（62）使用RLS自适应滤波器进行系统辨识的MATLAB仿真

news2024/12/24 8:42:26

文章目录

前言
一、基本概念
二、RLS算法原理
三、RLS算法的典型应用场景
四、MATLAB仿真代码
五、仿真结果
- 1.滤波器的输入信号、参考信号、输出信号、误差信号
- 2.对未知系统进行辨识得到的系数
总结与后续

前言

RLS（递归最小二乘）自适应滤波器是一种用于系统辨识和信号处理的算法，其原理基于最小二乘法。系统辨识是指从输入输出数据中估计或建模一个动态系统的过程。在RLS自适应滤波器中，目的是找到滤波器系数，使得滤波器的输出尽可能接近系统的实际输出。本文给出RLS自适应滤波器的基本原理与用于系统辨识的MATLAB仿真代码。

一、基本概念

输入信号x(n)：滤波器的输入信号。
期望信号d(n)：系统的实际输出或期望的滤波器输出。
滤波器输出y(n)：根据当前滤波器系数和输入信号计算得到的输出。
误差信号e(n)：期望输出与滤波器输出之间的差，即 e(n)=d(n)−y(n)。

二、RLS算法原理

RLS算法通过以下步骤递推地更新滤波器系数：
1. 初始化：
o 设定初始的滤波器系数w(0)。
o 设定初始的逆协方差矩阵P(0)，通常设为一个大的正值或单位矩阵。

2. 时间更新：
o 计算增益向量k(n)： k(n)=P(n−1)x(n)/(λ+x^T(n)P(n−1)x(n))。其中，λ 是遗忘因子，用于控制算法的记忆深度。
o 更新滤波器系数w(n)：w(n)=w(n−1)+k(n)e(n)

3. 逆协方差矩阵更新：
o 更新逆协方差矩阵P(n)=( 1/λ) (P(n−1)−k(n)x^T(n)P(n−1))

4. 计算输出：
o 计算滤波器输出 y(n)： y(n)=w^T(n)x(n)

5. 计算误差：
o 计算误差信号e(n)：e(n)=d(n)−y(n)

6. 重复步骤：
o 重复步骤2到步骤5，随着新的数据到来，不断更新滤波器系数。

三、RLS算法的典型应用场景

在实际应用中，RLS算法广泛应用于信号处理、通信、控制等领域。其典型应用场景包括：系统辨识、噪声消除、预测、信道均衡、信号分离、自适应控制、生物医学信号处理等。本文将给出RLS自适应滤波器进行系统辨识的仿真代码与结果。在后续的文章中，将逐一给出RLS自适应滤波器用于噪声消除、预测、信道均衡等方面的原理与MATLAB仿真。

四、MATLAB仿真代码

使用RLS算法用于未知系统辨识的仿真代码：

%% FIR滤波器的系统辨识
% 设计递归最小二乘法（RLS）均衡器
nTaps = 32;                                        % 权系数的个数
lambda = 0.99;                                     % 遗忘因子
RLSfilter = dsp.RLSFilter(nTaps, 'ForgettingFactor', lambda);

% 设计一个N阶低通FIR数字滤波器作为需要辨识的未知系统
ffilt = dsp.FIRFilter('Numerator',fir1(31, .25));  % 未知系统

% 噪声
sigma = 0.01;                                      % 噪声标准差
noise = sigma*randn(1000,1);                       % 噪声

% 生成输入信号与期望信号
x = randn(1000,1);                                 % 输入信号
d = ffilt(x) + noise;                              % 期望信号

% 使用RLS自适应算法计算输出、误差和均衡器系数
[y,e] = RLSfilter(x, d);
w = RLSfilter.Coefficients;

%% 画图
figure()
subplot(3,1,1)
plot(x,'m');grid on;
title('RLS自适应滤波器应用——FIR滤波器的系统辨识');
legend('Input');xlabel('time index'); ylabel('signal value');
xlim([0 500]);
subplot(3,1,2);
plot(d,'r');hold on;
plot(y,'b');grid on;
legend('Desired','Output');
xlabel('time index'); ylabel('signal value');
xlim([0 500]);
subplot(3,1,3);
plot(e,'r');grid on;
legend('Error');xlabel('time index'); ylabel('signal value');
xlim([0 500]);

figure()
stem(ffilt.Numerator,'r*');hold on;
stem(w,'bo');grid on;xlim([0 33])
legend('Actual','Estimated');
title('FIR滤波器的系统权系数');
xlabel('coefficient #');ylabel('coefficient value');