【文章內(nèi)容簡介】 t? ???是除第 k 個碼元以外的其他碼元波形在第 k 個碼元的抽樣時刻 工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 上的總和，對當(dāng)前碼元 ka 的抽樣判決起著干擾作用，因此稱為碼間串?dāng)_值； ()Rnt是加性噪聲 ()nt通過接收濾波器后輸出的噪聲， 0()RSn kT t? 表示輸出噪聲在第 k 個碼元的抽樣時刻的瞬間值，它是一種隨機(jī)干擾。 通過分析可知，由于實(shí)際的通信系統(tǒng)很難滿足無失真?zhèn)鬏敆l件 (奈奎斯特第一準(zhǔn)則 )，信道的頻率響應(yīng)偏離了理想的均勻幅值和線性相位， 已傳輸?shù)拿}沖的兩個尾部 (左邊和右邊 )都會影響相鄰的脈沖，這種由于相鄰脈沖波形尾部重疊而引起的畸變稱為碼間串?dāng)_ (ISI)，它會引起誤差的判決，增大出錯的概率。對于背景噪聲小的帶限信道 (如：電話的語音信道 )， ISI 是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕阅芟拗啤Ｔ跓o線信道和水聲信道中， ISI 是由于多徑傳輸?shù)慕Y(jié)果。碼間干擾存在于所有的脈沖調(diào)制系統(tǒng)中，包括移頻鍵控 (FSK)、移相鍵控 (PSK)和正交調(diào)幅 (QAM)。 、均衡技術(shù) 綜上所述，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，碼間串?dāng)_和加性噪聲是造成信號傳輸失真的主要因素，為克服碼間串?dāng)_，在接 收濾波器和抽樣判決器之間附加一個可調(diào)濾波器，用以校正(或補(bǔ)償 )這些失真。對系統(tǒng)中線性失真進(jìn)行校正的過程稱為均衡，實(shí)現(xiàn)均衡的濾波器稱為均衡濾波器。 由于信道特性是變化的，均衡器的參數(shù)也應(yīng)該隨之而改變，可以自動調(diào)整參數(shù)以保持最佳工作狀態(tài)的均衡器就是自適應(yīng)均衡器 (自適應(yīng)濾波器 )。自適應(yīng)均衡器有頻域均衡和時域均衡之分。頻域均衡器只能均衡時變信道的幅頻特性，不能有效地均衡群時延特性，在數(shù)字信號中一般不采用。時域均衡器利用它所產(chǎn)生的響應(yīng)去補(bǔ)償已畸變的信號波形，可以有效地抑制碼間串?dāng)_和加性干擾。隨著數(shù)字信號處理理論和超大 規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，時域均衡已廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信的各個領(lǐng)域。有關(guān)自適應(yīng)時域均衡理論，將在后面的章節(jié)做更為詳盡地闡述。 、自適應(yīng)濾波技術(shù) 在數(shù)字信號處理領(lǐng)域，濾波器是語音與圖像處理、模式識別、雷達(dá)信號處理、頻譜分析等應(yīng)用中的一種基本處理部件，它從復(fù)雜的信號中提取有用的信號 ,同時抑制噪聲和干擾信號。總的來說，濾波器可以分為經(jīng)典濾波器和現(xiàn)代濾波器兩大類。經(jīng)典濾波器，即一般的濾波器，特點(diǎn)是假定輸入信號中有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占有不同的頻帶，即關(guān)于信號和噪聲應(yīng)具有一定的先驗(yàn)知識，這樣可以通過一 個合適的選頻濾波器將無用的頻率成分濾除。對于經(jīng)典濾波器如果有用信號和噪聲的頻譜相互重疊，則無法完成對噪聲或干擾的有效濾除，這時需要采用另一類所謂的現(xiàn)代濾波器，例如維 工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 納濾波器、卡爾曼濾波濾波器、自適應(yīng)濾波器等最佳濾波器?，F(xiàn)代濾波器是把信號和噪聲都視為隨機(jī)信號，利用輸入信號內(nèi)部的一些統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律 (如自相關(guān)函數(shù)、功率譜等 )導(dǎo)出一套最佳的估計(jì)算法，從干擾中最佳地提取信號。 、自適應(yīng)濾波理論 所謂自適應(yīng)濾波器，就是當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時，利用前一時刻己獲得的濾波器參數(shù)等結(jié)果，自動調(diào)節(jié)現(xiàn)時刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng) 信號和噪聲未知的或隨時間變化的統(tǒng)計(jì)特性，從而使輸出性能達(dá)到最優(yōu)的效果。自適應(yīng)濾波器屬于現(xiàn)代濾波器的范疇。 自適應(yīng) (Adaptive)濾波理論是近 40年來發(fā)展起來的信號處理領(lǐng)域一個新的分支，是現(xiàn)代信號處理理論的重要組成部分。自適應(yīng)濾波理論是在維納 (Weiner)濾波、卡爾曼(Kalman)濾波理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種濾波技術(shù)，這三種濾波理論所研究的信號都是隨機(jī)數(shù)字信號，但是維納濾波需要已知輸入信號和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，而且維納濾波器的參數(shù)是固定的，所以只適用于平穩(wěn)隨機(jī)信號；卡爾曼濾波濾波器的參數(shù)是可調(diào)的，適用于 平穩(wěn)隨機(jī)信號和非平穩(wěn)隨機(jī)信號，但同樣需要知道輸入信號和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，因此這兩種濾波器只有在輸入信號和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性先驗(yàn)已知的條件下，才能達(dá)到最有濾波效果。實(shí)際工程應(yīng)用中，由于信號和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性無法得到或者統(tǒng)計(jì)特性是隨之間在不斷變化的，因此，在許多情況下維納濾波器和卡爾曼濾波器就無法實(shí)現(xiàn)最佳濾波，而參數(shù)可調(diào)、無需預(yù)知信號和噪聲統(tǒng)計(jì)特性的自適應(yīng)濾波器正適用于這種場合，所以在實(shí)際的信息處理技術(shù)中自適應(yīng)濾波器的應(yīng)用非常廣泛。 、自適應(yīng)濾波器的研究現(xiàn)狀 近年來，自適應(yīng)濾波器以其精度高、靈活性大、可靠性強(qiáng) 、易于大規(guī)模集成的突出優(yōu)點(diǎn)在通信領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用空間。數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是超大規(guī)模集成電路和 FPGA技術(shù)的出現(xiàn)，為高速實(shí)時、高集成度的自適應(yīng)濾波器的實(shí)現(xiàn)提供了必要的技術(shù)條件和手段。目前，有關(guān)自適應(yīng)濾波理論、自適應(yīng)算法，尤其是在對不同的應(yīng)用場合下，自適應(yīng)算法的穩(wěn)定性、收斂速度、收斂效果跟蹤特性以的研究在不斷深入，新的自適應(yīng)改進(jìn)算法和實(shí)現(xiàn)方法不斷涌現(xiàn)，使自適應(yīng)信號處理領(lǐng)域的研究更加紅火，應(yīng)用更加廣泛。自適應(yīng)濾波器技術(shù)在通信和雷達(dá)技術(shù)的信道均衡、回波抵消、噪聲消除或抑制、語音編碼、 自適應(yīng)跳頻、天線旁瓣抑制、譜線增強(qiáng)、雷達(dá)雜波處理、雷達(dá)運(yùn)動目標(biāo)顯示、窄帶干擾抑制以及生物醫(yī)學(xué)中的微弱電信號的處理等方面均獲得了廣泛的應(yīng)用，但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是當(dāng)前數(shù)字通信日益廣泛的應(yīng)用，高性能、高速度、大容量的數(shù)字通信對通信技術(shù)和系統(tǒng)提出了更高的要求，這就要求自適應(yīng)濾波器具有高性能、高穩(wěn)定性、高收斂速度以及更加寬廣的適用范圍。 工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 、 MATLAB 與系統(tǒng)仿真 MATLAB是由美國 Math Works公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的科學(xué)計(jì)算系統(tǒng)環(huán)境。 MATLAB是英文 MATrix LABoratory(矩陣實(shí)驗(yàn)室 )的縮寫，它集中了日常數(shù)學(xué)處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計(jì)算、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形生成等功能。 MATLAB是一個功能十分強(qiáng)大的系統(tǒng)，是集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開發(fā)為一體的環(huán)境。另外， MATLAB還具有很強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)，同時，用戶還可以根據(jù)自己的工作任務(wù)，開發(fā)自己的工具箱。 在 MATLAB環(huán)境下，可以集成地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項(xiàng)操作。 MATLAB系統(tǒng)主要由以下五部分組成 : (1) MATLAB語言體系。這是高層次的矩陣 /數(shù)組語言，具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性，利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。 (2) MATLAB工作環(huán)境。這是對 MATLAB提供給用戶的管理功能的總稱，它包括管理工作空間中的變量，數(shù)據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理 M文件的各種工具。 (3) 圖形句柄系統(tǒng)。這是 MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成 2D和 3D數(shù)據(jù)圖示、圖象處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層次 MATLAB命令，也包括用戶對圖形圖象等對象進(jìn)行特性控制的低層次 MATLAB命令，以及開發(fā)圖形用戶界面 (GUI)應(yīng)用程序的各種工具。 (4) MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫。這是對 MATLAB使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱，包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。 (5) MATLAB應(yīng)用程序接口 (API)。這是 MATLAB為用戶提供的一個函數(shù)庫，使得用戶能夠在 MATLAB環(huán)境中使用 C程序或 FORTRAN程序，包括從 MATLAB中調(diào)用子程序(動態(tài)連接 )，讀寫 MAT文件的功能。 、硬件描述語言 VHDL 硬件描述語言 (HDL 即 Hardware Description Language)發(fā)展至今已經(jīng)有 40多年的歷史了，現(xiàn)在硬件描述語言已經(jīng)成功地用于硬件電路設(shè)計(jì)的模擬驗(yàn)證和綜合優(yōu)化等方面，成為電子設(shè)計(jì)自動化 (EDA)技術(shù)的重要組成部分。所謂硬件描述語言，就是采用軟件編程的方法來描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)、信號連接關(guān)系以及定時關(guān)系的語言，它比傳統(tǒng)的電路原理圖法更簡潔、準(zhǔn)確、方便地表示硬件電路的特性。 硬件描述語言的最大特點(diǎn)是可以借鑒高級編程語言的功能特性對硬件電路的行為 工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 和結(jié)構(gòu)進(jìn)行高度抽象化和規(guī)范化 的描述；同時，它還可以對電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行不同層次、不同領(lǐng)域的仿真驗(yàn)證和綜合優(yōu)化等處理，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的高度自動化。 一般來說，硬件描述語言主要包括兩大類：一種是文字硬件描述語言，另一種是圖形硬件描述語言，在實(shí)際硬件電路的設(shè)計(jì)過程中，這兩種硬件描述語言通常是可以并用的。其中，文字硬件描述語言通常應(yīng)用于數(shù)字硬件電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它標(biāo)志著現(xiàn)代硬件電路設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)生、成熟和發(fā)展；圖形硬件描述語言是采用直觀的圖形來描述硬件電路系統(tǒng)，例如邏輯電路圖和狀態(tài)流程圖等。常見的 HDL 有 VHDL、 Verilog HDL、 System Verilog、 System C 四種。 其中 VHDL、 Verilog 在現(xiàn)在 EDA 設(shè)計(jì)中使用最多，也擁有幾乎所有主流 EDA 工具的支持，一般來說，這兩種語言的側(cè)重點(diǎn)稍有不同： VHDL 非常適合于大型電子系統(tǒng)的描述， Verilog HDL 則更加適合于硬件電路細(xì)節(jié)的描述。而 System Verilog 和 System C 這兩種 HDL 語言還處于完善過程中。 VHDL 是電子設(shè)計(jì)的主流硬件描述語言之一。 VHDL語言的中文全稱是 “超高速集成電路硬件描述語言 ”，英文全名是 VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit) Hardware Description Language，由美國國防部 (DOD)發(fā)起創(chuàng)建，于 1982年被研發(fā)出來。 1986年 3月， IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers) 致力于 VHDL的標(biāo)準(zhǔn)化工作， 同期成立了審查和完善 VHDL的標(biāo)準(zhǔn)化小組。1987年 12月， IEEE公布了 VHDL的第一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)版本 “IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 1076” (IEEE std 1076) 并宣布實(shí)施，從此， VHDL成為硬件描述 語言的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)之一。自 IEEE公布了VHDL的標(biāo)準(zhǔn)版本之后，各 EDA公司相繼推出了自己的 VHDL設(shè)計(jì)環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計(jì)工具支持 VHDL。此后 VHDL在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。 1993年， IEEE 對 VHDL進(jìn)行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴(kuò)展了 VHDL的內(nèi)容，公布了新版本的 VHDL，即 IEEE 10761993。現(xiàn)在，VHDL與 Verilog作為 IEEE 的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，又得到眾多 EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實(shí)上的通用硬件 描述語言。目前，最新 VHDL標(biāo)準(zhǔn)版本是 IEEE 10762020。 VHDL 語言的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 用來描述復(fù)雜系統(tǒng)， VHDL 描述本身就是硬件的設(shè)計(jì)文檔； EDA 領(lǐng)域的研究者以及軟件工具的開發(fā)商也利用 VHDL 進(jìn)行各種算法的研究和不同軟件工具的開發(fā)。 VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外， VHDL的語言形式、描述風(fēng)格與句法十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級語言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)或稱設(shè)計(jì)實(shí)體 (可以是一個元件，一個電路模塊或一 個系統(tǒng) )分成外部 (或稱可視部分及端口 )和內(nèi)部 (或稱不可視部分 )，以及涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成 工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 后，其它的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是 VHDL系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。與其它硬件描述語言相比，應(yīng)用 VHDL進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面： VHDL具有更強(qiáng)的行為描述能力，從而決定了它成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。強(qiáng)大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。 VHDL豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期就能查驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能可行性，隨時可對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬。 VHDL語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了它具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和已有設(shè)計(jì)的再利用功能。符合市場需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效、高速的完成必須有多人甚至多個組共同并行工作才能實(shí)現(xiàn)。 對于用 VHDL完成的一個確定的設(shè)計(jì)，可以利用 EDA工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動的把 VHDL描述設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成門級網(wǎng)表。 VHDL對設(shè)計(jì)的描述具有相對獨(dú)立性，設(shè)計(jì)者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必管最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)器件 是什么，而進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)。 、主要研究內(nèi)容 與目標(biāo) 、論文的研究目標(biāo) 論文針對數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于碼間串?dāng)_ (ISI)和信道加性噪聲的干擾，導(dǎo)致信號在接收端產(chǎn)生誤碼，設(shè)計(jì)了基于 LMS算法的自適應(yīng)均衡器 (濾波器 )，并通過硬件描述語言VHDL和現(xiàn)場可編程邏輯器件 FPGA實(shí)現(xiàn)均衡器的硬件實(shí)現(xiàn)。 在對自適應(yīng)濾波基本理論的研究過程中，論文重點(diǎn)分析了 有關(guān)自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)、最佳濾波準(zhǔn)則和各種自適應(yīng)算法，選擇了易于實(shí)現(xiàn)基于 LMS算法的橫向?yàn)V波器作為硬件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。在 MATLAB平臺上 對 LMS算法、 CMA算法以及 相應(yīng)改進(jìn) 形式的 算法 進(jìn)行 仿真 實(shí)驗(yàn) ，分析 影響 收斂性能 的相關(guān)參數(shù)，并確定均衡器的階數(shù)、字長、數(shù)制等參數(shù)，為 LMS