徐成節(jié)

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

一種自適應(yīng)增強(qiáng)譜線算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐成節(jié)

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

自適應(yīng)譜線增強(qiáng)(ALE)算法能夠提高高動(dòng)態(tài)、低信噪比信號(hào)的載波頻率估計(jì)精度。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中該算法消耗硬件資源多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用效率低等問(wèn)題,提出了結(jié)合可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)優(yōu)化的ALE算法結(jié)構(gòu)方法,簡(jiǎn)化了ALE硬件電路。設(shè)計(jì)結(jié)果表明,改進(jìn)ALE方法后,可實(shí)現(xiàn)信噪比為0～20 dBHz、最大多普勒動(dòng)態(tài)為800 Hz/s的測(cè)控信號(hào)載波頻率準(zhǔn)確估計(jì)。

測(cè)控通信;信號(hào)載波捕獲;頻率估計(jì);自適應(yīng)譜線增強(qiáng);低信噪比;高動(dòng)態(tài)

1 引 言

深空測(cè)控通信中,信號(hào)載波捕獲是一個(gè)重要內(nèi)容。由于目標(biāo)距離遠(yuǎn),地面站接收信號(hào)十分微弱,接收信噪比非常低,接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)非常大(主要指接收信號(hào)的多普勒頻率變化率)。在工程中往往需要采用反映信號(hào)頻率高階變化的高階窄帶鎖相環(huán)進(jìn)行跟蹤鎖定,典型的應(yīng)用是采用三階鎖相環(huán)跟蹤頻率斜升信號(hào)。考慮到信噪比極低,鎖相環(huán)帶寬必須設(shè)計(jì)得很窄,以保證環(huán)路輸出信噪比,因此環(huán)路的捕獲帶也相應(yīng)較窄,而三階鎖相環(huán)在窄帶條件下,頻率斜率也需要預(yù)先捕獲,故在頻率捕獲階段需要同時(shí)將頻率和頻率斜率捕獲到一個(gè)較窄的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的方法是采用基于快速傅里葉變換(FFT)的測(cè)頻方法,但應(yīng)用FFT測(cè)頻時(shí),往往需要信號(hào)頻率在采樣期間保持不變或者較小范圍內(nèi)變化,這和信號(hào)頻率的高動(dòng)態(tài)相矛盾,因此FFT等傳統(tǒng)的測(cè)頻方法在高動(dòng)態(tài)信號(hào)頻率估計(jì)中的應(yīng)用有很大的局限性。

自適應(yīng)譜線增強(qiáng)器(ALE)是一種具有自我調(diào)整和增強(qiáng)能力的自適應(yīng)特殊濾波器,可根據(jù)輸入信號(hào)和自適應(yīng)譜線增強(qiáng)信號(hào)誤差進(jìn)行調(diào)整 ,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)噪聲的自適應(yīng)對(duì)消和信號(hào)增強(qiáng)濾波。在高動(dòng)態(tài)低信噪比下使用ALE后再進(jìn)行FFT頻譜分析,能夠解決高動(dòng)態(tài)的多普勒要求FFT的分析帶寬大、兩者相互制約的矛盾。文中結(jié)合深空測(cè)控工程需求,進(jìn)行了Matlab仿真,提出了一種適用于低信噪比、高動(dòng)態(tài)的信號(hào)頻率估計(jì)的改進(jìn)ALE算法,從硬件設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇、數(shù)據(jù)處理、流水線結(jié)構(gòu)處理等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析,并在深空探測(cè)工程中得到了有效的應(yīng)用。

2 ALE原理

ALE自適應(yīng)譜線增強(qiáng)濾波設(shè)計(jì)中,沒(méi)有外部參考信號(hào),是利用延遲一段時(shí)間后窄帶信號(hào)的相關(guān)函數(shù)會(huì)顯著地強(qiáng)于寬帶噪聲這一特征,將輸入信號(hào)接入具有固定延遲的延遲線作為參考信號(hào)。參考信號(hào)的寬帶噪聲和原始輸入的寬帶噪聲相關(guān)性就會(huì)迅速減弱,而窄帶周期信號(hào)的相關(guān)性不會(huì)受到影響。ALE自適應(yīng)濾波會(huì)有一個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程,學(xué)習(xí)過(guò)程就是誤差信號(hào)趨于不斷減小的過(guò)程。當(dāng)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,濾波器輸出是原窄帶周期信號(hào)和一個(gè)隨機(jī)的誤差,其誤差可以通過(guò)選取合適的步長(zhǎng)因子而達(dá)到很小的振幅。ALE在FPGA中實(shí)現(xiàn)的原理圖[1]如圖1所示。

圖1 ALE原理框圖Fig.1 Theory structural block diagram of ALE

圖1中,ALE自適應(yīng)譜線增強(qiáng)濾波設(shè)計(jì)輸入信號(hào)為

式中,sk為載波信號(hào),nk為高斯白噪聲。

ALE自適應(yīng)譜線增強(qiáng)濾波設(shè)計(jì)輸出信號(hào)為

輸出一步誤差信號(hào)為

一步權(quán)系數(shù)更新矢量為

式中,s+n是信號(hào)和噪聲能量之和;u為收斂因子或稱(chēng)迭代步長(zhǎng),是控制ALE收斂速度和穩(wěn)定性的收斂參數(shù);L+1為ALE自適應(yīng)濾波器的階數(shù)[2-4]。

3 ALE算法硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 ALE流水結(jié)構(gòu)

ALE自適應(yīng)譜線增強(qiáng)算法核心部分是流水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),也是硬件設(shè)計(jì)難點(diǎn)。用FPGA實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理并不像DSP中那樣簡(jiǎn)單,需要考慮時(shí)序同步、數(shù)據(jù)寬度、小數(shù)問(wèn)題以及如何有效位舍入。根據(jù)深空測(cè)控需求,該設(shè)計(jì)采用128階自適應(yīng)濾波器實(shí)現(xiàn)ALE,濾波器初始權(quán)系數(shù)全部為0,按照式(4)的算法進(jìn)行迭代更新,算法實(shí)現(xiàn)中用到大量乘法運(yùn)算。乘法運(yùn)算的12位數(shù)據(jù),權(quán)系數(shù)采樣12位小數(shù),二進(jìn)制數(shù)相乘得到的結(jié)果是1個(gè)24位二進(jìn)制數(shù)。為了提高自適應(yīng)濾波速度,設(shè)計(jì)中采用流水線的濾波器結(jié)構(gòu)。流水線結(jié)構(gòu)能夠顯著地提高處理的速度,但是要消耗更多的硬件資源,特別是硬件乘法器,如果ALE濾波器的長(zhǎng)為L(zhǎng),則需要2L個(gè)通用乘法器(由于收斂因子u選用固定的,可以用移位方式處理,節(jié)約了L個(gè)乘法器)。ALE算法硬件實(shí)現(xiàn)的流水線結(jié)構(gòu)框圖[5]如圖2所示。

圖2 ALE硬件實(shí)現(xiàn)的流水結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The parallel and serial structural diagram of ALE in FPGA

3.2 ALE硬件應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)

根據(jù)上述ALE自適應(yīng)譜線增強(qiáng)算法流水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),需要解決好下列幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

(1)迭代步長(zhǎng)u

用于控制收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差。u值大,收斂快,但收斂后的穩(wěn)態(tài)誤差大;u值小,收斂慢,但收斂后的穩(wěn)態(tài)誤差小。因此,需要確定合適的 u值。本設(shè)計(jì)根據(jù)公式(5)和深空測(cè)控工程情況,輸入信噪比小于20 dBHz情況下,要求收斂后誤差小,結(jié)合Matlab軟件仿真和硬件實(shí)際實(shí)現(xiàn)效果選用 u=2-28,硬件設(shè)計(jì)中選用移位寄存器實(shí)現(xiàn)。

(2)權(quán)向量長(zhǎng)度L

增加長(zhǎng)度,ALE算法收斂性能會(huì)得到提高,但增大了計(jì)算量且硬件實(shí)現(xiàn)難度越大;減小長(zhǎng)度,收斂變慢,甚至算法無(wú)法收斂。因此,需要確定合適的權(quán)長(zhǎng)。如圖2中L+1階自適應(yīng)濾波器需要2L+2個(gè)乘法器,如128階就需要256個(gè)乘法處理器。

(3)乘法器處理

在ALE前進(jìn)行低通濾波,降低了數(shù)據(jù)速率,如低通濾波器帶寬為20 kHz,ALE流水鐘采用120 MHz,128階ALE可以采樣256個(gè)串行乘法器,可以大大節(jié)約乘法器面積,256個(gè)乘法器只需要一個(gè)乘法器面積分時(shí)使用。

(4)小數(shù)處理

在FPGA中不支持浮點(diǎn)運(yùn)算,ALE運(yùn)算中,迭代步長(zhǎng)很小,自適應(yīng)濾波器中必然涉及小數(shù)處理。在硬件設(shè)計(jì)中將小數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)處理,做加法時(shí),小數(shù)要對(duì)齊處理,乘法時(shí)要注意小數(shù)點(diǎn)的位數(shù)[6]。

(5)數(shù)據(jù)精度處理

在本設(shè)計(jì)中,由于迭代步長(zhǎng)很小,必需保留中間數(shù)據(jù)的有效位數(shù),如果太長(zhǎng)不利于整體設(shè)計(jì),從而在不影響ALE效果前提下,保留有效的位數(shù)非常重要。在做乘法和加法后,都需要進(jìn)行有效的截取,在不斷試驗(yàn)中,確保每一步信號(hào)截取的位數(shù)。

(6)時(shí)序處理

本設(shè)計(jì)采用流水線處理,在不影響信號(hào)流程情況下部分采用串并結(jié)合的方式處理。通過(guò)不斷的仿真和試驗(yàn),確保每一狀態(tài)的時(shí)序,從而保證整個(gè)時(shí)序的完整可靠。

3.3 權(quán)系數(shù)更新設(shè)計(jì)

令u=2-28,可以將式(5)優(yōu)化處理為

由式(6)可以看出,迭代步長(zhǎng)處理由兩個(gè)移位寄存器就可以處理,乘法器可以同上采用串行處理,節(jié)約硬件資源,一步權(quán)系數(shù)更新如圖3所示。

圖3 權(quán)系數(shù)更新硬件設(shè)計(jì)Fig.3 The design diagram of wkin FPGA

4 系統(tǒng)建模和硬件實(shí)驗(yàn)

4.1 載波捕獲原理

載波捕獲主要功能是完成信號(hào)的頻率捕獲,主要由AD采樣、載波混頻、低通濾波、載波鑒相、自適應(yīng)增強(qiáng)器、FFT運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等構(gòu)成,其原理框圖如圖4所示。

圖4 載波捕獲原理框圖Fig.2 The theory structural diagram of the carrier capture

輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)AD采樣后進(jìn)行混頻,混頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后送到鑒相單元,得到鑒相誤差。鑒相誤差在一定的線性范圍內(nèi)具有正弦信號(hào)的特征。鑒相誤差通過(guò)自適應(yīng)譜線增強(qiáng)器,再進(jìn)行FFT運(yùn)算分析可以得到載波頻率偏差的信息,從而完成載波捕獲。針對(duì)載波多普勒和動(dòng)態(tài)范圍可以進(jìn)行多路并行處理,從而快速完成載波多普勒頻率和動(dòng)態(tài)捕獲。

4.2 硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果

如圖 4,LPF帶寬為 20 kHz,掃描速率為800 Hz/s,鑒相后頻率誤差為2 kHz;ALE階數(shù)為128階,迭代步長(zhǎng) u=2-28;AD信號(hào)輸入的信噪比分別為10 dBHz、20 dBHz;圖5～6為鑒相后直接進(jìn)行FFT和經(jīng)過(guò)ALE再進(jìn)行FFT,兩者輸出信噪比的對(duì)比。

從硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明,低信噪比高動(dòng)態(tài)情況下,ALE后信號(hào)噪聲明顯得到了對(duì)消,從圖5可以看出,AD信號(hào)輸入的信號(hào) S/φ=10 dBHz,多普勒為800 Hz/s,信號(hào)幅度不變情況下,ALE后信號(hào)噪聲下降了3.5 dB,信噪比也提高了3.5 dB;從圖6可以看出,AD信號(hào)輸入的信號(hào) S/φ=20 dBHz,多普勒為800 Hz/s,信號(hào)幅度不變情況下,ALE后信號(hào)噪聲下降了8.5 dB,信噪比也提高了8.5 dB;ALE后FFT比直接FFT的信噪比得到了明顯的提高,載波捕獲概率都得到了有效的提高。

圖5 S/φ=10 dBHz,直接FFT和ALE后FFT輸出信噪比對(duì)比Fig.5 The BER comparison between FFT and FFT after ALE when S/φ=10 dBHz

圖6 S/φ=20 dBHz,直接FFT和ALE后FFT輸出信噪比對(duì)比Fig.6 The BER comparison betwwen FFT and FFT after ALE when S/φ=20 dBHz

5 結(jié)束語(yǔ)

ALE算法的設(shè)計(jì)和研究過(guò)程比較復(fù)雜,本文根據(jù)深空測(cè)控低信噪比實(shí)際需求,主要針對(duì)ALE部分進(jìn)行了系統(tǒng)仿真和建模,在FPGA中優(yōu)化設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了128階ALE算法,有效地完成了 S/φ為0～20 dBHz、最大多普勒動(dòng)態(tài)為800 Hz/s的載波頻率精確捕獲。硬件實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果表明,ALE算法在低信噪比、高動(dòng)態(tài)情況下能夠有效提高信噪比,但該算法在極低信號(hào)噪聲對(duì)消能力上還有待進(jìn)一步提高和研究。

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[5]李明陽(yáng),柏鵬.基于FPGA的自適應(yīng)譜線增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(10):118-121.

LI Ming-yang,BAI Peng.Design of Adaptive Line Enhancement System Based on FPGA Modern Electronics Technique[J].Modern Electronic Technology,2010,33(10):118-121.(in Chinese)

[6]金健,陳濤.采用FPGA實(shí)現(xiàn)基于LMS算法的自適應(yīng)均衡器的設(shè)計(jì)研究[J].航天電子技術(shù),2007(4):12-15.

JIN Jian,CHEN Tao.Design and Research of LMS Algorithm-Based Adaptive Equalizer with FPGA[J].Avionics Technology,2007(4):12-15.(in Chinese)

XU Cheng-jiewas born in Anqing,Anhui Province,in 1975.He is now an engineer with the M.S.degree.His research concerns space TT&C signal processing.

Email:xx-cj@163.com

Optimization Design and Implementation of Adaptive Line Enhancers

XU Cheng-jie
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

The arithmetic of adaptive line enhancers(ALE)can improve carrier frequency estimation accuracy of high dynamic signal with very low signal to noise ratio(SNR).However,the ALE structure is complex,and hardware resource is extensively consumed.To solve above problems,an optimized methed is proposed based on large-scale field programmable gate array(FPGA),which simplifies ALE circuits.It is proved that by the improved method,the carrier frequency of tracking telemetry and command(TT&C)signal can be accurately estimated under the condition of signal to noise power spectrum density ratio 0～20 dBHz and dynamic doppler rate 800 Hz/s.

TT&C;signal carrier capture;frequency estimation;ALE;low SNR;high dynamic

TN911.2

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.021

1001-893X(2012)06-0939-04

2011-12-26;

2012-04-24

徐成節(jié)(1975),男,安徽安慶人,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控信號(hào)處理。