LMS自适应滤波的FPGA实现

真的是准备电赛到不知道还要准备什么了著

简书首篇,可以选择文末点个赞

from百度百科

本文较长,建议使用电脑端+简书目录配置使用

[TOC]

本文目录:
LMS自适应滤波的FPGA实现
原理-最优估计技术
术语/模型定义和基本假设
代价函数
最优维纳估计
实践-维纳-霍夫算法
matlab仿真结果
Widrow-Hoff最小二乘算法
原理推导
参数限定
最后的一些碎碎念
结语
参考文献

原理-最优估计技术

这一部分是建议大家看完后面的在跳回来.

术语/模型定义和基本假设

在立论之前,我们先定义一下相关信号量和系统模型,这次的系统大概是这个样子的:

网上找的,参考参考就行

有几个会反复提及到的参量:

x=自适应系统的输入
y=自适应系统的输出
d=(自适应系统的)期望响应
e=d-y=估计误差

而且我们在这里还需要对信号的特性进行假设,我们假设信号是满足广义稳态(Wide Sense Stationary)的.并不需要严格平稳或者是各态历经.也就是说信号具有一下特性:
对均值有:
$\eta =E{x} = \lim_{N\to \infty} \frac1N \sum_{N=0}^{N-1}x[n]$
对方差有:
$\sigma^2 = E{(x-n)^2} = \frac1N \sum_{N=0}^{N-1}(x[n]-\eta)^2$
对自相关函数:
$r[\tau] = E{x[t_1]x[t_2]} = E{x[t+\tau]x[t]} = \lim_{N\to \infty} \frac1N \sum_{N=0}^{N-1}x[n]x[n+\tau]$
特别地:
$r[0] = E{x[t]x[t]} = E\{ | x[t]|^2 \}$

代价函数

这个又是现在机器学习er喜见乐闻的定义了,

我们在这里定义误差函数为: $e[n]=d[n]-y[n]$
其中d[n]是要估计的随机变量,y[n]是通过自适应滤波计算的估计点

我们在里用最小均方(也称最小二乘法)(也称平方误差代价函数)来定义代价函数:
$J= E\{e^2[n]\} = \overline{(d[n]-y[n])^2}$

最优维纳估计

这里推导的目的在于如何从理论上得到最佳的h[k] (下称 $f_k$ )

假设我们使用FIR滤波器来解决问题,则输出的响应为:
$y[n] = \sum_{k=0}^{L-1}f_k x[n-k]$
不妨使用向量来表达上式:
$y[n] = \vec{x^T}[n]\vec{f} = f^T \vec{x}[n]$
所以我们可以更新e[n]:
$e[n] = d[n]-y[n] = d[n] - f^T \vec{x}[n]$
进着,我们可以求解代价函数:
$J = E\{e^2[n]\} = E\{ d[n]-y[n] \}^2 = E\{d[n] - f^T \vec{x}[n]\}^2 \\ = E\{(d[n] - f^T \vec{x}[n])(d[n] - f \vec{x^T}[n])\} \\ =E\{d[n]^2 -2d[n]f^T \vec{x}[n] + \vec{f^T}x[n]x^T[n]\vec{f} \}$

在latex写向量是在太麻烦了,下省

大家可以回想一下梯度下降法,后面才会真正介绍,这里想进一步减少代价函数的话,只要对 $f$ 求偏导就可以了
$\nabla = \frac{\partial J}{\partial f^T} = E\{ -2d[n]x[n] +2x[n]x^T[n]f_{opt} \} =0$
假设滤波器的权重向量f和信号向量x[n]是不相关的,则有:
$E\{ d[n]x[n] \} = E\{ x[n] x^T[n] \}f_{opt}$

所以结果就呼之欲出了:
$\vec{f_{opt}} = E\{ \vec{x}[n] \vec{x^T}[n] \}^{-1} E\{ d[n]\vec{x}[n] \}$
一定要注意这里的x[n]是一个列向量,列向量,列向量
所以其实结果已经非常明显了,下面还是分开讲讲:

$E\{ \vec{x}[n] \vec{x^T}[n] \}$
很显然这个就是自相关矩阵,其中的矩阵形式是这样的:
$\begin{bmatrix} {x[n]x[n]} & {x[n]x[n-1]} & \cdots & x[n]x[n-(L-1)] \\ x[n-1]x[n] & x[n-1]x[n-1] & \cdots \\ \vdots & & \ddots &\vdots \\ x[n-(L-1)]x[n] & \cdots & \cdots \end{bmatrix}\quad$

=
$\begin{bmatrix} {r[0]} & r[1] & \cdots & r[L-1] \\ r[1] & r[0] & \cdots & r[L-2] \\ \vdots & & \ddots &\vdots \\ r[L-1] & r[L-2] & \cdots &r[0]\end{bmatrix}\quad$

$E\{ d[n]\vec{x}[n] \}$
这里因为d[n]是一个标量,所以这个矩阵就是一个互相关函数的列向量而已

所以我们可以将f改写成:
$f_{opt} = \vec{R_{xx}}^{-1}\vec{r_{dx}}$

从公式我们可以看到,如果 $f_{opt}$ 存在的一个前提在于, $R_{xx}$ 的逆必须存在,也就是说 $R_{xx}$ 必须是非奇异矩阵,所以这才是我们前提所假设的广义平稳需要,因为对于广义平稳信号来说,他的 $R_{xx}$ 就是一个非奇异矩阵,并且存在逆矩阵

回代到代价函数,我们可以得到估计的标准误差,这里不给出过程了(懒)
$J_{opt} = r_{dd}[0] -f^T_{opt}r_{dx}$

实践-维纳-霍夫算法

也就是上面所说的算法,现在我们假设输入是一个由曼彻斯特编码的信号m[n],幅值B=10,外加两个噪声:

高斯白噪声5dbm吧 2. 电力线噪声,幅值A=50 频率60Hz

现假设采样频率是电网噪声的4倍,即240Hz,我们用一个二抽头的FIR滤波器来解决这个问题

所以现在的d[n]为:
$d[n] = Acos[\pi n/2] +Bm[n] +\sigma^2 n[n]$
自适应滤波的输入的基准信号x[n]为:
$x[n] = cos[n\pi /2 + \phi]$
其中 $\phi = \pi/6$ 是一个角度偏移量.所以系统的输出是:
$y[n] = f_0 cos[n\pi/2 +\phi ] + f_1 cos[(n-1) \pi/2 +\phi ]$

所以:
对于自相关函数:
$r_{xx}[0] = E\{ (cos[n\pi /2 + \phi] )^2 \} = \frac12$
$r_{xx}[1] = E\{ cos[n\pi /2 + \phi] sin[n\pi /2 + \phi] \} = 0$

对于互相关函数:
$r_{dx}[0] = E\{ (Acos[\pi n/2] +Bm[n] +\sigma^2 n[n]) cos[n\pi/2 +\phi ] \} = \frac A2 cos(\phi) = 12.5\sqrt{3}$
$r_{dx}[1] = E\{ (Acos[\pi n/2] +Bm[n] +\sigma^2 n[n]) sin[n\pi/2 +\phi ] \} = \frac A2 cos(\phi-\pi) = 12.5$

所以下矩阵为:
$f_{opt} = \vec{R_{xx}}^{-1}\vec{r_{dx}} = \begin{bmatrix} {r_{xx}[0]} & r_{xx}[1] \\ r_{xx}[1] & r_{xx}[0] \end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix} {r_{dx}[0]}\\r_{dx}[1] \end{bmatrix} \\ = \begin{bmatrix} {2} & 0 \\0 & 2\end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix} 12.5\sqrt{3}\\ 12.5 \end{bmatrix} \\ = \begin{bmatrix} {2} & 0 \\0 & 2\end{bmatrix} \begin{bmatrix} 12.5\sqrt{3}\\ 12.5 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 25\sqrt{3}\\ 25 \end{bmatrix}$

matlab仿真结果

现在给出matlab仿真结果:

源码可联系作者获取

Widrow-Hoff最小二乘算法

从上面的最优维纳估计我们可以知道,实际上这种方法是理论不可实现的,因为自相关矩阵当系统规模变大的时候后变得极其的庞大和冗余,而且计算时间也极其长,所以我们需要一种方法来得到新的 $R_{xx}^{-1}$

Widrow-Hoff最小二乘(LMS)算法是一种实时近似逼近 $R_{xx}^{-1}$ 的实用方法,而且在后面的讨论中我们会发现他有较好的性能.而且公式极其对机器学习有基础的同学友好.

原理推导

实际上我们可以放弃对 $f_{opt}$ 一次性求解,进而变成逐次按梯度逼近,也就是:
$f[n+1] = f[n] -\frac{\mu}2\nabla [n]$
这条公式相信学过梯度下降的同学都很熟吧...

所以现在我们对误差的估计就变成了对误差方向的估计,而用梯度下降的思想来考虑这个问题的话,我们就需要让误差的均值向每一个 $f$ 进行求导,即:

$\nabla [n] = \begin{bmatrix} \frac{\partial E\{e[n]^2\}}{\partial f_0}& \frac{\partial E\{e[n]^2\}}{\partial f_1} &\cdots &\frac{\partial E\{e[n]^2\}}{\partial f_{L-1}}\end{bmatrix}^T$

实际上我们总不可能在FPGA上算误差的均值吧,所以这里要取真的误差值作为估计值:
$\hat\nabla [n] = \begin{bmatrix} \frac{\partial e[n]^2}{\partial f_0}& \frac{\partial e[n]^2}{\partial f_1} &\cdots &\frac{\partial e[n]^2}{\partial f_{L-1}}\end{bmatrix}^T = 2e[n]\begin{bmatrix} \frac{\partial e[n]}{\partial f_0}& \frac{\partial e[n]}{\partial f_1} &\cdots &\frac{\partial e[n]}{\partial f_{L-1}}\end{bmatrix}^T$