在混頻周期信號中提取特定頻率的波的數字濾波方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種數字濾波方法，特別涉及一種混頻信號中提取特定頻率波的幅值及相位的數字濾波算法。
【背景技術】
[0002]在電力設備檢測系統中，消弧線圈及小電流接地選線多采用注入信號法，因其高效越來越被廣泛應用。所謂注入信號法，實際上就是在電網上注入一個幾十毫安不同于電網工頻的特定頻率正弦信號電流，然后在有關節點安裝電流或電壓傳感器，通過采集注入的特定頻率信號，從而計算出各電力系統參數或作出故障診斷。所以采用高效精確的方法將注入信號在工頻電網信號中提取出來尤其重要。由于注入信號微弱，而工頻信號較強，在工程上不外乎采用高選擇性(高Q值)及高放大倍數的硬件和軟件濾波法，其基本原理就是利用電路的頻率特性實現對信號中頻率成分的選擇。頻率濾波時，是把信號看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號，通過選擇不同的頻率成分來實現信號濾波。此方式硬件投入較大、電路設計復雜、可靠性和穩定性較差，同時對不同頻率的干擾信號還存在阻抗匹配的問題；此外，過高的Q值和過高的放大倍數容易引起自激振蕩，振蕩周期長，采樣值穩定所需要的時間也就長，影響采樣數據的實時性。
【發明內容】
[0003]為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種通過對采集的數據進行濾波處理，從而消除或削弱干擾和噪聲的影響，提高測量的可靠性和精度，實現在有噪聲的周期信號中提取特定頻率的波的數字濾波方法。
[0004]本發明所采用的技術方案如下:一種在混頻周期信號中提取特定頻率的波的數字濾波方法，包括以下步驟:
[0005](I)通過SPI通訊從AD采樣芯片中讀取需要進行數字濾波的數據；
[0006](2)根據采樣頻率和所求的信號分辨率，以及各混頻信號的頻率，在步驟⑴中讀取的需要進行數字濾波的數據中確定采樣周期和采樣點個數；
[0007](3)利用數字鎖相放大濾波算法，將步驟(2)中提取數據與設計的鎖相濾波矩陣相乘；
[0008](4)將步驟(3)中的數據進行周期累加后得出常數，然后求常數的均方根和商的反正切，得到最終需要的濾波并輸出。
[0009]其中，SPI為串行外設接口 ；AD為電路專業術語，AD采樣芯片是模擬信號轉換為數字信號的芯片。
[0010]作為優選，所述數字鎖相放大濾波算法包括以下步驟:
[0011](I)根據采樣頻率和所求的信號分辨率，以及各混頻信號的頻率選擇N個采樣點，得到一個NX I階矩陣F ;
[0012](2)根據最終所求的信號頻率，設計與所要求信號頻率相同的正弦NX I階矩陣和余弦NX I階矩陣f2，其中匕和f 2作為傳遞函數矩陣；
[0013](3)將步驟⑴中矩陣F分別與步驟⑵中的傳遞函數矩陣f#Pf2點乘后得到相同個數的N個點，分別存儲為NX I階矩陣FjP F 2;
[0014](4)再分別將步驟(3)中的NX I階矩陣FJPFj^N個元素累加后求平均值，因采樣時間為各混頻周期的公倍數，可得到常數QJP Q 2。
[0015]本發明提供的技術方案帶來的有益效果是:克服了上百倍的噪聲干擾，獲得真實的幅值，且電路簡單，便于操作，可靠性高，并且不存在阻抗匹配、特性波動、非一致性等問題；只要適當改變數字濾波程序有關參數，就能方便的改變濾波特性，因此數字濾波使用時方便靈活。通過數字鎖相放大濾波算法，可以有效地消除其他周期信號對所需頻率信號的干擾，并能夠根據所求信號頻率調整濾波參數，從而提高了數字濾波的方便性，靈活性以及可靠性。
[0016]由此可見，本發明與現有技術相比，具有突出的實質性特點和顯著的進步，其實施的有益效果也是顯而易見的。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，對本發明進行進一步詳細說明。此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，但并不用于限定本發明。
[0018]實施例一
[0019]—種在混頻周期信號中提取特定頻率的波的數字濾波方法，包括以下步驟:
[0020](I)混頻周期信號 Y = B+A*sin(2 Ji cot+O+AfsinQ Ji c^t+Cl)+...+Ak*sin(2 3i ?kt+Ck)(其中，B為信號零點，即信號以該點上下對稱.Mk1……Ak為振幅；C、
C1......Ck為初始相位；t為時間，ω為頻率，Y為混頻信號)先經過AD采樣芯片采樣后，再通過SPI將采樣數據傳輸到CPU芯片。
[0021](2)根據采樣頻率和所求的信號分辨率，以及各混頻信號的頻率選擇N個采樣點，得到一個NX I階矩陣F ;如何確定點數N，需要根據所求的信號分辨率η來確定。其中，所謂信號分辨率就是能夠用該算法分析得到所需頻率信號幅值和相位的每周期最小采樣點數。根據所需要提取的信號分辨率并結合AD芯片的采樣頻率，將每周期最小采樣點數定為η完全能夠滿足該算法的分辨率要求。
[0022](3)米樣時間由混頻彳目號的周期決定，取各混頻頻率和所需頻率彳目號頻率的差及和，再算出各差值及和值頻率對應周期的最小公倍數作為最終采樣時間。
[0023](4)若要在混頻中提取出頻率為ω的信號，則將Y分別與頻率為ω的正弦參考信號yi= sin (2 Ji cot)和余弦參考信號y 2= cos (2 π ω t)的NX I階矩陣f f2，作為傳遞函數矩陣，該步驟中參考信號的頻率ω由CPU時鐘頻率和采樣頻率控制決定；將矩陣F分別與傳遞函數矩陣匕和f 2點乘后得到相同個數的N個點，分別存儲為NX I階矩陣F
F20
[0024](5)再分別將步驟⑷中的NX I階矩陣FJPFJ^N個元素累加后求平均值，因采樣時間為各混頻周期的公倍數，可得到常數QJP Q 2。
[0025](6)最后求QjP Q 2的均方根和商的反正切，作為最終需要的信號的幅值和初始相位。
[0026]實施例二:在50HZ和83.3HZ的混頻信號中提取出83.3HZ信號的幅值和相位。
[0027](I)混頻周期信號 Y = B+A*sin(2 Ji *83.St+O+AfsinQ Ji *5(^+0 (其中，B 為信號零點，即信號以該點上下對稱；A和A1為振幅；C和C i為初始相位；t為時間；Y為混頻信號)先經過AD采樣芯片采樣后，再通過SPI將采樣數據傳輸到CPU芯片。
[0028](2)根據采樣頻率和要求的信號分辨率，以及各混頻信號的頻率選擇N個采樣點，得到一個NX I階矩陣F ;如何確定點數N，需要根據要求的信號分辨率η來確定。所謂信號分辨率就是能夠用該算法分析得到所需頻率信號幅值和相位的每周期最小采樣點數；在本實施例中根據83.3ΗΖ信號分辨率并結合AD芯片的采樣頻率，將每周期最小采樣點數定為η = 128完全能夠滿足該算法的分辨率要求。
[0029](3)米樣時間由混頻彳目號的周期決定，取各混頻頻率和所需頻率彳目號頻率的差及和，再算出各差值及和值頻率對應周期的最小公倍數作為最終采樣時間；本實施例中采樣時間確定為83.3ΗΖ、33.3ΗΖ、133.3ΗΖ頻率對應周期的最小公倍數60ms ；60ms是83.3HZ信號周期的5倍，因此可得出采樣點N = n*5 = 640。
[0030](4)設計與要提取83.3HZ信號頻率相同的正弦信號yi= sin (2 Ji *83.3t)和余弦信號y2= COS (2 31 *83.3t)的NX I階矩陣f JP f 2，作為傳遞函數矩陣；將矩陣F分別與傳遞函數矩陣匕和f 2點乘后得到相同個數的N個點，分別存儲為NX I階矩陣F F 2；
[0031](5)分別將NXl階矩陣FjPFJ^N個元素累加，由于采樣周期為各混頻83.3HZ、33.3HZU33.