信號通信論文范文

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第1篇

城市軌道交通信號系統的DCS網絡包含有線部分和無線部分。有線網絡部分是指軌旁設備之間的數據通信，為信號系統提供專用有線信息傳輸，為控制中心、車站、場段之間提供有線傳輸通道，建立局域網連接。無線部分主要是列車上的移動無線設備和地面軌旁無線單元之間建立的車地雙向通信。如上所述，在信號系統的DCS網絡中，可以根據不同的組網方式，構建不同的網絡結構，形成連接信號系統相關設備的通信網。而在這樣的網絡中，傳遞的信息就包含大量的管理信息、行車數據信息、ATS信息、維護信息、數據記錄信息等。DCS系統網絡連接設備一般連接方式需要說明的是DCS網絡結構是多樣的，隨著實際地鐵線路情況、所連接的設備情況、以及技術發展和應用情況有不同變化。從圖1中可以看出，信號系統DCS網絡具有連接設備類型多、數量大，信息傳輸種類繁多的特點。如果在DCS網絡中信息沒有合理的傳輸定義，使網絡中任何一個數據幀的傳輸都要遍及整個網絡，導致所有與網絡連接的設備都接收到，這樣就會嚴重的消耗掉網絡整體帶寬。因此，在DCS網絡傳輸信息量較大時（如早、晚運行高峰時等），如不對網絡進行合理設置，就可能產生網絡風暴。網絡風暴發生時，與網絡連接的部分設備也可能會由于無法應對網絡流量的大幅波動導致故障，進而引發故障面擴大的情況發生，對運營產生嚴重影響，這就需要對網絡中的信息傳輸進行合理優化。

2VLAN技術特點及在DCS網絡中的應用

VLAN技術是將局域網設備從邏輯上劃分成一個個網段，從而實現虛擬工作組數據交換。由于VLAN設置是在交換機上按邏輯來劃分，而不是傳統上的只能從物理上劃分，因此VLAN技術的出現，可以滿足根據實際應用情況，將同一物理局域網內不同用戶邏輯地劃分成不同的廣播域需求。在設計VLAN并實現應用時，首先要確定如何劃分VLAN。較為常見的VLAN劃分方式包括：按照端口劃分，按照MAC地址劃分、基于網絡層劃分、以及基于IP廣播和基于規則等方式。其中應用最為廣泛、也是最有效的，是按照端口劃分的方式，這種劃分方式是根據以太網交換機的交換端口來劃分的，將交換機上的物理端口分為若干個組，每個組構成一個虛擬網。由于基于端口劃分VLAN的優點是定義VLAN成員非常簡單，只要在接入交換機上進行相關設置即可，操作相對簡單，適合任何大小的網絡。同時，這種配置方式適用于網絡環境比較固定的情況，與DCS網絡構建后即在運營中不會輕易改變的實際情況較為符合，因此在地鐵信號系統DCS網絡交換機的配置中，一般都可以使用按照端口劃分VLAN的配置方式。以赫斯曼交換機為例，按照端口劃分VLAN，為不同端口賦予不同ID后的界面顯示情況綜上所述，為了有效避免信號系統DCS網絡風暴的發生，可以將交換機端口劃分到不同VLAN中。其原理為：在不同端口發出的所有數據幀上增加一個代表所屬VLAN編號的ID，各個交換機端口只有在接收到所屬VLANID的信息時，才會對該信息進行拆分處理，而在收到標有其他VLANID信息時，只會將該信息按照目的地址進行轉發。這樣就實現了通過在DCS網絡交換機上應用VLAN技術，有效控制網絡流量、降低網絡風暴發生概率的目標。并且通過在交換機上進行VLAN的劃分，可以起到減少項目建設的設備投資成本、簡化DCS網絡管理、提高網絡安全性的作用。這里需要提出的是，有必要找到適合于信號DCS網絡的劃分原則，結合實際應用情況，將不同級別的信息進行合理區分。

3適用于DCS的VLAN劃分原則

由于地鐵信號系統DCS網絡具有連接設備數量、類型較多，信息傳輸種類繁多的特點，在按照端口劃分的VLAN配置方法對信號DCS網絡交換機等進行配置時，需要尋找到合適的原則，將信號系統DCS網絡中不同設備、不同信息類型進行全網的統一配置，既能有效避免網絡風暴，又有利于維護人員進行維修檢查。這就需要根據網絡端口是否有用、該端口在網絡中的作用、所傳輸的信息內容和特點等特征，將網絡端口有序劃分。例如，在網絡的列車自動控制（ATC）信息、列車自動監控（ATS）信息、維護管理信息等帶有不同功能及目地的信息，劃分到不同的VLAN中。在信息有效傳輸的同時，也可以提高網絡的安全性能。建議按照以下原則進行層層劃分。

1）由于信號系統涉及列車行車安全，因此可先將交換機上多余端口統一劃入“無用端口”的VLAN中，這樣即使有其他設備接入到該端口上，也不會對有用端口間的網絡通信造成影響。

2）進一步將有用端口進行分類，如該端口在信號DCS網絡中只做收發，不對信息進行拆分和處理，即可將其劃入“管理類”的VLAN中。

3）在DCS網絡中，與“管理類”信息對應的是“業務類”信息，在此類信息中，建議先將涉及到列車控制安全的ATC信息獨立劃分出來，同時由于此類信息較為重要，需設計兩路，可以劃分至兩個不同的VLAN中。

4）另外，“業務類”信息還包含其他非ATC信息，也就是非安全信息。對這類信息的劃分，首先將其中的ATS信息獨立劃分出來，同樣建議為兩路。

5）同時，非安全類的信息也包含維護管理類信息，如維護支持、電源監控類等信息也需要劃分到單獨一個VLAN中，此類信息可以不進行冗余設置。

6）其他非安全類信息也可以通過實際情況進行VLAN設置，可以獨立VLAN，也可統一劃入一個VLAN，根據實際情況進行設置即可。建議的VLAN劃分原則，以及該原則對應在信號系統中的傳輸內容示意。

4總結

第2篇

論文摘要:近幾十年里，數字信號處理技術取得了飛速發展，特別是在自適應信號處理方面，通過內部參數的最優化來自動調節系統特性并以其計算簡單，收斂速度快等許多優點而被廣泛使用。本文主要介紹了幾種常用的自適應算法，如：LMS，RLS，NLMS等。分別就幾種算法在算法原理，算法性能分析和計算機仿真等方面來說明各種算法的優越性。通過圍繞算法的優缺點進行比較，得出一些重要結論。最后對自適應信號處理的一些應用作了介紹和分析，并對其進行了仿真。

Abstract：Inrecentdecades,digitalsignalprocessingtechnologyhasmaderapiddevelopment,especiallyinadaptivesignalprocessing.Theadaptivesignalprocessingalgorithmcanadjusttheinternalparametersoffilterstooptimizesystemcharacteristicsautomatically.Foritssimplecomputationalcomplexity,fastconvergencespeedandmanyotheradvantages,adaptivefilerhasbeenwidelyused.

Thispaperintroducesseveralcommonlyusedalgorithms,suchas:LMS,RLS,NLMS,etc..Throughtheprincipleofadaptivealgorithmanalysisandsimulation,weillustratethevariousaspectsoftheadaptivealgorithm’ssuperiority.Andthroughthecomparingoftheiradvantagesanddisadvantages,wecoulddrawsomeimportantconclusionsfordifferentalgorithm.

Keywords:Adaptivesignalprocessing,Adaptivefilter

1引言

自適應信號處理是信號處理領域的一個非常重要的分支。作為自適應信號處理基礎的自適應濾波理論是對信號處理研究的一個重要方法，本文亦將它作為研究的手段。自適應信號處理經過近40年來的發展，隨著人們在該領域研究的不斷深入，其理論和技術已經日趨完善。尤其是近年來，隨著超大規模集成電路技術和計算機技術的迅速發展，出現了許多性能優異的高速信號處理專用芯片和高性能的通用計算機，為信號處理，特別是自適應信號處理的發展和應用提供了重要的物質基礎。另一方面，信號處理理論和應用的發展，也為自適應信號處理的進一步發展提供了必要的理論基礎。自適應信號處理已經在諸如噪聲對消，信道均衡，線形預測等方面得到廣泛的應用。

本文主要研究的是自適應信號處理中一些基本的算法，如：LMS，RLS，NLMS等。在學習和總結前人工作的基礎上，對各種算法進行了詳細的推導，分析了它們的特點及性能，諸如穩態特性，收斂條件及參數的取值。對其中的兩個基本算法LMS和RLS算法在收斂性和穩定性進行了分析比較，并用matlab仿真得到驗證。最后對自適應處理的一些應用作了簡要說明，如：噪聲對消，信道均衡，線性預測及陷波器等，并對其進行了仿真。

1.1研究的目的和意義

常規的信號處理系統，利用自身的傳輸特性來抑制信號中的干擾成分，對不同頻率的信號有不同的增益，通過放大某些頻率的信號，而使另一些頻率的信號得到抑制。由于其內部參數的固定性，消除干擾的效果受到很大的限制。通常許多情況下，并不能得到信道中有用信號和干擾信號的特性或者它們隨時間變化，采用固定參數的濾波器往往無法達到最優濾波效果。在這種情況下，可以用自適應處理系統，來跟蹤信號和噪聲的變化。

自適應系統可以利用前一時刻已經獲得的濾波器參數等結果，自動的調節現時刻的濾波器參數，以適應信號和干擾未知的或隨時間變化的統計特性，從而實現最優濾波。正是由于它在設計時需要很少或者無需任何關于信號和干擾的先驗知識就可以完成的優點，所以發展很快，并得到廣泛的應用。

1.2自適應系統的組成

自適應系統和常規系統類似，可以分為開環自適應和閉環自適應兩種類型。開環自適應系統主要是對輸入信號或信號環境進行測量，并用測量得到的信息形成公式或算法，用以調整自適應系統自身；而閉環自適應系統還利用系統調整得到的結果的有關知識去優化系統的某種性能，即是一種帶“性能反饋”的自適應系統。

下圖a表示一個開環自適應系統，控制該系統的自適應算法僅由輸入確定。圖b則表示一個閉環自適應系統，控制該系統響應的自適應算法除了取決于輸入外，還依賴系統輸出的結果。

1.3基本自適應算法

這里主要介紹LMS，RLS，NLMS三種基本算法。

LMS算法是最被廣泛應用的濾波器演算法，最大的特點就是計算量小，易于實現。基于最小均方誤差準則，LMS算法使濾波器的輸出信號與期望輸出信號之間的均方誤差最小。運算過程不需要對相關函數及復雜的反矩陣做運算，所以經常拿來用作比較的基準。

LMS算法為了便于其實現，采用誤差輸出模的瞬時平方值(即瞬時功率)的梯度來近似代替均方誤差的梯度。實際上我們可以直接考察一個由平穩信號輸入的自適應系統在一段時間內輸出誤差信號的平均功率，即把平均功率達到最小作為測量自適應系統性能的準則，這就是RLS算法。換句話說，LMS算法是將輸出誤差信號的平均平方值最小化，而RLS算法是將輸出誤差信號平方值總和最小化。雖然RLS算法復雜度和階數平方成正比，但是由于它的收斂速度快，所以仍然受到廣泛的應用。

為克服常規的固定步長LMS自適應算法在收斂速率，跟蹤速率與權失調噪聲之間的要求上存在的較大矛盾，許多學者提出了各種各樣的改進型LMS算法。比如歸一化LMS，基于瞬變步長LMS以及基于離散小波變換的LMS自適應濾波算法。這里我們討論歸一化的LMS算法，即NLMS算法。

以上這些算法主要特點是不需要離線方式的梯度估值或者重復使用樣本數據，而只需在每次迭代時對數據作“瞬時”梯度估計。因此自適應過程中的迭代比較簡單，收斂速度比較快。

1.4Matlab語言介紹

本文的算法仿真采用了MATLAB語言。MATLAB是Mathworks公司于20世紀80年代推出的數值計算軟件，近些年來得到了廣泛的應用。MATLAB的全稱是MatrixLaboratory，意思是矩陣實驗室。它是以矩陣運算為基礎的新一代程序語言。與Fortran和C相比，MATLAB語句顯得簡單明了，更加符合人們平常的思維習慣。同時，MATLABB有著良好的數據可視化功能，能將數字結果以圖形的方式表現出來，讓人們一目了然。這些特點使得MATLAB從眾多數值計算語言中脫穎而出，并正以相當快的速度在科學研究和工程計算中得到應用和普及。

MATLAB有著非常強大的數值計算能力，它以矩陣為基本單位進行計算，數域擴展到復數，這一特點決定了MATLAB有著非凡的解決數值問題的能力。繪圖方面，MATLAB的繪圖語句簡單明了，功能齊全。它能夠在不同坐標系里繪制二維、三維圖形，并能夠用不同顏色和線型來描繪曲線。正是由于MATLAB這些特點，從而使它適合與進行自適應算法仿真。

2基本自適應算法的分析與Matlab仿真

2.1最小均方誤差(LMS)自適應算法

2.1.1LMS自適應濾波器基本原理

SHAPE\*MERGEFORMAT

圖2.1.1LMS自適應濾波器原理框圖

圖2.1.1中，表示時刻的輸入信號，表示時刻的輸出信號，表示時刻的參考信號或期望響應信號，表示時刻的誤差信號。誤差信號為期望響應信號與輸出信號之差，記為。自適應濾波器的系統參數受誤差信號控制，并根據的值而自動調整，使之適合下一時刻的輸入，以使輸出信號更加接近期望信號，并使誤差信號進一步減小。當均方誤差達到最小值時，最佳地逼近，系統已經適應了外界環境。

2.1.2E[e2(n)]與權值W的關系

LMS自適應濾波器通過算法，當最小時，濾波器已經調節出適合現在外部環境的濾波器權值W。

(1)我們可以先推導出與加權系數W的關系式。

寫成矩陣形式：式(2.1.2.1)

誤差：式(2.1.2.2)

則式(2.1.2.3)

令帶入式(2.1.2.3)中得

中國可以從上式看出均方誤差是加權系數的二次函數，它是一個中間上凹的超拋物形曲面，是具有唯一最小值的函數。即與的關系在幾何上是一個“碗形”的多維曲面。為了簡單，設是一維的，則與的關系成為一個拋物線。調節加權系數使均方誤差最小，相當于沿超拋物形曲面下降到最小值。連續地調節加權系數使均方誤差最小，即尋找“碗”的底點。碗底：，即點。

2.1.3LMS算法推導

最小均方差（LMS）算法，即權系數遞推修正達到最佳權系數是依據最小均方算法。最陡下降法（SteepestDescentMethod）是LMS算法的基礎，即下一時刻權系數矢量應該等于“現時刻”權系數矢量加上一項比例為負的均方誤差函數的梯度，即

式（2.1.3.1）

其中為

式（2.1.3.2）

為控制收斂速度與穩定性的數量常數，稱為收斂因子或自適應常數。式（2.1.3.1）中第二項前的負號表示當梯度值為正時，則權系數應該小，以使下降。根據式（2.1.3.1）的遞推算法，當權系數達到穩定時，一定有，即均方誤差達到極小，這時權系數一定達到所要求的最佳權系數。LMS算法有兩個關鍵：梯度的計算以及收斂因子的選擇。按（2.1.3.2）計算時，要用到統計量G，P，因此有很大困難，故通常用一種粗糙，但卻有效的方法，就是用代替，即

式（2.1.3.3）

式（2.1.2.3）的含義是指單個誤差樣本的平方作為均方誤差的估計值，從而使計算量大大減少。從而最終可以推出權系數迭代的LMS算法為：

式（2.1.3.4）

為輸入樣本向量，只要給定系數迭代的初值，根據上式可以逐步遞推得到最佳權系數，并計算出濾波器誤差輸出。下圖為LMS算法的流程圖：

SHAPE\*MERGEFORMAT

2.1.4LMS算法的參數分析

LMS算法所用到計算式如下：

系統輸出：

誤差估計：

權值更新：

其中為信號輸出，為輸入向量，為誤差值，為權值向量，為期望值，為步長。在LMS算法中步長值的取舍問題非常重要，直接影響了算法的收斂速度。值是用來調整加權參數的修正速度，若值取的過小，收斂速度就會過于緩慢，當取的過大時，又會造成系統收斂的不穩定，導致發散。所以選取最佳的值是LMS算法中一個重要的問題。具體收斂條件可由下面的式子分析得出：

可以以得出收斂條件及

其中是輸入相關矩陣的最大特征值。

2.1.5LMS算法的仿真分析

圖(2.1.5.1)

上面為輸入信號與輸出信號圖示。輸入信號采用正態隨機信號加上高斯白噪聲。可以看出輸出信號經過一段時間基本達到跟蹤，濾波的效果。

圖(2.1.5.2)

圖(2.1.5.3)

第3篇

關鍵詞：DDSFPGA頻率合成器跳頻通信

在眾多的通信技術中，擴頻通信技術由于具有獨特的抗干擾能力以及寬的使用頻帶而在軍事通信領域倍受青睞。根據擴頻通信調制方式的不同，它可以分為直接序列擴頻方式（DS）、跳頻方式（FH）、跳時方式（FT）及兼有以上方式中二種以上的混合方式。其中跳頻通信具有保密性好、不易受遠近干擾和多徑干擾的影響等優點，是一種很有前景的通信方式。跳頻系統的頻率跳變，受到偽隨機碼的控制。不同的時間、不同的偽碼相位，頻率合成器產生的相應頻率也不同。把跳頻系統的頻率跳變規律稱為跳頻圖案。跳頻圖案是時間和頻率的函數，故又稱為時間－頻率矩陣，簡稱時頻矩陣。時頻矩陣可直觀描述出頻率跳變規律，如圖1所示。

跳頻圖案的設計是跳頻通信系統的一個關鍵問題，直接影響到跳頻系統的保密、抗干擾、多址等性能。一般要求跳頻圖案的周期要長，這就要求控制跳頻圖案的偽隨機碼周期要長，即移位寄存器的級數要大。

1基于FPGA和DDS技術的跳頻信號源設計

跳頻信號源即為載波頻率按照一定跳頻圖案跳變的信號發生器。設計一個性能優異的跳頻信號源，困難在于其優良的頻譜性能。筆者提出了一種基于FPGA12和DDS技術的跳頻圖案的設計方案。指標如下：600跳／秒跳速；20個跳頻點；3．4MHz跳頻基帶；68MHz跳頻帶寬；106．78MHz～172．14MHz跳頻頻率中20個頻點。DDS采用AD公司的最新頻率合成器件AD9852，寫頻率控制字采用ALTARA公司的可編程邏輯器件APEX20K系列中的EP20K100，其邏輯資源為10萬門，兩者通過40針總線接口相連3。其中，FPGA完成存儲頻率控制字、定時寫入頻率控制字的功能，AD9852則實現頻率合成輸出。頻率合成器DDS是跳頻信號源中的一個關鍵部件，其原理如圖2所示。這種頻率合成器工作頻率高，可達GHz數量級；分辨率高，可達1Hz以下，穩定度高；體積小，重量輕，集成度高，這些都是其他頻率合成器件難以比擬的。AD9852是近年推出的高速芯片，具有小型的80管腳表貼封裝形式，其時鐘頻率為300MHz，并帶有兩個12位高速正交D／A轉換器、兩個48位可編程頻率寄存器、兩個14位可編程相位移位寄存器、12位幅度調制器和可編程的波形開關鍵功能，并有單路FSK和BPSK數據接口，易產生單路線性或非線性調頻信號。當采用標準時鐘源時，AD9852可產生高穩定的頻率、相位、幅度可編程的正、余弦輸出，可用作捷變頻本地振蕩器和各種波形產生器。AD9852提供了48位的頻率分辨率，相位量化到14位，保證了極高頻率分辨率和相位分辯率，極好的動態性能。其頻率轉換速度可達每秒100×106個頻率點。在高速時鐘產生器應用中，可采用外接300MHz時鐘或外接低頻時鐘倍頻兩種方式，給電路板帶來了極大的方便，同時也避免了采用高頻時鐘帶來的問題。在AD9852芯片內部時鐘輸入端有4～20倍可編程參考時鐘鎖相倍頻電路，外部只需輸入一低頻參考時鐘60MHz，通過AD9852芯片內部的倍頻即可獲得300MHz內部時鐘。300MHz的外部時鐘也可以采用單端或差分輸入方式直接作為時鐘源。AD9852采用＋3．3V供電，降低了器件的功耗。工作溫度范圍在－40°C～＋85°C。

本文采用AD9852所設計的頻率合成器結構如圖3所示。DDS模塊分成二路輸出：（1）第一路輸出

100MHz～150MHz信號；（2）第二路輸出150MHz～200MHz信號。其中DDS輸出12．5MHz～25MHz的信號，經SWCON開關分成兩路輸出，一路輸出12．5MHz～18．75MHz信號，經放大倍頻、濾波，輸出100MHz～150MHz信號；另一路輸出18．75MHz～25MHz的信號經放大倍頻、濾波輸出150MHz～200MHz信號。

2FPGA與DDS接口設計

FPGA主要完成從外部向DDS寫入頻率控制字功能，其中頻率控制字存儲在FPGA內部RAM單元中。雙方通過40針總線連接，其中信號線為：8位數據線、6位地址線、復位信號、updateclk（頻率跳變信號）、swcon（開關：高頻段和低頻段轉換信號，當swcon為低時輸出高頻段，當swcon為高時，輸出低頻段）、wr（寫信號）。

AD9852用于頻率合成時工作在單頻模式（singletonemode）其工作時序關系如圖4所示。