对消前后信号的直流分量,其值分别为0.6769和0.4250,对应的对消前后测量误差分别为26.1%和15%。

图1 8 阶滤波器0.1 步长连续光对消前后时域波形与频谱Fig.1 Time-domain waveform and spectrum of 0.1-step continuous optical cancellation for 8-order filter

滤波器阶数16阶,收敛因子为0.1,仿真效果如图2所示。

图2 16 阶滤波器0.1 步长连续光对消前后时域波形与频谱Fig.2 Waveform and Spectrum of Time Domain before and after Cancellation of 0.1-step Continuous Light with 16-order Filter

提取对消后信号的直流分量,其值为0.4506,对应的测量误差为9.8%。

设定270Hz 脉冲光信号经IV转换后对应的电压幅值为0.5V,噪声为高斯白噪声,信噪比为-3db,电路直流漂移量为0.2V,50Hz工频干扰幅度为0.4V。

滤波器阶数8阶,收敛因子为0.05,仿真效果如图3所示。

图3 8 阶滤波器0.05 步长脉冲光对消前后时域波形与频谱Fig.3 Time-domain waveform and spectrum of 0.05-step long-pulse optical cancellation with 8th-order filter

提取对消后信号的交流分量,其值为0.2829,对应的测量误差为13.1%。

滤波器阶数16阶,收敛因子为0.05,仿真效果如图4所示。

图4 16 阶滤波器0.05 步长脉冲光对消前后时域波形与频谱Fig.4 16 order filter 0.05 step pulse light wa ve form and spectrum

提取对消后信号的交流分量,其值为0.2752,对应的测量误差为10%。

从上面的仿真结果可以看到,收敛因子µ一定的情况下,16阶滤波器数比8阶的滤波器效果好一些,阶数一定的情况下,较小的收敛因子,稳态误差更小。

3 自适应噪声对消器算法工程应用

STM32F407 基于CortexTM-M4内核,最大工作主频168M,支持单浮点运算。它具有3个独立通道的ADC和2个独立通道的DMA,DMA 最大支持8 个数据流的传输。

本测量系统最大支持12路光信号测量,本设计采用3通道ADC 同时采样,单路ADC 进行4 路信号复用。采用DMA 对ADC 采样数据进行双缓存。

L阶LMS滤波器每处理一个采样点需要进行2L次乘法和2L次加法[4],本系统采用批处理的方式,每次运算需要进行16000次乘法和16000次加法,经实际测试,CPU主频运行在168MHz,单通道处理时间大约在20ms左右。

为了验证LMS对消算法在STM43F407 上运算的正确性,将第2章仿真中产生的270HZ脉冲光信号原始数据注入到STM32F407中,与matlab运算结果进行对比分析。其对比结果如图5 所示。

图5 运算结果对比Fig.5 Comparison of operational results

从图5可以看到matlab运行结果与STM32F407运行结果基本一致,提取到的信号功率值分别为0.2583,0.2585,二者误差很小。

4 系统性能验证

利用标准光源输出功率精确的光信号,将光信号经工装夹具注入到测量系统前端光电探测器上,然后测量系统对注入的光信号进行测量。测量结果如表1和表2所示。

表1 连续光测量表Tab.1 Continuous Light Measurements

表2 270Hz 脉冲光测量表Tab.2 270Hz pulsed light meter

表1和表2的结果基本符合预期。

5 总结

本文针对某测量系统存在干扰、噪声与信号同频带的问题,引入LMS 噪声对消算法,并进行工程实现,有效提高系统的测量精度,基本满足了实际的工程应用需求。