基于Zynq-7000的寬帶自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何宗苗，竇 源，鄭 風(fēng)

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院 特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010)

基于Zynq-7000的寬帶自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何宗苗，竇 源，鄭 風(fēng)

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院 特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010)

由于干擾噪聲常常是隨機(jī)變化和非平穩(wěn)的，傳統(tǒng)的濾波方法很難消除。針對(duì)這一問題，選用自適應(yīng)格型聯(lián)合算法(GAL-NLMS)。在Zynq-7000芯片PL部分實(shí)現(xiàn)了一個(gè)22階的GAL-NLMS算法，在芯片的PS部分實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和基于Qt的界面設(shè)計(jì)。處理速度達(dá)到175 Mbit/s，并在ZedBoard開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了寬帶自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)。用被噪聲干擾過的QPSK和16QAM調(diào)制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)有效。

非平穩(wěn)；自適應(yīng)；GAL-LMS；ZedBoard；噪聲抵消

對(duì)于寬帶自適應(yīng)噪聲干擾抵消系統(tǒng)，干擾噪聲在接收信號(hào)中的具體體現(xiàn)是無(wú)法確知的，傳統(tǒng)的濾波方法很難消除這種噪聲，因此使用自適應(yīng)濾波的方法。將同一干擾源發(fā)出的干擾信號(hào)作為濾波器的輸入，包含未知干擾的原始信號(hào)作為自適應(yīng)濾波器的參考信號(hào)。因此自適應(yīng)噪聲干擾抵消技術(shù)有著重要的應(yīng)用，比如數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)、天線陣的自適應(yīng)旁瓣抑制器、水下電子對(duì)抗問題、心電圖儀、調(diào)制信號(hào)辨識(shí)等應(yīng)用。

本文采用賽靈思的Zynq-7000 All Programmable SoC實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)格型聯(lián)合處理算法[1](GAL-NLMS)。這款芯片將ARM雙核Cortex-A9處理器(PS部分)與賽靈思28 nm FPGA可編程邏輯(PL部分)緊密地集成在一顆芯片上。ZedBoard是Zynq-7000處理器的一塊低成本開發(fā)板[2]，利用Xilinx[3]提供的ZedBoard開發(fā)板，實(shí)現(xiàn)了一套寬帶自適應(yīng)噪聲干擾抵消系統(tǒng)。

1 適應(yīng)格型聯(lián)合處理算法

由于干擾噪聲常常是隨機(jī)變化和非平穩(wěn)的，傳統(tǒng)的濾波方法很難消除，所以需要尋求收斂速度快、計(jì)算復(fù)雜性低、跟蹤性能好的自適應(yīng)格型聯(lián)合處理濾波算法(GAL-NLMS)。該算法的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 寬帶自適應(yīng)噪聲干擾抵消原理

噪聲干擾抵消原理如圖2所示，x(n)中不包括有用信號(hào)s(n)，只含有與N(n)相關(guān)的另一個(gè)噪聲N′(n)，d(n)中含有不相關(guān)噪聲N(n)和希望提取的有用信號(hào)s(n)。由噪聲抵消原理圖知，輸出信號(hào)y(n)為N′(n)的濾波信號(hào)。所以，噪聲抵消系統(tǒng)的輸出信號(hào)e(n)為

e(n)=s(n)+N(n)-y(n)

(1)

圖1 GAL-NLMS算法

圖2 噪聲干擾抵消原理

(2)

由于有用信號(hào)s(n)與N(n)，y(n)不相關(guān)，所以對(duì)式(2)兩邊取數(shù)學(xué)期望可以得到

(3)

3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

Zynq-7000分為PL與PS兩部分，GAL-NLMS算法[4-6]分別在PL與PS上實(shí)現(xiàn)，在PL上實(shí)現(xiàn)GAL，在PS上實(shí)現(xiàn)NLMS，Qt界面和驅(qū)動(dòng)程序。采用PS部分的AXI-GP0作為控制鏈路，AXI_HP0接口作為數(shù)據(jù)通道，來(lái)配置PL部分的AXI_DMA模塊。Qt界面用于顯示結(jié)果并接受用戶輸入數(shù)據(jù)。PS部分安裝了鍵盤和鼠標(biāo)，HDMI高清接口用來(lái)顯示用戶圖形界面，SD卡存儲(chǔ)應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

3.1 PL上的硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 GAL-NLMS在PL上的設(shè)計(jì)

經(jīng)過仿真，采用16 bit來(lái)量化輸入輸出的實(shí)部和虛部是足夠的。16 bit的最高bit是符號(hào)位，低15 bit是數(shù)據(jù)位。確定了輸入的位寬為實(shí)部和虛部各16 bit，就要想辦法讓輸入數(shù)據(jù)適應(yīng)這個(gè)位寬。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

首先對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，除以各數(shù)中最大的絕對(duì)值，使輸入全部變成小于1的數(shù)，然后乘以215，再用MATLAB轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼，輸入給FPGA。GAL-NLMS算法由GAL部分和NLMS構(gòu)成：一階的GAL，消耗7個(gè)DSP48E1；一階的NLMS消耗3個(gè)DSP48E1。Zynq-7000總共只有220個(gè)DSP48E1。得知算法極限在22階，22階的GAL-NLMS綜合一下，最高頻率達(dá)到175 MHz，資源使用情況如表1所示。

表1 22階GAL-NLMS算法資源占用情況

3.1.2 AXI-Stream IP設(shè)計(jì)

將設(shè)計(jì)好的GAL-NLMS算法進(jìn)行IP封裝并支持AXI-Stream傳輸。AXI總線是PS與PL兩者之間最方便快捷的通信手段。AXI-Stream是一種連續(xù)傳輸?shù)慕涌诩夹g(shù)，速度非常快，而且不需要地址線。這類IP不能通過內(nèi)存映射方式控制，必須有一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置，可以通過AXI-DMA模塊[7]來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射到流式接口的轉(zhuǎn)換。把SD卡的信號(hào)傳輸?shù)紻DR2內(nèi)存，傳輸數(shù)據(jù)到自定義IP，處理結(jié)果仍傳回DDR2中，交給主機(jī)顯示。與DDR2的通信需要借助AXI-HP物理接口，PL部分為master，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)搬移。在Xilinx XPS開發(fā)工具中，選擇AXI-Stream接口[8]，利用向?qū)捎脩糇远xIP，并命名為my stream ip。

3.1.3 算法與總線模塊封裝

在AXI_Stream IP的開發(fā)基礎(chǔ)上，對(duì)GAL-NLMS算法進(jìn)行了整合，設(shè)計(jì)的IP包含主機(jī)與從機(jī)2個(gè)接口，首先通過從機(jī)接口獲得PS部分傳過來(lái)的輸入數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行GAL-NLMS處理，然后按照Stream總線協(xié)議依次將處理結(jié)果通過主機(jī)接口傳回PS部分的DDR2存儲(chǔ)空間中。

為了便于流水線操作，各階次對(duì)輸入做了7clk的FIFO，每次計(jì)算時(shí)從FIFO末端取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。為了使硬件達(dá)到最高吞吐率，輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)組織為每7個(gè)點(diǎn)一組，依次輸入，當(dāng)最后一個(gè)點(diǎn)進(jìn)入FIFO時(shí)，第一個(gè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果已在輸出端有效，可以取出緩存，最后通過總線一起傳回PS。

但是每塊輸入數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)，由于第一階輸入采用寄存器類型，如果沒有恰當(dāng)?shù)拇胧┛刂疲敲碐AL-NLMS模塊將一直運(yùn)行，對(duì)該輸入寄存器中存儲(chǔ)的最后一個(gè)樣值連續(xù)重復(fù)采樣，無(wú)形中相當(dāng)于增加了輸入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，破壞了輸入數(shù)據(jù)的連續(xù)性，導(dǎo)致后面一組輸入數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，前面的錯(cuò)誤計(jì)算結(jié)果會(huì)引入后一組計(jì)算中，導(dǎo)致誤差傳播，以致結(jié)果完全錯(cuò)誤。解決方法是在每次從機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行流水線更新操作；而空閑時(shí)，流水線處于靜默狀態(tài)，并停止其clk信號(hào)。這樣做的另一個(gè)好處是DSP48E1模塊在數(shù)據(jù)到來(lái)之前不運(yùn)行，降低了系統(tǒng)功耗。下面是my_stream_ip功能仿真波形圖如圖4所示。

圖4 my_stream_ip功能仿真波形圖(截圖)

3.2 PS上的軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 驅(qū)動(dòng)程序文件接口

硬件部分需要通過本小節(jié)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成初始化和數(shù)據(jù)輸入輸出操作。驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒂布橄鬄槲募瑧?yīng)用程序需要訪問時(shí)，只考慮文件的打開、關(guān)閉、讀寫等操作，并不關(guān)心具體實(shí)現(xiàn)，這樣便于操作系統(tǒng)管理設(shè)備，加載驅(qū)動(dòng)與卸載驅(qū)動(dòng)可以動(dòng)態(tài)進(jìn)行而不需要重新啟動(dòng)內(nèi)核。Linux驅(qū)動(dòng)程序[9]也是以模塊的方式組織的。在終端下執(zhí)行insmod時(shí)自動(dòng)調(diào)用模塊初始化函數(shù)，而執(zhí)行rmmod時(shí)自動(dòng)調(diào)用模塊退出函數(shù)。只有上面這兩個(gè)函數(shù)，只能完成硬件初始化操作，其他的工作都做不了。應(yīng)該為上層應(yīng)用程序提供文件接口，文件讀寫接口函數(shù)聲明如下：

staticint axi_dma_write(struct file*filp,char *buffer,size_t length,loff_t * offset);

staticint axi_dma_read(struct file*filp,char *buffer,size_t length,loff_t * offset);

staticint axi_dma_release(struct inode*inode,struct file *filp);

staticint axi_dma_open(struct inode*inode,struct file*filp);

staticstruct file_operations axi_dma_fops={

.owner = THIS_MODULE,

.read =axi_dma_read,

.write =axi_dma_write,

.open =axi_dma_open,

.release =axi_dma_release,

};

上面聲明了和文件操作相關(guān)的5個(gè)接口函數(shù)，文件打開和關(guān)閉比較簡(jiǎn)單，打開時(shí)分配資源，關(guān)閉時(shí)釋放資源，分別調(diào)用相應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)即可。寫入數(shù)據(jù)的函數(shù)應(yīng)該每次先寫入一組輸入數(shù)據(jù)，然后調(diào)用22階GAL-NLMS算法模塊進(jìn)行計(jì)算，剩下最后一個(gè)文件讀取回調(diào)函數(shù)，在前面基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很容易。

3.2.2 基于Qt的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

Qt是一個(gè)移植性很強(qiáng)的C++庫(kù)，可運(yùn)行在Linux，Windows等多種平臺(tái)，采用Qt Creator工具[10]進(jìn)行開發(fā)，該軟件的主界面如圖5所示。應(yīng)用程序主要完成如下幾個(gè)功能：選擇并讀取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；顯示實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)波形；控制PL硬件部分的打開、關(guān)閉、讀寫數(shù)據(jù)；利用軟硬件協(xié)同完成GAL_NLMS算法；顯示處理結(jié)果(時(shí)域波形和星座圖)；顯示算法處理耗時(shí)。

圖5 Broadand Adaptive Noise Cancellation System界面(截圖)

4 系統(tǒng)測(cè)試

Linux啟動(dòng)成功后自動(dòng)運(yùn)行Qt應(yīng)用程序，觀察是否顯示完整，各項(xiàng)功能是否正常。用40 dB噪聲干擾QPSK調(diào)制信號(hào)，10 dB的噪聲干擾16QAM調(diào)制信號(hào)。分別用噪聲干擾過的QPSK和16QAM調(diào)制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6中，QPSK調(diào)制信號(hào)受到噪聲干擾，星座發(fā)生相位偏移，經(jīng)過自適應(yīng)噪聲干擾抵消系統(tǒng)后，糾正了相位偏差。從圖7可以看出，16QAM調(diào)制信號(hào)受到噪聲干擾非常嚴(yán)重，開始時(shí)分不清星座形狀，經(jīng)過自適應(yīng)噪聲干擾抵消系統(tǒng)后，能清楚辨認(rèn)是16QAM信號(hào)，說(shuō)明設(shè)計(jì)的算法系統(tǒng)是有效的。

圖6 QPSK測(cè)試結(jié)果(截圖)

圖7 16QAM測(cè)試結(jié)果(截圖)

5 小結(jié)

在通信向高速、寬帶發(fā)展的今天，本文設(shè)計(jì)的寬帶自適應(yīng)噪聲干擾抵消系統(tǒng)，能夠?qū)Φ托旁氡鹊脑肼曔M(jìn)行很好的處理，能夠提高信號(hào)傳輸和接收的信噪比質(zhì)量。最高處理頻率達(dá)到175 MHz，該系統(tǒng)收斂速度快、跟蹤性能好。實(shí)測(cè)表明，系統(tǒng)能夠廣泛地運(yùn)用于現(xiàn)代信號(hào)處理中，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Design of Broadband Adaptive Noise Cancellation System Based on Zynq-7000

HE Zongmiao, DOU Yuan, ZHENG Feng

(CollegeofInformationEngineering,RobotTechnologyUsedforSpecialEnvironmentKeyLaboratoryofSichuanProvince,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,SichuanMianyang621010,China)

Because of the interference noise is often random and non-stationary, the traditional filtering method is difficult to remove it. To solve this problem, an algorithm of joint adaptive lattice (GAL-NLMS) is adopted in this paper. A 22 order GAL-NLMS algorithm is achieved in the PL part of Zynq-7000 chip, and a design of driver and interface design based on Qt are achieved in the PS part of the chip. The processing speed can reach 175 Mbit/s, and broadband adaptive noise cancellation system is realized in ZedBoard which is a development platform. The system is tested using QPSK and 16QAM modulated signals and the results show that the system is effective.

non-stationary; adaptive; GAL-NLMS; ZedBoard; noise cancellation

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃項(xiàng)目(B3120133002)；西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(14ycx115)

TN911.7

A

10.16280/j.videoe.2015.01.012

2014-06-26

【本文獻(xiàn)信息】何宗苗，竇源，鄭風(fēng).基于Zynq-7000的寬帶自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2015，39(1).

何宗苗(1988— )，碩士生，主要研究方向?yàn)檐浖o(wú)線電、通信信號(hào)處理。

責(zé)任編輯：李 薇