[发明专利]一种基于FPGA的高速Delay-FxLMS滤波器设计方法

说明书

本发明请求保护一种基于FPGA的高速Delay‑FxLMS滤波器设计方法。主要包括三个部分：(1)DF‑DFxLMS滤波器设计(2)TF‑RDFxLMS滤波器设计(3)HS‑TF‑RDFxLMS滤波器设计。本发明的创新点在于采用延时分解算法来解决时延量增加和输出滞后导致滤波器收敛性下降问题，然后对自适应滤波模块和次级路径模块进行转置操作进一步减小关键路径来提高系统的时钟速度，通过优化电路子模块来减小整个电路寄存器数量；最后在关键路径不变前提下，采用硬件共享思想实现TF‑RDFxLMS滤波器的面积/速度权衡。实验结果表明，该文提出的算法收敛速度是DFxLMS算法的3.5倍,关键路径缩短了其HS‑TF‑RDFxLMS滤波器时钟速度相比于TF‑RDFxLMS滤波器降低了4％，但LUT和FF的资源分别节约了10％和28％。

技术领域

本发明属于数字信号处理领域，对自适应滤波器进行算法和硬件结构进行优化，研究易于硬件实现的自适应滤波算法，提出了一种基于FPGA的高速Delay-FxLMS滤波器设计方法。

背景技术

目前，有源噪声控制(Active Noise Control,ANC)系统中使用最流行的自适应算法是滤波-X最小均方(Filtered-X Least Mean Square，FxLMS)算法，FxLMS算法因物理机理明晰、运算量小、实现简单成为有源噪声控制中的“基准”算法而被广泛应用。ANC系统的核心是自适应算法和自适应滤波器，自适应滤波器在系统识别、逆建模、线性预测以及干扰对消领域具有广泛的应用。随着集成电路技术的发展，传统靠软件实现的算法通常不能满足所需的处理速度，FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)因其功能强大设计灵活广泛应用于在语音信号处理、网络通信、音视频处理以及密码等领域。

现有主动噪声控制算法中，主要以MATLAB仿真阶段为主，且DFxLMS算法本身存在自适应延迟m过大和系统输出滞后的问题，从而导致算法收敛性下降。本发明侧重于对自适应滤波器进行算法和硬件结构优化，研究易于硬件实现的自适应滤波算法，从算法的角度出发，采用延时分解算法来解决自适应延迟过大和系统输出滞后问题；从硬件设计的角度出发，在算法收敛性不变的前提下减小关键路径，优化电路模块减小寄存器数量；采用硬件共享的思想实现滤波器面积和速度的平衡，因此提出了一种基于FPGA的高速Delay-FxLMS滤波器设计方法。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于FPGA的高速Delay-FxLMS滤波器设计方法。本发明的技术方案如下：

一种基于FPGA的高速Delay-FxLMS滤波器设计方法，其包括以下步骤：

首先进行DF-DFxLMS直接型延迟滤波-X最小均方算法滤波器设计，DF-DFxLMS滤波器用于音频主动降噪；然后进行TF-RDFxLMS转置型重定时滤波-X最小均方算法滤波器设计，TF-RDFxLMS滤波器用于高吞吐量实现音频主动降噪；最后进行HS-TF-RDFxLMS硬件共享转置形式重定时滤波-X最小均方算法滤波器设计，HS-TF-RDFxLMS滤波器用于低功耗和硬件复杂度实现音频主动降噪。

进一步的，所述DF-DFxLMS滤波器具体包括：

第一自适应滤波模块，用于实现用于实现N个权值系数与N个输入信号乘法运算，DF-DFxLMS滤波器迭代运算公式是y(n)＝X(n)W^T(n)；y(n)、X(n)、W(n)分别表示为自适应滤波器输出、输入参考信号、滤波器系数向量；

第一误差计算模块，用于实现输出信号与噪声信号减法运算，DF-DFxLMS滤波器误差计算迭代运算公式是e(n-m)＝d(n-m)-y_s(n-m)；e(n-m)、d(n-m)、y_s(n-m)分别表示延迟误差信号、延迟噪声信号、延迟输出信号；n、m分别表示变量、延迟量；