多级多阶降采样滤波在动力装置稳态试验噪声处理方面的应用研究

摘要：动力装置的稳态试验需要现场对信号进行采集和分析，由于受到外界环境、电磁干扰及接地等各方面因素影响，采集的信号中耦合了干扰噪声。这些干扰噪声的存在会淹没信号的特征信息，给信号特征提取和分析带来不利影响。因此，采用数字信号处理技术来实现该功能，采用过采样技术将有用信号和噪声一起采集，然后经过多级多阶滤波来滤除高频噪声，为了方便数据处理，再采用降采样技术将采样信号降低到稳态试验时的采样范围。

关键词：稳态试验;共模干扰;差模干扰;多阶多阶降采样滤波

0    引言

在动力装置试车稳态试验现场会存在多种干扰，这些噪声叠加在试车采样数据中会对采样的有用信号产生不良干扰，这些干扰通常称之为“噪声”。从来源区分可以分为采集系统内部噪声和外界环境干扰噪声;从干扰出现规律划分可分为固定干扰、半固定干扰、随机干扰等;从干扰产生和传播的方式可分为静电干扰、磁场耦合干扰、电磁辐射干扰等;从与输入信号的关系来说又可分为差模干扰和共模干扰。由于噪声干扰比较复杂，处理措施也比较多样，我们重点从干扰与输入信号关系来解决共模和差模干扰问题。

1    共模干扰和差模干扰

共模干扰和差模干扰主要是从干扰噪声源与输入信号的关系来划分的，我们按照共模干扰和差模干扰与信号的干扰关系来分析并解决该种类型的干扰问题。

1.1    共模干扰

共模干扰可以理解为在信号采集的两端之间同等程度地引入干扰，使得信号正（V+）和信号负（V-）同等程度地变大或变小。

对于共模干扰噪声问题，我们可以通过差分运放来解决，因为对于差分放大电路而言，放大的是信号输入两端的差值，即输入到运放输入端的信号为Vin=V+-V-;引入共模干扰后，干扰信号（Vs）会同等程度地加入到信号两端，所以信号两端变为V+′和V-′，并且V+′=V++Vs，V-′=V-+Vs;Vin′=V+′-V-′=Vin。

通过分析可以发现，通过差分运放电路能够很好地滤除信号采集两端的共模干扰信号。

1.2    差模干扰

差模干扰又叫“串模干扰”，是指干扰信号与有用信号串扰在一起被送到运放电路进行放大处理。差模干扰由于并非同相位、同幅度地加载到信号两端，所以通过上述的差分放大电路就不能消除该类干扰。

在稳态试验系统中，由于被测信号频率较低，接近于直流稳态信号，而干扰信号频率较高，鉴于有用信号频带和干扰信号频带可以明显区分，通过数字滤波器方式就能很好地滤除干扰信号。

而在很多情况下，我们开发数据采集系统时，由于是对多稳态信号进行采集，于是就简单地将采样速率设置为100 Hz（即100点采样），这样高频干扰就会串扰到被测信号中成为信号的一部分，也就使得有用信号和干扰信号频带不能区分了，这就给信号处理带来了困难。

如图1所示，输入信号包括四种频率信号成分，分别为F1=25 Hz，F2=70 Hz，F3=160 Hz，F4=510 Hz。假定为F1为信号有用成分，F2、F3和F4为干扰信号，我们设定采样频率为fs=100 Hz。我们的目的是希望能够无失真地采集有用信号25 Hz的F1，而不希望引入干扰信号F2、F3和F4，可是实际采样结果却不是这样的。

如图2所示，这是我们采集的信号，频率成分中包括了10 Hz、25 Hz、30 Hz和40 Hz。很明显，25 Hz是F1有用信号，可是10 Hz、30 Hz和40 Hz是什么信号呢？这是因为在信号采集过程中出现了信号混叠成分，混叠信号频率为信号频率与采样频率倍数的差值。

所以，干扰信号F2的混叠频率为：Alias F2=100-70=30 Hz;

干扰信号F3的混叠频率为：Alias F3=2×100-160=40 Hz;

干扰信号F4的混叠频率为：Alias F4=510-5×100=10 Hz。

通过分析我们发现对稳态数据进行采集，单纯地按照低速采样模式，会将干扰信号的混叠成分一起采集到，成为了信号的一部分，也就无法进行滤除了。所以，我们需要提高采样速率，将有用信号和干扰信号全部采集下来，然后通过滤波方式进行去除。

2    多级多阶降采样滤波

我们构造一组带干扰的信号，假定有用信号频率为正弦信号，幅值为1，频率为5 Hz;引入频率为100 Hz，以幅值为0.2的正弦信号作为干扰信号。我们基于NI LabVIEW提供的數字滤波器设计工具包进行多级多阶（NStage-MRate）滤波器设计，如图3所示，设定信号采样频率为10 kHz，采用高采样频率的目的是将有用信号和噪声干扰信号一起采集而不产生混叠，然后降采样设定信号输出频率为100 Hz，也就是说信号滤波处理后不会带来过高的信号数据吞吐量，便于数据分析。滤波器由输入10 kHz到输出100 Hz，需要3级滤波器100倍降采样滤波来实现，并且根据信号范围设定通道为25 Hz，通带纹波为0.001 dB，阻带45 Hz，阻带衰减120 dB。设定好滤波器系数后即可生成滤波器模型。

3    结语

在试验现场进行数据采集分析的过程中，信号噪声干扰是避免不了的，并且来源错综复杂，我们需要从不同方面对噪声源进行分析，正确地进行噪声的抑制和滤除。本文从对信号共模干扰和差模干扰的分析、信号采样过程中混叠干扰的产生及通过多级多阶降采样滤波技术有效滤除信号高频干扰的处理方法等角度对该问题进行了探讨，对稳态试验现场数据采集干扰的滤除具有借鉴参考意义。

[参考文献]

[1] 王庆斌，刘萍，尤利文，等.电磁干扰与电磁兼容技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2] 谢三毛.基于LabVIEW虚拟数字滤波器的设计[J].华东交通大学学报，2005，22（1）：83-85.

[3] 肖积涛，马幼鸣，周鸣争，等.基于FPGA的高速数据采集系统的设计与实现[J].计算机技术与发展，2012，22（6）：217-220.

收稿日期：2019-12-03

作者简介：罗舜天（1997—），男，湖南邵阳人，研究方向：测控技术与仪器。