自适应实验报告.doc

实验一 时域自适应干扰抑制系统仿真验证实验原理FIR 滤波器考虑有M 个权系数（抽头）的横向滤波器（或称FIR 滤波器），如图1-1 所示。滤波器的输入为随机过程x(n) ，输出为 1.1其中，wi表示横向滤波器的权系数。图1-1 M 抽头的FIR 滤波器定义输入信号向量和权向量分别为 1.2 1.3则输出可表示为 1.4信号y(n) 平均功率可以表示为 1.5其中，矩阵为向量x(n) 的 M 维自相关矩阵。实验目的在MATLAB 中验证时域自适应干扰抑制算法（MVDR 算法）。实验内容编写MATLAB 程序，仿真验证时域自适应干扰抑制算法（MVDR 算法）。实验器材、工具MATLAB 软件实验步骤1. 系统结构依据以下的时域自适应干扰抑制系统的结构，编写MATLAB程序，对所设计的系统进行仿真验证。2. MATLAB 程序编写(1) 基带采样频率为400KHz，产生频率分别为0.1MHz和0.05MHz的两个单频信号，将其等幅叠加。(2) 将基带信号内插后，经DUC上变频，可得载频为10MHz的中频。信号。在中频信号上添加高斯白噪声，使得信噪比为15dB。(3) 将含噪声的中频信号进行DDC下变频，并将数据率降400Ksps，得基带信号。(4) 以频率为0.1MHz的单频信号作为期望信号，采用基于FIR滤波结构的MVDR算法，剔除干扰信号，获得期望信号。3. 程序仿真验证（1） 复基带信号功率谱（1） DUC 后实信号功率谱（2） DDC 后复基带信号功率谱（3） MVDR 滤波后信号的功率谱经时域MVDR滤波处理后，如图1-10所示，可发现0.05MHz处的单频信号被抑制掉了，而保留了0.1MHz处的期望信号。实验二 空域自适应干扰抑制和DOA 估计系统仿真验证实验原理1. 基于MVDR 算法的DBF 方法图2-1 空域滤波器原理如图2-1所示的空域滤波器（以均匀线阵为例），滤波器权向量 2.1空域滤波输出为 2.2采用与时域滤波器推导类似的原理，滤波器权向量w 应满足：（1） 约束，这是为了使方向上的信号无失真地通过滤波器。（2） 输出平均功率 P = w Rw 最小， 其，达到抑制其他方向的信号和噪声的目的。由此得权值求解的表达式 2.3最终可解得最优权值 2.42. 基于MUSIC 算法的信号DOA 估计方法当K个远场窄带信号从方向入射到M 阵元的阵列（以线阵为例）时，则阵列接收信号可表示为 2.5其中，为阵列接收数据向量，为方向矩阵，为空间信号向量，是白噪声向量。设各信号源间相互统计独立，则有 2.6其中pk为第k个信号的平均功率。自相关矩阵R 可表示为 2.7其中为高斯白噪声的均分差。天线阵列的阵元数MK时，有 2.8可得出矩阵APAH存在K 个正的特征值。对2.7式的自相关矩阵R 做特征值分解，并将特征值按单调非递增顺序排列，即，这些特征值对应的归一化特征向量分别是，其中和分别张成信号子空间Es和噪声子空间EN。定义矩阵 2.9可得到信号的空间MUSIC 谱 2.10Pmusic（）的K 个峰值位置，就是信号波达方向k的估计，其中k =1,2, K 。实验目的（1） 认识、熟悉常用的阵列接收信号模型。（2） 学习空域滤波自适应算法原理。（3） 学习空间谱估计方法。实验内容（1） 编写MATLAB程序，仿真均匀线阵的基于MVDR算法的DBF方法和基于MUSIC算法的信号DOA估计方法。（2） 编写MATLAB程序，仿真均匀圆阵的基于MVDR算法的DBF方法和基于MUSIC算法的信号DOA估计方法。实验器材、工具MATLAB软件实验步骤1. 系统结构依据以下的空域自适应干扰抑制和DOA估计系统结构，编写MATALAB程序，对所设计的系统进行仿真验证。图2-2 系统框图2. MATLAB 程序编写(1)基带采样频率为400KHz，产生频率分别为0.1MHz和0.05MHz的两个单频信号；(2) 考虑具有4个阵元的均匀线阵，两个单频信号的入射方向分别为0度和40度，在空间相位补偿单元分别对两个信号进行相位补偿，用于相位补偿的阵元间距与波长比为0.5，然后叠加，可得4个阵元的基带信号；(3) 将4个阵元的基带信号分别进行上变频，得4个载波频率为10MHz的中频信号。在中频信号上分别添加高斯白噪声，使得信噪比为15dB。(4) 将含噪声的4个中频信号分别进行DDC下变频，并将数据率降到400Ksps，得4个基带信号；(5) 以入射方向为0度的单频信号作为期望信号，采用MVDR波束形成算法，剔除干扰信号，获得期望信号；(6) 采用MUSIC算法估计两个单频信号的入射方向。(7) 考虑具有4个阵元的均匀圆阵，入射方位角和俯仰角自行设定，重复上述过程。3. 程序仿真验证3.1 4 阵元均匀线阵验证图2-3 均匀线阵单路信号DUC-DDC 变换后功率谱图2-3是频率分别为0.1MHz 和0.05MHz 的两个单频信号经DUC-DDC 变换后得到的接收端的复基带信号的功率谱。图2-4 均匀线阵空域滤波后输出信号功率谱空域滤波以入射方向为0 度的单频信号（0.1MHz 信号）作为期望信号，采用MVDR 波束形成算法，剔除干扰信号，获得期望信号。图2-4 所示，输出信号中保留了0 度的单频信号（0.1MHz 信号），而滤除了来波方向为40 度的0.05MHz 的单频信号。图2-5 均匀线阵空域MUSIC 谱图2-5所示为经DUC-DDC 处理后的4 路接收端信号合成的空域MUSUC 谱，2 个峰值分别在0 度与40 度处，与输入信号的入射方向一致，验证了基于MUSIC算法的信号DOA 估计方法的正确性。3.2 4 阵元均匀圆阵验证图2-6 均匀圆阵单路信号DUC-DDC 变换后功率谱图2-7 均匀圆阵空域滤波后输出信号功率谱均匀圆阵的两个输入信号，0.1MHz 的单频信号和0.05MHz 的单频信号分别从(45,0)和(60,90)入射。以(45,0) 方向的单频信号为期望信号，采用空域MVDR 算法进行滤波，剔除干扰，得对期望信号的估计。从图2-7可以看出，采用空域滤波算法把0.05MHz 的单频信号滤除掉了，保留了0.1MHz 的单频期望信号。实验三 4 阵元线阵发射通道数字处理实验原理本次试验介绍 4 通道数字处理实验平台的使用，学习使用 EDA 工具编写4发射通道数字处理程序，并把处理后的信号输出，经 D/A 转换后，在试验台的中频信号输出接口查看输出中频信号。实验目的（1） 熟悉软件无线电实验箱 MFSS6842 的使用。（2） 熟悉 EDA 编程工具 QuartusII 及仿真工具 Modelsim 的使用。（3） 学习数字上变频原理及实现。实验内容 （1） 学习软件无线电实验箱 MFSS6842 的使用。（2） 编写 4 阵元（模拟 4 阵元线阵）发射通道数字处理程序。（3） 验证数字上变频程序。实验器材、工具软件无线电实验箱 MFSS6842，EDA 编程软件 QuartusII，仿真工具 Modelsim， MATLAB 软件。实验步骤1.1 接口说明试验箱前面板的接口如图 3-1 所示 前面板有 9 个接口，实验中使用到的接口：1：10M 参考输出时钟接口，该接口输出频率为10MHz 的正弦波，设备在没有外部参考输入时钟的情况下，必须将该接口和 10M 参考输入时钟接口相连，设备才能正常工作。2：10MHz，10dBm 参考输入时钟接口，该接口是一个输入接口，为设备提 供工作时钟，如果该接口没有输入，则设备不能正常工作。当不使用外部参考时 钟时，可以将设备的 10M 参考输出时钟接口直接和 10M 参考输入时钟接口相连，如图 3-2 所示图3-2 参考时钟3：+5V 电源输入接口，该接口为设备提供工作电源。4：电源开关，当按下电源开关时，开关上的红色指示灯亮起，设备可以正 常工作。当再次按下电源开关的时，开关弹起，红色指示灯熄灭，此时设备关闭。8： FPGA JTAG 调试口,该接口用于实验平台中 FPGA 器件程序的下载。在计算机的 QUARTUSII 开发软件中编写好测试程序后通过该接口下载到实验平台中的 FPGA 器件中运行，并可以通过该接口对程序观察程序的运行状况。 试验箱后面板的接口如图 3-3 所示 实验中用到的接口：1-4：为 4 个独立的 DA 回放中频信号输出接口，该接口可以输出中频信号， 通过在实验平台中编写程序控制 4 个接口的输出信号。5-8：为 4 个独立的 AD 中频信号输入接口，通过在实验平台中编写程序可 以实现对输入中频信号实现 AD 采样，并对采集到的数字信号进行分析和处理。 1.2 设备连接说明（1） 设备在没有外部参考输入时钟的情况下，必须将 10M 参考输入时钟接 口和10M 参考输出时钟接口相连。（2）将电源适配器与设备的+5V 电源输入接口相连。在连接的过程中注意，应将接适配器接口的红色圆点与设备接口的红色圆点对齐，然后用手握住适配器接口的底部 ，用力将适配器接口推入，当听到“咔”声响后表示接口正确连接。在拔掉接口的连接时，用手握住适配器接口的顶部，用力向外拔出即可。（3）将 USB Blaster 下载线与设备的 FPGA JTAG 调试口相连，注意 FPGA JTAG 接口为 7 芯，连接时的操作方法与电源接口的操作方法一样。最终设备的连接如图 3-4所示，只需连接3处红色标记处。2 FPGA 程序编写 实验模拟 4 通道均匀线阵的发射端，系统整体架构如图3-5所示 图3-5 通道发射端系统架构在 FPGA 中，生成 4 路基带信号，经 DUC 变换后，输入 D/A 芯片转换为模拟中频输出。2.1 基带信号产生 图3-5所示的 4 通道的基带信号，是通过使用 4 组 ROM 分别存储基带信号经不同相位补偿后的数据实现的，具体实现过程如下： （1） 在 MATLAB 中以采样频率为 400KHz，产生频率分别为 0.1MHz 和 0.05MHz 的两个单频信号。对 4 个阵元均匀线阵，设两个单频信号的入射方向分别为 0 度和 40 度，分别对两个信号进行相位补偿，然后等幅叠加，可得 4 个通道的复基带信号。（2） 把复基带信号分实部和虚部分别存储到 ROM 中。这是通过把数据存储 到 ROM 的初始化“.mif”或“.hex”文件中，再在调用 ROM 的 IP 核设置中 实现的，总共需要 2*4=8 个 ROM 来存储 4 组基带数据。2.2 数字上变频基带信号经内插后，再滤波、混频即可得到上变频后的中频信号。 在本实验中，基带信号的采样率为 f s =0.4MHz ，两个基带信号频率分别是0.1MHz 和 0.05MHz，需要把信号加载到频率为 10MHz 的载波上去。我们选择 了内插的倍数 N = 64 ，即等效后的采样率（数据率）为 N f s= 25.6MHz 。但在 FPGA 实现中，直接实现 N =64 倍的内插后滤波，由于数字滤波器所需 的通带截止频率 fc 与阻带起始频率 fa 相对于等效后的采样率 25.6MHz 来说太小，根据 FIR 滤波器设计的所需的阶数公式。滤波其所需阶数很高（其中s 为滤波器纹波系数），实现耗用的资源非常多。所 以采用 4x4x4的分级内插、滤波的结构，以降低资源耗用，分级内插的结构如图 3-6 所示 4LPF1 4LPF2 4LPF3图3-6 分级内插结构数字上混频后得到载波为 10MHz 的中频实信号，两个单频信号的频率分别变为 10.05MHz 和 10.1MHz。 经 D/A 转换后输出为模拟中频信号， 可以在试验箱的中频输出端观察这两个中频信号。3. 程序验证为验证程序的正确性，可以把中频输出端接到示波器或频谱仪，查看输出信号的频率，两个单频信号应分别变为 10.1MHz 和 10.05MHz。 如没有示波器或频谱仪，可用上面采集的数据文件到MATLAB 中画频谱（功率谱）图验证。 得到基带信号上变频后的频谱图，如图 3-7 和图 3-8所示 上面两图所示，通道一的单频信号的频率分别上移到 10.05MHz 和 10.1MHz，为数字上变频的正确结果。 其它三个通道的功率谱应该也是一样的效果， 这就验证了程序的正确性。实验四 4 阵元线阵接收通道数字处理实验原理本次试验利用 4 通道的数字处理实验平台验证数字上变频与数字下变频的整个过程。数字上变频后的中频数字信号经 D/A 转换后输出为模拟中频信号，再将此中频信号经 A/D 转换后输入到 FPGA 中，进行数字下变频处理。采集下变频之后的数据进行 4 路信号空域 DOA 估计与单路信号时域滤波。实验目的（1） 熟悉软件无线电实验箱 MFSS6842 的使用。（2） 熟悉 EDA 编程工具 QuartusII 及仿真工具 Modelsim 的使用。（3） 学习数字下变频原理及实现。实验内容（1） 编写 4 阵元（模拟 4 阵元线阵）接收通道数字处理程序。（2） 验证数字上变频、下变频的整个数字处理程序。（3） 用下变频后采集的数据进行 4 路信号的空域 DOA 估计与单路信号时域滤波。实验器材、工具软件无线电实验箱 MFSS6842，EDA 编程软件 QuartusII，仿真工具 Modelsim， MATLAB 软件。实验步骤1. 实验平台本实验还是使用软件无线电实验箱 MFSS6842，试验箱的前面板的线路连接与实验三完全一致。需要注意的是，由于本次实验要做接收信号的数字下变频处理，需要使用到中频信号输入接口。要把4路中频信号输出接口与对应的4路中频信号输入接口相连，如图 4-1 所示图4-1 中频输出、输入连接2. FPGA 程序编写2.1 数字下变频数字处理程序的上变频程序就是实验三中的内容，只需再加入数字下变频部分的程序就可以了。数字下变频的基本原理如图4-2 所示 图4-2 数字下变频原理 中频信号经混频后滤波可得到目标信号的基带信号，再经抽取以降低数据的速率。实验中信号的中频为 10MHz，输入信号的采样率为 25.6MHz，其频谱示意图如图4-3 所示图4-3 输入中频信号频谱混频后信号的频谱如图 4-4 所示，可以直接设计一个低通滤波器，使得其通带截止频率 fc=0.1MHz ，阻带起始频率 fa= 5.5MHz ，滤波后进行 64 倍抽取得到数据率为 0.4Msps 的数字基带信号。图4-4 混频后信号频谱及滤波器设计在这里我们为了更好地理解一般通用的数字下变频结构，采用了 4x4x4 的分级滤抽取的结构，如图 4-5 所示LPF4 4LPF5 4LPF6 4图4-5 分级抽取结构3. 程序验证3.1 单路输出数据时域滤波复制“stp1_auto_signaltap_0.txt”到“duc_ddc_matlab5.FPGA 单路输出数据 时域滤波” 文件夹中，运行“main”文件，得到单路输出数据时域滤波的结果。实验中，以 0.1MHz 信号从 0方向入射，做目标信号；0.05MHz 信号从 40方向入射，做干扰信号。进行时域滤波时，滤除 0.05MHz 的单频干扰信号，而 保留 0.1MHz 的目标信号，注意观察数据处理的频谱变化图。下面图 4-6 和 图 4-7 都是第1路信号的数据处理的频谱变化图，在MATLAB 中修改相应位置的程序，可以改成其它3路信号的处理。 图4-6 下变频后信号功率谱 图4-7 时域滤波后信号频谱 3.2 4 路输出数据空域滤波与 DOA 估计复制“stp1_auto_signaltap_0.txt”到“duc_ddc_matlab 6.FPGA 输出数据空域滤波与 DOA 估计” 文件夹中，运行“main”文件，得到 4 路输出数据空域滤波的结果。实验中，以 0.1MHz 信号从 0方向入射，做目标信号； 0.05MHz 信号从 40方向入射，做干扰信号。进行空域滤波时，滤除 40方向的单频干扰信号，而保留 0方向的目标信号，注意观察数据处理的频谱变化图，与空域滤波器的方向图。由图 4-8 和图 4-9 的对比可以看出，空域滤波器滤除了频率为 0.5MHz 的单频干扰信号，而保留了 0.1MHz 处的目标信号。 图4-8 空域滤波前输入信号频谱 图4-9 空域滤波器后输出信号频谱图 4-10 是形成的空域滤波器的方向图，由此图可以看出，空域滤波器在干扰的入射角 40的位置形成零点（凹口），从而抑制了此方向入射的频率为 0.5MHz的干扰信号。 图4-10 空域滤波器方向图图 4-11 和图 4-12 是采用两种方法得到的输入信号的空域归一化 MUSIC 谱与MVDR 谱。从两图中都可以看出，两种方法对信号的入射角度都得到了较为精确的估计，估计出的信号入射角都在 0和 40附近，与实际信号的入射角相差不大。 图4-11 输入信号空域归一化 MUSIC 谱 图4-12 输入信号空域归一化 MVDR 谱