基于K60的自适应滤波器的设计

郭成钧　胡佳文　袁汇丰

摘要：自适应滤波器是指根据环境的改变，使用自适应算法来改变滤波器的参数和结构的滤波器。自适应滤波器的最重要的特征就在于它能够在未知环境中有效工作，并能够跟踪输入信号的时变特征。本次的设计主要由加法器、移相电路和自适应滤波器组成。设计采用加法器将有用信号与干扰信号叠加成混合信号，移相电路能做到将10KHz-100KHz的混合信号进行0-180度移相。通过自适应滤波器，采用干扰抵消等方法，滤除干扰信号，能从混合信号中恢复出有用信号。

关键词：加法器；移相电路；滤波

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0172-02

随着数字式电子计算机技术的产生和飞速发展，为了便于计算机对信号进行处理，产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，解决的办法之一就是利用自适应滤波器，让其时实的跟踪信道的特性然后不断的调整均衡器的参数使其保持在最优的状态。比如，我们日常使用的扩音设备，如果不注意将麦克风和喇叭靠的太近则会产生令人厌烦的啸叫声，采用自适应滤波技术将能有效的避免这种情况。因此设计一个自适应滤波器，要求能在特定的要求下恢复出有用信号。

1 整体设计

本滤波器主要由加法器、移相器和自适应滤波器三部分组成。其基本电路应用原理如图1所示。

图1中，有用信号源和干扰信号源为两个独立信号源，输出信号分别为信号A和信号B，且频率不相等。自适应滤波器根据干扰信号B特征，采用干扰抵消等方法，滤除混合信号D中的干扰信号B，以恢复有用信号A的波形，其输出为信号E。

2 硬件电路设计

2.1 加法器

本加法器选择的是同相加法器，同相加法器输入阻抗高，输出阻抗低。而加法器的运算放大器是选用了德州仪器公司的NE5532运放，NE5532是高性能运算放大器结合优异直流和交流特性。它们的特点是非常低的噪声，高输出驱动能力，高单位增益和最大输出摆幅带宽，低失真，高摆率，输入保护二极管，以及输出短路保护。运算放大器内部补偿为单位增益操作。器件规定的最大限额为等效输入噪声电压。且满足信号峰值均为1～2V，频率范围为10KHz～100KHz的要求。

2.2 移相器

本移相器是0-180°超前相位移向器，运算放大器依然采用NE5532，推导公式如下：

移相器原理图如图2所示。

2.3 自适应滤波器

自适应滤波器的内部组成是先对B信号进行移相得到B1，再用减法器对D信号和B1信号进行相减，要做到干扰抵消，就需要使B信号的移相角度和C信号的移相角度保持一致，而C信号是一个0-180°的随机移相。本设计使用控制反馈，用Freescale公司KinetisK60系列mcu作为控制芯片，对减法器的输出信号E进行A/D转换和采样，通过输出和期望的对比，用K60去驱动移相电路的电位器，做到对干扰信号B的同步移相，使干扰抵消，恢复有用信号A。自适应滤波器内部组成如图3所示。

同步移相依然使用0-180°超前相位移相电路，其中电位器用的是电动电位器，用K60输出PWM波通过驱动电路去控制电动电位器。

减法器是一个简单的减法运算电路，又称差动输入运算电路，对共模信号有抑制作用。

采样控制则通过蓝宙电子k60最小系统版的A/D模块，将模拟信号进行采样，k60最短的16位单工采样转换时间为0.73us，通过多组采样得到的数据，经过分析确定其是否接近所期望的波形，到得到所期望的波形时就停止PWM波的输出，使电动电位器停止转动，此时移动的相位就为同步移相，测试中有用信号A为正弦信号。控制采样还带有供电模块使7.5V的电源能通过降压降到5V来给K60中的各个模块供电，oled显示模块以便来进行现象观察。

电机的驱动电路用的是RZ7888驱动芯片，RZ7888是一款DC双向马达驱动电路。它有两个逻辑输入端子用来控制电机前进、后退及制动。

3 系统软件设计

該系统的软件采用IAR Embedded Workbench 7.3编程，IAR是瑞典IAR Systems公司为微处理器开发的一个集成开发环境，支持ARM，AVR，MSP430等芯片内核平台。

在主程序中，先配置好各个参数如A/D读取引脚、PWM波输出引脚、最小周期采样转换的时间设定。设置每5MS进定时器中断，在定时器中断中对采样过来的多组数据进行处理和分析，本实验中取多采集的数据的极大值进行比较，当多个极大值的数值都极为接近且每个极大值之间的采样数据间隔相同时就认为输出波形为正弦信号，即已经恢复出了有用信号A，至此停止PWM波的输出。期间oled显示屏主要是对程序的调试起辅助作用。程序流程图如图4所示。

4 测试结果

当A信号（有用信号）为频率为50KHz峰峰值为1V的正弦波，B信号（干扰信号）为频率10KHz峰峰值为1V的正弦波时，C点能正确显示叠加后的波形，移相器即D点大致能实现0-180度的调相，E点能够得到清晰的10KHz且峰峰值约为1V的正弦波。当不断改变A、B两个信号的频率与峰峰值，CDE点都能得到清晰的正弦波。当干扰信号波改为三角波时，E点输出结果依旧是清晰的原有用信号波，当干扰信号改为方波时，E点输出结果为略带毛刺的原有用信号波。测得结果的信号图如图5所示。

5 结语

本设计通过硬件电路和软件的配合，再将A、B信号通过加法器、移相器、自适应滤波器的情况下，能顺利的恢复出有用信号A的波形，在2017年全国大学生电子设计竞赛的测试要求下，该方案已经合格可行。本设计具有以下特点：

（1）本自适应滤波器能在已知干扰信号的情况下，从混合信号中滤除干扰信号。（2）自适应滤波器对于有用信号并无太大影响。（3）改变混合信号的相位并不影响自适应滤波器的滤波功能。（4）自适应滤波器能用于多种场合，如有关领域信号处理的参数识别、噪音消除、谱估计等方面。

参考文献

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