摘要：針對(duì)通信中的回波問(wèn)題，基于自適應(yīng)濾波的LMS算法，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)回波抵消器。并基于利用FPGA芯片，在DSP Builder平臺(tái)上，有效結(jié)合MatLab／Simulink和Quanus II設(shè)計(jì)工具，根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)了LMS算法自適應(yīng)回波抵消器硬件電路設(shè)計(jì)。軟件仿真和系統(tǒng)FPGA硬件實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法使回波抵消器的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)便快捷。
關(guān)鍵詞：DSP Builder；回波抵消器；FPGA
在數(shù)字通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中，不同程度的存在回波現(xiàn)象，影響了通信質(zhì)量。為了消除回波可以采用回波抵消器，它能估計(jì)回波路徑的特征參數(shù)，以產(chǎn)生一個(gè)估計(jì)的回波信號(hào)，然后從接收信號(hào)中減去該信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)回波抵消。而一般采用自適應(yīng)濾波器模擬回波路徑，可以跟蹤回波路徑的變化。
DSP Builder是Ahera公司推出的面向DSP開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)級(jí)工具，它作為Matlab的一個(gè)Simulink工具箱出現(xiàn)，使得用FPGA設(shè)計(jì)的DSP系統(tǒng)完全可以通過(guò)圖形化界面進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。
文中介紹以DSP Builder為平臺(tái)完成自適應(yīng)回波抵消器的FPGA電路設(shè)計(jì)，用FPGA驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的正確性和可靠性。
1 自適應(yīng)回波抵消器原理
自適應(yīng)回波抵消結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。
圖1中s(n)表示B信號(hào)；x’(n)表示A信號(hào)產(chǎn)生的回波；v(n)為近端環(huán)境噪聲；y’(n)是濾波器模擬的回波信號(hào)；e(n)是殘留回波信號(hào)或誤差信號(hào)。信號(hào)d(n)由B信號(hào)s(n)和回波x’(n)及噪聲組成，即d(n)=x’(n)+s(n)+v(n)。假定模擬回波信號(hào)估計(jì)為
式中，ωk(n)為自適應(yīng)濾波器的時(shí)變系數(shù)，從信號(hào)d(n)中減去模擬回波y’(n)信號(hào)后的殘留回波信號(hào)或誤差信號(hào)為
當(dāng)自適應(yīng)濾波器的單位脈沖響應(yīng)能很好地模擬回波通道的傳遞函數(shù)時(shí)，可以認(rèn)為時(shí)，從而有e(n)=s(n)+v(n)，這樣傳向遠(yuǎn)端的信號(hào)中不包括回波信號(hào)x’(n)，即回波被抵消。
其中，回波抵消器的主要部分自適應(yīng)濾波器所用算法選擇LMS算法，其迭代公式為
式中，X(n) =[X(n)，X(n-1)，X(n-2)，…，X(n-M+1)]T表示時(shí)刻n時(shí)的輸入信號(hào)矢量，由最近M個(gè)信號(hào)采樣值構(gòu)成，W(n)=[W0(n)，Wl(n)，…，WM-1(n)]T表示n時(shí)刻自適應(yīng)濾波器的系數(shù)矢量估值，μ是控制穩(wěn)定性和收斂速度的步長(zhǎng)參量。
2 FPGA硬件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)選用FPGA是Altera公司Cyclone系列的EPlCl2Q240C8。FPGA中I／O端口可自由定義，電路設(shè)計(jì)方便、編程靈活、不易受外部干擾。系統(tǒng)編譯環(huán)境采用QuartusⅡ，頂層設(shè)計(jì)為圖形化方式。芯片模塊劃分為分頻模塊、D／A轉(zhuǎn)換模塊和回波抵消器模塊。分頻模塊采用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，D／A轉(zhuǎn)換模塊采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，同波抵消器模塊用DSPBuilder軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2．1 分頻模塊設(shè)計(jì)
分頻模塊是將外部時(shí)鐘進(jìn)行分頻設(shè)定，得到系統(tǒng)內(nèi)部DA模塊和回波抵消器模塊所需要的時(shí)鐘。分頻模塊的外部時(shí)鐘輸入頻率為50 MHz，8分頻后產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率約為6 MHz。
2．2 回波抵消器模塊設(shè)計(jì)
該部分采用層次化的設(shè)計(jì)方法。利用DSP Builder模塊構(gòu)建自適應(yīng)算法部分，根據(jù)LMS算法迭代公式(4)和濾波器的估計(jì)輸出式(2)，建立加權(quán)分量模型。如圖2(a)所示。
在圖2(a)中，第i個(gè)延時(shí)單元的輸入信號(hào)為x(n)，延時(shí)后的輸出信號(hào)為x(n-1)，同時(shí)輸入信號(hào)x(n)產(chǎn)生一個(gè)乘積y’(n)=ω(n)x(n)，由于是濾波器的估計(jì)輸出是一系列權(quán)值分量與輸入矢量的各分量乘積之和。因此，除第一級(jí)外，后續(xù)單元必須加上前一級(jí)的加權(quán)單元的輸出。封裝后，則可以根據(jù)濾波器階數(shù)的不同而相應(yīng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)多級(jí)級(jí)聯(lián)。尤其是在構(gòu)造階數(shù)可變和階數(shù)較大的濾波器時(shí)更能顯出其靈活性。然后將封裝后的加權(quán)分量單元依照階數(shù)級(jí)聯(lián)，并再次封裝即構(gòu)成抵消器模塊。可運(yùn)用于頂層模型中。
在頂層系統(tǒng)模型中連接各子模塊，如圖2(b)所示，圖中兩個(gè)信號(hào)源sin2，sin1采用正弦信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，利用正弦查找表產(chǎn)生正弦波數(shù)據(jù)，函數(shù)調(diào)用格式為lOsin([0：2π／2∧4：2π])和5sin[0：2π／2∧6：2π]，其輸入地址分別為4位和6位，輸出為16位。Dixiaoqi模塊由圖2(a)級(jí)聯(lián)封裝得到，模塊Parallel to serial為并行／串行轉(zhuǎn)換器。
設(shè)計(jì)中，因語(yǔ)音信號(hào)頻率可以看作約為3．4 kHz，所以信號(hào)采樣頻率設(shè)為8 kHz，假設(shè)回波延遲2．5 ms(小于回波對(duì)聽(tīng)覺(jué)產(chǎn)生干擾的范圍20 ms)，考慮收斂速度和實(shí)現(xiàn)情況，步長(zhǎng)采用0．1，計(jì)算得出濾波器階數(shù)20。
2．3 D／A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)
利用Texas Instruments公司的D／A芯片TLC5620，并輔助使用4輸入與門(mén)SN74HC08M和運(yùn)算放大器LM358AM，構(gòu)建數(shù)模轉(zhuǎn)換器。TLC5620是8位電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，需5V外接電壓，有4個(gè)輸出端口可以選擇。利用擴(kuò)展插槽與FPGA連接，信號(hào)接119腳，時(shí)鐘由所編程序在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)73腳與TLC5620連接，控制信號(hào)通過(guò)63腳連接TLC5620。
3 DSP Builder仿真和FPGA驗(yàn)證
通過(guò)Simulink仿真得到波形，如圖3(a)所示，圖中第一行為返回A聽(tīng)筒的誤差e信號(hào)波形，第二行為輸入話筒的所有信號(hào)，即B信號(hào)與回波信號(hào)之和。由變化的波形可以看出，隨著自適應(yīng)濾波器的“學(xué)習(xí)”過(guò)程，回波逐漸被抵消。
利用ModelSim針對(duì)生成的RTL級(jí)VHDL代碼進(jìn)行功能仿真，設(shè)置信號(hào)為模擬形式，如圖3(b)所示，圖中為減去回波后的誤差信號(hào)，與Simu-link仿真結(jié)果一致。
使用ModelSim完成RTL級(jí)功能仿真，其仿真結(jié)果并不能精確反映電路的全部硬件特性，進(jìn)行門(mén)級(jí)的時(shí)序仿真仍然十分重要。在Quartus Ⅱ下編譯后進(jìn)行時(shí)序仿真，其仿真波形，如圖3(c)所示。
把回波抵消器模型轉(zhuǎn)化生成圖元文件，作為一個(gè)子模塊在頂層系統(tǒng)中調(diào)用。在QuartusⅡ環(huán)境下，調(diào)用各個(gè)子模塊，構(gòu)成完整的系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行編譯、仿真和引腳分配等工作。最后下載到FPGA芯片中，對(duì)硬件進(jìn)行測(cè)試，采用SignalTapⅡ?qū)嶋H測(cè)得的值如圖4所示，驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的正確性。
最后通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換電路接入示波器。觀測(cè)結(jié)果，如圖5(a)，圖5(b)所示，通過(guò)比較混合回波的信號(hào)和經(jīng)過(guò)抵消后得到的返回聽(tīng)筒的消除回波以后的信號(hào)，可以看出回波已基本消除，設(shè)計(jì)達(dá)到目的。通過(guò)測(cè)試，回波衰減率約為25 dB，基本達(dá)到ITUTG．167標(biāo)準(zhǔn)中回波衰減率至少20 dB的要求。
4 結(jié)束語(yǔ)
采用DSP Builder進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用圖形界面，用模塊化設(shè)計(jì)代替以往的VHDL語(yǔ)言編程，并綜合多種設(shè)計(jì)工具，便于研究者迅速地將算法級(jí)的構(gòu)思應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，從而可以專(zhuān)注于系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)，避免了繁瑣的語(yǔ)言編程和電路設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)速度，縮短設(shè)計(jì)周期，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)節(jié)約了研發(fā)時(shí)間。