信号通信论文范文
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第1篇
城市轨道交通信号系统的DCS网络包含有线部分和无线部分。有线网络部分是指轨旁设备之间的数据通信，为信号系统提供专用有线信息传输，为控制中心、车站、场段之间提供有线传输通道，建立局域网连接。无线部分主要是列车上的移动无线设备和地面轨旁无线单元之间建立的车地双向通信。如上所述，在信号系统的DCS网络中，可以根据不同的组网方式，构建不同的网络结构，形成连接信号系统相关设备的通信网。而在这样的网络中，传递的信息就包含大量的管理信息、行车数据信息、ATS信息、维护信息、数据记录信息等。DCS系统网络连接设备一般连接方式需要说明的是DCS网络结构是多样的，随着实际地铁线路情况、所连接的设备情况、以及技术发展和应用情况有不同变化。从图1中可以看出，信号系统DCS网络具有连接设备类型多、数量大，信息传输种类繁多的特点。如果在DCS网络中信息没有合理的传输定义，使网络中任何一个数据帧的传输都要遍及整个网络，导致所有与网络连接的设备都接收到，这样就会严重的消耗掉网络整体带宽。因此，在DCS网络传输信息量较大时（如早、晚运行高峰时等），如不对网络进行合理设置，就可能产生网络风暴。网络风暴发生时，与网络连接的部分设备也可能会由于无法应对网络流量的大幅波动导致故障，进而引发故障面扩大的情况发生，对运营产生严重影响，这就需要对网络中的信息传输进行合理优化。
2VLAN技术特点及在DCS网络中的应用
VLAN技术是将局域网设备从逻辑上划分成一个个网段，从而实现虚拟工作组数据交换。由于VLAN设置是在交换机上按逻辑来划分，而不是传统上的只能从物理上划分，因此VLAN技术的出现，可以满足根据实际应用情况，将同一物理局域网内不同用户逻辑地划分成不同的广播域需求。在设计VLAN并实现应用时，首先要确定如何划分VLAN。较为常见的VLAN划分方式包括：按照端口划分，按照MAC地址划分、基于网络层划分、以及基于IP广播和基于规则等方式。其中应用最为广泛、也是最有效的，是按照端口划分的方式，这种划分方式是根据以太网交换机的交换端口来划分的，将交换机上的物理端口分为若干个组，每个组构成一个虚拟网。由于基于端口划分VLAN的优点是定义VLAN成员非常简单，只要在接入交换机上进行相关设置即可，操作相对简单，适合任何大小的网络。同时，这种配置方式适用于网络环境比较固定的情况，与DCS网络构建后即在运营中不会轻易改变的实际情况较为符合，因此在地铁信号系统DCS网络交换机的配置中，一般都可以使用按照端口划分VLAN的配置方式。以赫斯曼交换机为例，按照端口划分VLAN，为不同端口赋予不同ID后的界面显示情况综上所述，为了有效避免信号系统DCS网络风暴的发生，可以将交换机端口划分到不同VLAN中。其原理为：在不同端口发出的所有数据帧上增加一个代表所属VLAN编号的ID，各个交换机端口只有在接收到所属VLANID的信息时，才会对该信息进行拆分处理，而在收到标有其他VLANID信息时，只会将该信息按照目的地址进行转发。这样就实现了通过在DCS网络交换机上应用VLAN技术，有效控制网络流量、降低网络风暴发生概率的目标。并且通过在交换机上进行VLAN的划分，可以起到减少项目建设的设备投资成本、简化DCS网络管理、提高网络安全性的作用。这里需要提出的是，有必要找到适合于信号DCS网络的划分原则，结合实际应用情况，将不同级别的信息进行合理区分。
3适用于DCS的VLAN划分原则
由于地铁信号系统DCS网络具有连接设备数量、类型较多，信息传输种类繁多的特点，在按照端口划分的VLAN配置方法对信号DCS网络交换机等进行配置时，需要寻找到合适的原则，将信号系统DCS网络中不同设备、不同信息类型进行全网的统一配置，既能有效避免网络风暴，又有利于维护人员进行维修检查。这就需要根据网络端口是否有用、该端口在网络中的作用、所传输的信息内容和特点等特征，将网络端口有序划分。例如，在网络的列车自动控制（ATC）信息、列车自动监控（ATS）信息、维护管理信息等带有不同功能及目地的信息，划分到不同的VLAN中。在信息有效传输的同时，也可以提高网络的安全性能。建议按照以下原则进行层层划分。
1）由于信号系统涉及列车行车安全，因此可先将交换机上多余端口统一划入“无用端口”的VLAN中，这样即使有其他设备接入到该端口上，也不会对有用端口间的网络通信造成影响。
2）进一步将有用端口进行分类，如该端口在信号DCS网络中只做收发，不对信息进行拆分和处理，即可将其划入“管理类”的VLAN中。
3）在DCS网络中，与“管理类”信息对应的是“业务类”信息，在此类信息中，建议先将涉及到列车控制安全的ATC信息独立划分出来，同时由于此类信息较为重要，需设计两路，可以划分至两个不同的VLAN中。
4）另外，“业务类”信息还包含其他非ATC信息，也就是非安全信息。对这类信息的划分，首先将其中的ATS信息独立划分出来，同样建议为两路。
5）同时，非安全类的信息也包含维护管理类信息，如维护支持、电源监控类等信息也需要划分到单独一个VLAN中，此类信息可以不进行冗余设置。
6）其他非安全类信息也可以通过实际情况进行VLAN设置，可以独立VLAN，也可统一划入一个VLAN，根据实际情况进行设置即可。建议的VLAN划分原则，以及该原则对应在信号系统中的传输内容示意。
4总结
第2篇
论文摘要:近几十年里，数字信号处理技术取得了飞速发展，特别是在自适应信号处理方面，通过内部参数的最优化来自动调节系统特性并以其计算简单，收敛速度快等许多优点而被广泛使用。本文主要介绍了几种常用的自适应算法，如：LMS，RLS，NLMS等。分别就几种算法在算法原理，算法性能分析和计算机仿真等方面来说明各种算法的优越性。通过围绕算法的优缺点进行比较，得出一些重要结论。最后对自适应信号处理的一些应用作了介绍和分析，并对其进行了仿真。
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
自适应信号处理是信号处理领域的一个非常重要的分支。作为自适应信号处理基础的自适应滤波理论是对信号处理研究的一个重要方法，本文亦将它作为研究的手段。自适应信号处理经过近40年来的发展，随着人们在该领域研究的不断深入，其理论和技术已经日趋完善。尤其是近年来，随着超大规模集成电路技术和计算机技术的迅速发展，出现了许多性能优异的高速信号处理专用芯片和高性能的通用计算机，为信号处理，特别是自适应信号处理的发展和应用提供了重要的物质基础。另一方面，信号处理理论和应用的发展，也为自适应信号处理的进一步发展提供了必要的理论基础。自适应信号处理已经在诸如噪声对消，信道均衡，线形预测等方面得到广泛的应用。
本文主要研究的是自适应信号处理中一些基本的算法，如：LMS，RLS，NLMS等。在学习和总结前人工作的基础上，对各种算法进行了详细的推导，分析了它们的特点及性能，诸如稳态特性，收敛条件及参数的取值。对其中的两个基本算法LMS和RLS算法在收敛性和稳定性进行了分析比较，并用matlab仿真得到验证。最后对自适应处理的一些应用作了简要说明，如：噪声对消，信道均衡，线性预测及陷波器等，并对其进行了仿真。
1.1研究的目的和意义
常规的信号处理系统，利用自身的传输特性来抑制信号中的干扰成分，对不同频率的信号有不同的增益，通过放大某些频率的信号，而使另一些频率的信号得到抑制。由于其内部参数的固定性，消除干扰的效果受到很大的限制。通常许多情况下，并不能得到信道中有用信号和干扰信号的特性或者它们随时间变化，采用固定参数的滤波器往往无法达到最优滤波效果。在这种情况下，可以用自适应处理系统，来跟踪信号和噪声的变化。
自适应系统可以利用前一时刻已经获得的滤波器参数等结果，自动的调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和干扰未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。正是由于它在设计时需要很少或者无需任何关于信号和干扰的先验知识就可以完成的优点，所以发展很快，并得到广泛的应用。
1.2自适应系统的组成
自适应系统和常规系统类似，可以分为开环自适应和闭环自适应两种类型。开环自适应系统主要是对输入信号或信号环境进行测量，并用测量得到的信息形成公式或算法，用以调整自适应系统自身；而闭环自适应系统还利用系统调整得到的结果的有关知识去优化系统的某种性能，即是一种带“性能反馈”的自适应系统。
下图a表示一个开环自适应系统，控制该系统的自适应算法仅由输入确定。图b则表示一个闭环自适应系统，控制该系统响应的自适应算法除了取决于输入外，还依赖系统输出的结果。
1.3基本自适应算法
这里主要介绍LMS，RLS，NLMS三种基本算法。
LMS算法是最被广泛应用的滤波器演算法，最大的特点就是计算量小，易于实现。基于最小均方误差准则，LMS算法使滤波器的输出信号与期望输出信号之间的均方误差最小。运算过程不需要对相关函数及复杂的反矩阵做运算，所以经常拿来用作比较的基准。
LMS算法为了便于其实现，采用误差输出模的瞬时平方值(即瞬时功率)的梯度来近似代替均方误差的梯度。实际上我们可以直接考察一个由平稳信号输入的自适应系统在一段时间内输出误差信号的平均功率，即把平均功率达到最小作为测量自适应系统性能的准则，这就是RLS算法。换句话说，LMS算法是将输出误差信号的平均平方值最小化，而RLS算法是将输出误差信号平方值总和最小化。虽然RLS算法复杂度和阶数平方成正比，但是由于它的收敛速度快，所以仍然受到广泛的应用。
为克服常规的固定步长LMS自适应算法在收敛速率，跟踪速率与权失调噪声之间的要求上存在的较大矛盾，许多学者提出了各种各样的改进型LMS算法。比如归一化LMS，基于瞬变步长LMS以及基于离散小波变换的LMS自适应滤波算法。这里我们讨论归一化的LMS算法，即NLMS算法。
以上这些算法主要特点是不需要离线方式的梯度估值或者重复使用样本数据，而只需在每次迭代时对数据作“瞬时”梯度估计。因此自适应过程中的迭代比较简单，收敛速度比较快。
1.4Matlab语言介绍
本文的算法仿真采用了MATLAB语言。MATLAB是Mathworks公司于20世纪80年代推出的数值计算软件，近些年来得到了广泛的应用。MATLAB的全称是MatrixLaboratory，意思是矩阵实验室。它是以矩阵运算为基础的新一代程序语言。与Fortran和C相比，MATLAB语句显得简单明了，更加符合人们平常的思维习惯。同时，MATLABB有着良好的数据可视化功能，能将数字结果以图形的方式表现出来，让人们一目了然。这些特点使得MATLAB从众多数值计算语言中脱颖而出，并正以相当快的速度在科学研究和工程计算中得到应用和普及。
MATLAB有着非常强大的数值计算能力，它以矩阵为基本单位进行计算，数域扩展到复数，这一特点决定了MATLAB有着非凡的解决数值问题的能力。绘图方面，MATLAB的绘图语句简单明了，功能齐全。它能够在不同坐标系里绘制二维、三维图形，并能够用不同颜色和线型来描绘曲线。正是由于MATLAB这些特点，从而使它适合与进行自适应算法仿真。
2基本自适应算法的分析与Matlab仿真
2.1最小均方误差(LMS)自适应算法
2.1.1LMS自适应滤波器基本原理
SHAPE\*MERGEFORMAT
图2.1.1LMS自适应滤波器原理框图
图2.1.1中，表示时刻的输入信号，表示时刻的输出信号，表示时刻的参考信号或期望响应信号，表示时刻的误差信号。误差信号为期望响应信号与输出信号之差，记为。自适应滤波器的系统参数受误差信号控制，并根据的值而自动调整，使之适合下一时刻的输入，以使输出信号更加接近期望信号，并使误差信号进一步减小。当均方误差达到最小值时，最佳地逼近，系统已经适应了外界环境。
2.1.2E[e2(n)]与权值W的关系
LMS自适应滤波器通过算法，当最小时，滤波器已经调节出适合现在外部环境的滤波器权值W。
(1)我们可以先推导出与加权系数W的关系式。
写成矩阵形式：式(2.1.2.1)
误差：式(2.1.2.2)
则式(2.1.2.3)
令带入式(2.1.2.3)中得
中国可以从上式看出均方误差是加权系数的二次函数，它是一个中间上凹的超抛物形曲面，是具有唯一最小值的函数。即与的关系在几何上是一个“碗形”的多维曲面。为了简单，设是一维的，则与的关系成为一个抛物线。调节加权系数使均方误差最小，相当于沿超抛物形曲面下降到最小值。连续地调节加权系数使均方误差最小，即寻找“碗”的底点。碗底：，即点。
2.1.3LMS算法推导
最小均方差（LMS）算法，即权系数递推修正达到最佳权系数是依据最小均方算法。最陡下降法（SteepestDescentMethod）是LMS算法的基础，即下一时刻权系数矢量应该等于“现时刻”权系数矢量加上一项比例为负的均方误差函数的梯度，即
式（2.1.3.1）
其中为
式（2.1.3.2）
为控制收敛速度与稳定性的数量常数，称为收敛因子或自适应常数。式（2.1.3.1）中第二项前的负号表示当梯度值为正时，则权系数应该小，以使下降。根据式（2.1.3.1）的递推算法，当权系数达到稳定时，一定有，即均方误差达到极小，这时权系数一定达到所要求的最佳权系数。LMS算法有两个关键：梯度的计算以及收敛因子的选择。按（2.1.3.2）计算时，要用到统计量G，P，因此有很大困难，故通常用一种粗糙，但却有效的方法，就是用代替，即
式（2.1.3.3）
式（2.1.2.3）的含义是指单个误差样本的平方作为均方误差的估计值，从而使计算量大大减少。从而最终可以推出权系数迭代的LMS算法为：
式（2.1.3.4）
为输入样本向量，只要给定系数迭代的初值，根据上式可以逐步递推得到最佳权系数，并计算出滤波器误差输出。下图为LMS算法的流程图：
SHAPE\*MERGEFORMAT
2.1.4LMS算法的参数分析
LMS算法所用到计算式如下：
系统输出：
误差估计：
权值更新：
其中为信号输出，为输入向量，为误差值，为权值向量，为期望值，为步长。在LMS算法中步长值的取舍问题非常重要，直接影响了算法的收敛速度。值是用来调整加权参数的修正速度，若值取的过小，收敛速度就会过于缓慢，当取的过大时，又会造成系统收敛的不稳定，导致发散。所以选取最佳的值是LMS算法中一个重要的问题。具体收敛条件可由下面的式子分析得出：
可以以得出收敛条件及
其中是输入相关矩阵的最大特征值。
2.1.5LMS算法的仿真分析
图(2.1.5.1)
上面为输入信号与输出信号图示。输入信号采用正态随机信号加上高斯白噪声。可以看出输出信号经过一段时间基本达到跟踪，滤波的效果。
图(2.1.5.2)
图(2.1.5.3)
第3篇
关键词：DDSFPGA频率合成器跳频通信
在众多的通信技术中，扩频通信技术由于具有独特的抗干扰能力以及宽的使用频带而在军事通信领域倍受青睐。根据扩频通信调制方式的不同，它可以分为直接序列扩频方式（DS）、跳频方式（FH）、跳时方式（FT）及兼有以上方式中二种以上的混合方式。其中跳频通信具有保密性好、不易受远近干扰和多径干扰的影响等优点，是一种很有前景的通信方式。跳频系统的频率跳变，受到伪随机码的控制。不同的时间、不同的伪码相位，频率合成器产生的相应频率也不同。把跳频系统的频率跳变规律称为跳频图案。跳频图案是时间和频率的函数，故又称为时间－频率矩阵，简称时频矩阵。时频矩阵可直观描述出频率跳变规律，如图1所示。
跳频图案的设计是跳频通信系统的一个关键问题，直接影响到跳频系统的保密、抗干扰、多址等性能。一般要求跳频图案的周期要长，这就要求控制跳频图案的伪随机码周期要长，即移位寄存器的级数要大。
1基于FPGA和DDS技术的跳频信号源设计
跳频信号源即为载波频率按照一定跳频图案跳变的信号发生器。设计一个性能优异的跳频信号源，困难在于其优良的频谱性能。笔者提出了一种基于FPGA12和DDS技术的跳频图案的设计方案。指标如下：600跳／秒跳速；20个跳频点；3．4MHz跳频基带；68MHz跳频带宽；106．78MHz～172．14MHz跳频频率中20个频点。DDS采用AD公司的最新频率合成器件AD9852，写频率控制字采用ALTARA公司的可编程逻辑器件APEX20K系列中的EP20K100，其逻辑资源为10万门，两者通过40针总线接口相连3。其中，FPGA完成存储频率控制字、定时写入频率控制字的功能，AD9852则实现频率合成输出。频率合成器DDS是跳频信号源中的一个关键部件，其原理如图2所示。这种频率合成器工作频率高，可达GHz数量级；分辨率高，可达1Hz以下，稳定度高；体积小，重量轻，集成度高，这些都是其他频率合成器件难以比拟的。AD9852是近年推出的高速芯片，具有小型的80管脚表贴封装形式，其时钟频率为300MHz，并带有两个12位高速正交D／A转换器、两个48位可编程频率寄存器、两个14位可编程相位移位寄存器、12位幅度调制器和可编程的波形开关键功能，并有单路FSK和BPSK数据接口，易产生单路线性或非线性调频信号。当采用标准时钟源时，AD9852可产生高稳定的频率、相位、幅度可编程的正、余弦输出，可用作捷变频本地振荡器和各种波形产生器。AD9852提供了48位的频率分辨率，相位量化到14位，保证了极高频率分辨率和相位分辩率，极好的动态性能。其频率转换速度可达每秒100×106个频率点。在高速时钟产生器应用中，可采用外接300MHz时钟或外接低频时钟倍频两种方式，给电路板带来了极大的方便，同时也避免了采用高频时钟带来的问题。在AD9852芯片内部时钟输入端有4～20倍可编程参考时钟锁相倍频电路，外部只需输入一低频参考时钟60MHz，通过AD9852芯片内部的倍频即可获得300MHz内部时钟。300MHz的外部时钟也可以采用单端或差分输入方式直接作为时钟源。AD9852采用＋3．3V供电，降低了器件的功耗。工作温度范围在－40°C～＋85°C。
本文采用AD9852所设计的频率合成器结构如图3所示。DDS模块分成二路输出：（1）第一路输出
100MHz～150MHz信号；（2）第二路输出150MHz～200MHz信号。其中DDS输出12．5MHz～25MHz的信号，经SWCON开关分成两路输出，一路输出12．5MHz～18．75MHz信号，经放大倍频、滤波，输出100MHz～150MHz信号；另一路输出18．75MHz～25MHz的信号经放大倍频、滤波输出150MHz～200MHz信号。
2FPGA与DDS接口设计
FPGA主要完成从外部向DDS写入频率控制字功能，其中频率控制字存储在FPGA内部RAM单元中。双方通过40针总线连接，其中信号线为：8位数据线、6位地址线、复位信号、updateclk（频率跳变信号）、swcon（开关：高频段和低频段转换信号，当swcon为低时输出高频段，当swcon为高时，输出低频段）、wr（写信号）。
AD9852用于频率合成时工作在单频模式（singletonemode）其工作时序关系如图4所示。
