CN115694427B - 一种具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器 - Google Patents

一种具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器，包括：同频信号提取模块、相位跟踪补偿模块、PI反馈控制模块。同频信号提取模块用于从输入信号中提取基频分量，基频信号为输出信号；相位跟踪补偿模块基于输出信号与输入信号获得脉冲控制信号，并通过脉冲控制信号获得直流控制信号；PI反馈控制模块基于直流控制信号获得同频提取器的跟踪频率，反馈至输入端。本发明可以在没有角频率输入的情况下对采集到的信号进行处理，滤除信号中的高次谐波，提取出基频信号并进行相位补偿，实现对基频信号的精确跟踪，可以广泛应用于复杂信号处理过程。

Description

一种具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器
技术领域
本发明属于信号处理领域，特别是涉及一种具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器。
背景技术
在信号处理领域，经常需要处理一些具有复杂频率的信号,滤波器作为一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。按照选频作用分类,滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器四种。如果需要滤除复杂信号中的高次谐波，提取出基频信号，现有技术一般有两种处理方法，一种是设置低通滤波器的截止频率，滤除高于截止频率的分量，但可靠性较差，滤波器的过渡带较宽，幅频特性并不理想，还会使得过滤得到的基频信号产生严重的相移。另一种方法是使用带通滤波器，它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号，但这种方法需要角频率的输入才能对通带的带宽进行合理的设置，对准确的角频率输入依赖性较强。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器，包括：
同频信号提取模块、相位跟踪补偿模块、PI反馈控制模块；
所述同频信号提取模块用于从输入信号中提取基频分量，输出信号为所述基频分量；
所述相位跟踪补偿模块基于所述输出信号与所述输入信号获得脉冲控制信号，并通过所述脉冲控制信号获得直流控制信号；
所述PI反馈控制模块基于所述直流控制信号获得同频提取器的跟踪频率，反馈至输入端。
可选的，所述同频信号提取模块以反馈至输入端的跟踪频率作为中心频率，构造传递函数，基于所述传递函数与所述输入信号获得基频分量。
可选的，所述相位跟踪补偿模块包括信号符号化单元、超前滞后检测单元、积分单元；
所述信号符号化单元用于获取方波信号；
所述超前滞后检测单元用于判断所述输出信号相对于所述输入信号的超前滞后性；所述超前滞后检测单元包括第一检测单元、第二检测单元；
所述积分单元基于所述方波信号与所述超前滞后性获得脉冲控制信号，并对脉冲控制信号进行积分，获得直流控制信号。
可选的，所述方波信号的获取过程包括：通过符号函数对所述输入信号与所述输出信号进行处理，获得输入数字信号与输出数字信号，将所述输入数字信号与所述输出数字信号作差后，再与所述输出数字信号进行与运算，获得方波信号。
可选的，第一检测单元进行超前滞后性的判断过程包括：获取所述输入信号的对应的数字信号的上升沿和下降沿，检测同一时刻所述输出信号对应的数字信号的幅值，根据所述上升沿、所述下降沿及所述幅值判断输出信号相对于输入信号的超前滞后性。
可选的，第二检测单元进行超前滞后性的判断过程包括：获取所述输出信号的对应的数字信号的上升沿和下降沿，检测同一时刻所述输入信号对应的数字信号的幅值，根据所述上升沿、所述下降沿及所述幅值判断输出信号相对于输入信号的超前滞后性。
可选的，所述方波信号与所述超前滞后性相乘获得所述脉冲控制信号。
本发明的技术效果为：
本发明所设计的具有相位跟踪功能的角频率自反馈信号跟踪滤波器，可以在没有角频率输入的情况下，利用自反馈的角频率，有效滤除输入信号中的高次谐波，提取出基频信号并对相位进行补偿，实现对基频信号的精确跟踪，具有良好的动态性能。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的同频提取器方框图；
图2为本发明实施例中的信号处理过程示意图；
图3为本发明实施例中的脉冲控制信号产生示意图；
图4为本发明实施例中的相位跟踪过程示意图；
图5为本发明实施例中的具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
如图1-5所示，本实施例中提供一种具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器，包括：
同频信号的提取包括跟踪频率的反馈和传递函数的构造，相位跟踪补偿包括信号的符号化处理，信号的边沿捕获及幅值检测，积分环节三个环节。PI控制反馈输出跟踪频率ωtr。
本实施例中给出了同步频率提取器的运行框图，重构了同频提取器的输出，并以此为依据构建传递函数。所设计的同频提取器的运行框图中包含了增益系数ε，随着ε的增加，同频提取器的带宽会变大，不利于提取基波信号，但ε太小又会导致系统的收敛速度降低，动态响应变慢，因此本实施例明给出了ε＝100作为适宜的参数。本实施例所使用的同频提取器以ωtr作为中心频率，可以滤除ωtr之外的其他频率的干扰。
所需的跟踪频率ωtr是由系统的PI控制反馈给出的，不需要外界的角频率输入，只依赖于输入信号的基频分量。
相位跟踪补偿模块首先对信号进行了符号函数处理，使得模拟量转换为数字量，两数字信号做差后，可以得到一个脉冲信号，脉冲信号的宽度代表了输出信号相对于输入信号的超前或滞后的相位角。
相位跟踪补偿模块为了识别出信号的超前和滞后性，捕获输入信号对应的数字信号的上升沿和下降沿，检测同一时刻输出信号对应的数字信号的幅值，并通过本发明所给出的超前/滞后判断逻辑表，判断输出信号相对于输入信号的超前滞后性，定义变量sign表征这一性质，信号超前时，sign＝1，信号滞后时，sign＝-1。
相位跟踪补偿模块的通过对超前滞后的相位角对应的脉冲信号进行积分，将交流量转化为直流量，并构造控制量C，作为PI环节的输入。PI控制环节的输出则是提取出的跟踪频率ωtr，反馈给同频提取器，即可实现无需外界角频率信号输入且可以跟踪输入信号相位的信号跟踪滤波器。
本实施例使用了一种同步频率提取器，可以从输入信号中提取出基频信号，其方框图如图1所示：
其中，ε是增益系数，ωtr是同频提取器的跟踪频率。将输出信号反馈给输入端，做差后进行运算处理，根据图1可以得到uout(t)的表达式为：
基于所述表达式可以得到同频提取器的传递函数，进而根据输入信号和跟踪频率就可以获得同频提取器的输出信号。
本实施例公开了一种相位跟踪方法，如图4所示，首先对输入信号uin(t)和输出信号uout(t)进行符号函数运算，即信号幅值为正时，将其置1，信号幅值为负时，将其置-1，得到ui(t)和uo(t)，ui(t)和uo(t)的图像如图2所示，两信号为幅值相同的方波信号，但存在着相位差。将ui(t)和uo(t)做差，再与uo(t)进行与运算，就可以得到幅值为-2的方波信号usq，如图3所示，该方波信号的宽度则代表了输出信号相对于输入信号超前或滞后的相位角，且该相位角随着时间的推移不断减小，说明输出信号和输入信号之间的相位差在逐渐减小。从图2和图3可以看出，初始时输出信号和输入信号之间存在着一定的相位差，经过相位跟踪处理实现了输出信号对输入信号的精确跟踪。
其次是信号的超前滞后判断。捕获ui(t)信号的上升沿和下降沿，获取对应时刻uo(t)信号的幅值；同时捕获uo(t)信号的上升沿和下降沿，获取对应时刻ui(t)信号的幅值。根据上升沿和下降沿时刻另一信号的幅值，即可判断uout(t)相对于uin(t)是超前还是滞后，超前/滞后判断逻辑表如表1所示。
表1
定义变量sign用来表征超前滞后性，判断信号超前时，sign＝1，判断信号滞后时，sign＝-1。变量sign与方波信号usq相乘，即可得到脉冲控制信号uc，如图3所示，当输出信号超前于输入信号时，脉冲控制信号uc的幅值为负，当输出信号滞后于输入信号时，脉冲控制信号uc的幅值为正。再对该信号进行积分，即可得到用于超前滞后补偿的直流控制信号c。控制信号c再经过PI环节得到跟踪频率ωtr反馈给同频提取器，即可实现无需外界角频率信号输入且可以跟踪输入信号相位的信号跟踪滤波器。本实施例中总体结构如图5所示，包含了同频提取器模块，相位跟踪模块，PI控制模块三部分。含有高次谐波的输入信号uin(t)输入到同频提取器，经系统处理可以提取出基频ωtr，再反馈输入给同频提取器作为同步频率输入。
输出信号uout(t)与输入信号uin(t)之间存在相位的偏移，因而需要相位跟踪模块来对相位的偏移进行补偿。将同频提取器的输入信号uin(t)和输出信号uout(t)作为相位跟踪模块的输入，首先经过符号函数运算，使其变为幅值为正负1的脉冲信号ui(t)和uo(t)。ui(t)和uo(t)做差后，再与uo(t)进行与运算，得到幅值为-2的方波信号usq，该方波信号的宽度则代表了输出信号相对于输入信号超前或滞后的相位角。
方波信号usq与变量sign相乘，即可得到脉冲控制信号，再对该信号进行积分，即可得到直流控制信号c。控制信号c再经过PI环节得到跟踪频率ωtr反馈给同频提取器，即可实现无需外界角频率信号输入且可以跟踪输入信号相位的信号跟踪滤波器。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器，其特征在于，包括：
同频信号提取模块、相位跟踪补偿模块、PI反馈控制模块；
所述同频信号提取模块用于从输入信号中提取基频分量，输出信号为所述基频分量；
所述相位跟踪补偿模块基于所述输出信号与所述输入信号获得脉冲控制信号，并通过对所述脉冲控制信号积分获得直流控制信号；
所述PI反馈控制模块基于所述直流控制信号获得同频提取器的跟踪频率，反馈至输入端；
所述同频信号提取模块以反馈至输入端的跟踪频率作为中心频率，通过所述同频信号提取模块获得基频分量；
所述相位跟踪补偿模块包括信号符号化单元、超前滞后检测单元、积分单元；
所述信号符号化单元用于获取方波信号；
所述超前滞后检测单元用于判断所述输出信号相对于所述输入信号的超前滞后性；所述超前滞后检测单元包括第一检测单元、第二检测单元；
所述积分单元基于所述方波信号与所述超前滞后性获得脉冲控制信号，并对脉冲控制信号进行积分，获得直流控制信号。
2.根据权利要求1所述的具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器，其特征在于，
所述方波信号的获取过程包括：通过符号函数对所述输入信号与所述输出信号进行处理，获得输入数字信号与输出数字信号，将所述输入数字信号与所述输出数字信号作差后，再与所述输出数字信号进行与运算，获得方波信号。
3.根据权利要求1所述的具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器，其特征在于，
第一检测单元进行超前滞后性的判断过程包括：获取所述输入信号的对应的数字信号的上升沿和下降沿，检测同一时刻所述输出信号对应的数字信号的幅值，根据所述上升沿、所述下降沿及所述幅值判断输出信号相对于输入信号的超前滞后性。
4.根据权利要求1所述的具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器，其特征在于，
第二检测单元进行超前滞后性的判断过程包括：获取所述输出信号的对应的数字信号的上升沿和下降沿，检测同一时刻所述输入信号对应的数字信号的幅值，根据所述上升沿、所述下降沿及所述幅值判断输出信号相对于输入信号的超前滞后性。
5.根据权利要求1所述的具有角频率自反馈的信号跟踪滤波器，其特征在于，所述方波信号与所述超前滞后性相乘获得所述脉冲控制信号。
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