Адаптивный фильтр частотной области

Вычисление выходных данных, ошибок и коэффициентов с помощью адаптивного фильтра КИХ частотной области

Библиотека:
Панель системных инструментов DSP/Фильтрация/Адаптивные фильтры

Описание

Блок адаптивного фильтра частотной области реализует адаптивный фильтр с конечной импульсной характеристикой (FIR) в частотной области с использованием алгоритма быстрых блочных наименьших квадратов (LMS). Параметры Длина фильтра (Filter length) и Длина блока (Block length) определяют длину фильтра и значения длины блока, используемые алгоритмом. При установке флажка Выходные коэффициенты БПФ фильтра блок выводит дискретное преобразование Фурье текущих коэффициентов фильтра. Блок предлагает ограниченную и неограниченную версии алгоритма с секционированным и несекционированным режимами. Дополнительные сведения см. в разделе Алгоритмы.

Порты

Вход

развернуть все

`Input` - Ввод данных
вектор столбца

Сигнал, фильтруемый адаптивным фильтром КИХ частотной области. Вход данных и требуемый вход сигнала должны иметь одинаковый размер и тип данных. Длина входного вектора должна быть разделена на значение параметра Block length.

Ввод данных может быть сигналом переменного размера, если длина кадра кратна длине блока. Во время моделирования модели можно изменить количество элементов в векторе столбца.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

`Desired` - Требуемый сигнал
вектор столбца

Адаптивный фильтр частотной области адаптирует свои веса фильтра, чтобы минимизировать ошибку, ошибку и сходить входной сигнал, чтобы как можно ближе соответствовать требуемому сигналу.

Входные данные и требуемый сигнал должны иметь одинаковый размер и тип данных. Длина требуемого вектора сигнала должна быть разделена на значение параметра Block length.

Требуемый сигнал может быть сигналом переменного размера, если длина кадра кратна длине блока. Во время моделирования модели можно изменить количество элементов в векторе столбца.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

`Mu` - Ввод размера шага
вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

Коэффициент размера шага адаптации, заданный как действительный скаляр в диапазоне (0,1]. Использование небольшого размера шага обеспечивает небольшую устойчивую ошибку. Однако небольшой размер шага уменьшает результирующую скорость сходимости адаптивного фильтра. Увеличение размера шага улучшает скорость сходимости за счет увеличения стационарной среднеквадратичной ошибки. Если значение размера шага равно 1алгоритм обеспечивает оптимальный компромисс между скоростью сходимости и среднеквадратичной погрешностью установившегося состояния.

Зависимости

Этот порт появляется при выборе параметра Specify step size from port.

`Leak` - Ввод коэффициента утечки
вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

Коэффициент утечки, используемый в адаптивном фильтре с утечкой, определяемый как действительный скаляр в диапазоне (0,1]. Если значение меньше 1, блок реализует адаптивный алгоритм утечки. Когда значение равно 1, блок не обеспечивает утечки в способе адаптации.

Зависимости

Этот порт появляется при установке флажка Указать коэффициент утечки из порта.

`Avrg` - Ввод усредняющего коэффициента
вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

Усредняющий коэффициент, используемый для вычисления мощности входного сигнала быстрого преобразования Фурье (БПФ) с экспоненциальным окном для обновления коэффициента, заданного как действительный скаляр в диапазоне (0,1].

Зависимости

Этот порт появляется при установке флажка Указать усредненный коэффициент из порта.

`Offset` - Смещение для членов нормализации
неотрицательный действительный скаляр

Смещение для членов нормализации в обновлениях коэффициента, указанное как неотрицательное вещественное скалярное значение. Используйте это значение, чтобы избежать деления на ноль или деления на очень малые числа, если какая-либо из мощностей входного сигнала БПФ становится очень малой.

Зависимости

Этот порт появляется при установке флажка Указать смещение от порта (Specify offset from port).

`Adapt` - Включить обновление коэффициентов фильтра
неотрицательный действительный скаляр

При вводе ненулевого скалярного значения через этот порт блок непрерывно обновляет свои коэффициенты фильтра. При вводе нуля через этот порт коэффициенты фильтра не обновляются, и их значения остаются на текущем уровне.

Зависимости

Этот порт появляется при установке флажка Enable adapt port.

`Reset` - Включить сброс состояний фильтра
неотрицательный действительный скаляр

При вводе ненулевого скалярного значения через этот порт блок сбрасывает все внутренние состояния. При вводе нуля через этот порт внутренние состояния не сбрасываются.

Зависимости

Этот порт появляется при установке флажка Enable reset port.

Продукция

развернуть все

`Output` - Отфильтрованные выходные данные
вектор столбца

Отфильтрованные выходные данные, возвращаемые в виде вектора столбца. Блок адаптирует свои веса фильтра для сведения входного сигнала в максимально близкое соответствие с требуемым сигналом. Фильтр выдает сходящийся сигнал.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

`Error` - Разность между выходом и требуемым сигналом
вектор столбца

Разность между выходным сигналом и требуемым сигналом, возвращаемым в виде вектора столбца. Целью адаптивного фильтра является минимизация этой ошибки. Блок адаптирует свои веса так, чтобы они сходились к оптимальным весам фильтра, которые вырабатывают выходной сигнал, который максимально близко соответствует требуемому сигналу. Дополнительные сведения о вычислении ошибок см. в разделе Ссылки.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

`FFTCoeffs` - Текущие коэффициенты БПФ фильтра
вектор строки

Текущее дискретное преобразование Фурье коэффициентов фильтра, возвращаемое в виде вектора строки. Для Constrained FDAF и Unconstrained FDAF алгоритмы, длина этого вектора равна сумме значений длины фильтра и длины блока. Этот порт первоначально выводит значения FFT параметра Initial time-domain cofficients. Во время моделирования модели этот порт выводит значения БПФ текущих коэффициентов фильтра.

Зависимости

Этот порт появляется при установке флажка FFT-коэффициенты выходного фильтра.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

Параметры

развернуть все

`Method` - Метод вычисления коэффициентов фильтра
`Constrained FDAF` (по умолчанию) | `Partitioned constrained FDAF` | `Unconstrained FDAF` | `Partitioned unconstrained FDAF`

Метод, используемый для вычисления коэффициентов фильтра, указанных как:

Constrained FDAF - Накладывает градиентное ограничение на веса отводов фильтра.
Partitioned constrained FDAF - Секционирует импульсную характеристику фильтра для уменьшения задержки.
Unconstrained FDAF - Градиентное ограничение не накладывается на веса отводов фильтра.
Partitioned unconstrained FDAF - Секционирует импульсную характеристику фильтра для уменьшения задержки. Градиентное ограничение для весов отводов фильтра не накладывается.

Дополнительные сведения см. в разделе Алгоритмы.

`Filter length` - Длина вектора коэффициентов фильтра
`32` (по умолчанию) | положительный, целочисленный скаляр

Длина вектора коэффициентов КИХ-фильтра, заданного как положительный, целочисленный скаляр.

`Block length` - Длина блока для обновления коэффициентов
`32` (по умолчанию) | положительный, целочисленный скаляр

Длина блока для коэффициентов обновляется, заданная как положительный, целочисленный скаляр. Адаптивный фильтр обрабатывает входные данные и требуемый сигнал как блок выборок длины, заданных этим параметром. Дополнительные сведения о том, как эти данные обрабатываются фильтром, см. в разделе Алгоритмы. Длина входного вектора должна быть разделена на значение параметра Block length. Значение по умолчанию параметра Длина блока (Block length) равно значению параметра Длина фильтра (Filter length).

`Specify step size from port` - Флаг для указания размера шага
off (по умолчанию) | on

Если этот флажок установлен, размер шага адаптации вводится через порт Mu. При снятии этого флажка размер шага задается в диалоговом окне блока с помощью параметра «Размер шага».

`Step size` - Размер шага адаптации
`1` (по умолчанию) | вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

Коэффициент размера шага адаптации, заданный как действительный скаляр в диапазоне (0,1]. Установка для параметра Step size значения 1 обеспечивает самую быструю сходимость во время адаптации.

Настраиваемый: Да

Зависимости

Этот параметр появляется при снятии флажка Указать размер шага из порта.

`Specify leakage factor from port` - Флаг для указания коэффициента утечки
off (по умолчанию) | on

Если этот флажок установлен, коэффициент утечки вводится через порт утечки. Если этот флажок снят, коэффициент утечки задается в диалоговом окне блока с помощью параметра «Коэффициент утечки».

`LeakageFactor` - Адаптационный коэффициент утечки
`1` (по умолчанию) | вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

Коэффициент утечки, используемый в адаптивном фильтре с утечкой, определяемый как действительный скаляр в диапазоне (0,1]. Если значение меньше 1блок реализует дрейфующий адаптивный алгоритм. Когда значение равно 1, блок не обеспечивает утечки в способе адаптации.

Настраиваемый: Да

Зависимости

Этот параметр появляется при снятии флажка Указать коэффициент утечки из порта.

`Specify averaging factor from port` - Флаг для указания коэффициента усреднения
off (по умолчанию) | on

Если этот флажок установлен, коэффициент усреднения мощности сигнала вводится через порт Avrg. Если этот флажок снят, коэффициент усреднения задается в диалоговом окне блока с помощью параметра «Коэффициент усреднения».

`Averaging factor` - Коэффициент усреднения мощности сигнала
`0.9` (по умолчанию) | вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

Усредняющий коэффициент, используемый для вычисления экспоненциально оконных мощностей входного сигнала БПФ для обновления коэффициента, заданного как действительный скаляр в диапазоне (0,1].

Настраиваемый: Да

Зависимости

Этот параметр появляется при снятии флажка Указать усредненный коэффициент из порта.

`Specify offset from port` - Флаг для указания смещения
off (по умолчанию) | on

Если этот флажок установлен, смещение для членов нормализации в обновлениях коэффициентов вводится через порт смещения. Если этот флажок снят, смещение задается в диалоговом окне блока с помощью параметра «Смещение».

`Offset` - Смещение для членов нормализации
`0` (по умолчанию) | неотрицательный вещественный скаляр

Настраиваемый: Да

Зависимости

Этот параметр появляется при снятии флажка Указать смещение от порта (Specify offset from port).

`Initial FFT input signal power` - Мощность исходного входного сигнала БПФ
`1` (по умолчанию) | положительный числовой скаляр

Начальное общее значение всех мощностей входного сигнала БПФ, заданное как положительное числовое скалярное значение.

При изменении этого значения во время моделирования изменение вступает в силу только после события сброса.

Настраиваемый: Да

`Initial time-domain coefficients` - Исходные коэффициенты временной области фильтра
`0` (по умолчанию) | скаляр | вектор

Начальные коэффициенты временной области адаптивного фильтра, заданные как скаляр или вектор длины, равный значению, заданному в параметре Длина фильтра (Filter length). Блок адаптивного фильтра использует эти коэффициенты для вычисления начальных коэффициентов фильтра частотной области.

При изменении этого значения во время моделирования изменение вступает в силу только после события сброса.

Настраиваемый: Да

`Enable adapt port` - Флаг для включения обновления коэффициента
off (по умолчанию) | on

Если этот флажок установлен, входной порт Adapt активируется. При вводе ненулевого скалярного значения через этот порт блок непрерывно обновляет свои коэффициенты фильтра. При вводе нуля через этот порт коэффициенты фильтра не обновляются, и их значения остаются на текущем уровне.

`Enable reset port` - Флаг для сброса внутренних состояний
off (по умолчанию) | on

Если этот флажок установлен, входной порт сброса включен. При вводе ненулевого скалярного значения через этот порт блок сбрасывает все внутренние состояния. При вводе нуля через этот порт внутренние состояния не сбрасываются.

`Output filter FFT coefficients` - Флаг для вывода DFT коэффициентов фильтра
off (по умолчанию) | on

Если этот флажок установлен, порт вывода FFTCoeffs включен. Через этот порт блок выводит дискретное преобразование Фурье текущих коэффициентов фильтра.

`Simulate using` - Тип выполняемого моделирования
`Code generation` (по умолчанию) | `Interpreted execution`

Code generation
Моделирование модели с использованием сгенерированного кода C. При первом запуске моделирования Simulink ® генерирует код C для блока. Код C используется повторно для последующего моделирования, если модель не изменяется. Этот параметр требует дополнительного времени запуска, но обеспечивает более высокую скорость моделирования, чемInterpreted execution.
Interpreted execution
Моделирование модели с помощью интерпретатора MATLAB ®. Эта опция сокращает время запуска, но имеет более низкую скорость моделирования, чемCode generation.

Характеристики блока

Типы данных	`double` \| `single`
Прямой проход	`no`
Многомерные сигналы	`no`
Сигналы переменного размера	`yes`
Обнаружение пересечения нулей	`no`

Алгоритмы

развернуть все

Адаптивная фильтрация в частотной области состоит из трех этапов - фильтрация, оценка ошибок и адаптация веса отводов. Этот алгоритм реализует фильтрацию FIR в частотной области с использованием метода overlap-save или overlap-add. Дополнительные сведения о реализации этих двух методов см. в разделе Алгоритмы в dsp.FrequencyDomainFIRFilter страница объекта. Оценка ошибок и адаптация веса отводов реализуются с использованием алгоритма быстрого блочного LMS (FBLMS).

Алгоритм быстрого блочного LMS

Адаптивный фильтр частотной области обрабатывает входные данные и требуемые данные сигнала как блок выборок с использованием алгоритма быстрого блока LMS (FBLMS). Ниже приведена блок-схема адаптивного фильтра частотной области с использованием алгоритма FBLMS. Фильтр FIR частотной области на этой диаграмме использует метод наложения-сохранения.

где:

N -- Длина фильтра
L -- Длина блока
λ -- Параметр размера шага
x (n) -- Входной сигнал
X (k) - преобразованный входной сигнал в частотной области
d (n) -- Требуемый сигнал
e (n) - Ошибка между требуемым сигналом и выходом фильтра
E (n) - преобразованный сигнал ошибки в частотной области
W (k) -- Вектор «Tap-weights» в частотной области

Для получения дополнительной информации о том, как оценивается ошибка и адаптируются веса отводов, см. [2].

Алгоритмы FBLMS с ограничениями и без ограничений

Предыдущая схема является ограниченной версией. При удалении части алгоритма, связанной с градиентом, имеется реализация FBLMS без ограничений. Подробнее о поведении сходимости как зависимых, так и неограниченных вариаций см. [2].

Секционированный алгоритм FBLMS

Задержка фильтра приблизительно равна длине КИХ-числителя. Если импульсная характеристика фильтра очень велика, задержка становится значительно большой. Секционированный алгоритм FBLMS уменьшает задержки за счет секционирования импульсной характеристики. Неразделенная КИХ-фильтрация в частотной области выполняется быстрее, чем фильтрация во временной области для длинных импульсных откликов, за счет увеличенной задержки. Чтобы уменьшить задержку и сделать фильтрацию в частотной области еще более эффективной, алгоритм разбивает импульсную характеристику на множество коротких блоков и выполняет наложение-сохранение или наложение на каждый блок. Результаты различных блоков затем объединяются для получения конечного результата. Задержка этого подхода имеет порядок длины блока, а не всю длину импульсной характеристики. Это уменьшение задержки происходит за счет дополнительных вычислений. Для получения дополнительной информации о реализации см. [2].

Ссылки

[1] Shynk, J.J. «Частотно-доменная и многоскоростная адаптивная фильтрация». Журнал IEEE Signal Processing Magazine, том 9, № 1, стр. 14-37, январь 1992 года.

[2] Фарханг-Боруджени, Б., Адаптивные фильтры: теория и применение, Чичестер, Англия, Уайли, 1998.

[3] Штокам, Т. Г., младший «Высокоскоростное свертывание и корреляция». Материалы Весенней совместной компьютерной конференции 1966 года, AFIPS, том 28, 1966 год, стр. 229-233.

Расширенные возможности

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью Simulink ® Coder™

См. также

Объекты

dsp.AdaptiveLatticeFilter | dsp.AffineProjectionFilter | dsp.FastTransversalFilter | dsp.FilteredXLMSFilter | dsp.FIRFilter | dsp.FrequencyDomainAdaptiveFilter | dsp.FrequencyDomainFIRFilter | dsp.LMSFilter | dsp.RLSFilter

Блоки

Фильтр блочного LMS | Фильтр быстрого блочного LMS | Фильтр FIR частотной области | Фильтр Калмана | Фильтр LMS | Обновление LMS | Фильтр RLS

Темы

Представлен в R2018a

Документация

Адаптивный фильтр частотной области

Описание

Порты

Вход

Input - Ввод данных вектор столбца

Desired - Требуемый сигнал вектор столбца

Mu - Ввод размера шага вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

Зависимости

Leak - Ввод коэффициента утечки вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

Зависимости

Avrg - Ввод усредняющего коэффициента вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

Зависимости

Offset - Смещение для членов нормализации неотрицательный действительный скаляр

Зависимости

Adapt - Включить обновление коэффициентов фильтра неотрицательный действительный скаляр

Зависимости

Reset - Включить сброс состояний фильтра неотрицательный действительный скаляр

Зависимости

Продукция

Output - Отфильтрованные выходные данные вектор столбца

Error - Разность между выходом и требуемым сигналом вектор столбца

FFTCoeffs - Текущие коэффициенты БПФ фильтра вектор строки

Зависимости

Параметры

Method - Метод вычисления коэффициентов фильтра Constrained FDAF (по умолчанию) | Partitioned constrained FDAF | Unconstrained FDAF | Partitioned unconstrained FDAF

Filter length - Длина вектора коэффициентов фильтра 32 (по умолчанию) | положительный, целочисленный скаляр

Block length - Длина блока для обновления коэффициентов 32 (по умолчанию) | положительный, целочисленный скаляр

Specify step size from port - Флаг для указания размера шага off (по умолчанию) | on

Step size - Размер шага адаптации 1 (по умолчанию) | вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

Зависимости

Specify leakage factor from port - Флаг для указания коэффициента утечки off (по умолчанию) | on

LeakageFactor - Адаптационный коэффициент утечки 1 (по умолчанию) | вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

Зависимости

Specify averaging factor from port - Флаг для указания коэффициента усреднения off (по умолчанию) | on

Averaging factor - Коэффициент усреднения мощности сигнала 0.9 (по умолчанию) | вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

Зависимости

Specify offset from port - Флаг для указания смещения off (по умолчанию) | on

Offset - Смещение для членов нормализации 0 (по умолчанию) | неотрицательный вещественный скаляр

Зависимости

Initial FFT input signal power - Мощность исходного входного сигнала БПФ 1 (по умолчанию) | положительный числовой скаляр

Initial time-domain coefficients - Исходные коэффициенты временной области фильтра 0 (по умолчанию) | скаляр | вектор

Enable adapt port - Флаг для включения обновления коэффициента off (по умолчанию) | on

Enable reset port - Флаг для сброса внутренних состояний off (по умолчанию) | on

Output filter FFT coefficients - Флаг для вывода DFT коэффициентов фильтра off (по умолчанию) | on

Simulate using - Тип выполняемого моделирования Code generation (по умолчанию) | Interpreted execution

Характеристики блока

Алгоритмы

Алгоритм быстрого блочного LMS

Алгоритмы FBLMS с ограничениями и без ограничений

Секционированный алгоритм FBLMS

Ссылки

Расширенные возможности

Создание кода C/C + + Создайте код C и C++ с помощью Simulink ® Coder™

См. также

Объекты

Блоки

Темы

Документация по системной панели инструментов DSP

Поддержка

`Input` - Ввод данных
вектор столбца

`Desired` - Требуемый сигнал
вектор столбца

`Mu` - Ввод размера шага
вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

`Leak` - Ввод коэффициента утечки
вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

`Avrg` - Ввод усредняющего коэффициента
вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

`Offset` - Смещение для членов нормализации
неотрицательный действительный скаляр

`Adapt` - Включить обновление коэффициентов фильтра
неотрицательный действительный скаляр

`Reset` - Включить сброс состояний фильтра
неотрицательный действительный скаляр

`Output` - Отфильтрованные выходные данные
вектор столбца

`Error` - Разность между выходом и требуемым сигналом
вектор столбца

`FFTCoeffs` - Текущие коэффициенты БПФ фильтра
вектор строки

`Method` - Метод вычисления коэффициентов фильтра
`Constrained FDAF` (по умолчанию) | `Partitioned constrained FDAF` | `Unconstrained FDAF` | `Partitioned unconstrained FDAF`

`Filter length` - Длина вектора коэффициентов фильтра
`32` (по умолчанию) | положительный, целочисленный скаляр

`Block length` - Длина блока для обновления коэффициентов
`32` (по умолчанию) | положительный, целочисленный скаляр

`Specify step size from port` - Флаг для указания размера шага
off (по умолчанию) | on

`Step size` - Размер шага адаптации
`1` (по умолчанию) | вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

`Specify leakage factor from port` - Флаг для указания коэффициента утечки
off (по умолчанию) | on

`LeakageFactor` - Адаптационный коэффициент утечки
`1` (по умолчанию) | вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

`Specify averaging factor from port` - Флаг для указания коэффициента усреднения
off (по умолчанию) | on

`Averaging factor` - Коэффициент усреднения мощности сигнала
`0.9` (по умолчанию) | вещественный скаляр в диапазоне (0,1]

`Specify offset from port` - Флаг для указания смещения
off (по умолчанию) | on

`Offset` - Смещение для членов нормализации
`0` (по умолчанию) | неотрицательный вещественный скаляр

`Initial FFT input signal power` - Мощность исходного входного сигнала БПФ
`1` (по умолчанию) | положительный числовой скаляр

`Initial time-domain coefficients` - Исходные коэффициенты временной области фильтра
`0` (по умолчанию) | скаляр | вектор

`Enable adapt port` - Флаг для включения обновления коэффициента
off (по умолчанию) | on

`Enable reset port` - Флаг для сброса внутренних состояний
off (по умолчанию) | on

`Output filter FFT coefficients` - Флаг для вывода DFT коэффициентов фильтра
off (по умолчанию) | on

`Simulate using` - Тип выполняемого моделирования
`Code generation` (по умолчанию) | `Interpreted execution`

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью Simulink ® Coder™