【摘要】自适应滤波广泛地应用于通信、控制、雷达、声纳、地震和生物医学工程等领域。凡是需要处理未知统计环境下运算结果所产生的信号或需要处理非平稳信号时，自适应滤波器可提供一种有效的解决方法。本文研究了基于LMS迭代算法的自适应线谱增强器及其应用。
【关键词】自适应滤波;最小均方(LMS)算法;自适应线谱增强器; ALE相干累加算法
1、自适应线谱增强器
自适应线谱增强器(简称ALE)是自适应信号处理技术的一个重要应用，它最初由Widrow等人提出。ALE的主要功能是从宽带噪声中分离出窄带信号，它实际上是自适应抵消器的典型应用，其原理框图如下:
如图所示，ALE的核心部分是一个自适应噪声抵消器。设输入x(k)是由单频正弦信号s(k)和噪声n(k)组成，将输入x(k)延时后作为抵消器的参考输入。只要适当地选取延时使处理器上下两个通道的噪声去相关，而单频信号由于其周期性仍具有很好的相关性。自适应滤波器通过形成一个中心频率为单频正弦频率的窄带滤波器，使得延时通道输入中的噪声分量被抑制而正弦信号分量被增强，从而在求差过程中使直接输入通道与y(k)中的信号分量相抵消，输出的残差噪声功率最小。
2、用自相干累加算法改进ALE的性能
采用LMS算法的横向滤波器结构的线谱增强器，由于存在着迭代噪声，因而其处理增益在输入信噪比很低时，ALE的性能很差。而且迭代噪声是随自适应权个数的增加而增大的，因而权个数不宜太多，故ALE的增益受到限。可以证明ALE的延时线和自适应滤波器等效于2π整数倍的相移器，因而我们可以利用相干累加技术来改进ALE的性能。其原理框图如图2所示
图2中右边部分为相干累加器。相干累加器像是一个一阶递归滤波器，β为常数，通常取0<β<1来保证系统的收敛性。其中的延时线 和横向滤波器W(K)是ALE的实时拷贝。对信号而言，他们是2π整数倍的相移器，因而在累加过程中，信号分量将同相相加，而干扰分量仅是能量相加。因此系统将取得显著的处理增益。
基本计算公式如下:
3、双输入端自适应线谱增强器
为了进行矢量信号处理，把自适应线谱增强器改进为双输入端自适应线谱增强器。如图3所示。
它的计算公式如下:
双输入端自适应线谱增强器可以联合处理矢量水听器的声压和振速信号，是信号处理领域的一个新的方向。快速收敛自适应线谱增强器由于收敛速度快，可以处理短脉冲信号和需要快速学习达到稳定状态的情况。它的信号处理能力要比单输入端自适应线谱增强器强。
4、双端自适应线谱增强器仿真
仿真过程如下：程序开始运行时，先要为自适应线谱增强器的各主要参数设初值；各参数值选定后，计算机开始读取相关的数据，这里由于采用了双输入端，因而需要读取两路数据；数据读取完毕，进行各步计算，首先要计算各点的输出，然后计算出误差；接下来需迭代更新权值；下一步要检查程序是否读到数据尾：如果已读到数据尾，则结束程序的运行；如果程序尚未读到数据尾，则返回程序前部重新进行两路数据的读取及下面各步。
1.仿真参数：CW脉冲长度30ms；信噪比-5dB；权个数64；自适应步长0.0003
(1) 输入信号波形图 (2) 输入信号频谱图
(3) 输出信号波形图(4) 输出信号频谱图
2.仿真参数：CW脉冲长度30ms；信噪比5dB；权个数64；自适应步长0.0003
(1) 输入信号波形图(2) 输入信号频谱图
(3) 输出信号波形图(4) 输出信号频谱图
结 论
理论分析表明，自适应线谱增强器具有良好的工作性能，是一种极为有效的信号处理系统。其优势包括以下几个方面：
(1)自适应线谱增强器具有自动调节自身参数的能力，不要求噪声和信号的先验信息，这就为实际应用提供了很大的方便。
(2)自适应线谱增强器具有通带宽度窄、通带中心频率可变、通带宽度可控等优点。
(3)利用自适应线谱增强器进行信号处理，使系统的输出信噪比得到了明显的提高，改善了信号的波形，并使噪声得到了进一步的抑制。
通过对改进的自适应线谱增强器的仿真分析表明，进行改进后的系统，较好地解决了迭代噪声和权噪声的影响所造成的系统处理增益不理想的问题，系统处理增益明显高于原有系统。
推荐访问： 声纳 滤波 自适应 信号处理
