第 卷第 期 吉 林 大 学 学 报 信 息 科 学 版
ＶｏｌＮｏ
年 月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ Ｊｕｌｙ
收稿日期
基金项目国 家 高 科 技 计 划 基 金 资 助 项 目 ＡＡＺ 长 安 大 学 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 用 资 金 资 助 项 目
ＣＨＤＺＹ
作者简介杨澜 女陕西咸阳人长安 大学 博 士研 究生主要 从 事姿 态估 计与嵌 入式 控 制研 究 Ｔｅｌ Ｅ
ｍａｉｌｙａｎｇｌａｎｃｏｍ赵祥模 男重庆人长安大学教授博士生导师主要从事 ＩＴＳ 与分布式网络测控技
术研究 Ｔｅｌ Ｅｍａｉｌ ｘｍｚｈａｏｃｈｄｅｎｄｃｎ
文章编号
基 于 ＦＰＧＡ 的 车 辆 振 动 信 号 提 取 方 法
杨澜赵祥模惠飞史昕王润民
长安大学 信息工程学院西安
摘要 为了从车辆复杂噪声背景中实时提取陀螺仪的有效振动信号在分析弱信号特征提取方法的基础上针
对自适应滤波算法处理相关信号时收敛速度降低的缺点提出一种适用于 ＦＰＧＡＦｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔａ Ａｒｒａｙ
的自适应步长 ＬＭＳＬｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ算法 该算法通过建立步长和误差信号相关值之间的非线性关系使步
长仅与输入有用信号相关降低算法对噪声的敏感度 实验以收敛速度和计算复杂度两个指标对该算法与其他
改进算法进行比较并以真实车辆振动信号提取结果分析验证该算法对车载环境噪声和陀螺仪自身噪声都有较
好抑制 在用算法计算基础上以 ＦＰＧＡ 平台提出并实现一种可扩展滤波器结构 设计采用一阶滤波单元重用
方式完成多阶累加计算在目前最大规模 ＦＰＧＡ 芯片上实现 阶滤波器 实验表明该设计充分利用芯片
内逻辑资源处理速度快可靠性高并适用于车辆中低速行驶姿态测量系统
关键词车辆振动信号强背景噪声信号提取ＬＭＳ 算法变步长ＦＰＧＡ 实现
中图分类号ＴＮ 文献标识码 Ａ
Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ
ＹＡＮＧ ＬａｎＺＨＡＯ ＸｉａｎｇｍｏＨＵＩ ＦｅｉＳＨＩ ＸｉｎＷＡＮＧ Ｒｕｎｍｉｎ
Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｈａｎｇａｎ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＸｉ
ａｎ Ｃｈｉｎａ
ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｒｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｄｕａｌａｘｉｓ ｉｎｃｌｉｎｏｍｅｔｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｎｖｉｒｏｎ
ｍｅｎｔａ ＬＭＳＬｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｓｐｅｅｄ ｔｏ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｄａｔａ ｉｓ
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｔ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｓｅｌｆａｄａｐｔａｔｉｏｎ ｓｔｅｐ ＬＭＳ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ
ｓｔｅｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒｓｏ ａｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｅｐ ｉｓ ｉｎｔｅｒｒｅｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒｕｅ ｓｉｇｎａｌ ｆｏｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｔｏ
ｎｏｉｓｅＴｏ ｃｏｐｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｆｏｒ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｅｘｔｒａｃ
ｔｉｏｎｔｈｅ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｒｅ ｇａｉｎｅｄ ｂｙ ｉｎｐｕｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｗｈｉｔｅ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎＡ
ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅｍ ｉｓ ｍａｄｅ ｂｙ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｉｎｄｅｘＴｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｎｏｖｅｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅＴｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｒｅｍｏｖｅｓ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｕａｌａｘｉｓ ｉｎｃｌｉｎｏｍｅｔｅｒａｎｄ ｒｅｓｔｒａｉｎｓ ｉｔｓ ｏｗｎ ｏｕｔｐｕｔ ｎｏｉｓｅＢａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｌｆａｄａｐｔｉｖｅ
ｓｔｅｐ ＬＭＳ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｔ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ ａ ｓｃａｌａｂｌｅ ＦＩＲ Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅｆｉｌｔｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｎ ＦＰ
ＧＡＦｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔａ Ａｒｒａｙ Ｂｙ ｒｅｕｓｉｎｇ ｏｆ ｆｉｓｔｏｒｄｅｒ ｆｉｌｔｅｒ ｕｎｉｔ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ ｃｕｍｕｌａ
ｔｉｖｅｉｔ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｆｉｌｔｅｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ＦＰＧＡ ｃｈｉｐＴｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＦＩＲ ｆｉｌｔｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｆｕｌｌ ｕｓｅ ｏｆ ｃｈｉｐ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｈｉｇｈｌｙｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｈｉｇｈｌｙ ａｎｄ ａｐｐｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｔｔｉ
ｔｕｄｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｖｅｈｉｃｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｈｅａｖｙ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅｓｉｇｎａｌ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｌｅａｓｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ＬＭＳ ａｌｇｏ
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