CN117176107A - 一种低通滤波器滤波方法和相关设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低通滤波器滤波方法和相关设备，方案首先确定输入信号的频带，基于所述输入信号的频带确定滤波器需要的带宽，从而确定滤波器的惯性环节的时间常数系数，再采用具有不同时间常数的第一扩展惯性积分环节和第二扩展惯性积分环节对所述输入信号进行处理，并采用各个扩展惯性积分环节对应的调整系数对输出结果进行修正，将修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号，从而获得了一定范围内的具有光滑特性、相位滞后接近0、具有幅值校正作用的近似理想低通滤方案，从而提供了一种高质量的滤波信号。

Description

一种低通滤波器滤波方法和相关设备

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及一种低通滤波器滤波方法和相关设备。

背景技术

在现在的电子系统中，大部分的ADC通过对信号过采样来提高系统的性能，若是系统直接将采样后的信号进行处理，会给系统带来非常大的功耗，并且由于系统的处理速度有限，往往难以对采样得到的高速率数字信号直接进行各种类别的实时处理。

如何提供一种高质量的滤波信号，是本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种低通滤波器滤波方法和相关设备，以提供一种高质量的滤波信号。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种低通滤波方法，包括：

基于滤波器的输入信号的频带确定滤波器的滤波频带；

基于所述滤波频带计算所述滤波器的扩展惯性环节的时间常数系数；

基于不同的预设计算方案采用所述时间常数系数和滤波器的采样频率计算得到第一传递函数和第二传递函数；

采用第一扩展惯性积分环节基于所述第一传递函数对输入信号进行扩展惯性积分处理，得到具有积分滞后的第一扩展信号；

采用第二扩展惯性积分环节基于所述第二传递函数对输入信号进行扩展惯性积分处理，得到具有积分滞后的第二扩展信号，所述第一扩展惯性积分环节和所述第二扩展惯性积分环节具有不同时间常数；

采用所述第一调整系数对所述第一扩展信号进行修正；

采用所述第二调整系数对所述第二扩展信号进行修正；

将修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号。

可选的，上述低通滤波方法中，所述基于滤波器的输入信号的频带确定滤波器的滤波频带，包括：

获取滤波器的输入信号的频带F_v；

基于公式F_d＝(1/5～5)F_v确定所述滤波器的滤波频带F_d的范围。

可选的，上述低通滤波方法中，基于所述滤波频带计算所述滤波器的扩展惯性环节的时间常数系数，包括：

获取所述滤波器的采样频率F_s；

基于公式T_s＝1/F_s，c₀＝nσ，σ＝1.01～1.2计算得到时间常数系数n，所述ω_d为滤波器的带宽。

可选的，上述低通滤波方法中，所述基于不同的预设计算方案采用所述时间常数系数和滤波器的采样频率计算得到第一传递函数和第二传递函数，包括：

基于公式计算得到第一传递系数G₁(s)；

基于公式计算得到第二传递系数G₂(s)；

所述β表示滤波器的幅值校正系数，所述τ₁＝nT_s，所述τ₂＝nσ²T_s,所述S表示预设系数。

可选的，上述低通滤波方法中，第一调整系数第二调整系数

其中，所述Δ表示滤波器相位移动调整量。

可选的，上述低通滤波方法中，所述将修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号，包括：

基于公式对所述修正后的第一扩展信号和修正后的第二扩展信号进行运算，得到滤波器的输出信号/>

其中，

V(k)表示第k时刻的输入信号；

所述y₁(k)第k时刻第一扩展惯性积分环节的输出信号；

所述y₂(k)第k时刻第二扩展惯性积分环节的输出信号。

一种低通滤波装置，包括：

参数计算单元，用于基于滤波器的输入信号的频带确定滤波器的滤波频带；基于所述滤波频带计算所述滤波器的扩展惯性环节的时间常数系数；基于不同的预设计算方案采用所述时间常数系数和滤波器的采样频率计算得到第一传递函数和第二传递函数；

扩展单元，用于采用第一扩展惯性积分环节基于所述第一传递函数对输入信号进行扩展惯性积分处理，得到具有积分滞后的第一扩展信号；采用第二扩展惯性积分环节基于所述第二传递函数对输入信号进行扩展惯性积分处理，得到具有积分滞后的第二扩展信号，所述第一扩展惯性积分环节和所述第二扩展惯性积分环节具有不同时间常数；

修正单元，用于采用所述第一调整系数对所述第一扩展信号进行修正；采用所述第二调整系数对所述第二扩展信号进行修正；

输出信号计算单元，用于将修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号。

可选的，上述低通滤波装置中，所述参数计算单元在基于滤波器的输入信号的频带确定滤波器的滤波频带时，具体用于：

获取滤波器的输入信号的频带F_v；

基于公式F_d＝(1/5～5)F_v确定所述滤波器的滤波频带F_d的范围。

一种低通滤波器，应用有上述任意一项所述的低通滤波装置。

一种电子设备，应用有上述低通滤波器。

基于上述技术方案，本发明实施例提供的上述方案，首先确定输入信号的频带，基于所述输入信号的频带确定滤波器需要的带宽，从而确定滤波器的惯性环节的时间常数系数，再采用具有不同时间常数的第一扩展惯性积分环节和第二扩展惯性积分环节对所述输入信号进行处理，并采用各个扩展惯性积分环节对应的调整系数对输出结果进行修正，将修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号，从而获得了一定范围内的具有光滑特性、相位滞后接近0、具有幅值校正作用的近似理想低通滤方案，从而提供了一种高质量的滤波信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的低通滤波方法的流程示意图；

图2为本申请实施例公开的低通滤波装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了提供一种高质量的滤波信号，本申请公开了一种低通滤波方法，参见图1，该方法可以包括：

步骤S201：基于滤波器的输入信号的频带确定滤波器的滤波频带。

获取滤波器的输入信号V(t)，所述输入信号可以是具有有限幅值的拟周期性信号，比如正弦信号、方波信号、组合谐波信号、悬浮系统的间隙信号、电流信号、加速度积分信号等等，这些信号包含测量的噪声以及不需要的高频扰动信号，因此需要滤波处理以去除噪声以及高频衰减。为后续过程中的PID控制提供一个光滑的输入信号，以便获取正确的微分以及比例信号。在获取到所述输入信号以后，计算所述输入信号的频带F_v，ω_v＝2πF_v。

基于公式F_d＝(1/5～5)F_v确定所述滤波器的滤波频带F_d，公式F_d＝(1/5～5)F_v所表示的意思是设定的系统信号的频率范围，从1/5至5倍的范围，作为一个低通滤波器，在本方案中，可以主要考虑5倍频率。可以认为滤波器的滤波频带F_d＝5F_v。

步骤S202：基于所述滤波频带计算所述滤波器的扩展惯性环节的时间常数系数。

应用本方法的滤波器会给定以采用频率F_s，基于采用频率F_s可以计算得到采样时间T_s，其中T_s＝1/F_s。所述采样时间T_s指的是输入信号的输入时间序列的时间间隔值；

再基于滤波频带F_d，计算得到滤波器的带宽ω_d，所述带宽ω_d指的是滤波频带F_d的带宽，例如，F_d＝(1/5～5)F_v，则滤波器的带宽ω_d的

计算得到所述滤波器的带宽ω_d以后，再基于公式和c₀＝nσ计算得到扩展惯性环节的时间常数系数n，其中，所述σ指的是两个扩展惯性积分环节的时间常数的比例关系，σ＞1，但非常接近1，由此，在本方案中所述σ＝1.01～1.2之间的任意值。c₀＝nσ，其用于表示滤波器的滤波能力的大小，为滤波系数，其值越大滤波能力越强，其与滤波器的带宽的关系为/>

步骤S203：基于不同的预设计算方案采用所述时间常数系数和滤波器的采样频率计算得到第一传递函数和第二传递函数。

在滤波过程中，对于输入信号的输入序列会采用两个扩展惯性积分环节对输入序列进行处理，获得两条光滑的积分滞后的信号，每个扩展惯性积分环节对应有各自的传递函数，将这两个传递函数记为第一传递函数和第二传递阐述。

其中，所述第一传递函数为

第二传递函数

其中，β表示滤波器的幅值校正系数，可以通过所述幅值校正系数β适当修正滤波后输出信号的幅值大小，从而减小滤波误差，所述τ₁＝nT_s，所述τ₂＝nσ²T_s，τ₁和τ₂分别为两个扩展惯性积分环节的时间常数，是两个非常小的数，代表对信号的滞后输出，惯性常数τ₁和τ₂的值越大，滤波性能越好，但相位滞后越大，对于同一扩展惯性积分环节的时间常数而言，其两个相邻时刻的时间常数之差为τ₂-τ₁＝n(σ²-1)T_s≠T_s，是一个远小于T_s的正数，所述S表示预设系数。

步骤S204：采用第一扩展惯性积分环节基于所述第一传递函数对输入信号进行扩展惯性积分环处理，得到具有积分滞后的第一扩展信号。

步骤S205：采用第二扩展惯性积分环节基于所述第二传递函数对输入信号进行扩展惯性积分环处理，得到具有积分滞后的第二扩展信号。

在滤波过程中，对于输入信号的输入序列会采用两个扩展惯性积分环节对输入序列进行处理，获得两条光滑的积分滞后的信号，每个扩展惯性积分环节对应有各自的传递函数，将这两个传递函数记为第一传递函数和第二传递阐述。

步骤S206：采用所述第一调整系数对所述第一扩展信号进行修正。

步骤S207：采用所述第二调整系数对所述第二扩展信号进行修正。

在本方案中，在滤波过程中，对于输入信号的输入序列会采用两个扩展惯性积分环节对输入序列进行处理，获得两条光滑的积分滞后的信号，本方案中，针对个扩展惯性积分环节的输出信号采用各自的调整系数进行修正，将这两个调整系数记为第一调整系数和第二调整系数；

具体的，所述第一调整系数δ₁可以通过公式计算得到，其中所述Δ表示滤波器相位移动调整量，其值由输入信号的中心频率的大小确定，其大小通常大小为Δ＝2～6；所述第二调整系数所述第二调整系数δ₂可以通过公式/>计算得到，所述δ₁,δ₂分别表示滤波器中两个扩展惯性积分环节对相位以及幅值进行补偿以及修正后需要的调整系数。

在步骤S206和S207中，对每个时刻得到的扩展信号采用对应的调整系数进行修正，所述第一扩展信号的修正结果表示为δ₁y₁(k)，所述第二扩展信号的修正结果表示为δ₂y₂(k)；其中，y₁(k)表示第一扩展惯性积分环节在第k时刻输出的信号，y₂(k)表示第二扩展惯性积分环节在第k时刻输出的信号。

其中，在本申请实施例公开的技术方案中，第K+1时刻第一扩展惯性积分环节输出的扩展信号第K+1时刻第二扩展惯性积分环节输出的扩展信号/>

步骤S208：将修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号。

在本步骤中，将同一时刻对应的修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号，即，所述滤波器k时刻的输出信号

本申请上述实施例公开的技术方案中，首先确定输入信号的频带，基于所述输入信号的频带确定滤波器需要的带宽，从而确定滤波器的惯性环节的时间常数系数，再采用具有不同时间常数的第一扩展惯性积分环节和第二扩展惯性积分环节对所述输入信号进行处理，并采用各个扩展惯性积分环节对应的调整系数对输出结果进行修正，将修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号，从而获得了一定范围内的具有光滑特性、相位滞后接近0、具有幅值校正作用的近似理想低通滤方案。

在本申请另一实施例公开的技术方案中，还可以通过公式计算滤波器的阻尼ξ_d，然后再基于公式/>计算的到应用本方法的滤波器的传递函数，滤波器的传递函数用于检查滤波器的幅频特性以及相频特性，基于此，可以判断滤波器的设计参数是否满足相位补偿以及幅值修正的要求。

有本申请上述实施例公开的技术方案可见，上述方案的设计参数主要有四个：{n,σ,Δ,β}，首先确定输入信号的频带范围，确定滤波器需要的带宽，从而确定参数n，σ＝1.01～1.2即可，由信号的中心频率处，确定Δ的大小，主要作用是相位的调整，通过Δ对相位进行补偿，β用来调整输出信号的幅值大小，减小滤波输出的误差。这样能够获取具有相位补偿的光滑的信号，使得相位滞后接近0，幅值特性接近1，减少失真。并且在较宽的频带内有一个折中的相位滞后小的光滑的信号，高频仍然是衰减的。

本实施例中公开了一种低通滤波装置，装置中的各个单元的具体工作内容，请参见上述方法实施例的内容，下面对本发明实施例提供的低通滤波装置进行描述，下文描述的低通滤波装置与上文描述的低通滤波方法可相互对应参照。

参见图2，本申请实施例提供的低通滤波装置，可以包括：

参数计算单元100，扩展单元200，修正单元300和输出信号计算单元400；

参数计算单元100与上述方法中步骤S101-S103相对应，用于基于滤波器的输入信号的频带确定滤波器的滤波频带；基于所述滤波频带计算所述滤波器的扩展惯性环节的时间常数系数；基于不同的预设计算方案采用所述时间常数系数和滤波器的采样频率计算得到第一传递函数和第二传递函数；

扩展单元200与上述方法中步骤S104-S105相对应，用于采用第一扩展惯性积分环节基于所述第一传递函数对输入信号进行扩展惯性积分处理，得到具有积分滞后的第一扩展信号；采用第二扩展惯性积分环节基于所述第二传递函数对输入信号进行扩展惯性积分处理，得到具有积分滞后的第二扩展信号，所述第一扩展惯性积分环节和所述第二扩展惯性积分环节具有不同时间常数；

修正单元300与上述方法中步骤S106-S107相对应，用于采用所述第一调整系数对所述第一扩展信号进行修正；采用所述第二调整系数对所述第二扩展信号进行修正；

输出信号计算单元400与上述方法中步骤S108相对应，用于将修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号。

与上述方法相对应的，所述参数计算单元100在基于滤波器的输入信号的频带确定滤波器的滤波频带时，具体用于：

获取滤波器的输入信号的频带F_v；

基于公式F_d＝(1/5～5)F_v确定所述滤波器的滤波频带F_d的范围。

与上述方法相对应的，所述参数计算单元100在基于所述滤波频带计算所述滤波器的扩展惯性环节的时间常数系数时，具体用于：

获取所述滤波器的采样频率F_s；

基于公式T_s＝1/F_s，c₀＝nσ，σ＝1.01～1.2计算得到时间常数系数n，所述ω_d为滤波器的带宽。

与上述方法相对应的，所述参数计算单元100在基于不同的预设计算方案采用所述时间常数系数和滤波器的采样频率计算得到第一传递函数和第二传递函数时，具体用于：

基于公式计算得到第一传递系数G₁(s)；

基于公式计算得到第二传递系数G₂(s)；

所述β表示滤波器的幅值校正系数，所述τ₁＝nT_s，所述τ₂＝nσ²T_s,所述S表示预设系数。

与上述方法相对应，所述输出信号计算单元400在将修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号时，具体用于：基于公式对所述修正后的第一扩展信号和修正后的第二扩展信号进行运算，得到滤波器的输出信号/>

其中，

V(k)表示第k时刻的输入信号；

所述y₁(k)第k时刻第一扩展惯性积分环节的输出信号；

所述y₂(k)第k时刻第二扩展惯性积分环节的输出信号。

对应于上述装置，本申请还公开了一种应用有上述低通滤波装置的低通滤波器。以及应用有上述低通滤波器的电子设备，该电子设备可以为手机、电脑等电子终端。

为了描述的方便，描述以上系统时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种低通滤波方法，其特征在于，包括：

基于滤波器的输入信号的频带确定滤波器的滤波频带；

基于所述滤波频带计算所述滤波器的扩展惯性环节的时间常数系数；

基于不同的预设计算方案采用所述时间常数系数和滤波器的采样频率计算得到第一传递函数和第二传递函数；

采用第一扩展惯性积分环节基于所述第一传递函数对输入信号进行扩展惯性积分处理，得到具有积分滞后的第一扩展信号；

采用第二扩展惯性积分环节基于所述第二传递函数对输入信号进行扩展惯性积分处理，得到具有积分滞后的第二扩展信号，所述第一扩展惯性积分环节和所述第二扩展惯性积分环节具有不同时间常数；

采用所述第一调整系数对所述第一扩展信号进行修正；

采用所述第二调整系数对所述第二扩展信号进行修正；

将修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号。

2.根据权利要求1所述的低通滤波方法，其特征在于，所述基于滤波器的输入信号的频带确定滤波器的滤波频带，包括：

获取滤波器的输入信号的频带F_v；

基于公式F_d＝(1/5～5)F_v确定所述滤波器的滤波频带F_d的范围。

3.根据权利要求2所述的低通滤波方法，其特征在于，基于所述滤波频带计算所述滤波器的扩展惯性环节的时间常数系数，包括：

获取所述滤波器的采样频率F_s；

基于公式T_s＝1/F_s，c₀＝nσ，σ＝1.01～1.2计算得到时间常数系数n，所述ω_d为滤波器的带宽。

4.根据权利要求3所述的低通滤波方法，其特征在于，所述基于不同的预设计算方案采用所述时间常数系数和滤波器的采样频率计算得到第一传递函数和第二传递函数，包括：

基于公式计算得到第一传递系数G₁(s)；

基于公式计算得到第二传递系数G₂(s)；

所述β表示滤波器的幅值校正系数，所述τ₁＝nT_s，所述τ₂＝nσ²T_s,所述S表示预设系数。

5.根据权利要求4所述的低通滤波方法，其特征在于，第一调整系数第二调整系数/>

其中，所述Δ表示滤波器相位移动调整量。

6.根据权利要求5所述的低通滤波方法，其特征在于，所述将修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号，包括：

基于公式对所述修正后的第一扩展信号和修正后的第二扩展信号进行运算，得到滤波器的输出信号/>

其中，

V(k)表示第k时刻的输入信号；

所述y₁(k)第k时刻第一扩展惯性积分环节的输出信号；

所述y₂(k)第k时刻第二扩展惯性积分环节的输出信号。

7.一种低通滤波装置，其特征在于，包括：

参数计算单元，用于基于滤波器的输入信号的频带确定滤波器的滤波频带；基于所述滤波频带计算所述滤波器的扩展惯性环节的时间常数系数；基于不同的预设计算方案采用所述时间常数系数和滤波器的采样频率计算得到第一传递函数和第二传递函数；

扩展单元，用于采用第一扩展惯性积分环节基于所述第一传递函数对输入信号进行扩展惯性积分处理，得到具有积分滞后的第一扩展信号；采用第二扩展惯性积分环节基于所述第二传递函数对输入信号进行扩展惯性积分处理，得到具有积分滞后的第二扩展信号，所述第一扩展惯性积分环节和所述第二扩展惯性积分环节具有不同时间常数；

修正单元，用于采用所述第一调整系数对所述第一扩展信号进行修正；采用所述第二调整系数对所述第二扩展信号进行修正；

输出信号计算单元，用于将修正后的第一扩展信号与修正后的第二扩展信号之差作为滤波器的输出信号。

8.根据权利要求7所述的低通滤波装置，其特征在于，所述参数计算单元在基于滤波器的输入信号的频带确定滤波器的滤波频带时，具体用于：

获取滤波器的输入信号的频带F_v；

基于公式F_d＝(1/5～5)F_v确定所述滤波器的滤波频带F_d的范围。

9.一种低通滤波器，其特征在于，应用有权利要求7-8任意一项所述的低通滤波装置。

10.一种电子设备，其特征在于，应用有权利要求9所述的低通滤波器。