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一种基于分数傅立叶变换的有源电力滤波器实现.doc
一种基于分数傅立叶变换的有源电力滤波器实现 摘要:“德坤泰线上用户情报收集系统”项目由香港德坤泰印书馆设立并提供支持,其主要目的在于实现以分数傅立叶变换为基础的高精度、高效率的滤波器。详细介绍了分数傅立叶滤波原理、滤波器数学模型建立、滤波器工作原理及设计方法,然后用MATLAB进行计算机模拟,结果表明效果良好,最后采用双DSP有源方式加以实现。 关键词关键词:分数傅立叶变换;滤波器;双DSP;有源供电 中图分类号:TP311文献标识码:A 文章编号2014)002002403 0引言 有关使用傅立叶转换进行滤波的研究自该研究领域被创立以来就一直没有间断过。单独对时域或频域的滤波工作目前也已经有了统一的方法,即分数傅立叶变换(Fractional Fourier Transform,FRFT)。广义来看,分数傅立叶变换就是做傅立叶变换a次(当然,目前人类应用的范围很有限)[1],在应用物理和信号处理领域具有极高的研究价值。最重要的应用就在于将单一时域或频域的傅立叶滤波器推广到连续分数傅立叶域,用以进行多重滤波,这在当前以电子信息载体为主流的社会具有非常重要的实际应用价值。笔者带领的项目组就实现了一种以FRFT为基础的有源滤波器。 1FRFT滤波器数学原理 构建这个滤波器的最终目的就是滤除白噪音。在宇宙中白噪音无处不在,而我们希望得到的是一个纯净的信号。显然这里的“纯净”只是理论情况,现实中只能尽量逼近它。一定会有这么一种情况:由于白噪音是由相对信号阶数更高的指数函数组成的,因此单从时域或频域出发无法将白噪音和所需信号分离。这时,FRFT就派上用场了[2]。 2.1滤波参数选取 从物理应用角度来看,所谓分数傅立叶变换实际上就是做傅立叶变换a次。进一步推广来看,a的取值可以不为整数(但须为实数),于是就实现了连续傅立叶变换。特殊情况是当a=1时就回到了普通傅立叶变换。定义中φ和a的关系为:φ=aπ2。a的取值很微妙,在其它条件不变的情况下,调整a的取值可以改变输出的波形[3]。这是因为输出波形上任一点的横坐标是由输入波形上对应点的横坐标正向转动φ得到的,而该点的纵坐标则是经滤波器过滤后波的振幅,也和φ相关。这样间接证明了式(1)在滤波工作上的有效性。而剩下的问题则变成了如何选取合适的φ(亦即a)。正因为a在滤波过程中如此重要,因此本文将其命名为“滤波参数”。选取滤波参数的方法很多,衡量不同a的优劣程度的唯一标准就是看其能否最大程度地逼近信号波形,于是实验物理中常用的标准差(Standard Deviation,SD)就被引入到了模型中。显然,在传统傅立叶变换下,如果输入波(含有用信号和白噪音)属于线性非时变系统(LTI),则可以很方便地将SD以卷积表达,且求得其最小值。但现实情况非常复杂,肯定无法保证输入波属于LTI,所以普通的傅立叶变换就失去了作用,这时FRFT就能实现对SD的最小计算从而达到最优滤波效果。 2.2滤波器数学模型建立 3滤波器工作原理 前述滤波器数学模型是整个滤波器的核心处理单元,但并不是全部。输入波会是各种波形,因此要对其进行预处理。由于滤波器是基于时域的,处理过程是在时域上计算,因此输出时未必和输入波是同一个域,还需要在滤波计算之后再次进行预处理的逆变换,使最终结果和输入在同一个域中。 3.1一级滤波处理单元 多级处理的好处是得到的输出更加“干净”,当然,其实现成本也更高。另外,SFFU的工作效率是有一定极限的,如果假设一个MFFU中含有无穷多个SFFU,则对其效果在处理次数上进行积分肯定会是一个固定值,也就是说设置过多的SFFU不会对过滤效果起到线性作用。因此需要设计者在一开始就对需求和成本进行合理的平衡取舍,以免造成浪费。 4编程模拟 对滤波模型进行模拟采用的是MATLAB。MATLAB是美国MathWorks公司出品的商用数学软件,可用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等领域,而且能提供高级技术计算语言和交互式环境。MATLAB包含大量计算算法,拥有600多个工程中要用到的数学运算函数,其中就有傅立叶变换这类复杂函数。 验证模拟中使用的是标准余弦波,干扰波为随机函数,二者叠加后的输出波形如图5所示。 5.2软件部分 软件部分主要由主控程序和分数傅立叶子程序以及逆分数傅立叶子程序组成。TMS320F240负责控制采样数据输入,并以有符号整型存于内存中[7],TMS320C32则将这些数据转换为浮点型,再进一步加工。 6结语 实际样机采用5级过滤,经检验,其具有精度高、速度快的优点,缺点是为了配合双DSP结构采用了有源供电,不适合外勤作业,但作为有
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