頻譜任意可設(shè)的有色噪聲算法設(shè)計與實現(xiàn)

頻譜任意可設(shè)的色噪聲生成算法設(shè)計與實

現(xiàn)董海濤羅建劉義海(西北工業(yè)大學航海學院，陜西省西安市710072)摘要：設(shè)計頻譜任意可設(shè)的色噪聲生成算法及實現(xiàn)對實驗室半實物仿真實驗具有重要的應(yīng)用價值。本文基于Wiener最佳濾波器理論提出了一種色噪聲生成算法，并實現(xiàn)了基于MatlabGUI和TMS320F2812數(shù)字信號處理器芯片的嵌入式軟硬件平臺。驗證試驗表明：系統(tǒng)可實時輸出10kHz帶寬的設(shè)定頻譜結(jié)構(gòu)的色噪聲信號，輸出信號的統(tǒng)計頻譜特征與設(shè)定頻譜特征誤差不超過3dB，滿足實際應(yīng)用色噪聲的特殊要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵字：色噪聲；Wiener最優(yōu)濾波；嵌入式軟硬件平臺；實時系統(tǒng)引言環(huán)境噪聲是信道中的一種干擾背景場，它是影響科學試驗的重要因素之一。在科學研究或試驗測試過程中，需要給信號加入不同特性的噪聲來模擬實際環(huán)境背景，用以驗證算法或測試方法的性能。由于環(huán)境噪聲的復雜性，且通常情況下表現(xiàn)為色噪聲，所以用單純的白噪聲生成算法及其發(fā)生器［1-2］模擬環(huán)境噪聲不能滿足研究的需求。另外，對于某些特定試驗場景更需要具有一定頻譜結(jié)構(gòu)的色噪聲，這就需要研究可以進行頻譜特征設(shè)定的色噪聲生成算法及其發(fā)生器軟硬件系統(tǒng)。針對以上情況，本文基于自適應(yīng)信號處理和Wiener最佳濾波器技術(shù)提出了一種頻譜任意可變的色噪聲生成算法。為了能更好的驗證和使用模擬環(huán)境噪聲的時頻域特性，論文設(shè)計了可方便進行頻域設(shè)定的實時色噪聲發(fā)生器，并給出該色噪聲發(fā)生器的測試結(jié)果。1頻譜任意可設(shè)的色噪聲生成算法頻譜任意可設(shè)的色噪聲生成算法的基本思想是構(gòu)造線性系統(tǒng),使之具有與要求模擬的噪聲幅頻特性相同的頻率響應(yīng)H(o)，然后通過白噪聲激勵此系統(tǒng)產(chǎn)生功率譜為|H(o)卩的色噪聲信號。本文采用自適應(yīng)模擬技術(shù)［3］構(gòu)造特定頻率響應(yīng)濾波器傳遞函數(shù)H(O)［4-5］。為了使濾波器具有某一特定的頻率響應(yīng)，在濾波器所要求的頻段范圍內(nèi)選取若干個離散頻率fi,f2,…，f，使濾波器在這些離散的頻率點上能夠具有給定的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)?；镜脑O(shè)計思想M如圖1所示。假定輸入頻率為f,f,???，f的正弦波信號12MTOC\o"1-5"\h\zx二sin(2兀fn) i=1,2, M (1)ii則偽濾波器的輸出,即自適應(yīng)濾波器的期望響應(yīng)為d(n)=Xacsin(2兀fn+0) (2)iiiii=1其中，a和0分別為期望響應(yīng)d(n)在頻率f處的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)，c為正常數(shù)，是ii i i對頻率分量f的代價因子。i自適應(yīng)濾波器的輸入信號為x(n)=藝csin(2兀fn) (3)iii=1設(shè)自適應(yīng)FIR濾波器的權(quán)系數(shù)為?，則圖1中的自適應(yīng)濾波器的輸出信號y(n)=Xt(n)xw (4)其中，X(n)=[x(n),x(n—l),...x(n—L)]t，L為濾波器的階數(shù)。由Wiener-Hopf方程，該濾波器的最優(yōu)解為w=R—1P (5)optx其中，R為輸入信號的自相關(guān)矩陣，P為期望信號與輸入信號的互相關(guān)矩陣⑹。x米用LMS自適應(yīng)算法逼近wopte(n)=d(n)—y(n)=d(n)—XT(n)xw (6)w(n+1)=w(n)+2pe(n)X(n) (7)其中，“為步長因子，0＜卩＜1/tr(R)。當W收斂時，。x opt根據(jù)以上特定頻率響應(yīng)濾波器的設(shè)計思想，本文對濾波器的設(shè)計步驟如下：在濾波器所要求的頻段內(nèi)均勻抽取多個頻率，根據(jù)這些頻率上的設(shè)計指標按公式(2)得出偽濾波器的輸出，并給出自適應(yīng)濾波器的階數(shù)及代價函數(shù)的初值。由公式(4)求出設(shè)計濾波器的解。將設(shè)計出的濾波器的頻率響應(yīng)(幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng))與設(shè)計指標相比較，如果設(shè)計

的濾波器的頻率特性與設(shè)計指標相差較遠，則需要增加濾波器的階數(shù)；如果濾波器頻率響應(yīng)雖然在給定的離散頻率上滿足設(shè)計指標，但是在離散點之間振蕩得厲害，則應(yīng)減少濾波器的階數(shù)。重復步驟（2），最終得到一組最優(yōu)系數(shù)。J.偽濾波器■■設(shè)計指標1”自適應(yīng)FIR濾波器J.偽濾波器■■設(shè)計指標1”自適應(yīng)FIR濾波器Jd-+ye圖1特定頻率響應(yīng)濾波器設(shè)計框圖2算法的軟硬件實現(xiàn)色噪聲生成算法的軟硬件實現(xiàn)系統(tǒng)主要由任意頻譜結(jié)構(gòu)可設(shè)軟件、串行通信接口、算法數(shù)字處理模塊（DSP）以及模擬信號匹配輸出四部分組成。頻譜設(shè)定軟件基于MatlabGUI,可通過多種方法對信號頻譜特征進行設(shè)定、修改并生成一組特定頻率響應(yīng)濾波器系數(shù)，上位機通過RS-485通信接口將濾波器系數(shù)傳遞給DSP。算法數(shù)字處理模塊基于TMS320F2812數(shù)字信號處理器,根據(jù)接收到的實時參數(shù)生成具有設(shè)定頻譜特征的色噪聲序列,并經(jīng)信號輸出部分實時輸出信號。系統(tǒng)總體實現(xiàn)框圖如圖2所示。硬件平臺設(shè)計串行通信接口設(shè)計本文中通信接口主要用于向DSP傳遞生成的特定頻率響應(yīng)濾波器系數(shù)，沒有大量數(shù)據(jù)傳輸，因此為了簡化電路設(shè)計文中通信接口采用目前最常用的RS-485標準接口通信。MAX485是一種差分平衡型收發(fā)器，采用半雙工通信方式，內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器，驅(qū)動器有過載保護功能。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，連接時只需分別與TMS320F2812的SCIRXD和SCITXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當/RE為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)。接口電路如圖3所示。本文采用TI公司的高性能立體聲音頻編解碼芯片TLV320AIC23B實時輸出生成的色噪聲。TLV320AIC23B與TMS320F2812的接口由控制接口和數(shù)據(jù)接口兩部分組成。控制接口，用于設(shè)置TLV320AIC23B的工作參數(shù)，可選擇采用SPI或I2C接口，本文采用模擬SPI接口方式；數(shù)據(jù)接口，用于輸入/輸出TLV320AIC23B的A/D.D/A數(shù)據(jù)，一般采用IIS與DSP兩種模式，可方便的與TMS320F2812的McASP串口相連接。接口電路如圖4所示。2.2算法軟件實現(xiàn)GUI任意頻譜結(jié)構(gòu)設(shè)定軟件GUI任意頻譜結(jié)構(gòu)設(shè)定軟件基于MatlabGUI進行設(shè)計⑺，包含頻譜設(shè)定及修正、濾波器系數(shù)生成以及串口控制三個部分。頻譜設(shè)定有鼠標畫圖、經(jīng)驗公式、數(shù)據(jù)文件加載等設(shè)置方法，對初始設(shè)置的頻譜形狀可通過鼠標拖動的方式進行修正，使頻譜形狀更加接近實際情況。頻譜設(shè)定后，應(yīng)用特定頻率響應(yīng)濾波器的設(shè)計方法，計算出設(shè)定頻域形狀的濾波器系數(shù)，經(jīng)串行通信接口傳遞給DSP。該軟件還可以控制DSP實時輸出色噪聲。嵌入式軟件設(shè)計算法軟件實現(xiàn)以TMS320F2812為平臺進行軟件編程。主要包括白噪聲信號的產(chǎn)生、設(shè)定頻譜形狀色噪聲信號的產(chǎn)生、串口通信、以及色噪聲的實時輸出等。本文首先利用混沌映射［8］產(chǎn)生隨機數(shù)的方法［9］得到偽隨機序列，進而采用公式法生成均勻分布的高斯白噪聲序。為了保證實時輸出設(shè)定頻譜的色噪聲信號，需要對噪聲生成算法充分優(yōu)化。本文一方面采用查表法，以適當降低部分函數(shù)運算精度來提高程序的運算速度［10］。另一方面，通過采用模塊化數(shù)據(jù)管理，規(guī)范緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存儲及讀取流程，減少了程序占用機器周期從而提高程序的運算速度。DSP程序流程圖如圖5所示。

本文對設(shè)計的嵌入式軟硬件平臺進行了實驗，測試流程圖如圖6所示。GUI任意頻譜結(jié)構(gòu)設(shè)定軟件設(shè)定輸出色噪聲頻譜特征，求出最優(yōu)濾波器參數(shù)并將生成的濾波器系數(shù)傳送至硬件平臺，硬件平臺實時輸出設(shè)定頻譜特征的色噪聲信號，經(jīng)CoCo-80手持式振動噪聲分析儀連續(xù)采集輸出噪聲信號并導入計算機，使用Matlab軟件分析實時輸出信號頻譜特征，得到實測信號50次統(tǒng)計平均功率譜圖。GUI頻譜設(shè)定界面圖如圖7所示，實測信號50次統(tǒng)計平均功率譜圖如圖8所示。圖7GUI圖7GUI頻譜設(shè)定界面圖經(jīng)過測試，DSP能實時穩(wěn)定輸出10kHz帶寬的色噪聲信號。從圖9中可以看出，輸出的色噪聲統(tǒng)計頻域特征與設(shè)定頻域特征誤差不超過3dB。4總結(jié)本文通過自適應(yīng)信號處理技術(shù)設(shè)計Wiener最佳濾波器，給出了一種色噪聲信號生成算法，并設(shè)計了該算法實現(xiàn)的嵌入式軟硬件平臺。實驗和測試結(jié)果表明，給出的算法對色噪聲的有效模擬是可行的，算法實現(xiàn)的系統(tǒng)平臺可直接應(yīng)用于模擬實際環(huán)境背景，能夠滿足實際應(yīng)用色噪聲的特殊要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。頻譜設(shè)定軟件操作簡單且具有很強的可擴展性，可以Matlab為基礎(chǔ)集成多種信號處理算法，針對不同領(lǐng)域、不同環(huán)境選擇不同的信號處理算法，從而在該環(huán)境下得到穩(wěn)定的噪聲輸出。參考文獻：趙向陽，劉君華，朱長純.用Logist方程產(chǎn)生白噪聲[J].儀器儀表學報，2004.2,25(1):90-93.侯祥永,經(jīng)亞枝.基于Logist方程和Labview的虛擬白噪聲發(fā)生器的設(shè)計[J].儀器儀表用戶，2004.4，05:25-27.張朝柱等編著.自適應(yīng)信號處理技術(shù)[M].北京理工大學出版社?北京:2008.1.鄢社鋒，馬遠良，倪晉平，張忠兵.特定頻率響應(yīng)FIR濾波器的設(shè)計及其在水聲中的應(yīng)用[J].應(yīng)用聲學,2003,22(2):30?34.C.H.Knapp，G.C.Carter.Thegeneralizedcorrelationmethodforestimationoftimedelay[J].IEEETrans.ASSP，1976，24(4)：138?144.張賢達編著.現(xiàn)代信號處理[M].清華大學出版社?北京：2002.10.羅華飛編著.MatlabGUI設(shè)計學習手記[M].北京航天航空大學出版社.北京:2011.2.韓燕敏，郭利.基于組合混沌映射的無窮維偽隨機數(shù)發(fā)生方法[J].統(tǒng)計與決策，2010.