多級多階降采樣濾波在動力裝置穩態試驗噪聲處理方面的應用研究

摘要：動力裝置的穩態試驗需要現場對信號進行采集和分析，由于受到外界環境、電磁干擾及接地等各方面因素影響，采集的信號中耦合了干擾噪聲。這些干擾噪聲的存在會淹沒信號的特征信息，給信號特征提取和分析帶來不利影響。因此，采用數字信號處理技術來實現該功能，采用過采樣技術將有用信號和噪聲一起采集，然后經過多級多階濾波來濾除高頻噪聲，為了方便數據處理，再采用降采樣技術將采樣信號降低到穩態試驗時的采樣范圍。

關鍵詞：穩態試驗;共模干擾;差模干擾;多階多階降采樣濾波

0? ? 引言

在動力裝置試車穩態試驗現場會存在多種干擾，這些噪聲疊加在試車采樣數據中會對采樣的有用信號產生不良干擾，這些干擾通常稱之為“噪聲”。從來源區分可以分為采集系統內部噪聲和外界環境干擾噪聲;從干擾出現規律劃分可分為固定干擾、半固定干擾、隨機干擾等;從干擾產生和傳播的方式可分為靜電干擾、磁場耦合干擾、電磁輻射干擾等;從與輸入信號的關系來說又可分為差模干擾和共模干擾。由于噪聲干擾比較復雜，處理措施也比較多樣，我們重點從干擾與輸入信號關系來解決共模和差模干擾問題。

1? ? 共模干擾和差模干擾

共模干擾和差模干擾主要是從干擾噪聲源與輸入信號的關系來劃分的，我們按照共模干擾和差模干擾與信號的干擾關系來分析并解決該種類型的干擾問題。

1.1? ? 共模干擾

共模干擾可以理解為在信號采集的兩端之間同等程度地引入干擾，使得信號正（V+）和信號負（V-）同等程度地變大或變小。

對于共模干擾噪聲問題，我們可以通過差分運放來解決，因為對于差分放大電路而言，放大的是信號輸入兩端的差值，即輸入到運放輸入端的信號為Vin=V+-V-;引入共模干擾后，干擾信號（Vs）會同等程度地加入到信號兩端，所以信號兩端變為V+′和V-′，并且V+′=V++Vs，V-′=V-+Vs;Vin′=V+′-V-′=Vin。

通過分析可以發現，通過差分運放電路能夠很好地濾除信號采集兩端的共模干擾信號。

1.2? ? 差模干擾

差模干擾又叫“串模干擾”，是指干擾信號與有用信號串擾在一起被送到運放電路進行放大處理。差模干擾由于并非同相位、同幅度地加載到信號兩端，所以通過上述的差分放大電路就不能消除該類干擾。

在穩態試驗系統中，由于被測信號頻率較低，接近于直流穩態信號，而干擾信號頻率較高，鑒于有用信號頻帶和干擾信號頻帶可以明顯區分，通過數字濾波器方式就能很好地濾除干擾信號。

而在很多情況下，我們開發數據采集系統時，由于是對多穩態信號進行采集，于是就簡單地將采樣速率設置為100 Hz（即100點采樣），這樣高頻干擾就會串擾到被測信號中成為信號的一部分，也就使得有用信號和干擾信號頻帶不能區分了，這就給信號處理帶來了困難。

如圖1所示，輸入信號包括四種頻率信號成分，分別為F1=25 Hz，F2=70 Hz，F3=160 Hz，F4=510 Hz。假定為F1為信號有用成分，F2、F3和F4為干擾信號，我們設定采樣頻率為fs=100 Hz。我們的目的是希望能夠無失真地采集有用信號25 Hz的F1，而不希望引入干擾信號F2、F3和F4，可是實際采樣結果卻不是這樣的。

如圖2所示，這是我們采集的信號，頻率成分中包括了10 Hz、25 Hz、30 Hz和40 Hz。很明顯，25 Hz是F1有用信號，可是10 Hz、30 Hz和40 Hz是什么信號呢？這是因為在信號采集過程中出現了信號混疊成分，混疊信號頻率為信號頻率與采樣頻率倍數的差值。

所以，干擾信號F2的混疊頻率為：Alias F2=100-70=30 Hz;

干擾信號F3的混疊頻率為：Alias F3=2×100-160=40 Hz;

干擾信號F4的混疊頻率為：Alias F4=510-5×100=10 Hz。

通過分析我們發現對穩態數據進行采集，單純地按照低速采樣模式，會將干擾信號的混疊成分一起采集到，成為了信號的一部分，也就無法進行濾除了。所以，我們需要提高采樣速率，將有用信號和干擾信號全部采集下來，然后通過濾波方式進行去除。

2? ? 多級多階降采樣濾波

我們構造一組帶干擾的信號，假定有用信號頻率為正弦信號，幅值為1，頻率為5 Hz;引入頻率為100 Hz，以幅值為0.2的正弦信號作為干擾信號。我們基于NI LabVIEW提供的數字濾波器設計工具包進行多級多階（NStage-MRate）濾波器設計，如圖3所示，設定信號采樣頻率為10 kHz，采用高采樣頻率的目的是將有用信號和噪聲干擾信號一起采集而不產生混疊，然后降采樣設定信號輸出頻率為100 Hz，也就是說信號濾波處理后不會帶來過高的信號數據吞吐量，便于數據分析。濾波器由輸入10 kHz到輸出100 Hz，需要3級濾波器100倍降采樣濾波來實現，并且根據信號范圍設定通道為25 Hz，通帶紋波為0.001 dB，阻帶45 Hz，阻帶衰減120 dB。設定好濾波器系數后即可生成濾波器模型。

3? ? 結語

在試驗現場進行數據采集分析的過程中，信號噪聲干擾是避免不了的，并且來源錯綜復雜，我們需要從不同方面對噪聲源進行分析，正確地進行噪聲的抑制和濾除。本文從對信號共模干擾和差模干擾的分析、信號采樣過程中混疊干擾的產生及通過多級多階降采樣濾波技術有效濾除信號高頻干擾的處理方法等角度對該問題進行了探討，對穩態試驗現場數據采集干擾的濾除具有借鑒參考意義。

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收稿日期：2019-12-03

作者簡介：羅舜天（1997—），男，湖南邵陽人，研究方向：測控技術與儀器。