采用LMS算法消除开关电源对CDMA接收机的影响

张 贺，卜 刚，罗秋娴

(南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏南京 210016)

随着电子信息技术的发展，电源管理系统的重要作用也越发明显。电源管理系统作为通信系统中必不可少的一个重要模块，因开关电源具有体积小、重量轻、功耗小、效率高等特点，其目前被广泛用于程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等领域。开关电源技术的迅速发展使得开关电源逐渐高频化，但高频化所引发的纹波大、噪声大等问题制约着开关电源在射频方面的应用。目前，自适应去噪算法相对成熟，已在图像处理、医疗监测领域得到广泛使用，消除开关频率对射频系统的影响成为发展的重要方向之一。本文通过单频正弦信号替代开关频率影响接收机基带信号，并利用自适应LMS算法消除开关频率对CDMA的影响。

1 开关电源的噪声及抑制方法

1.1 开关电源的噪声

通信系统的基本要求是使发送信息与接收信息相一致。现有的射频段通信系统难以通过开关电源单独为其供电。因开关电源中的二极管及开关管在工作过程中产生的跃变电压和跃变电流，对通讯设备和电子器件造成干扰。其工作在开关状态，不仅能将电网上的噪声传递给通讯设备，开关电源本身产生的噪声亦可通过传递和辐射等形式直接影响用电设备。若处理不当，开关电源就会成为一个噪声源，影响通信系统的正常运转，且无法将开关电源高效应用到射频领域。

通常射频领域采用线性稳压源供电。线性稳压源电路简单、射频干扰、电磁干扰、纹波均较小(5 mV，P－P)，但不足之处在于体积庞大，重量过重，功率转换效率＜50%。而开关电源的功率转换效率在70%～90%之间，因此对电网电压及频率大范围变化的适应性较强。但结构复杂的开关电源会对射频电路产生诸多噪声干扰。

开关电源中影响较大的噪声干扰源可归纳为以下3种:(1)二极管的反向恢复时间所引起的干扰。(2)开关管工作时产生的谐波干扰。功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流，在截止期间，高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。(3)开关频率由射频电路非线性耦合引起的干扰［1］。

1.2 开关电源噪声抑制

形成干扰的3个要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而，抑制干扰也应从以下3个方面着手:(1)抑制干扰源，直接消除干扰原因。通常在开关管上并接RC阻尼网络或阻尼电容，也可并接在变压器的初级绕组上，增加开关管的电压上升时间，减少初级绕组上的电压变化率，从而削弱尖峰噪声。而电容最好选用低感或无感电容。(2)消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径。解决电磁兼容问题的一个主要方法是屏蔽。目的是切断电磁波的传播途径，屏蔽可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽［1］。(3)提高受扰设备的抗干扰能力，降低其对噪声的敏感度。通常采用加入滤波器的方法，而本文采用自适应滤波算法消除噪声，以提高通信设备的抗干扰能力。

2 消除开关电源对CDMA接收机的影响

2.1 CDMA系统Simulink建模

CDMA是在扩频通信技术上发展而来的一种无线通信技术，整个系统包括信源、扩频、调制、信道、同步、解扩和解调等部分［2］。为降低设计复杂度，本文不涉及PN码的跟踪、捕获等同步问题。

如图1所示，发送部分信源为随机信号发生器(Random Integer Generator，RIG)产生 0～3的随机数据流。PN Sequence Generator用于产生伪随机扩频序列。QPSK调制器根据接收到0～3的数据映射到4个不同的相位上，用一个复数转实部和虚部的模块获得I、Q信号，并分别与本地产生的PN码子相乘，乘法器输出实现直接序列扩频(DS－SS)。并通过正交上变频系统实现上变频，使信号经AWGN信道传输。

图1 CDMA系统建模

接收端采用COSTAS环路，通过下变频，与本地同步PN码子相乘解扩，再经低通滤波器过滤2倍的载波，通过一个采样保持系统获得最佳采样，再经QPSK解调器解调，将相位信息反映射到数字基带上，最后统计误码率。接收部分是采用先解扩再解调的方式，这种方式的优点是解扩信号再通过窄带滤波器可大幅抑制信道中单频正弦波干扰、脉冲干扰以及多用户干扰的部分，也为后续LMS算法的仿真提供了便利。

2.2 自适应噪声抵消原理及算法

自适应噪声抵消原理示意图［3］，如图2所示。

图2 自适应噪声抵消原理图

图中抵消器的原始输入为s+n0，s是沿信道传递的信号源信号，n0为一个与信号s不相关的噪声，抵消器的参考输入为噪声n1，n1与信号s不相关，但与噪声n0相关，由图可看出噪声n1经自适应滤波器输出y，再从原始输入s+n0中减去该输出，则产生了系统的输出

对上式两边取数学期望，由于s与n0，n1不相关，s与y也不相关，故

由于信号功率E［s2］与自适应滤波器的调节无关，所以调节自适应滤波器使得E［e2］最小，就是使E［(n0－y)2］最小，即 E［(e－s)2］最小。理想情况下当e=s时，自适应滤波器自动调节其脉冲响应，完全抵消掉输出信号e中的噪声。

当噪声为单一正弦分量，这种自适应抵消系统即为自适应陷波器。图3所示系统为含有两个自动加权的单频自适应陷波器［4］。

图3 自适应陷波器原理图

陷波器的原始输入可为任意一种信号，这里是含有噪声的余弦波，参考输入为Ccos(ω0t+φ)。原始输入与参考输入均以采样频率fs=1/T同步采样。参考输入X1(t)与X2(t)间存在90°相移。它们通过相关抵消回路以最小均方算法控制加权系数w1(n)、w2(n)，而两个加权输出相加成为自适应滤波器的输出y(n)。

根据LMS算法的滤波器权矢量迭代公式［5］

其中，μ为自适应滤波器的收敛因子，由公式可得到LMS算法的流程图如图4所示。

图4 LMS算法流程

2.3 开关频率对CDMA接收机的影响与消除

在实际应用中，开关电源开关频率对接收机基带部分的影响最大，导致误码率的提高，而基带部分可采用自适应陷波器消除噪声［6］。本设计拟以TL494为核心搭建DC－DC为CDMA供电，其开关频率经示波器测得为800 mV，50 kHz的正弦信号。

如图5所示，接收机前端经下变频、解扩、低通滤波输出基带信号，与单频800 mV，50 kHz正弦噪声相加，模拟开关频率对接收机基带的影响，由上述自适应噪声抵消原理可知，经自适应陷波器(Adaptive Noise Canceling，ANC)信号再判决，最终得到实际接收的信号。与发送端发送的信号相比，即可得到误码率，通过Error Vector Magnitude模块测得经自适应陷波器前后的误差向量值。本设计采用逐级加大单频干扰的方法，不断增加单频正弦噪声的幅值，扩大对接收机基带的影响，从而说明该算法消除开关频率对接收机影响的优劣。

图5 开关频率对接收机基带的影响与消除

2.4 结果与分析

衡量消除噪声优劣的指标是EVM和BER。EVM定义为误差矢量信号平均功率的均方根值与理想信号平均功率的均方根值之比，具体表示接收机对信号进行解调时产生的IQ分量与理想信号分量的接近程度，从而考量调制信号的质量。EVM越小，信号质量越高。

设计采用QPSK调制方式，QPSK Modulator Baseband模块相位参数为π/4。通过Discrete－Time Scatter Plot Scope模块观测星座图的变化。理想星座图应是以坐标系45°点为起点，且为4个相互垂直的点。但因模型中引入单频正弦噪声，则信号会出现位置偏离理想点，偏离越大其误差越大。通过自适应算法观察星座图对理想点的聚拢程度，可直观判断处理算法的优劣［7－8］。图6为经过自适应陷波器前后误差矢量图的变化。处理后的星座图较处理前更接近理想信号的星座点，具体的EVM百分比值如表1所示。

图6 处理前后的星座图

误码率BER是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标，其也可直接反应通信质量的好坏。为说明算法的有效性，对加入单频正弦干扰波取3组不同的幅值，分别为800 mV、900 mV、1000 mV，频率均为50 kHz。经自适应滤波后，得到前后不同的EVM和误码率，如表1所示。其中，A为单频正弦信号的幅度;f为单频正弦信号的频率;ber1为未经自适应滤波的误码率;ber2为经过自适应滤波后的误码率;evm为经自适应滤波后的矢量误差。

表1 EVM与BER

从表1数据可知，不同幅度的单频正弦噪声经自适应处理后，系统的误码率有明显降低，即验证该算法可有效地消除单频正弦噪声。

3 结束语

本文分析了开关电源的噪声分类及消除噪声的常用方法，研究了自适应噪声抵消原理，以自适应陷波器和LMS算法将模型中加入的单频正弦噪声消除，并通过EVM和误码率判定该自适应滤波器能够有效的消除开关频率对接收机基带的影响。文中为开关电源在射频领域的应用提供基础，也为进一步研究开关频率对接收机混频的干扰与抑制做了铺垫，具有良好的应用前景。

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