Page 73 - 《应用声学》2023年第3期

第 42 卷 第 3 期 崔红涛等： 跨金属厚壁的视频超声无线通信系统 511

2.2 自适应时域均衡器的硬件实现
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VGAGA 自适应时域均衡器的实现分为两个阶段。在自
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适应训练阶段，将未穿透金属壁的系统发送端信号
作为自适应时域均衡器的期望信号，穿透金属壁的
信号作为输入信号，训练获得自适应时域均衡器的
滤波器系数。在工作阶段，均衡器的系数保持不变，
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ԧ 既能满足对环境的适应性，又可以减少计算量 [14] 。
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ଌஆቫႃ᡹ ͜ᣥη᥋ ቫ 基于自适应时域均衡器实现过程中所需完成
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᡹ 的各种操作，在 FPGA 中相应为其划分不同模块：
ଌஆቫᡔܦ ԧ᤟ቫᡔܦ 卷积模块、误差计算模块、系数更新模块和控制模
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块。其模块框图如图7所示。

图 5 系统实物图 రమηՂ d↼n↽
Fig. 5 Physical drawing of system
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-0.1 വڱ
-0.2 图 7 自适应时域均衡器的 FPGA 实现模块框图
Fig. 7 FPGA implementation block diagram of
-0.3
adaptive time domain equalizer
0 0.4 0.8 1.2 1.6
௑ᫎ/µs
完成自适应时域均衡器设计和实现后进行
图 6 信道的脉冲响应
了实验测试，图 8(a) 为超声波信号穿透金属壁
Fig. 6 Impulse response of channel
均衡前的信号波形，信号有效值 (Effective value,
2.1 基于符号LMS的自适应时域均衡器
EV) 为 0.707 V，噪声 EV 为 0.212 V，接收信噪比
在利用 FPGA 构建自适应时域均衡器的过程 为 10.46 dB。经过自适应时域均衡器后的波形
中，考虑到运算量和硬件资源等因素，系统采用符号 如图 8(b) 所示，信号 EV 为 0.636 V，噪声 EV 为
最小均方(Least mean square, LMS)算法来实现自 0.0707 V，接收信噪比提高到19.08 dB，验证了自适
适应时域均衡器。符号 LMS 算法是 LMS 算法的简 应均衡器能有效消除回波信号，提高接收信噪比。
化，它只给出梯度迭代的方向，而不给出具体的梯度
值，因此运算量更少，运算速度更快 [15] 。算法的运 3 实验结果
算步骤为
完成系统设计和实现后对该系统进行了实验
y(n) = w(n) ∗ x(n),
测试，使用 Signal Tap 逻辑分析仪对接收端 FPGA
e(n) = d(n) − y(n),
进行在线仿真，得到的波形如图 9 所示。其中，首
w(n + 1) = w(n) + 2µx(n)sign[e(n)], (1) 行的信号是 A/D 转换后的数据，依次经过自适应
其中，输出信号 y(n) 等于滤波器系数向量 w(n) 与 时域均衡器处理、数字整流、有限冲激响应 (Finite
输入信号x(n)的卷积。而滤波器系数向量不断根据 impulse response, FIR) 数字低通滤波和判决之后
误差信号e(n) 更新，误差信号为期望信号 d(n) 与实 最终输出解调后的数据。从在线仿真图中可以看出，
际输出信号 y(n) 的差，sign[e(n)] 是对 e(n) 取符号 FPGA 解调的数据和接收的波形一一对应，验证了
运算，µ为加权向量更新时的步长因子。 系统能够对接收的数据实现正确解调。