CN105093010A - 在混频周期信号中提取特定频率的波的数字滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在混频周期信号中提取特定频率的波的数字滤波方法，包括以下步骤：(1)通过SPI通讯从AD采样芯片中读取需要进行数字滤波的数据；(2)根据采样频率和所求的信号分辨率，以及各混频信号的频率，在步骤(1)中读取的需要进行数字滤波的数据中确定采样周期和采样点个数；(3)利用数字锁相放大滤波算法，将步骤(2)中提取数据与设计的锁相滤波矩阵相乘；(4)将步骤(3)中的数据进行周期累加后得出常数，然后求常数的均方根和商的反正切，得到最终需要的滤波并输出。克服了上百倍的噪声干扰，获得真实的幅值，且电路简单，便于操作，可靠性高。

Description

在混频周期信号中提取特定频率的波的数字滤波方法

技术领域

本发明涉及一种数字滤波方法，特别涉及一种混频信号中提取特定频率波的幅值及相位的数字滤波算法。

背景技术

在电力设备检测系统中，消弧线圈及小电流接地选线多采用注入信号法，因其高效越来越被广泛应用。所谓注入信号法，实际上就是在电网上注入一个几十毫安不同于电网工频的特定频率正弦信号电流，然后在有关节点安装电流或电压传感器，通过采集注入的特定频率信号，从而计算出各电力系统参数或作出故障诊断。所以采用高效精确的方法将注入信号在工频电网信号中提取出来尤其重要。由于注入信号微弱，而工频信号较强，在工程上不外乎采用高选择性(高Q值)及高放大倍数的硬件和软件滤波法，其基本原理就是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择。频率滤波时，是把信号看成是由不同频率正弦波叠加而成的模拟信号，通过选择不同的频率成分来实现信号滤波。此方式硬件投入较大、电路设计复杂、可靠性和稳定性较差，同时对不同频率的干扰信号还存在阻抗匹配的问题；此外，过高的Q值和过高的放大倍数容易引起自激振荡，振荡周期长，采样值稳定所需要的时间也就长，影响采样数据的实时性。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种通过对采集的数据进行滤波处理，从而消除或削弱干扰和噪声的影响，提高测量的可靠性和精度，实现在有噪声的周期信号中提取特定频率的波的数字滤波方法。

本发明所采用的技术方案如下：一种在混频周期信号中提取特定频率的波的数字滤波方法，包括以下步骤：

(1)通过SPI通讯从AD采样芯片中读取需要进行数字滤波的数据；

(2)根据采样频率和所求的信号分辨率，以及各混频信号的频率，在步骤(1)中读取的需要进行数字滤波的数据中确定采样周期和采样点个数；

(3)利用数字锁相放大滤波算法，将步骤(2)中提取数据与设计的锁相滤波矩阵相乘；

(4)将步骤(3)中的数据进行周期累加后得出常数，然后求常数的均方根和商的反正切，得到最终需要的滤波并输出。

其中，SPI为串行外设接口；AD为电路专业术语，AD采样芯片是模拟信号转换为数字信号的芯片。

作为优选，所述数字锁相放大滤波算法包括以下步骤：

(1)根据采样频率和所求的信号分辨率，以及各混频信号的频率选择N个采样点，得到一个N×1阶矩阵F；

(2)根据最终所求的信号频率，设计与所要求信号频率相同的正弦N×1阶矩阵f₁和余弦N×1阶矩阵f₂，其中f₁和f₂作为传递函数矩阵；

(3)将步骤(1)中矩阵F分别与步骤(2)中的传递函数矩阵f₁和f₂点乘后得到相同个数的N个点，分别存储为N×1阶矩阵F₁和F₂；

(4)再分别将步骤(3)中的N×1阶矩阵F₁和F₂的N个元素累加后求平均值，因采样时间为各混频周期的公倍数，可得到常数Q₁和Q₂。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：克服了上百倍的噪声干扰，获得真实的幅值，且电路简单，便于操作，可靠性高，并且不存在阻抗匹配、特性波动、非一致性等问题；只要适当改变数字滤波程序有关参数，就能方便的改变滤波特性，因此数字滤波使用时方便灵活。通过数字锁相放大滤波算法，可以有效地消除其他周期信号对所需频率信号的干扰，并能够根据所求信号频率调整滤波参数，从而提高了数字滤波的方便性，灵活性以及可靠性。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。

实施例一

一种在混频周期信号中提取特定频率的波的数字滤波方法，包括以下步骤：

(1)混频周期信号Y＝B+A*sin(2πωt+C)+A₁*sin(2πω₁t+C1)+…+A_k*sin(2πω_kt+C_k)(其中，B为信号零点，即信号以该点上下对称；A、A₁……A_k为振幅；C、C₁……C_k为初始相位；t为时间，ω为频率，Y为混频信号)先经过AD采样芯片采样后，再通过SPI将采样数据传输到CPU芯片。

(2)根据采样频率和所求的信号分辨率，以及各混频信号的频率选择N个采样点，得到一个N×1阶矩阵F；如何确定点数N，需要根据所求的信号分辨率n来确定。其中，所谓信号分辨率就是能够用该算法分析得到所需频率信号幅值和相位的每周期最小采样点数。根据所需要提取的信号分辨率并结合AD芯片的采样频率，将每周期最小采样点数定为n完全能够满足该算法的分辨率要求。

(3)采样时间由混频信号的周期决定，取各混频频率和所需频率信号频率的差及和，再算出各差值及和值频率对应周期的最小公倍数作为最终采样时间。

(4)若要在混频中提取出频率为ω的信号，则将Y分别与频率为ω的正弦参考信号y₁＝sin(2πωt)和余弦参考信号y₂＝cos(2πωt)的N×1阶矩阵f₁和f₂，作为传递函数矩阵，该步骤中参考信号的频率ω由CPU时钟频率和采样频率控制决定；将矩阵F分别与传递函数矩阵f₁和f₂点乘后得到相同个数的N个点，分别存储为N×1阶矩阵F₁和F₂。

(5)再分别将步骤(4)中的N×1阶矩阵F₁和F₂的N个元素累加后求平均值，因采样时间为各混频周期的公倍数，可得到常数Q₁和Q₂。

(6)最后求Q₁和Q₂的均方根和商的反正切，作为最终需要的信号的幅值和初始相位。

实施例二：在50HZ和83.3HZ的混频信号中提取出83.3HZ信号的幅值和相位。

(1)混频周期信号Y＝B+A*sin(2π*83.3t+C)+A₁*sin(2π*50t+C₁)(其中，B为信号零点，即信号以该点上下对称；A和A₁为振幅；C和C₁为初始相位；t为时间；Y为混频信号)先经过AD采样芯片采样后，再通过SPI将采样数据传输到CPU芯片。

(2)根据采样频率和要求的信号分辨率，以及各混频信号的频率选择N个采样点，得到一个N×1阶矩阵F；如何确定点数N，需要根据要求的信号分辨率n来确定。所谓信号分辨率就是能够用该算法分析得到所需频率信号幅值和相位的每周期最小采样点数；在本实施例中根据83.3HZ信号分辨率并结合AD芯片的采样频率，将每周期最小采样点数定为n＝128完全能够满足该算法的分辨率要求。

(3)采样时间由混频信号的周期决定，取各混频频率和所需频率信号频率的差及和，再算出各差值及和值频率对应周期的最小公倍数作为最终采样时间；本实施例中采样时间确定为83.3HZ、33.3HZ、133.3HZ频率对应周期的最小公倍数60ms；60ms是83.3HZ信号周期的5倍，因此可得出采样点N＝n*5＝640。

(4)设计与要提取83.3HZ信号频率相同的正弦信号y₁＝sin(2π*83.3t)和余弦信号y₂＝cos(2π*83.3t)的N×1阶矩阵f₁和f₂，作为传递函数矩阵；将矩阵F分别与传递函数矩阵f₁和f₂点乘后得到相同个数的N个点，分别存储为N×1阶矩阵F₁和F₂；

(5)分别将N×1阶矩阵F₁和F₂的N个元素累加，由于采样周期为各混频83.3HZ、33.3HZ、133.3HZ对应周期的最小公倍数60ms，故累加后求平均值可得到常数Q₁＝(-A/2)*cos(c)和Q₂＝A/2*sin(c)。

(6)最后求Q₁、Q₂的均方根和商的反正切，作为最终需要的83.3HZ信号的幅值和初始相位。

实施例三：在20HZ、50HZ和90HZ的混频信号中提取出50HZ信号的幅值和相位。

(1)混频周期信号Y＝B+A*sin(2π*20t+C)+A₁*sin(2π*50t+C₁)+A₂*sin(2π*90t+C₂)(其中，B为信号零点，即信号以该点上下对称；A、A₁和A₂为振幅；C、C₁和C₂为初始相位；t为时间；Y为混频信号)先经过AD采样芯片采样后，再通过SPI将采样数据传输到CPU芯片。

(2)根据采样频率和要求的信号分辨率，以及各混频信号的频率选择N个采样点，得到一个N×1阶矩阵F；如何确定点数N，需要根据要求的信号分辨率n来确定。所谓信号分辨率就是能够用该算法分析得到所需频率信号幅值和相位的每周期最小采样点数；在本实施例中根据50HZ信号分辨率并结合AD芯片的采样频率，将每周期最小采样点数定为n＝128完全能够满足该算法的分辨率要求。

(3)采样时间由混频信号的周期决定，取各混频频率和所需频率信号频率的差及和，再算出各差值及和值频率对应周期的最小公倍数作为最终采样时间；本实施例中采样时间确定为30HZ、40HZ、50HZ、70HZ和140HZ频率对应周期的最小公倍数100ms；100ms是50HZ信号周期的5倍，因此可得出采样点N＝n*5＝640。

(4)设计与要提取50HZ信号频率相同的正弦信号y₁＝sin(2π*50t)和余弦信号y₂＝cos(2π*50t)的N×1阶矩阵f₁和f₂，作为传递函数矩阵；将矩阵F分别与传递函数矩阵f₁和f₂点乘后得到相同个数的N个点，分别存储为N×1阶矩阵F₁和F₂；

(5)分别将N×1阶矩阵F₁和F₂的N个元素累加，由于采样周期为各混频30HZ、40HZ、50HZ、70HZ合140HZ对应周期的最小公倍数100ms，故累加后求平均值可得到常数Q₁＝(-A/2)*cos(c)和Q₂＝A/2*sin(c)。

(6)最后求Q₁、Q₂的均方根和商的反正切，作为最终需要的50HZ信号的幅值和初始相位。

实施例四：在30HZ、40HZ、80HZ和95HZ的混频信号中提取出80HZ信号的幅值和相位

(1)混频周期信号Y＝B+A*sin(2π*30t+C)+A₁*sin(2π*40t+C₁)+A₂*sin(2π*80t+C₂)+A₃*sin(2π*95t+C₃)(其中，B为信号零点，即信号以该点上下对称；A、A₁、A₂和A₃为振幅；C、C₁、C₂和C₃为初始相位；t为时间；Y为混频信号)先经过AD采样芯片采样后，再通过SPI将采样数据传输到CPU芯片。

(2)根据采样频率和要求的信号分辨率，以及各混频信号的频率选择N个采样点，得到一个N×1阶矩阵F；如何确定点数N，需要根据要求的信号分辨率n来确定。所谓信号分辨率就是能够用该算法分析得到所需频率信号幅值和相位的每周期最小采样点数；在本实施例中根据80HZ信号分辨率并结合AD芯片的采样频率，将每周期最小采样点数定为n＝128完全能够满足该算法的分辨率要求。

(3)采样时间由混频信号的周期决定，取各混频频率和所需频率信号频率的差及和，再算出各差值及和值频率对应周期的最小公倍数作为最终采样时间；本实施例中采样时间确定为15HZ、40HZ、50HZ、80HZ、110HZ、120HZ和175HZ频率对应周期的最小公倍数200ms；200ms是80HZ信号周期的16倍，因此可得出采样点N＝n*16＝2048。

(4)设计与要提取80HZ信号频率相同的正弦信号y₁＝sin(2π*80t)和余弦信号y₂＝cos(2π*80t)的N×1阶矩阵f₁和f₂，作为传递函数矩阵；将矩阵F分别与传递函数矩阵f₁和f₂点乘后得到相同个数的N个点，分别存储为N×1阶矩阵F₁和F₂；

(5)分别将N×1阶矩阵F₁和F₂的N个元素累加，由于采样周期为各混频15HZ、40HZ、50HZ、80HZ、110HZ、120HZ和175HZ对应周期的最小公倍数200ms，故累加后求平均值可得到常数Q₁＝(-A/2)*cos(c)和Q₂＝A/2*sin(c)。

(6)最后求Q₁、Q₂的均方根和商的反正切，作为最终需要的80HZ信号的幅值和初始相位。

其中，实施例一为通用的在混频信号中求出特定频率的波的幅值和初始相位的方法，而实施例二到实施例四分别为在两种、三种、四种具体的混频信号中求出特定频率的波的幅值和初始相位的实施例，可以根据实施例一到实施例四的方法求出在多种混频信号中求出所需信号的幅值和初始相位的方法，简单方便，易操作且可靠性高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种在混频周期信号中提取特定频率的波的数字滤波方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)通过SPI通讯从AD采样芯片中读取需要进行数字滤波的数据；

(2)根据采样频率和所求的信号分辨率，以及各混频信号的频率，在步骤(1)中读取的需要进行数字滤波的数据中确定采样周期和采样点个数；

(3)利用数字锁相放大滤波算法，将步骤(2)中提取数据与设计的锁相滤波矩阵相乘；

(4)将步骤(3)中的数据进行周期累加后得出常数，然后求常数的均方根和商的反正切，得到最终需要的滤波并输出。

2.根据权利要求1所述的在混频周期信号中提取特定频率的波的数字滤波方法，其特征在于：所述数字锁相放大滤波算法包括以下步骤：

(1)根据采样频率和所求的信号分辨率，以及各混频信号的频率选择N个采样点，得到一个N×1阶矩阵F；

(2)根据最终所求的信号频率，设计与所要求信号频率相同的正弦N×1阶矩阵f₁和余弦N×1阶矩阵f₂，其中f₁和f₂作为传递函数矩阵；

(3)将步骤(1)中矩阵F分别与步骤(2)中的传递函数矩阵f₁和f₂点乘后得到相同个数的N个点，分别存储为N×1阶矩阵F₁和F₂；

(4)再分别将步骤(3)中的N×1阶矩阵F₁和F₂的N个元素累加后求平均值，因采样时间为各混频周期的公倍数，可得到常数Q₁和Q₂。