Verilog实现可变字长32阶自适应滤波器：基于LMS算法的设计解析

biyezuopinvip

已于 2025-07-16 09:06:05 修改

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文章标签： Verilog实现可变字长32阶自适应滤波器基于LMS算法的设计解析 Python 源码代码

于 2025-07-16 09:03:02 首次发布

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Verilog实现可变字长32阶自适应滤波器：基于LMS算法的设计解析

引言

自适应滤波器在信号处理、通信系统和噪声抑制等领域具有广泛应用。其核心优势在于能够根据输入信号特性动态调整滤波器系数，从而实现对时变环境的优化处理。本文介绍了一种基于LMS（Least Mean Squares）算法的32阶自适应滤波器的Verilog实现，重点分析了其模块化设计、关键算法实现及定标优化策略。该设计支持可变字长，适用于不同精度的应用场景，详细内容参考了裴师兄的毕业论文。

1. 设计基础：LMS算法与FIR滤波器

自适应滤波器的核心是LMS算法，其通过迭代更新滤波器系数（权重）最小化输出误差。结合FIR（Finite Impulse Response）滤波器的线性相位特性，本设计实现了低复杂度、高稳定性的自适应滤波。

LMS算法核心公式

误差计算：
[
e(n) = d(n) - y(n)
]
其中，(d(n))为期望信号，(y(n))为滤波器输出。
系数更新：
[
w_{k}(n+1) = w_{k}(n) + \mu \cdot e(n) \cdot x(n-k)
]
(\mu)为步长因子，控制收敛速度与稳定性。

FIR滤波器结构

FIR滤波器通过输入信号的移位寄存器与系数相乘后累加，输出滤波结果：
[
y(n) = \sum_{k=0}^{N-1} w_{k}(n) \cdot x(n-k)
]
本设计采用32阶FIR结构，支持可变字长输入。

2. 模块化设计

为实现自适应滤波器的功能，设计划分为以下核心模块：

模块名	功能
`IS_reg`	输入信号移位寄存器，存储历史输入样本供后续模块使用。
`forward_filter`	FIR滤波器核心，包含乘法器阵列与并行压缩模块，实现滤波计算。
`error_compute`	计算期望信号与实际输出的误差，并处理位宽缩减问题。
`backfoward_coe_upgrade`	基于LMS算法更新滤波器系数，动态调整权重。

2.1 输入信号移位寄存器（IS_reg）

结构：32个相同字长的寄存器级联，构成FIFO结构。
功能：存储当前及历史输入信号，供forward_filter进行滤波计算，同时为backfoward_coe_upgrade提供系数更新所需的历史数据。

2.2 FIR滤波器（forward_filter）

乘法器阵列（mult_array）

功能：并行计算输入信号与滤波器系数的乘积。
优化：采用近似计算方法（如CSD编码或截断乘法）降低资源消耗。

并行压缩模块（parallel_compressor）

功能：将32个乘法结果累加，输出滤波结果。
实现：使用树形加法器或Wallace树结构优化时延。

2.3 误差计算模块（error_compute）

输入：期望信号(d(n))（16位）与实际输出(y(n))（37位）。
输出：误差信号(e(n))（16位）。
定标问题：
- 实际输出(y(n))为32个乘积的和，每个乘积绝对值小于1，因此(y(n))的绝对值小于32。
- 为适配16位乘法器输入，需将(y(n))缩减至16位：
  - 整数部分：6位（覆盖范围-32到+32）。
  - 小数部分：14位（保留精度）。
- 期望信号(d(n))的幅值为2（两信号叠加），因此其16位表示为：
  - 整数部分：2位（覆盖范围-2到+2）。
  - 小数部分：14位。
- 结论：误差信号(e(n))的整数部分取1位（符号位）或2位（根据实际范围调整），小数部分保留14位。