濾波器設(shè)計(jì)論文精選(九篇)
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第1篇：濾波器設(shè)計(jì)論文范文
關(guān)鍵詞:語(yǔ)音活動(dòng)性檢測(cè);滑動(dòng)濾波器;有限狀態(tài)機(jī);一階差分
中圖分類號(hào):TP391.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)31-pppp-0c
A Robust VAD Method Using Differential Frame Energy
ZHANG Wei-wei
(School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)
Abstract: A robust Voice Activity Detect(VAD) algorithm is presented using differential frame energy output.. Moving Average Filter is used to filter the frame energies and get the output compared with pre-decided threshold, based on which the current frame is labeled as speech、noise and transition status. Three sub-status are designed to eliminate the effect of impulse noise and high level stationary noise. First Order Difference of Moving Average Filter is used to get more comformable results in start point and end point detection. Simulation shows that the proposed algorithm outperformes traditional energy-based VAD algorithms and is robust in detecting voice activities under different SNR levels.
Key words: voice activity detect; moving average filter; finite state machine; first order difference
活動(dòng)性檢測(cè)(Voice Activity Detect)又稱端點(diǎn)檢測(cè),在語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字處理當(dāng)中具有十分重要的作用。包括語(yǔ)音識(shí)別、說(shuō)話人識(shí)別與確認(rèn)、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音編解碼等各種應(yīng)用在內(nèi),都離不開(kāi)語(yǔ)音活動(dòng)性檢測(cè)[1]。對(duì)于語(yǔ)音識(shí)別以及說(shuō)話人識(shí)別與確認(rèn)系統(tǒng)而言,如果端點(diǎn)檢測(cè)的結(jié)果不夠準(zhǔn)確,系統(tǒng)的識(shí)別性能就得不到保證,另外,如果語(yǔ)音端點(diǎn)檢測(cè)的結(jié)果過(guò)于放松,則會(huì)增加過(guò)多的靜音部分,造成系統(tǒng)運(yùn)算量的增加,同時(shí)對(duì)識(shí)別結(jié)果也具有負(fù)面影響[2]。
傳統(tǒng)的語(yǔ)音活動(dòng)性檢測(cè)方法主要采用語(yǔ)音信號(hào)的基本短時(shí)參數(shù):短時(shí)能量、過(guò)零率等。漢語(yǔ)中的濁音部分短時(shí)能量和清音部分短時(shí)能量在有聲\無(wú)聲段的區(qū)別明顯。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),可以統(tǒng)計(jì)出短時(shí)能量和過(guò)零率在有聲段和無(wú)聲段的區(qū)別,從而設(shè)定閾值,決定當(dāng)前語(yǔ)音幀屬于有聲段還是無(wú)聲段[1]。但是,這種方法在噪聲環(huán)境中的判別性能有所下降,當(dāng)信噪比低于一定程度的時(shí)候,甚至無(wú)法得到正確的判別結(jié)果,對(duì)于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō),這個(gè)問(wèn)題顯得尤其重要。論文提出了一種噪聲環(huán)境下穩(wěn)健的語(yǔ)音活動(dòng)性檢測(cè)方法,該方法對(duì)于不同噪聲水平的環(huán)境下的語(yǔ)音活動(dòng)性檢測(cè)具有很好的魯棒性。
1 算法流程
論文算法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1)窗選幀能量:對(duì)輸入語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分幀、加漢明窗,并在一個(gè)隊(duì)列結(jié)構(gòu)當(dāng)中保存相鄰的M幀能量作為滑動(dòng)濾波器的輸入。
2)滑動(dòng)平均濾波器:常規(guī)的M階時(shí)域滑動(dòng)平均濾波器定義為M個(gè)采樣的算術(shù)平均,
即:
■ (1)
在這里,考慮到在一段時(shí)間之內(nèi),噪聲信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍往往沒(méi)有語(yǔ)音信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大[5],也就是說(shuō),噪聲信號(hào)的能量分布相對(duì)比較集中,因此,在一段窗選信號(hào)范圍內(nèi),幀能量間的差距越小,則該段窗選信號(hào)屬于噪聲的可能性就越大,由于語(yǔ)音信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍比較大(一般在30dB左右),如果一段窗選信號(hào)范圍內(nèi)多數(shù)為語(yǔ)音信號(hào),各幀能量的差距會(huì)比較大[6]。基于此,我們選擇一個(gè)完整周期內(nèi)具有對(duì)稱正負(fù)半周的滑動(dòng)平均濾波器來(lái)對(duì)窗選幀能量進(jìn)行濾波。濾波器的具體形式可以有多種選擇,最簡(jiǎn)單的形式如圖2所示。具有類似特點(diǎn)的還有正弦函數(shù)型滑動(dòng)平均濾波器、升余弦型滑動(dòng)平均濾波器等[3],考慮到減小吉布斯效應(yīng)[4]的要求,本文選擇了論文[7]提出的一種最佳滑動(dòng)平均濾波器,其形式如圖3所示。
該濾波器的輸入-輸出關(guān)系如式2所示,其中A、Ki、S為濾波器的參數(shù)。該濾波器對(duì)于短時(shí)能量序列的輸入輸出具有以下特點(diǎn):
① 對(duì)于一段平緩的短時(shí)能量輸入序列,保持零輸出。比如平緩的背景噪聲或者保持平穩(wěn)能量值的語(yǔ)音,輸出值接近零;
② 對(duì)于一段遞增的短時(shí)能量輸入序列,輸出值也相應(yīng)遞增;
③ 對(duì)于遞減的短時(shí)能量輸入序列,輸出值相應(yīng)遞減;
■ (2)
假設(shè)M幀連續(xù)幀能量用Ei來(lái)表示,最佳滑動(dòng)濾波器的參數(shù)用fi來(lái)表示,i=1,2,…,M,對(duì)M幀連續(xù)的幀能量進(jìn)行線性濾波,濾波器的輸出用Fout來(lái)表示,得到公式3如下所示:
■(3)
3)求解濾波器輸出一階差分:差分特征作為一種動(dòng)態(tài)特征,能夠更好地反映序列的變
化趨勢(shì),在語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用中,一階差分與二階差分作為動(dòng)態(tài)特征引入特征向量,能夠得到更加穩(wěn)健的特征向量,從而提高識(shí)別率。在論文當(dāng)中,為了更好地反應(yīng)濾波器濾波輸出的變化,引入反映濾波器輸出動(dòng)態(tài)變化的一階差分特性,求解當(dāng)前濾波器加權(quán)能量輸出與前一幀濾波器輸出的差值,作為反映濾波器輸出變化的向量。假設(shè)濾波器在各個(gè)時(shí)刻的輸出用向量 A=[a0a1a2…aN]T來(lái)表示,其中N為幀數(shù),αi為i時(shí)刻的濾波器輸出Fout,則經(jīng)過(guò)差分運(yùn)算之后的輸出為向量B=[b0b1b2…bN]T,其中: ■(4)
4)三態(tài)狀態(tài)機(jī):設(shè)計(jì)一個(gè)具有三個(gè)狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)來(lái)進(jìn)行幀狀態(tài)的判定。首先,設(shè)定每幀存在speech、silence和temp三個(gè)狀態(tài),分別表示語(yǔ)音幀、靜音幀和過(guò)渡幀,其中temp狀態(tài)由三個(gè)子狀態(tài)組成,各個(gè)子狀態(tài)之間可以進(jìn)行有條件地相互跳轉(zhuǎn),其作用是在靜音幀向語(yǔ)音幀轉(zhuǎn)移的過(guò)程中,根據(jù)設(shè)定的條件充分吸收背景噪聲的影響,提高真實(shí)的語(yǔ)音幀被正確判決出來(lái)的概率。傳統(tǒng)的能量判據(jù)在抵抗突發(fā)噪聲干擾以及低信噪比環(huán)境下語(yǔ)音信號(hào)起始點(diǎn)的判定方面性能較差,采用過(guò)渡態(tài)可以有效地去除高能量平穩(wěn)噪聲和突發(fā)噪聲的影響,在這里,過(guò)渡狀態(tài)temp的作用相當(dāng)于一個(gè)緩沖狀態(tài),所有從靜音幀到語(yǔ)音幀或者從語(yǔ)音幀到靜音幀的轉(zhuǎn)移都要首先經(jīng)過(guò)過(guò)渡幀,在它的三個(gè)子狀態(tài)中完成對(duì)幀狀態(tài)的細(xì)判,因此,算法首先有一個(gè)簡(jiǎn)單能量的判別,該階段能量閾值T1的設(shè)置較寬松,其目的是為了剔除掉可能存在的能量值非常小的靜音段,如果某一幀的能量超過(guò)了T1,則進(jìn)入到過(guò)渡態(tài)temp,圖5給出了過(guò)渡態(tài)temp中進(jìn)行細(xì)判的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。首先,在子狀態(tài)1判斷當(dāng)前幀能量與上一幀能量的差值,若該值小于閾值DIF,則認(rèn)為當(dāng)前幀可能屬于平穩(wěn)背景噪聲,繼續(xù)停留在子狀態(tài)1,若差值大于DIF,則進(jìn)入子狀態(tài)2,在子狀態(tài)2中,設(shè)置一個(gè)參數(shù)Duration來(lái)表示能量高于T1的連續(xù)信號(hào)幀數(shù),若該值大于閾值MAX_Dur,則可以認(rèn)為此段信號(hào)不屬于沖擊型突發(fā)噪聲,此時(shí)進(jìn)入子狀態(tài)3,否則繼續(xù)停留在子狀態(tài)2。在子狀態(tài)3中,定義信號(hào)幀的低頻能量為頻率在400Hz以下頻譜分量的能量總和,對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)來(lái)說(shuō),其低頻能量一般較高,同時(shí)低頻能量占總能量的比例要高于大部分噪聲信號(hào),設(shè)置低頻能量閾值Elow和能量因子ρ,如果當(dāng)前信號(hào)幀的低頻能量大于Elow并且能量因子同時(shí)大于ρ,則判定該幀信號(hào)為語(yǔ)音信號(hào),進(jìn)入狀態(tài)speech,如果低頻能量的值較大而能量因子的值不高,則當(dāng)前幀屬于高能量噪聲的可能性很大,此時(shí)返回到過(guò)渡態(tài)的子狀態(tài)1繼續(xù)判斷,在過(guò)渡態(tài)的各個(gè)子狀態(tài)和speech狀態(tài),如果當(dāng)前信號(hào)幀能量小于T1,則跳轉(zhuǎn)到silence狀態(tài)繼續(xù)判斷,為了跟蹤背景噪聲的變化趨勢(shì),如果狀態(tài)處于silence的幀數(shù)超過(guò)一定的數(shù)量,則更新原始的能量閾值T1。由此可以看出來(lái),過(guò)渡態(tài)中的三個(gè)子狀態(tài)分別起到了消除平穩(wěn)背景噪聲、突發(fā)噪聲和高能量背景噪聲干擾的作用。
各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化條件由a~f來(lái)表示,下面分別予以介紹:
1) 從temp狀態(tài)各個(gè)子狀態(tài)或者speech狀態(tài)跳轉(zhuǎn)回silence狀態(tài)。判斷條件是濾波器輸出bi
2) 從silence狀態(tài)進(jìn)入temp狀態(tài)子狀態(tài)1。判斷條件是濾波器輸出T1
3) 從temp子狀態(tài)1進(jìn)入temp子狀態(tài)2。判斷條件是連續(xù)兩幀濾波器輸出的差值大于DIF,否則仍然處于temp子狀態(tài)1或者返回silence。
4) 從temp子狀態(tài)2進(jìn)入temp子狀態(tài)3。判斷條件是能量大于T1的幀數(shù)Duration>MAX_Dur,否則仍然處于temp子狀態(tài)2或者返回silence。
5) 從過(guò)渡態(tài)temp進(jìn)入有聲態(tài)speech。判斷條件是低頻能量大于Elow且能量因子大于ρ,如果低頻能量高于Elow而能量因子小于ρ,則返回到temp子狀態(tài)1,否則仍然處于子狀態(tài)3或者返回silence。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
選取一段單通道、8K采樣、16bit量化的wav數(shù)據(jù)作為純凈語(yǔ)音信號(hào),分別構(gòu)造5dB和0dB信噪比條件下的兩段語(yǔ)音數(shù)據(jù)(噪聲類型為零均值、單位方差的白噪聲),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。選取幀長(zhǎng)32ms,幀移16ms,濾波器階數(shù)M=25,圖6給出了兩種情況下含噪語(yǔ)音數(shù)據(jù)各幀的幀能量,可以看出來(lái),僅僅利用傳統(tǒng)的幀能量進(jìn)行端點(diǎn)判決,判定結(jié)果極大地依賴于環(huán)境噪聲的水平,判定結(jié)果缺乏穩(wěn)健性。與之對(duì)比,圖7給出了使用論文算法得到的兩種情況下的輸出參數(shù),可以看出,在引入了滑動(dòng)濾波器進(jìn)行濾波輸出和一階差分運(yùn)算之后,判定結(jié)果受環(huán)境噪聲水平變動(dòng)的影響很小,兩種輸入信噪比情況下輸出參數(shù)曲線擬合地很好,算法對(duì)于平穩(wěn)噪聲干擾能夠得到穩(wěn)健的檢測(cè)結(jié)果。
為了檢驗(yàn)論文算法對(duì)不同類型突發(fā)噪聲干擾的穩(wěn)定性,在安靜實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下利用高性能麥克風(fēng)采集8K采樣、16bit量化的測(cè)試噪聲數(shù)據(jù)庫(kù),其中男性60人,女性24人,包括嘴吹氣聲、鼻子呼氣聲、拍手聲、拍桌子聲、敲桌子聲等,每人每種噪聲重復(fù)5遍。針對(duì)噪聲庫(kù)中的噪聲類型,在純凈語(yǔ)音信號(hào)開(kāi)始之前添加一小段干擾噪聲信號(hào),使用算法進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)。定義檢測(cè)的前后端點(diǎn)位置和人工標(biāo)注的端點(diǎn)之間的差距都小于5幀時(shí),端點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果正確。表1列出了對(duì)于一些平穩(wěn)噪聲和突發(fā)噪聲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看出對(duì)于拍手、敲桌子等突發(fā)型環(huán)境噪聲均可以較好地被采用三個(gè)子狀態(tài)的過(guò)渡態(tài)吸收掉,同時(shí),對(duì)于嘴吹氣、鼻子吹氣等較平穩(wěn)噪聲的吸收效果也很好。
表1 論文算法對(duì)不同類型噪聲的吸收效果
■
3 結(jié)論與總結(jié)
針對(duì)噪聲環(huán)境下語(yǔ)音活動(dòng)性檢測(cè)準(zhǔn)確性下降的問(wèn)題,論文提出了一種基于最佳滑動(dòng)濾波
器的窗選幀信息語(yǔ)音活動(dòng)性檢測(cè)算法,利用最佳滑動(dòng)濾波器對(duì)若干幀能量進(jìn)行濾波,為了提高濾波結(jié)果的穩(wěn)健性,對(duì)濾波所得的能量序列求解一階差分運(yùn)算,將得到的差分輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)三態(tài)有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行決策,利用包含三個(gè)子狀態(tài)的過(guò)渡態(tài)充分吸收各種高能量平穩(wěn)噪聲和常見(jiàn)突發(fā)噪聲,從而得到較好的端點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果。仿真結(jié)果證明了該算法在不同性噪比條件下進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)的有效性。同傳統(tǒng)的基于短時(shí)參數(shù)(短時(shí)能量、短時(shí)過(guò)零率)的端點(diǎn)檢測(cè)算法相比,論文算法具有能夠勝任大動(dòng)態(tài)范圍噪聲水平變化條件下進(jìn)行準(zhǔn)確端點(diǎn)檢測(cè)的能力,同時(shí)對(duì)于一些常見(jiàn)的突發(fā)噪聲具有較好的吸收作用。此外,論文算法計(jì)算量小,非常適合作為語(yǔ)音增強(qiáng)、語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的高性能端點(diǎn)檢測(cè)模塊來(lái)使用,具有較大的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn):
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第2篇：濾波器設(shè)計(jì)論文范文
【關(guān)鍵詞】超寬帶；帶通濾波器；枝節(jié)加載；阻帶抑制
1.引言
自2002年美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）批準(zhǔn)把3.1GHz到10.6GHz之間的頻段分配給超寬帶通信系統(tǒng)使用[1]以來(lái)，小型化，高性能已經(jīng)成為了超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的必然趨勢(shì)[2-5]。文獻(xiàn)[2]中首次提出了基于多模諧振器的超寬帶濾波器設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[3]中為了改善這種基于多模結(jié)構(gòu)超寬帶濾波器的高阻帶特性，采用了多枝節(jié)加載的諧振器結(jié)構(gòu)。此外，為了提高超寬帶濾波器的選擇性，在文獻(xiàn)[4]中提出了一種階梯阻抗枝節(jié)加載的諧振器結(jié)構(gòu)。
本文提出了一種具有新的枝節(jié)加載諧振器結(jié)構(gòu)超寬帶濾波器。結(jié)構(gòu)為使用圓形開(kāi)路階躍短截線為中心枝節(jié)，通過(guò)圓形諧振器控制奇偶模式的分布；通過(guò)短路和開(kāi)路枝節(jié)控制帶外抑制。該濾波器具有小尺寸，良好選擇性等優(yōu)點(diǎn)，為設(shè)計(jì)新型的超寬帶濾波器提供了新的思路。
2.超寬帶濾波器的結(jié)構(gòu)
由文獻(xiàn)[6]中首次使用圓形開(kāi)路階躍短截線單元進(jìn)行超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)。在文獻(xiàn)中可以知道這種單元具有低通特性，并且其截止頻率會(huì)隨著半徑R的增大而減小，邊緣響應(yīng)也隨之變得都陡峭。這樣，我們可以使用加載其他枝節(jié)引入傳輸零點(diǎn)的方法得到好的阻帶特性。
圖1為所設(shè)計(jì)超寬帶濾波器的整體結(jié)構(gòu)。整體電路左右對(duì)稱，使用介電常數(shù)為10.2，厚度為1.27mm的Roger RT/duroid6010介質(zhì)基板，端口阻抗為50Ohm?？紤]的制作工藝的難易度和可行性，所有微帶間縫隙寬度不小于0.1mm，且金屬化過(guò)孔的半徑不小于0.1mm。
這里和為枝節(jié)的特性阻抗以及電長(zhǎng)度。當(dāng)分別等于0o，90o，180o的時(shí)候，分別等于0，，0，分別等于，0，。由此可以得到，當(dāng)超寬帶濾波器的中心頻率的的時(shí)候，由短路枝節(jié)可以得到兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，并且能提高濾波器的選擇性。而又由于開(kāi)路枝節(jié)的存在，當(dāng)開(kāi)路枝節(jié)的電長(zhǎng)度等于帶外頻率抑制點(diǎn)的1/4波長(zhǎng)的時(shí)候，能夠提高帶外阻帶的性能。在這篇文章里，我們?cè)O(shè)置帶外抑制頻率點(diǎn)為15GHz。
通過(guò)以上的分析，一個(gè)新型的枝節(jié)加載超寬帶濾波器就可以得到，電路的初始尺寸也可以由上述分析得到，最后使用HFSS進(jìn)行仿真和優(yōu)化。
3.仿真結(jié)果與分析
通過(guò)HFSS仿真得到的仿真曲線如圖3所示。從圖中可以看出，濾波器測(cè)試帶寬為3.18GHz到10.46GHz，且通帶兩端具有較好選擇性，插入損耗小于0.25dB，帶內(nèi)時(shí)延平坦，其20dB阻帶抑制范圍可以達(dá)到15GHz，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。此外該濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，物理尺寸為16.6mm×13mm。
4.結(jié)論
本文提出了一種新的枝節(jié)加載諧振器的設(shè)計(jì)思路并分別設(shè)計(jì)了一種新型的超寬帶濾波器。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，表明該濾波器具有結(jié)構(gòu)緊湊、帶寬寬、帶外抑制良好等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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第3篇：濾波器設(shè)計(jì)論文范文
【關(guān)鍵詞】雜波抑制；動(dòng)目標(biāo)顯示；盲速；參差濾波器；改善因子
1.引言
雷達(dá)的基本任務(wù)是用無(wú)線電的方法探測(cè)目標(biāo)的距離、方位角、俯仰角及速度等信息。這些信息是利用目標(biāo)對(duì)電磁波的反射現(xiàn)象獲取的[1]。對(duì)空雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)通常是運(yùn)動(dòng)的物體，例如空中的飛機(jī)、導(dǎo)彈等，雷達(dá)接收到這些目標(biāo)回波信息的時(shí)候，還會(huì)接收到各種背景（例如地物、云雨及海浪等）的干擾回波信號(hào)。這些背景回波會(huì)給我們探測(cè)真正的目標(biāo)帶來(lái)困難，稱之為雜波或無(wú)源干擾。雷達(dá)接收到的不僅僅是目標(biāo)回波，往往包含某些雜波干擾。
雜波干擾和目標(biāo)回波在雷達(dá)顯示器上同時(shí)顯示很難觀察到目標(biāo)，特別是有強(qiáng)雜波時(shí)，能夠使接收機(jī)過(guò)載，更難發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。即使終端通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由于存在大量的雜波，系統(tǒng)也很難以處理。文獻(xiàn)[2]-[6]中都是對(duì)固定權(quán)的對(duì)消器做了一些研究，本文是在此基礎(chǔ)上研究了最佳權(quán)參差頻率濾波器，具有比對(duì)消器更好的抑制效果。
2.K次對(duì)消器
K脈沖MTI對(duì)消器與濾波器加權(quán)系數(shù)為二項(xiàng)式的橫向FIR濾波器等效。通過(guò)級(jí)聯(lián)一次MTI對(duì)消器來(lái)得到高階濾波器的方法推導(dǎo)出K次MTI對(duì)消器，因此，K次MTI對(duì)消器的傳遞函數(shù)[7]為：
（1）
圖1 K對(duì)消器構(gòu)造模型
圖1為K次對(duì)消器構(gòu)造模型，則K次對(duì)消器的輸出為：
（2）
式中，K為對(duì)消器的次數(shù)，對(duì)消器的系數(shù)為二項(xiàng)式系數(shù)，用下式計(jì)算：
（3）
式中圖2是四脈沖對(duì)消器的速度響應(yīng)特性，其中雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率為330Hz，雷達(dá)工作波長(zhǎng)為0.2m，則求得第一盲速為vr1=36.3m/s。
由圖2其速度響應(yīng)曲線知，四脈沖MTI對(duì)消器的頻率特性在，，各頻率點(diǎn)處均有很深的凹口，能夠很有效地抑制零多普勒頻率的固定雜波。圖2中可以看出零頻附近的凹口很深，達(dá)約-150dB。
3.參差MTI濾波器
由于等T的MTI對(duì)消器僅僅對(duì)固定地物雜波有較好的抑制效果，當(dāng)目標(biāo)以多普勒頻率對(duì)應(yīng)的徑向速度相對(duì)雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，濾波器將檢測(cè)不到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，從而可能丟失目標(biāo)信息。因此要可靠地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，應(yīng)保證第一盲速要大于可能出現(xiàn)的目標(biāo)最大速度。
解決此問(wèn)題通過(guò)采用兩個(gè)以上不同的重復(fù)頻率交替工作，使第一盲速大于雷達(dá)所要探測(cè)目標(biāo)的最大徑向速度，從而提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)。
設(shè)雷達(dá)采用N個(gè)重復(fù)頻率工作，它們的重復(fù)周期表示為圖3為參差MTI濾波器結(jié)構(gòu)框圖3中：
圖2 四脈沖對(duì)消器速度響應(yīng)曲線
圖3 參差MTI濾波器結(jié)構(gòu)框圖
參差MTI濾波器的輸出為：
（4）
MTI濾波器的頻率響應(yīng)為：
（5）
根據(jù)式（5），參差MTI濾波器的頻率響應(yīng)取決于參差周期T1，T2，…，TN和濾波器的系數(shù)矢量。濾波器的系數(shù)矢量符合二項(xiàng)式展開(kāi)系數(shù)，就構(gòu)成了參差MTI對(duì)消器。
圖4所示為四脈沖參差MTI濾波器的速度響應(yīng)曲線，即此MTI濾波器的系數(shù)矢量為二項(xiàng)式權(quán)為，重復(fù)頻率為330Hz，雷達(dá)工作波長(zhǎng)為0.2m。采用9個(gè)重復(fù)頻率工作，在采用參差頻率前，第一盲速為vr1=36.3m/s；采用參差重復(fù)頻率后，知第一等效“盲速”提高的倍數(shù)為：
=40
求得第一等效“盲速”為：
圖4 參差MTI濾波器速度響應(yīng)曲線
在圖4中，可以看到第一盲速被提高了40倍，而且速度響應(yīng)曲線在該速度范圍內(nèi)響應(yīng)曲線整體比較平坦。圖4零頻附近可以看出，速度響應(yīng)在vr=0處有很深的凹口，用于抑制零多普勒頻率地雜波。然而與圖2四脈沖等T對(duì)消器速度曲線相比較，零頻附近的凹口深度變淺了，僅為-70dB。由于凹口明顯變壞了，對(duì)雜波的抑制能力有所減弱。
4.基于參差周期比選擇的仿真
利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，觀察改變參差碼對(duì)參差MTI濾波器速度響應(yīng)曲線的影響，這對(duì)設(shè)計(jì)較好雜波抑制效果的濾波器是很有必要的。
采用9脈沖參差重復(fù)周期，比值為：36：44：37：43：38：42：39：41：40。顯然可能的排列種數(shù)=362880種，對(duì)每種組合用特征矢量法來(lái)求出最佳權(quán)矢矢量，再使用這組權(quán)矢量求出濾波器的頻率響應(yīng)。在所有的參差碼中挑選出一組最優(yōu)的碼使通帶內(nèi)的頻率響應(yīng)不平坦度最小，此時(shí)設(shè)計(jì)出的MTI濾波器對(duì)雜波的抑制是最好的。由于實(shí)際操作的有限性，自己選取了幾個(gè)特殊的參差碼進(jìn)行了仿真，并總結(jié)了一些結(jié)論。
（1）不同參差比選擇會(huì)影響MTI濾波器的性能
圖5 參差MTI濾波器速度響應(yīng)曲線
圖6 參差MTI濾波器速度響應(yīng)曲線-零頻附近
從圖5看出，不同參差碼對(duì)參差MTI濾波器的整體速度響應(yīng)曲線在通帶內(nèi)曲線平坦度不同，上面參差碼有更好的雜波抑制效果，而下面參差碼在通帶中間位置起伏比較大。從圖6可以看出，不同參差碼組合，零頻附近的凹口相差不是很大。
（2）通過(guò)改變參差比，研究表明了參差周期的碼元排列互為倒序或者互為平移時(shí)，最佳權(quán)參差MTI濾波器的速度響應(yīng)曲線效果相同，對(duì)雜波的抑制效果也一樣。
5.改善因子最大準(zhǔn)則
雜波抑制濾波器對(duì)信雜比改善的情況用改善因子來(lái)表示。改善因子越大，MTI系統(tǒng)對(duì)雜波的抑制效果越好。改善因子I即為雜波抑制濾波器的輸出信雜比（S0/C0）與輸入信雜比（Si/Ci）之比，即：
（6）
雖然參差周期解決了盲速，但帶來(lái)了改善因子的限制值IS，由于參差和掃描的影響對(duì)改善因子I限制公式[8]如下：
（7）
式（7）中，n為波束寬度內(nèi)脈沖回波數(shù)，r為參差周期的最大變比。
通過(guò)采用時(shí)變加權(quán)來(lái)克服次限制，即在不同的取樣時(shí)刻，給濾波器不同的加權(quán)值，這樣就能解決參差帶來(lái)的影響。在數(shù)字設(shè)備里實(shí)現(xiàn)時(shí)變加權(quán)是容易做到的而且穩(wěn)定可靠。
由FIR濾波器特性，MTI濾波器的頻率特性完全由其加權(quán)系數(shù)矢量W確定。設(shè)MTI濾波器的N個(gè)權(quán)矢量系數(shù)為w1，w2，…，wN，則可以構(gòu)成一個(gè)加權(quán)矢量W，W=[w1 w2 … wN]T。由雜波的功率譜可以由表征的高斯曲線來(lái)表示：
（8）
標(biāo)準(zhǔn)偏差為：
（Hz）
其中為徑向速度標(biāo)準(zhǔn)偏差（米/秒），為雷達(dá)工作波長(zhǎng)（米）。根據(jù)維納—辛欽（Wiener-Khintchine）定理，信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和功率譜互為傅立葉變換對(duì)，所以得到雜波的自相關(guān)函數(shù)如下，式中為相關(guān)時(shí)間：
（9）
利用積分公式：
經(jīng)推導(dǎo)可得：
對(duì)于地雜波是一種特殊情況，雜波譜的中心頻率，則得到：
由此可見(jiàn)，具有厄米特性質(zhì)：
式中*表示復(fù)共軛，這說(shuō)明由構(gòu)成雜波的自相關(guān)矩陣Rc為厄米特矩陣：
對(duì)于目標(biāo)信號(hào)來(lái)說(shuō)，其多普勒頻率在區(qū)間（，）上均勻分布，則目標(biāo)信號(hào)可表示為：
（10）
目標(biāo)信號(hào)自相關(guān)函數(shù)為：
由積分公式可得：
得出目標(biāo)信號(hào)的自相關(guān)矩陣RS：
設(shè)為輸出信號(hào)，MTI濾波器輸入端的雜波數(shù)據(jù)和信號(hào)數(shù)據(jù)分別為：
可求輸出信號(hào)模的平方為：
則輸出信號(hào)的功率表達(dá)式為：
那么，MTI濾波器輸出端的雜波功率和信號(hào)功率分別為：
（11）
（12）
其中和分別表示MTI濾波器輸入端的雜波功率和信號(hào)功率，根據(jù)MTI改善因子的定義為：
（13）
（14）
則為一個(gè)單位矩陣，根據(jù)式（13）有：
（15）
問(wèn)題轉(zhuǎn)變成利用式（15）求I的最值：
（16）
式（16）求導(dǎo)可得，RC的特征方程為：
（17）
其解有N個(gè)即，要使MTI濾波器的平均改善因子達(dá)到最大，MTI濾波器的最佳權(quán)矢量應(yīng)取輸入雜波的自相關(guān)矩陣的最小特征值所對(duì)應(yīng)的特征失量，此時(shí)雜波濾波器的平均改善因子為：
（18）
這種設(shè)計(jì)雜波抑制濾波器的方法稱為特征矢量法。
5.1 改善因子最大的對(duì)消器仿真
由特征矢量法的推導(dǎo)得出當(dāng)MTI濾波器的權(quán)系數(shù)矢量取雜波自相關(guān)矩陣的最小特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量時(shí)，MTI濾波器的改善因子將達(dá)到最大。
四脈沖最佳權(quán)對(duì)消器的速度響應(yīng)曲線仿真條件為：脈沖重復(fù)頻率為330Hz，雷達(dá)工作波長(zhǎng)為0.22m，=0.3m/s為雜波的標(biāo)準(zhǔn)離差，它是與地雜波區(qū)植被類型與風(fēng)速有關(guān)的一個(gè)量，波束寬度為1.35o，天線轉(zhuǎn)速為6轉(zhuǎn)/分。首先求得地雜波功率譜的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：
再考慮天線掃描引起的雜波功率譜的展寬，設(shè)天線方向圖具有高斯形狀，雙程天線方向圖對(duì)回波信號(hào)的幅度調(diào)制引起了雜波功率譜展寬可用標(biāo)準(zhǔn)離差表示：
（19）
（20）
式中，為半功率天線方位波束寬度（o）；為天線方位掃描速度（r/min）；為目標(biāo)仰角（o），n為單程天線方向圖3dB寬度內(nèi)目標(biāo)的回波脈沖數(shù)。帶入數(shù)據(jù)可得，=7.3Hz。對(duì)于天線掃描工作的雷達(dá)，接收的雜波功率譜標(biāo)準(zhǔn)離差應(yīng)為：
圖7 四脈沖最佳權(quán)對(duì)消器速度響應(yīng)曲線
由圖7可以看出，在徑向速度為零附近最佳權(quán)MTI對(duì)消器有了三個(gè)凹口，這是由于四脈沖對(duì)消器的原故，它可以等效為三個(gè)一次相消器，在Z=1處有三重零點(diǎn)。與圖2相比較，圖7最佳權(quán)對(duì)消器的改善因子I有了很大提高，速度響應(yīng)曲線對(duì)雜波的抑制效果更好，特別是對(duì)有頻譜展寬的地物雜波。
5.2 改善因子最大的參差濾波器的仿真
為了消除參差對(duì)改善因子的限制，常采用時(shí)變加權(quán)的方法加以克服，即取雜波自相關(guān)函數(shù)的最小特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量作為參差MTI濾波器的最佳權(quán)系數(shù)。
最佳權(quán)參差MTI濾波器的速度響應(yīng)曲線仿真條件：雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率為330Hz，雷達(dá)工作波長(zhǎng)為0.22m，=0.3m/s為雜波的標(biāo)準(zhǔn)離差，波束寬度為1.35o，天線轉(zhuǎn)速為6轉(zhuǎn)/分。天線掃描接收雜波功率譜標(biāo)準(zhǔn)離差為=7.8Hz。
此時(shí)雷達(dá)采用9個(gè)參差重復(fù)頻率，它們的重復(fù)周期之比為：T1：T2：T3：T4：T5：T6：T7： T8：T9=36：44：37：43：38：42：39：41：40。
圖8 最佳權(quán)參差MTI濾波器速度響應(yīng)曲線
圖8與圖4相比，得出二項(xiàng)式權(quán)系數(shù)參差MTI濾波器與最佳權(quán)系數(shù)參差MTI濾波器的整體速度響應(yīng)曲線相差不大，基本相同，而且速度響應(yīng)曲線在通帶內(nèi)均比較平坦。而在凹口即零頻附近多出了兩個(gè)對(duì)稱的凹口，改善因子提高了，第一凹口深度達(dá)到約-80dB，對(duì)雜波的抑制效果更好。
6.結(jié)論
本文給出了抑制雜波的動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器及其性能，詳細(xì)地推導(dǎo)出了改善因子最大準(zhǔn)則，從而得出了最佳權(quán)參差濾波器使改善因子大大提高了，能更好地濾除雜波。仿真結(jié)果表明了最佳權(quán)濾波器有更好的抑制雜波性能的同時(shí)取得較高的改善因子。
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第4篇：濾波器設(shè)計(jì)論文范文
Abstract: the nonlinear load of power grid application to brought serious harmonic pollution, and produced a series of power quality problems, and all kinds of sensitive load of power grid power supply quality and to put forward higher request. Passive power filter because of its simple structure, equipment less investment, operation reliability high, low operating cost, be in the power system, the most common harmonic control equipment.
中圖分類號(hào):X503X503文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
本文對(duì)無(wú)源電力濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入的研究。詳細(xì)分析各種無(wú)源電力諧波器結(jié)構(gòu)和工作原理，并在其基礎(chǔ)上對(duì)影響濾波器性能的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了深入分析，重點(diǎn)研究了等值頻偏、品質(zhì)因數(shù)、無(wú)功補(bǔ)償容量特性及系統(tǒng)諧波阻抗對(duì)單調(diào)諧濾波器和高通濾波器性能的影響。以此作為濾波裝置設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，為工程設(shè)計(jì)提供了理論準(zhǔn)則。
本文通過(guò)分析濾波裝置設(shè)計(jì)方案的制定策略，推導(dǎo)最小電容器安裝容量法、無(wú)功補(bǔ)償容量分配法及過(guò)電壓限制法等工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)的流程，并在MATLAB電力系統(tǒng)仿真環(huán)境下，通過(guò)仿真驗(yàn)證了工程設(shè)計(jì)法。
對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)源濾波裝置，在常規(guī)調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)思路上，考慮實(shí)際濾波器受電網(wǎng)中的負(fù)載和自身元件特性的影響，工作在失諧狀態(tài)下，采取最佳偏調(diào)諧設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)單調(diào)諧濾波器。在給定容量時(shí)，對(duì)全調(diào)諧、經(jīng)驗(yàn)偏調(diào)諧、最佳偏調(diào)諧設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比結(jié)果，得出最佳偏調(diào)諧設(shè)計(jì)所得相對(duì)容量較小濾除諧波能力更好的優(yōu)點(diǎn)。
由于交流調(diào)諧濾波器的工作原理及其缺點(diǎn)，針對(duì)嚴(yán)重影響調(diào)諧濾波器濾波效果的失諧問(wèn)題和單個(gè)LC支路只能抑制單次諧波的缺陷，以及交流調(diào)諧濾波器不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償問(wèn)題，為了對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，學(xué)習(xí)研究了多種可變電抗器。
關(guān)鍵詞:無(wú)源電力濾波器；諧波抑制；濾波效益；失諧
1.1諧波的產(chǎn)生及危害
電力系統(tǒng)中，諧波的定義是指對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解后，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量外，還有一系列大于基波頻率的分量，這部分電量被稱為諧波。近年來(lái), 隨著各種整流、換流設(shè)備、電弧爐、各種電力電子設(shè)備、非線性負(fù)荷以及多種家用電器和照明設(shè)備等的大量使用，電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用變的越來(lái)越突出。相對(duì)傳統(tǒng)的電路和電力調(diào)節(jié)裝置，電力電子裝置具有高功率因數(shù)、高功率密度、高可靠性及低噪音、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，這種裝置提高了電能的利用率，但是其本身的非線形使得電網(wǎng)電壓和電流不再為正弦波，而是畸變?yōu)楹懈鞔沃C波的電壓和電流。諧波電壓和電流的出現(xiàn)，嚴(yán)重危害了功用電網(wǎng)及其他系統(tǒng)的正常工作。
諧波的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）諧波對(duì)電網(wǎng)的影響
諧波電流在電網(wǎng)線路中會(huì)產(chǎn)生附加有功功率損耗。諧波電流雖然通常數(shù)值不大，但其頻率較高，導(dǎo)線的集膚效應(yīng)造成的諧波電阻較大，從而引起的附加損耗增加，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。諧波電流中的無(wú)功分量同時(shí)會(huì)降低電網(wǎng)的功率因數(shù)
（2）引起過(guò)電壓和過(guò)電流
諧波會(huì)引起電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，這種諧振會(huì)使諧波電流放大幾倍至幾十倍，從而危及電容器和其他供用電設(shè)備的安全運(yùn)行。嚴(yán)重時(shí)會(huì)將電容器和電抗器燒毀。
（3）諧波對(duì)電機(jī)的危害
諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)會(huì)引起附加損耗和過(guò)熱。諧波電流通過(guò)定子繞組由于集膚效應(yīng)會(huì)造成諧波損耗。另外，諧波電流會(huì)產(chǎn)生與諧波頻率相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出諧波電流，從而在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生損耗和過(guò)熱現(xiàn)象。諧波同時(shí)會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)，對(duì)電機(jī)也有很大的危害。其中，正負(fù)序的諧波電流在電動(dòng)機(jī)中會(huì)產(chǎn)生N倍基頻的諧波轉(zhuǎn)矩，它的平均轉(zhuǎn)矩雖然可以忽略，但其產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)引起電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)和噪音諧波對(duì)變壓器的影響主要是發(fā)生諧振時(shí)，電流過(guò)大，鐵心嚴(yán)重飽和，可危及變壓器的安全。諧波電流流過(guò)變壓器，還會(huì)增加其銅耗和鐵耗。
（4）諧波對(duì)電纜線路絕緣的影響
對(duì)電纜線路，非正弦，電壓使絕緣老化加速，泄漏電流加大，當(dāng)出現(xiàn)并聯(lián)諧振過(guò)電壓時(shí)，可能引起放炮并擊穿電纜。
（5）諧波對(duì)繼電保護(hù)和電力測(cè)量的影響
許多電能儀表和繼電保護(hù)設(shè)備是針對(duì)正弦波及其過(guò)零點(diǎn)校驗(yàn)設(shè)計(jì)的，諧波容易引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作或拒絕動(dòng)作。不同類型的繼電器設(shè)計(jì)性能和工作原理不同，故諧波的影響有較大差別。諧波對(duì)大多數(shù)繼電器的影響并不大，但對(duì)部分晶體管型繼電器可能有很大影響。在存在諧波的情況下，由于沒(méi)有統(tǒng)一的表征功率的定義，同一儀表對(duì)同一電氣量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，按照不同定義所的得的結(jié)果可能會(huì)相差20%~30%。另外，對(duì)于采用平均值測(cè)量法的儀表，由于需要按正弦波轉(zhuǎn)換成有效值，當(dāng)存在諧波時(shí)，結(jié)果有誤差。
（6）諧波對(duì)通信系統(tǒng)的干擾
諧波干擾會(huì)引起通信系統(tǒng)的噪音，降低通信的清晰度，干擾嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起通信信號(hào)的丟失。在諧波和基波共同作用下引起的電話鈴響，甚至?xí)＜霸O(shè)備和人身安全。
（7）諧波對(duì)整流裝置的影響
高次諧波對(duì)脈沖――相位控制的可控硅（晶閘管）整流裝置有較大影響，可能造成脈沖丟失而燒壞可控硅管。
1.3諧波的抑制
要解決配電系統(tǒng)的諧波和無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題必須綜合考慮濾波和補(bǔ)償這兩方面的因素，能滿足要求的實(shí)現(xiàn)方法有很多，經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)比較，這里主要研究?jī)煞N常見(jiàn)的濾波裝置。一種是無(wú)源濾波器；一種是有源濾波器。
1、無(wú)源濾波器
無(wú)源電力濾波器是傳統(tǒng)的補(bǔ)償無(wú)功和抑制諧波的主要手段，是一種用并聯(lián)濾波器濾除諧波的典型電路結(jié)構(gòu)，通常是根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能由電力電容器，電抗器和電阻組合而成。一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)LC電路與諧波源并聯(lián)，應(yīng)用其諧振原理，使某一次諧波在這個(gè)支路發(fā)生諧振，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，使該次諧波電流不再流入電網(wǎng)，達(dá)到抑制諧波的目的。如果要濾除若干次諧波，就用若干個(gè)單調(diào)諧LC濾波器并聯(lián)接到電網(wǎng)。無(wú)源電力濾波器還可以設(shè)計(jì)成雙諧振的，同時(shí)濾除兩種頻率的諧波，還可以設(shè)計(jì)成高通濾波器，以濾除某一次上的諧波。
無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)：因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓和容量可以做的很大，在吸收諧波的基礎(chǔ)上還可以補(bǔ)償無(wú)功，改善功率因素；維護(hù)方便；造價(jià)低，運(yùn)行費(fèi)用也低；對(duì)某一次高次諧波的吸收效果明顯；設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)成熟。因此成為傳統(tǒng)的補(bǔ)償無(wú)功和抑制諧波的主要手段。
無(wú)源濾波器雖然存在上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但它也有不足之處。無(wú)源濾波器的濾波原理是在系統(tǒng)中為諧波提供一并聯(lián)低阻通路，因此由于結(jié)構(gòu)原理上的原因，在應(yīng)用中存在著一些難以克服的缺點(diǎn)：
(1)只能抑制按設(shè)計(jì)要求規(guī)定的諧波成分，抑制較低次諧波的單調(diào)諧濾波器只對(duì)調(diào)諧點(diǎn)的濾波效果明顯，而對(duì)偏離調(diào)諧點(diǎn)的諧波無(wú)明顯效果。而實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)考慮到設(shè)計(jì)投資，不可能依靠增加濾波器的辦法解決。
(2)濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，濾波效果隨系統(tǒng)運(yùn)行情況而變化，當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率波動(dòng)時(shí)，濾波效果變差。特別是對(duì)電網(wǎng)阻抗和頻率的變化十分敏感，在一個(gè)復(fù)雜的電力系統(tǒng)中，這兩個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律很難精確預(yù)知，因此一個(gè)實(shí)際的濾波器要達(dá)到理想的濾波效果是很難的。
(3)當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率變化時(shí)，可能與系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)或者并聯(lián)諧振，從而會(huì)產(chǎn)生諧波放大現(xiàn)象，使裝置無(wú)法運(yùn)行，甚至使整個(gè)濾波系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。
(4)當(dāng)系統(tǒng)中諧波電流增大時(shí)，無(wú)源濾波器可能過(guò)載，甚至損壞設(shè)備。
(5)裝置體積大，損耗大。
(6)濾波要求和無(wú)功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)。
基于上述無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)研究人員研究出若干解決辦法，通過(guò)采取優(yōu)化設(shè)計(jì)，在一定程度上提高了無(wú)源濾波器的使用效果。但無(wú)源濾波器由于原理上帶來(lái)的缺點(diǎn)是無(wú)法徹底克服的，因此，有必要采用其它濾波方式來(lái)抑制諧波。
2、有源電力濾波器
有源電力濾波器是一種能夠彌補(bǔ)無(wú)源濾波器不足的一種新型諧波抑制設(shè)備，是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。它的基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。其應(yīng)用可克服LC無(wú)源濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，與傳統(tǒng)無(wú)源濾波器相比，具有突出的優(yōu)點(diǎn)，概括起來(lái)主要有：
(1)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小都變化的諧波以及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)。
(2)可同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需要儲(chǔ)能元件容量也不大，且補(bǔ)償無(wú)功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)。
(3)即使補(bǔ)償電流過(guò)大，有源電力濾波器也不會(huì)發(fā)生過(guò)載，并能正常發(fā)揮補(bǔ)償用。
(4)受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振。
(5)能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。
(6)既可對(duì)一個(gè)諧波和無(wú)功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功源集中補(bǔ)償。
基于有源濾波器的上述優(yōu)點(diǎn)，采用有源電力濾波器是對(duì)諧波進(jìn)行抑制的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，因而受到廣泛的重視，對(duì)于保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。
但目前國(guó)內(nèi)的有源濾波器還處于研發(fā)階段技術(shù)還不夠成熟，應(yīng)用的有源濾波器大都是國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，如ABB公司，價(jià)格昂貴，只有少數(shù)的工廠和企業(yè)在用。因此在這里選用無(wú)源濾波裝置。
從工作原理來(lái)看，濾波裝置可分為兩類。一類為有源濾波器，即該濾波器本身為一諧波源，其發(fā)生的諧波與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波大小相等，但方向相反，正好抵消了負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，從而達(dá)到消除諧波的目的。這類濾波器目前僅有小容量的裝置投人使用，尚須進(jìn)一步研究。另外一類是無(wú)源濾波器，它是采用電容、電感諧振的原理來(lái)達(dá)到“吸收”諧波的目的。由于其中有電容器，所以可以實(shí)現(xiàn)濾波兼并補(bǔ)雙重作用。
無(wú)源電力濾波器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少、運(yùn)行可靠性高、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，成為電力系統(tǒng)中最普遍的諧波抑制設(shè)備。
參考文獻(xiàn)：
（1） 胡治國(guó), 張靜, 何銀永. 帶諧波的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)[J] 東北電力技術(shù); 2005, (6) 19～21 （2） 徐金亮低壓變頻器的諧波治理和無(wú)功功率補(bǔ)償[A] 電力電容器、無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)論文集[C], 654 內(nèi)蒙古石油化工2006.
第5篇：濾波器設(shè)計(jì)論文范文
關(guān)鍵詞：雙軸加速度傳感器，ADXL210E，三維鼠標(biāo)
一、引言
ADXL210E是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的含有用多晶硅表面微機(jī)械加工技術(shù)制作的傳感器的兩坐標(biāo)軸加速度計(jì)單片集成電路。論文寫(xiě)作，ADXL210E。ADXL210E是一種低成本，低功耗，完整2軸加速度傳感器，該電路可以測(cè)量諸如振動(dòng)這樣的動(dòng)態(tài)加速度和重力之類的靜態(tài)加速度，測(cè)量范圍為±10g。ADXL210E的占空因數(shù)輸出在沒(méi)有A/D轉(zhuǎn)換器或膠著邏輯（Gluelogic）的情況下，可通過(guò)微處理器直接測(cè)量。論文寫(xiě)作，ADXL210E。事實(shí)上，器件的占空因數(shù)（即脈沖寬度與周期之比值）正比于加速度。論文寫(xiě)作，ADXL210E。ADXL210E常用于兩軸傾斜傳感器、信息家電、報(bào)警和移動(dòng)探測(cè)器及汽車安全等領(lǐng)域。
其性能特點(diǎn)如下：
（1）利用3V～5.25V的單電源工作，電源電流低于0.6mA；
（2）集成了兩坐標(biāo)軸采用多晶硅精細(xì)機(jī)械加工技術(shù)制作的傳感器；
（3）經(jīng)占空因數(shù)輸出端可直接與低成本的微控制器接口；
（4）加速度計(jì)的帶寬可由引腳XFILT和引腳YFILT上的電容器（CX、CY）設(shè)定；（5）滿度測(cè)量范圍為±10g，在60Hz下的分辨力是2mg；
（6）占空因數(shù)周期T2由引腳2上的電阻器RSET設(shè)定（T2=RXET（Ω）/125MΩ）。（7）有專門(mén)設(shè)計(jì)的數(shù)字輸出，通過(guò)占空因數(shù)濾波或者利用引腳XFILT與引腳YFILT輸出，也可提供模擬輸出。
二、基本結(jié)構(gòu)與原理
ADXL210E采用尺寸為5mm×5mm×2mm的8引腳LCC型封裝，引腳排列如圖1所示。各個(gè)引腳的功能見(jiàn)表1。
圖1 ADXL210E引腳排列圖
表1 ADXL210E的引腳功能
第6篇：濾波器設(shè)計(jì)論文范文
【Abstract】The face recognition is a research focus in the field of pattern recognition and artificial intelligence. It has a special advantage in the field of biometric recognition， and be widely used in the field of safety and civilian use. This paper introduces the system of the face recognition
design process and popular application algorithm.
【P鍵詞】人臉識(shí)別；模式識(shí)別；設(shè)計(jì)流程；應(yīng)用算法
【Keywords】face recognition； pattern recognition； design flow； application algorithm
【中圖分類號(hào)】TB472 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）03-0099-02
1 引言
人臉識(shí)別技術(shù)是一種非接觸式、友好的生物識(shí)別方式，它是當(dāng)前模式識(shí)別和人工智能領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，其開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，到20世紀(jì)90年代隨著圖像處理、模式識(shí)別、認(rèn)知科學(xué)等理論的發(fā)展取得了突破性進(jìn)展，廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)身份認(rèn)證與識(shí)別、民用、安檢等方面。
2 技術(shù)流程
人臉識(shí)別系統(tǒng)主要包括四個(gè)組成部分，分別為：人臉圖像采集及檢測(cè)、圖像預(yù)處理、特征提取以及匹配與識(shí)別。
2.1 圖像采集及檢測(cè)
人臉檢測(cè)是人臉識(shí)別過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)任意給定的一個(gè)或一組圖像進(jìn)行識(shí)別，人臉檢測(cè)的目的在于判斷圖像中是否存在人臉，并準(zhǔn)確標(biāo)定出人臉的位置、大小和姿態(tài)的過(guò)程。具體算法有以下幾種類型：
2.1.1 基于直方圖粗分割和奇異值特征的人臉檢測(cè)
這種方法是用平滑的直方圖對(duì)圖像進(jìn)行粗分割，再根據(jù)一定的灰度區(qū)間對(duì)人眼進(jìn)行定位，進(jìn)而確定出人臉區(qū)域。這種算法檢測(cè)率較高，但耗時(shí)較長(zhǎng)，而且當(dāng)臉部光照變化較大或臉部有較大陰影時(shí)，圖像很難被檢測(cè)到。
2.1.2 基于二進(jìn)制小波變換的人臉檢測(cè)
給定一幅原圖像，在垂直方向上應(yīng)用低通分析濾波器得到垂直方向的低頻分量和水平方向上的高頻分量，水平方向應(yīng)用高通分析濾波器得到水平方向的低頻分量與垂直方向的高頻分量，再經(jīng)過(guò)一系列的變換，得到角度相似函數(shù)和自由參數(shù)，這樣選擇人臉部位的任意一點(diǎn)（n，m），學(xué)習(xí)得到自由參數(shù)，應(yīng)用這些不等長(zhǎng)的參數(shù)，可以有效地獲取人臉部位的特征。
但該方法對(duì)原始圖像的要求較高，當(dāng)圖像的背景相對(duì)復(fù)雜，比如從側(cè)面拍攝人臉時(shí)，水平方向和垂直方向的高低頻分量很難獲取，這將直接影響到自由參數(shù)的準(zhǔn)確性，從而很大程度上影響人臉檢測(cè)的檢準(zhǔn)率。
2.1.3 基于AdaBoost算法的人臉檢測(cè)
2010年Viola和 Jones引入積分圖概念，提出了基于Harr-like特征、級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的AdaBoost算法，成功應(yīng)用于模式識(shí)別領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)人臉檢測(cè)，使人臉檢測(cè)技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。該算法是挑選出一些最能代表人臉的矩形特征（弱分類器），按照加權(quán)投票的方式將弱分類器構(gòu)造為一個(gè)強(qiáng)分類器，再將訓(xùn)練得到的若干強(qiáng)分類器串聯(lián)組成一個(gè)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的層疊分類器，有效地提高分類器的檢測(cè)速度。
2.2 人臉圖像預(yù)處理
預(yù)處理是人臉識(shí)別過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。輸入圖像在采集、傳輸、變換過(guò)程中，由于多種原因，往往會(huì)造成圖像與原始人物之間產(chǎn)生某些差異。這些質(zhì)量的退化會(huì)對(duì)下一步的特征提取造成很大的影響，因此有必要對(duì)分割出來(lái)的圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，使其有利于?jì)算機(jī)的運(yùn)算，這種處理就是圖像的預(yù)處理[1]。
通常圖像的預(yù)處理有濾波法、基于數(shù)學(xué)形態(tài)的預(yù)處理方法等。濾波法常用基于空間域的均值濾波、高斯濾波、中值濾波、邊緣保持濾波和基于頻率域?yàn)V波的低通、高通、帶阻濾波等[2]；基于數(shù)學(xué)形態(tài)的預(yù)處理方法有灰度腐蝕、灰度膨脹、灰度開(kāi)運(yùn)算、灰度閉運(yùn)算等方法。論文簡(jiǎn)單介紹了濾波法的計(jì)算原理。
均值濾波是用像素鄰域內(nèi)的各像素灰度平均值代表原來(lái)的灰度值，此法能有效地去除噪聲，但容易使邊緣模糊。
高斯平滑濾波器是根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來(lái)選擇權(quán)值的線性平滑濾波器。高斯平滑濾波器對(duì)去除服從正態(tài)分布的噪聲是很有效的，在邊緣檢測(cè)之前要對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波，往往采用高斯濾波器。
中值濾波是用局部的中值代替局部均值。在灰度圖像 f 中以像素（x，y）為中心的 N×N 屏蔽窗口（N= 3， 5， 7， …）內(nèi)， 首先把這 N×N 個(gè)像素點(diǎn)的灰度值按大小進(jìn)行排序，然后選取值的大小處于中間位置的灰度值α， 使 f （ x ， y）α。這樣 ， 把被處理點(diǎn)的某一鄰域中像素灰度中值作為該點(diǎn)灰度的估計(jì)。
2.3 人臉識(shí)別常用算法
2.3.1 基于主成分分析的人臉識(shí)別算法
主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）是最早、研究最廣泛的人臉識(shí)別方法。該方法識(shí)別人臉時(shí)，將單張人臉圖像投影到此低維空間，用所得投影坐標(biāo)系數(shù)與目標(biāo)樣本集中的投影系數(shù)進(jìn)行比對(duì)，以確定最佳特征臉。其步驟如下：
①利用濾波或膨脹、腐蝕等方法對(duì)人臉圖像進(jìn)行預(yù)處理。
②讀入特定人臉數(shù)據(jù)庫(kù)，形成人臉樣本的特征空間。
③將訓(xùn)練樣本圖像和測(cè)試人臉圖像進(jìn)行正交變換、投影等。
④選擇合適分類方法判斷訓(xùn)練樣本和測(cè)試人臉是否同類。
2.3.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別方法
心理學(xué)家McCulloch和數(shù)學(xué)家Pitts 合作提出了形式神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型， 成為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)端。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把模型的統(tǒng)計(jì)特征隱含在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)中，對(duì)于人臉這類復(fù)s的、難以顯示描述的模型，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性比較好，但是訓(xùn)練慢，并可能陷入局部最優(yōu)。
2.3.3 基于隱馬爾科夫模型的人臉識(shí)別算法
隱馬爾可夫模型（HMM）的基本理論發(fā)起于20世紀(jì)六七十年代，Samaria等人最早提出關(guān)于人臉的隱馬爾可夫模型，使用人臉圖像中的額頭、眼睛、鼻子、嘴巴和下巴5個(gè)特征參數(shù)，隱含5個(gè)形態(tài)，將人臉用矩形從上到下分成若干區(qū)域，將窗口內(nèi)的像素點(diǎn)數(shù)據(jù)排成列向量，用每個(gè)區(qū)塊的像素值作為觀察序列來(lái)進(jìn)行人臉識(shí)別。
除以上方法外，還有很多不同的算法，如基于三維的人臉識(shí)別、基于主動(dòng)近紅外圖像的多光源人臉識(shí)別技術(shù)、基于皮膚特征的人臉識(shí)別都取得了很好的應(yīng)用效果。
3 系統(tǒng)的構(gòu)建
MATLAB是一種用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，利用其對(duì)待識(shí)別人臉圖像的預(yù)處理、判斷待識(shí)別圖像是否在人臉庫(kù)中、對(duì)選取不同訓(xùn)練樣本個(gè)數(shù)下識(shí)別效率進(jìn)行比較。
3.1 ORL人臉庫(kù)
英國(guó)劍橋大學(xué)的ORL人臉庫(kù)包含40個(gè)人，每人10幅圖像，每幅圖像大小為92×112，圖像是在不同時(shí)間、光線輕微變化的條件下攝制的，其中包括姿態(tài)、光照和表情的差別。
3.2 圖像預(yù)處理
通過(guò)幾何歸一化對(duì)輸入的圖像加工，使其與人臉庫(kù)的圖像一致，然后將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，通過(guò)灰度拉伸，直方圖均衡化等方法完成對(duì)圖像的處理。
3.3 人臉識(shí)別
根據(jù)具體情況選擇不同的核心算法，以HMM算法為例，對(duì)人臉庫(kù)中的圖像進(jìn)行訓(xùn)練，得出人臉庫(kù)的HMM值。
在建立完人臉庫(kù)后，用與訓(xùn)練相同的方法提取待識(shí)別人臉的HMM值，并與原人臉庫(kù)中存在的HMM值進(jìn)行比較，求出各項(xiàng)的相似概率，對(duì)這些概率進(jìn)行排序，輸出相似概率最大項(xiàng)。
【參考文獻(xiàn)】
第7篇：濾波器設(shè)計(jì)論文范文
【關(guān)鍵詞】電子時(shí)間引信 實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn) 計(jì)時(shí)終點(diǎn) 爆炸聲音信號(hào)采集
電子時(shí)間引信的實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)，是利用離心機(jī)模擬引信工作時(shí)的外部力學(xué)環(huán)境，使引信完成電池激活、機(jī)構(gòu)解保，直至最終按照裝定時(shí)間輸出點(diǎn)火信號(hào)。該項(xiàng)試驗(yàn)的主要目的就是考核引信計(jì)時(shí)精度是否滿足指標(biāo)要求，所以準(zhǔn)確的設(shè)置引信計(jì)時(shí)起點(diǎn)和計(jì)時(shí)終點(diǎn)是關(guān)鍵的一環(huán)。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，我們把引信電池激活信號(hào)設(shè)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，把引信作用時(shí)火工品的爆炸聲音信號(hào)作為計(jì)時(shí)終點(diǎn)。以往的電子時(shí)間引信實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)，是靠人工監(jiān)聽(tīng)引信作用時(shí)火工品的爆炸聲音信號(hào)作為計(jì)時(shí)終點(diǎn)，這種方法誤差大、實(shí)時(shí)性差、容易漏聽(tīng)信號(hào)，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種利用音頻信號(hào)處理系統(tǒng)自動(dòng)采集火工品爆炸聲音信號(hào)的方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子時(shí)間引信計(jì)時(shí)終點(diǎn)信號(hào)的準(zhǔn)確采集。
1 實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng)的組成與工作原理
實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng)由離心機(jī)和電性能測(cè)試系統(tǒng)兩部分組成，利用離心機(jī)產(chǎn)生引信發(fā)射時(shí)所需的外部力學(xué)環(huán)境，通過(guò)電性能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)引信工作性能進(jìn)行測(cè)試。離心機(jī)由轉(zhuǎn)臂運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等組成，電性能測(cè)試系統(tǒng)由組合裝定器、阻抗測(cè)試電路、計(jì)時(shí)電路、信號(hào)檢測(cè)處理電路、信號(hào)通路自動(dòng)切換電路、音頻信號(hào)處理系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)組成的原理框圖如圖1所示。
根據(jù)電子時(shí)間引信的工作原理，當(dāng)電池激活后，引信內(nèi)部計(jì)時(shí)電路即開(kāi)始工作，當(dāng)計(jì)時(shí)到預(yù)先裝定的時(shí)間后，即輸出點(diǎn)火信號(hào)，點(diǎn)燃火工品，引信完成作用。所以，試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的過(guò)載加速度曲線和自轉(zhuǎn)升速曲線控制轉(zhuǎn)臂運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行，產(chǎn)生引信工作所需的外部力學(xué)環(huán)境，使引信完成電池激活、機(jī)構(gòu)解保，直至最終按照裝定時(shí)間輸出點(diǎn)火信號(hào)。電性能測(cè)試系統(tǒng)把引信電池激活信號(hào)設(shè)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，把引信作用時(shí)火工品的爆炸聲音作為計(jì)時(shí)終點(diǎn)，在檢測(cè)到電池激活信號(hào)后，同步啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器，開(kāi)始計(jì)時(shí)，并通過(guò)音頻信號(hào)處理系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)引信火工品爆炸聲音信號(hào)，當(dāng)采集到火工品爆炸聲音信號(hào)后，停止計(jì)時(shí)，得到的時(shí)間即為引信計(jì)時(shí)時(shí)間參數(shù)。
2 計(jì)時(shí)終點(diǎn)爆炸聲音信號(hào)采集方法
2.1 爆炸聲音信號(hào)采集原理
音頻信號(hào)處理系統(tǒng)是采用聲學(xué)原理，利用聲音信號(hào)采集電路獲取聲波信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。主要由聲音傳感器、音頻放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、電源模塊和信號(hào)處理器組成，其原理框圖見(jiàn)圖2所示。
其中聲音傳感器是一種聲-電轉(zhuǎn)換器件，將空間中的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，傳感器輸出的信號(hào)通過(guò)音頻放大器對(duì)其進(jìn)行放大。放大后的模擬信號(hào)通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾除掉系統(tǒng)噪聲和背景聲音，濾波后的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，采樣結(jié)果送入信號(hào)處理器進(jìn)行分析處理，如果確定為有效爆炸聲音信號(hào)，則輸出計(jì)時(shí)終點(diǎn)信號(hào)給計(jì)時(shí)器。為了滿足在離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，對(duì)引信計(jì)時(shí)精度測(cè)量的使用要求，音頻信號(hào)處理系統(tǒng)必須具有較高的靈敏度和較快的響應(yīng)速度。
聲音傳感器選擇全向型駐極體電容式麥克風(fēng)，與音頻放大器共同構(gòu)成聲音信號(hào)檢測(cè)電路，其原理圖見(jiàn)圖3所示，圖中MIC端連接駐極體麥克風(fēng)的漏極輸出端，R4為靈敏度調(diào)節(jié)電阻，通過(guò)改變其阻值，可以調(diào)整系統(tǒng)的聲音靈敏度。
A/D轉(zhuǎn)換器完成濾波器輸出音頻模擬信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，為了保證信號(hào)處理的速度和精度，必須具有較高的轉(zhuǎn)換速率和轉(zhuǎn)換精度，因?yàn)闉V波器輸出的模擬信號(hào)為雙極性信號(hào)，所以A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入范圍應(yīng)滿足正負(fù)信號(hào)的采樣要求。Maxim公司推出的MAX197是一款8通道、12位的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片。采用單一電源+5V供電，單次轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為6μs，采樣速率可達(dá)100k/s，可通過(guò)軟件設(shè)置±10V、±5V、0～10V、0～5V等四種量程，可滿足本系統(tǒng)的使用要求。
信號(hào)處理器是音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的核心部分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、信號(hào)采樣、數(shù)據(jù)處理等功能。為了保證信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性，采用C8051F310單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理器。全系統(tǒng)的工作流程見(jiàn)圖4所示。
2.2 濾波器的設(shè)計(jì)
音頻信號(hào)處理系統(tǒng)是用來(lái)在引信實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)時(shí)采集火工品爆炸聲音信號(hào)的設(shè)備，其工作時(shí)離心機(jī)處在高速旋轉(zhuǎn)的工作過(guò)程中，交流電機(jī)干擾（200～300kHz）、變頻器干擾（800kHz左右），離心機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲（15～25kHz），都會(huì)對(duì)它的信號(hào)采集產(chǎn)生影響，同時(shí)因?yàn)榍岸艘话銜?huì)混入50Hz的交流電源噪聲，為了有效識(shí)別火工品爆炸聲音，必須對(duì)各種背景噪聲進(jìn)行濾波。本系統(tǒng)使用時(shí)對(duì)響應(yīng)速度要求較高，軟件濾波的方法不可行，應(yīng)選用硬件濾波器對(duì)聲音信號(hào)采集電路輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波，然后送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。爆炸聲音的頻率范圍集中在3～5kHz之間，為了可靠濾除背景噪聲信號(hào)，需要一個(gè)具有尖銳截止特性的帶通濾波器。
2.2.1 濾波器類型的選擇
一般有源連續(xù)濾波器有以下類型：
（1）巴特沃斯（Butterworth）型濾波器在通帶和止帶內(nèi)沒(méi)有復(fù)雜的紋波。相位響應(yīng)的線性特性比較好。但是接近通帶的止帶衰減不夠快，即滾降特性不太好。
（2）切比雪夫（Chebyshev）型濾波器是為了在接近通帶的止帶產(chǎn)生最佳的衰減，即具有最快的滾降。但是它在相位上不是線性的，不同的頻率分量要受到不同時(shí)間延遲的支配，而且會(huì)在通帶或者止帶內(nèi)產(chǎn)生紋波。
（3）橢圓函數(shù)（ Elliptic）型濾波器可以產(chǎn)生比切比雪夫型或巴特沃斯型濾波器更陡峭的滾降，不過(guò)卻在通帶和止帶內(nèi)同時(shí)引入了內(nèi)容復(fù)雜的紋波，并造成較強(qiáng)的非線性相位響應(yīng)。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需要的帶通濾波器，要在接近通帶的止帶產(chǎn)生比較好的衰減，并且濾波器階數(shù)在滿足要求的前提下應(yīng)盡可能小。切比雪夫型濾波器具有比較快的滾降，相位響應(yīng)基本滿足要求，且相對(duì)其他濾波方式完成相同的指標(biāo)所需階數(shù)較小。經(jīng)過(guò)權(quán)衡取舍，選擇了切比雪夫型濾波器來(lái)設(shè)計(jì)帶通濾波器。
2.2.2 濾波器器件的選擇
普通硬件有源濾波器由運(yùn)算放大器和R、C組成，雖然比較容易實(shí)現(xiàn)，但參數(shù)調(diào)試?yán)щy，而且當(dāng)工作頻率較高時(shí)，元件周圍的雜散電容將會(huì)嚴(yán)重影響濾波器的特性，使其偏離預(yù)定的工作狀態(tài)。Maxim公司生產(chǎn)的MAX274是一種連續(xù)時(shí)間有源濾波器，內(nèi)部有4個(gè)2 階狀態(tài)可變?yōu)V波器單元，可實(shí)現(xiàn)巴特沃斯型、切比雪夫型、橢圓函數(shù)型以及貝賽爾（ Bessel）全通型濾波器。采用MAX274設(shè)計(jì)濾波器的優(yōu)點(diǎn)有：
（1）電路簡(jiǎn)單，不需外接電容，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每個(gè)濾波單元只需外接4個(gè)編程電阻，即可實(shí)現(xiàn)從100Hz～150kHz的低通、帶通濾波；
（2）Maxim公司網(wǎng)站提供了免費(fèi)的專用設(shè)計(jì)軟件，免去了人工復(fù)雜計(jì)算；
（3）MAX274是單片集成結(jié)構(gòu)，高頻工作時(shí)基本不受雜散電容的影響，對(duì)電阻誤差也不敏感；
（4）所設(shè)計(jì)濾波器的中心頻率、轉(zhuǎn)折頻率、Q 值以及放大倍數(shù)等都可由外加電阻加以確定，參數(shù)調(diào)整十分方便；
（5）由于放大倍數(shù)可調(diào)， 所以常常設(shè)計(jì)成與后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接接口的形式，省卻了放大電路；
（6）該芯片為連續(xù)時(shí)間型，比開(kāi)關(guān)型濾波器噪聲低、動(dòng)態(tài)特性好；并且不需要時(shí)鐘，故沒(méi)有時(shí)鐘噪聲。
其外部接口圖見(jiàn)圖5所示。
2.2.3 濾波器參數(shù)的確定
利用MAX274設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器的計(jì)算量很大，階數(shù)越多，計(jì)算越困難。為此，Maxim公司提供了免費(fèi)的設(shè)計(jì)軟件，該軟件可根據(jù)所要求的濾波器形式，計(jì)算出濾波器階數(shù)、極點(diǎn)值、Q值和電阻大小，省去了人工計(jì)算。其設(shè)計(jì)步驟如下：
（1）通過(guò)在軟件主選單上選擇濾波器的類型并進(jìn)入設(shè)置各個(gè)參數(shù)（通帶頻率f1=3.5kHz， f2=5.5kHz，阻帶頻率fs1=2.5kHz，fs2=7.7 kHz，通帶最大衰減Amax=1 dB，阻帶最小衰減Amin=30dB，階數(shù)m=6） 。
（2）設(shè)置完成后退回主選單進(jìn)行硬件設(shè)置，可以得到各個(gè)二階節(jié)的參數(shù)，包括中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q值、增益和電阻值，各個(gè)參數(shù)還可根據(jù)實(shí)際情況修改，一般除增益與電阻值外其他參數(shù)較少修改。設(shè)置完各項(xiàng)參數(shù)后，可對(duì)各個(gè)二階節(jié)的電阻值進(jìn)行修改并標(biāo)準(zhǔn)化，以配合實(shí)際調(diào)試。如果電阻值超過(guò)5 MΩ，為防止寄生電容的影響，可以通過(guò)軟件直接將電阻轉(zhuǎn)化為等值的T 型網(wǎng)絡(luò)。最后把各個(gè)二階節(jié)按Q 值的大小由低到高順序排列，以獲得較大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。
（3）設(shè)置完電阻后可觀察各個(gè)二階節(jié)的幅頻特性和相頻特性，方便驗(yàn)證實(shí)際設(shè)計(jì)的每個(gè)二階節(jié)的頻譜。
（4）利用Maxim附帶的軟件設(shè)計(jì)出的頻帶范圍為3.5 kHz～5.5kHz 的六階切比雪夫型濾波器的各級(jí)電阻值為：第一級(jí)二階節(jié)：R1=249.63kΩ，R2=567.309 kΩ，R3=1.032MΩ，R4=562.309kΩ；第二級(jí)二階節(jié)：R1=404.719kΩ，R2=455.842kΩ，R3=404.719kΩ，R4=450.842 kΩ；第三級(jí)二階節(jié)：R1=161.171kΩ，R2=366.277kΩ，R3=666.021kΩ，R4=361.277kΩ。
2.3 測(cè)量誤差分析
音頻信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)爆炸聲音信號(hào)采集時(shí)，要經(jīng)過(guò)運(yùn)放MAX4468、濾波器，最后通過(guò)MAX197進(jìn)行采樣，模擬量的測(cè)試誤差主要包括運(yùn)放引進(jìn)的誤差和A/D轉(zhuǎn)換器引進(jìn)的誤差兩部分。
運(yùn)放在工作中引入的誤差主要體現(xiàn)在其失調(diào)、溫漂等靜態(tài)誤差和帶寬限制引起的動(dòng)態(tài)誤差。本設(shè)計(jì)中被測(cè)量頻率較低，器件的帶寬完全滿足且有很大余量，可以忽略動(dòng)態(tài)誤差。靜態(tài)誤差是由很多因素引起的，設(shè)計(jì)中已經(jīng)充分考慮了器件的阻抗匹配，并采用調(diào)零的方法對(duì)失調(diào)誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，但還必須考慮噪聲、供電、溫漂等因素帶來(lái)的影響。根據(jù)運(yùn)放的等效電路模型，得出運(yùn)放的合成誤差為：
（1）
（2）
上式中包含的等效靜態(tài)參數(shù)的定義是：Z1是等效輸入阻抗，ZL是負(fù)載的等效阻抗，rio是等效開(kāi)環(huán)輸入電阻，roo是等效開(kāi)環(huán)輸出電阻，Zf是等效反饋電阻，Aod是等效差模電壓增益，Vos是等效輸入失調(diào)電壓，F(xiàn)d是等效反饋系數(shù)。
查閱運(yùn)放MAX4468的技術(shù)手冊(cè)，獲取上述參數(shù)值，代入式（1）計(jì)算得到Vo≈0.201mV。
MAX197具有12位的分辨率，量化誤差為1LSB，當(dāng)采樣量程為±5V時(shí)，引進(jìn)誤差約為2.44mV。
綜上所述，可知系統(tǒng)對(duì)聲音信號(hào)的采集誤差約為2.641mV。聲音信號(hào)采集電路輸出信號(hào)的上升率大約為2V/ms，測(cè)量誤差在信號(hào)采樣時(shí)對(duì)時(shí)間帶來(lái)的影響約為1.32ns。所以整個(gè)采集電路完全滿足聲音信號(hào)的測(cè)試精度要求，測(cè)試結(jié)果可信度高。
3 試驗(yàn)驗(yàn)證
音頻信號(hào)處理系統(tǒng)獨(dú)立安裝在離心機(jī)臺(tái)體中，實(shí)時(shí)采集被測(cè)引信火工品作用時(shí)的爆炸聲音信號(hào)，并輸出計(jì)時(shí)停止信號(hào)給電性能測(cè)試系統(tǒng)。其驗(yàn)證過(guò)程分濾波器性能仿真和整機(jī)性能測(cè)試兩部分。
3.1 濾波器性能仿真
由于Maxim提供的軟件仿真出來(lái)的頻譜圖并不十分精確，而且無(wú)法觀察級(jí)聯(lián)起來(lái)后的頻譜，首先在MATLAB下完成仿真得到更加精確的頻譜。仿真可根據(jù)二階節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到輸入比帶通輸出的傳遞函數(shù)：
（3）
式中： C=79.5 pF。
把設(shè)計(jì)軟件中得到的每個(gè)二階節(jié)的電阻值代入相應(yīng)的傳遞函數(shù)中，再把每個(gè)二階節(jié)的傳遞函數(shù)相乘，可以得到最后輸出的幅頻響應(yīng)，見(jiàn)圖6實(shí)線部分。
設(shè)計(jì)中，實(shí)際能實(shí)現(xiàn)的電阻阻值與計(jì)算值之間有一定的誤差，即使使用可調(diào)電阻，也存在誤差。因此要對(duì)電阻值進(jìn)行取舍，一般只要誤差不超過(guò)5%，電阻值對(duì)濾波器波形的影響就不大，基本可以滿足要求。
在實(shí)際調(diào)整電阻值過(guò)程中要遵循以下簡(jiǎn)單的原則：R1的阻值與增益成反比， R3的阻值與品質(zhì)因數(shù)Q成正比，R2與R4的阻值分別與帶寬成反比。
實(shí)際調(diào)試后，得出了比較令人滿意的幅頻響應(yīng)，見(jiàn)圖6虛線部分。調(diào)整之后的各級(jí)電阻值是：第一級(jí)二階濾波器：R1=240kΩ，R2=560kΩ，R3=1.0MΩ，R4=820kΩ；第二級(jí)二階節(jié)：R1=390kΩ，R2=430kΩ，R3=390kΩ，R4=620kΩ；第三級(jí)二階節(jié)：R1=160kΩ，R2=360kΩ，R3=620kΩ，R4=390 kΩ。
3.2 整機(jī)性能測(cè)試
按照仿真得到的結(jié)果，調(diào)整濾波器電路參數(shù)值，利用音頻信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)不同型號(hào)火工品，進(jìn)行實(shí)際的爆炸聲音信號(hào)采集，同時(shí)利用示波器對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)際火工品爆炸聲音測(cè)試信號(hào)見(jiàn)圖7所示，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)均可靠監(jiān)測(cè)到火工品的爆炸聲音信號(hào)，證明音頻信號(hào)處理系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠，不同型號(hào)火工品因?yàn)楸曇魪?qiáng)度不同，所以系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間略有不同，但平均響應(yīng)時(shí)間都在3ms左右，滿足使用要求。表1中列出了不同型號(hào)火工品作用時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)量值。
4 結(jié)論
本文提出的電子時(shí)間引信計(jì)時(shí)終點(diǎn)信號(hào)采集方法，是在電子時(shí)間引信實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng)中，利用音頻信號(hào)處理系統(tǒng)自動(dòng)采集火工品爆炸聲音信號(hào)。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法可大大提高采集火工品爆炸聲音信號(hào)的準(zhǔn)確度，且相應(yīng)速度快，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子時(shí)間引信計(jì)時(shí)終點(diǎn)的有效采集，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可滿足電子時(shí)間引信計(jì)時(shí)精度考核的要求。該方法已在某型火箭彈引信實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
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第8篇：濾波器設(shè)計(jì)論文范文
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中圖分類號(hào): TN801文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-3973 (2010) 07-072-03
近年來(lái),人們?nèi)找媾蛎浀男畔⑿枨?刺激了全球通信業(yè)務(wù)的迅猛增長(zhǎng),為光纖通信網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。密集波分復(fù)用(dense wavelength division multiplexing, DWDM)技術(shù)能夠在一根光纖上同時(shí)傳送超過(guò)200個(gè)波長(zhǎng)信號(hào),使光纖傳輸系統(tǒng)的容量達(dá)到10Tb/s以上,是目前最具吸引力的光域復(fù)用技術(shù)。以DWDM技術(shù)為核心的光纖通信系統(tǒng)采用光交換技術(shù)從本質(zhì)上降低或消除了系統(tǒng)對(duì)光電轉(zhuǎn)換和光電處理的需求,推動(dòng)光纖通信系統(tǒng)向著超高速、大容量的全光網(wǎng)絡(luò)方向邁進(jìn)。
DWDM系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)要依賴關(guān)鍵光器件的優(yōu)越性能才能充分發(fā)揮。新型光器件是推動(dòng)DWDM系統(tǒng)速度、容量不斷躍上新臺(tái)階的物質(zhì)基礎(chǔ),因而成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。DWDM系統(tǒng)涉及的主要光器件有光纖、波分復(fù)用/解復(fù)用器、光放大器、光分插復(fù)用器和光交叉連接器等。
1光子晶體光纖
目前工程中廣泛應(yīng)用的光纖是G.652光纖,它在1550nm附近傳輸損耗最低,但偏振色散系數(shù)較大,要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、 高速率傳輸需要加入色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行色散調(diào)節(jié)。
朗訊公司發(fā)明的全波光纖ALL-wave Fiber將光纖可利用的波長(zhǎng)增加了100nm左右,相當(dāng)于125個(gè)波長(zhǎng)通道(100MHz通道間隔)。但是它在色散和非線性方面并沒(méi)有很大改善。
光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF)利用光子帶隙(Photonic Band Gap,PBG)來(lái)導(dǎo)光。原理如圖1所示。PCF纖芯是在周期性的結(jié)構(gòu)中抽取幾個(gè)空氣孔而構(gòu)成。光波在空氣孔形成的缺陷中傳播。由于空氣傳導(dǎo)具有更低的本征散射損耗和吸收損耗,因此PCF的性能參數(shù)(色散、損耗、非線性效應(yīng)等)要小于常規(guī)光纖。
圖1PBG-PCF
結(jié)構(gòu)合理的PCF具有極寬的通信帶寬,可以在幾乎全波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)單模傳輸。并且,即使放大光纖的結(jié)構(gòu)尺寸,這種“無(wú)截止單模特性”仍能保持。目前,光子晶體光纖的模式面積已經(jīng)達(dá)到普通光纖的十倍以上,這大大降低了光在芯中傳輸?shù)墓夤β拭芏?減小了非線性效應(yīng)。PCF在低于1.3um波長(zhǎng)處可獲得反常色散,同時(shí)保持單模傳輸,這是常規(guī)光纖無(wú)法做到的。改變空氣孔的排列和大小,光線的色散和色散斜率會(huì)隨之劇烈變化。合理設(shè)計(jì)的PCF可以獲得超過(guò)-2000ps/nm•k m的色散值。普通單模光纖以二氧化硅為材料,不可避免的本征吸收和瑞利散射使得其能量消耗很高。而PCF具有極低的光波能量損耗(
2摻鉺波導(dǎo)放大器
光放大器(optical amplifier,OA)的出現(xiàn)和發(fā)展解決了衰減對(duì)光網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和距離的限制、開(kāi)創(chuàng)了1550nm頻段的波分復(fù)用,是光纖通信發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代事件。
摻鉺波導(dǎo)放大器(Erbium Doped Waveguide Amplifier,EDWA)是繼目前已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用的摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器和光纖拉曼放大器之后的又一種具有發(fā)展前途的光放大器。
EDWA是由嵌入非晶體摻鉺玻璃基片上的波導(dǎo)組成的。在波導(dǎo)中摻入高濃度的Er3+作為增益介質(zhì),利用光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將抽運(yùn)光能量約束在截面積非常小的區(qū)域。從而提高抽運(yùn)光功率密度和有效作用長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)在1550nm波長(zhǎng)內(nèi)單位長(zhǎng)度波導(dǎo)的高信號(hào)增益。EDWA中的泵浦激光器、泵浦復(fù)用器、絕緣器和平坦增益濾波器都可以集成在一個(gè)極小的封裝之內(nèi)。最小的EDWA模塊體積只有1301mm3。
與半導(dǎo)體光放大器比較,EDWA的噪聲指數(shù)低,振相關(guān)性低且無(wú)通道串?dāng)_。與摻鉺光纖放大器比較,EDWA尺寸更小,成本低,便于集成,在特定節(jié)點(diǎn)可提供10dB左右的特定增益。
在接入網(wǎng)和城域網(wǎng)中,波分復(fù)用器、隔離器、調(diào)制器、光交叉連接器等器件都需要與放大器組合使用來(lái)補(bǔ)償其損耗。在網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)地點(diǎn)安裝少量的小放大器,顯然可以獲得更高的性價(jià)比。
3基于陣列波導(dǎo)光柵的光復(fù)用器和解復(fù)用器
DWDM系統(tǒng)中的光復(fù)用器和解復(fù)用器十分關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)方法有很多,有干涉濾光器型、光纖耦合器型、光柵型、集成光波導(dǎo)型等。
陣列波導(dǎo)光柵(arrayed waveguide grating, AWG)復(fù)用/解復(fù)用器屬于集成光波導(dǎo)型,具有波長(zhǎng)間隔小、通道平坦、低偏振相關(guān)性、低插入損耗性等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是DWDM系統(tǒng)中光復(fù)用/解復(fù)用器最可行的實(shí)現(xiàn)方案。AWG是一種平面光波導(dǎo)的無(wú)源器件,基于平面光波回路技術(shù),將輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、陣列波導(dǎo)和兩個(gè)平板波導(dǎo)(自由傳播區(qū)域)集成在同一個(gè)襯底上制成。
來(lái)自輸入光纖的多波長(zhǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)AWG之后,在輸出端的各個(gè)光纖上可以得到具有一定排列順序的單波長(zhǎng)信號(hào)。AWG具有雙向傳輸特性,一個(gè)方向輸入為復(fù)用方式,另一個(gè)方向輸入為解復(fù)用方式。
為了達(dá)到DWDM系統(tǒng)的性能要求,復(fù)用/解復(fù)用器件必須滿足插入損耗小、隔離度大、帶內(nèi)平坦、偏振不敏感、溫度穩(wěn)定性好、復(fù)用通路數(shù)多、尺寸小等特點(diǎn)。
目前AWG的制作技術(shù)不斷進(jìn)步,使得其性能有了很大提高。采用氟甲基丙烯聚合物,能夠制造出信道間隔為0.65nm、14信道的AWG復(fù)用器。其3dB帶寬為0.19nm,偏振導(dǎo)致的波長(zhǎng)偏差僅為0.3nm,幾乎是偏振不相關(guān)的。在陣列波導(dǎo)上放置一個(gè)有窗口的金屬掩膜,可以將信道串?dāng)_降低到所希望的水平。采用該技術(shù),在陣列波導(dǎo)數(shù)為81,輸入/輸出波導(dǎo)為32時(shí),獲得了10Hz間隔,串?dāng)_為-17～-30dB(TE模)和16～-27dB(TE模)的32信道AWG復(fù)用/解復(fù)器。另外,無(wú)熱AWG控制技術(shù)使得AWG幾乎可以做到對(duì)溫度不敏感。而低損耗槽技術(shù)能夠在100GHz信道間隔的16信道無(wú)熱硅基AWG復(fù)用/解復(fù)用器中獲得小于3.2dB的插入損耗。
4基于聲光可調(diào)諧濾波器的光分插復(fù)用器
光交換是未來(lái)全光網(wǎng)中最為顯著的特點(diǎn)之一,它既克服了電交換產(chǎn)生的速率瓶頸,又為智能光網(wǎng)絡(luò)提供了技術(shù)保障。光交換技術(shù)可分為光路交換、光分組交換和光突發(fā)交換。
光路交換,又稱為波長(zhǎng)路由,是目前研究比較成熟的技術(shù)。波長(zhǎng)路由利用動(dòng)態(tài)路由和波長(zhǎng)分配、通過(guò)光分插復(fù)用(Optical Add-Drop Multiplexes,OADM)設(shè)備光交叉連接(Optical Cross Connect,OXC)設(shè)備,使信號(hào)回避電層處理直接通過(guò)透明的波長(zhǎng)通道或“虛波長(zhǎng)通道”(由波長(zhǎng)值不同的一系列波長(zhǎng)連接起來(lái)的一條光路)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。
光分插復(fù)用器OADM是針對(duì)本地網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)備,可以分為固定OADM和可配置OADM(ROADM)。后者能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化在一條DWDM鏈路中隨意上下路幾個(gè)波長(zhǎng),而不影響其它信號(hào)的透明傳輸。較之固定OADM更加靈活。一個(gè)功能齊備的OADM節(jié)點(diǎn)主要包括分插濾波模塊、上/下路控制單元、光功率均衡單元、色散補(bǔ)償單元、保護(hù)倒換模塊、網(wǎng)元管理單元和光功率監(jiān)測(cè)單元。波長(zhǎng)信道的上下路是OADM節(jié)點(diǎn)的核心功能,實(shí)現(xiàn)技術(shù)已有很多,按組成方式可做如下分類:
(1) 分波器+波長(zhǎng)交換單元+合波器
(2) 耦合單元+濾波單元+合波器
(3) 波導(dǎo)型OADM
(4) 基于陣列波導(dǎo)光柵
(5) 基于聲光可調(diào)諧濾波器(acousto-optic tunable filter,AOTF)
基于AOTF的可配置OADM是目前的研究熱點(diǎn)?；贚iNbO3晶體的波導(dǎo)型聲光濾波器由嵌在LiNbO3晶體中的鈦波導(dǎo)組成。結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括兩個(gè)對(duì)稱的偏振分束器(polarization beam splitter,PBS),中間是聲光模式轉(zhuǎn)換器。輸入光被第一個(gè)偏振分束器分為兩個(gè)方向相互垂直的偏振態(tài)(TE/TM)沿著波導(dǎo)兩臂傳播。射頻信號(hào)將聲波引入波導(dǎo)并沿聲表面波導(dǎo)傳播,引起光波導(dǎo)折射率呈周期性的調(diào)制,折射率的變化引起被選擇的波長(zhǎng)偏振方向發(fā)生變化,TE模式變?yōu)門(mén)M模式,TM模式變?yōu)門(mén)E模式,其它光的偏振模式不變。波長(zhǎng)的選擇由聲波的頻率決定。第二個(gè)偏振分束器用來(lái)將被選擇的光從入射光中分離出來(lái)經(jīng)下路端口輸出,而其他光經(jīng)直通端口輸出。上路波長(zhǎng)經(jīng)上路端口輸入,在相應(yīng)頻率聲波作用下,模式轉(zhuǎn)換后由直通端口輸出。從當(dāng)輸入多個(gè)聲波頻率時(shí),還能實(shí)現(xiàn)多路波長(zhǎng)同時(shí)上下路。
圖2AOTF工作原理圖
較之其他的OADM方案,基于AOTF的OADM波長(zhǎng)尋址范圍大、沒(méi)有可移動(dòng)的部件、調(diào)諧速度快而且隔離度高。AOTF便于集成,有利于減小OADM系統(tǒng)的體積。
5基于光纖Bragg光柵的光交叉連接器
光交叉連接(OXC)能夠使不同輸入鏈路間的波長(zhǎng)在光域上實(shí)現(xiàn)交叉連接,使單獨(dú)的DWDM網(wǎng)和鏈路連接起來(lái),形成全局性的DWDM網(wǎng)絡(luò)。OXC節(jié)點(diǎn)的主要功能是實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)級(jí)的波長(zhǎng)選路和交叉連接。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)指配(根據(jù)需要為進(jìn)入光交叉連接的節(jié)點(diǎn)的光通道提供合適的波長(zhǎng),建立波長(zhǎng)通道連接或者虛波長(zhǎng)通道連接)、波長(zhǎng)恢復(fù)和網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)。
基于光纖Bragg光柵(fiber Bragg gratings,FBG)的OXC能夠?qū)⑷魏我粭l入口光纖上的任何一路波長(zhǎng)交叉連接到任何一條出口光纖的一路相同波長(zhǎng)上。這種波長(zhǎng)選擇交叉連接功能目前在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用十分廣泛。
一種新型的基于FBG的OXC基本結(jié)構(gòu)如圖3所示:
圖3 新型的2無(wú)阻礙交換
一個(gè)環(huán)形器和兩個(gè)可調(diào)FBG組成了2的OXC。通過(guò)調(diào)節(jié)FBG可以實(shí)現(xiàn)任意兩路波長(zhǎng)信號(hào)無(wú)阻礙地的平行或交叉連接。
波長(zhǎng)為 1、 2的輸入信號(hào)經(jīng)輸入端口1進(jìn)入環(huán)形器,調(diào)節(jié)兩個(gè)FBG使其布拉格反射波長(zhǎng)分別為 1、 2,則波長(zhǎng)、經(jīng)FBG反射由輸出端口1輸出。當(dāng)FBG的布拉格反射波長(zhǎng)均偏離 1、 2時(shí)波長(zhǎng) 1、 2經(jīng)FBG透射,由輸出端口2輸出。若調(diào)節(jié)其中一個(gè)FBG布拉格反射波長(zhǎng)為 1或者 2,可使得一個(gè)波長(zhǎng)相對(duì)于輸入交叉輸出,另一個(gè)則平行輸出。
以上述2的OXC為基本單元可以組成4的OXC結(jié)構(gòu)如圖4。完成任意四路波長(zhǎng)信號(hào)無(wú)阻礙地平行或交叉連接。
圖4新型的4無(wú)阻礙交換
這種結(jié)構(gòu)OXC具有插入損耗小、使用器件少、可重構(gòu)性好等優(yōu)點(diǎn)。
6 結(jié)束語(yǔ)
DWDM技術(shù)在新的光纖通信系統(tǒng)中獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用,正在從骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)、接入網(wǎng)滲透。但光器件技術(shù)的局限影響了DWDM網(wǎng)絡(luò)的普及和發(fā)展。國(guó)內(nèi)外很多公司如Alcatel、華為,中興等均致力于新型光器件的研究和開(kāi)發(fā),并不斷取得新的進(jìn)展。未來(lái)功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越、價(jià)格低廉的新型器件必將促進(jìn)DWDM網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,加快全光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程。
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第9篇：濾波器設(shè)計(jì)論文范文
此“圖外三談諧波”為繼“圖外談?wù)彰鳌薄ⅰ皥D外再談?wù)彰鳌钡逆⒚闷?，亦系沉思指?dǎo)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)，以“圖外談設(shè)計(jì)”形式，倡“彈指CAD，勿忘據(jù)理論”的工程觀。
關(guān)鍵詞 :電磁兼容; 諧波抑制;無(wú)功功率補(bǔ)償; 功率因數(shù);電能質(zhì)量
Abstract： There are three articles of "discussion about harmonics without drawing:"For the “first” article refers to “general overview”, for the “second” refers to “control measures” and for the “third” refers to “discussion and suggestion”, which totally endows philosophy upon overall outline and comprehensive treatment of harmonics. This “third” article refers to the end section, it firstly introduces current practices; and then conduct discussion on two unsuccessful cases and one successful case; finally elaborates new thoughts and implementation procedures for comprehensive treatment. In view of undeveloped and imperfect technology, immature suggestions are only for references.
This article of the third "discussion about harmonics without drawing” is the sister section in succession of “discussion about lighting without drawing” and “re-discussion about lighting without drawing”, which is also the thinking teaching of instruction and practice. In form of “discussion designed without drawing”, the engineering concept of “advocating both CAD and theory” prevail.
Key words：Electromagnetic compatibility, harmonic suppression, reactive power compensation, power factor, quality of electric energy
中圖分類號(hào)： R187+.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：
1、當(dāng)前作法
1.1諧波抑治
1.1.1主動(dòng)治理為使系統(tǒng)少產(chǎn)生諧波，盡可能降低諧波染，制定了下列各類規(guī)定：
1.1.1.1建筑物
1.1.1.1.1民用建筑物與高壓、超高壓輸電線和雷達(dá)站之間保持足夠的安全距離；
1.1.1.1.2除醫(yī)院醫(yī)技樓、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室等，建筑物內(nèi)不設(shè)置大型有電磁輻射的裝置、核輻射裝置和電磁輻射較為嚴(yán)重的高頻電子設(shè)備。必須安裝這些設(shè)備的醫(yī)技樓、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室等必須采取屏蔽措施；
1.1.1.1.3大功率射頻干擾源的設(shè)備及安裝設(shè)備的建筑物應(yīng)采取屏蔽措施---板屏蔽、網(wǎng)屏蔽、室屏蔽。
1.1.1.2電氣線路
1.1.1.2.1民用建筑低壓配電，尤其是對(duì)用電負(fù)荷主要為單相用電設(shè)備供電的配電干線設(shè)計(jì)中，中性線（N）的截面不小于相線截面積。而對(duì)大量集中使用計(jì)算機(jī)、電視等電子設(shè)備供電的場(chǎng)合，TN系統(tǒng)配電回路的N及PEN線的截面積不小于相線截面的2倍；
1.1.1.2.2電子設(shè)備和元件較多的配電線路，選用有中性線過(guò)流保護(hù)的開(kāi)關(guān)電器，且適當(dāng)加大斷路器的斷流容量，防止短路故障因諧波干擾導(dǎo)至斷流容量不足而損壞開(kāi)關(guān)和設(shè)備；
1.1.1.2.3為X光機(jī)、CT機(jī)，核磁共振機(jī)等設(shè)備供電的變壓器及饋線，應(yīng)當(dāng)盡可能降低電源阻抗。
1.1.1.3防止電容器對(duì)諧波的放大
1.1.1.3.1適當(dāng)調(diào)整電容器的安裝位置，以改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；
1.1.1.3.2根據(jù)可能產(chǎn)生諧振的諧波次數(shù)，確定電容器的容量，或調(diào)整電容器投切分組容量，避開(kāi)諧振點(diǎn)；
1.1.1.3.3在電容器回路中串聯(lián)適當(dāng)?shù)目招碾娍蛊?，限制電容器支路的諧波電流。如為限制3～5次諧波電流，可安裝相當(dāng)于電容器容量4%～6%的串聯(lián)電抗器；
1.1.2被動(dòng)治理對(duì)系統(tǒng)己產(chǎn)生的諧波，采用了下列方式削弱、抑制：
1.1.2.1LC無(wú)源電力濾波器
1.1.2.1.1只對(duì)設(shè)計(jì)針對(duì)頻率的諧波效果明顯，對(duì)其它頻率的諧波效果不明顯；
1.1.2.1.2濾波效果與系統(tǒng)運(yùn)行狀況有關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗、頻率變化時(shí)，諧波效果降低；
1.1.2.1.3特殊諧波或系統(tǒng)阻抗、頻率的變化，可能與電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，造成電壓波形畸變和諧波電流放大，引起無(wú)源濾波器過(guò)壓、過(guò)流，甚至損壞，危及電網(wǎng)穩(wěn)定；
1.1.2.1.4負(fù)載諧波電流過(guò)大時(shí)，可能引起無(wú)源濾波器過(guò)載，使之損壞，造成事故。
1.1.2.2有源電力濾波器幾乎不受電網(wǎng)阻抗變化的影響，不存在諧波放大的危險(xiǎn)，儲(chǔ)能元件容量小。對(duì)變化的諧波動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)挠性礊V波器，是治理電網(wǎng)諧波最有前途的措施。近年有源電力濾波器取得長(zhǎng)足發(fā)展，國(guó)外雖有投入實(shí)際運(yùn)行，我國(guó)還處于研制階段，工程應(yīng)用尚處于初期階段。
1.2無(wú)功補(bǔ)償
無(wú)功補(bǔ)償與諧波抑治是關(guān)聯(lián)最密切、難度最大、保障電網(wǎng)質(zhì)量最重要的兩方面。無(wú)功補(bǔ)償?shù)漠?dāng)前作法：
1.2.1同步調(diào)相機(jī)既能補(bǔ)償固定的無(wú)功功率，也能對(duì)變化的無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。但反應(yīng)速度慢、損耗大、價(jià)昂，僅早期運(yùn)用；
1.2.2并聯(lián)電容器雖有發(fā)生諧振事故的可能，但方便、靈活、價(jià)廉，工程中廣為應(yīng)用。只是僅能補(bǔ)償固定的無(wú)功；
1.2.3靜止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置(SVC)以快速變化的電抗、電容構(gòu)成，能根據(jù)無(wú)功功率的需求，自動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功功率，亦可調(diào)整電、減少過(guò)、減少電閃爍。然動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)基波無(wú)功時(shí)產(chǎn)生大量諧波，影響其推廣。此技術(shù)己成熟，應(yīng)用較多為下列四種：
1.2.3.1自飽和電抗器(SR)：由負(fù)荷電流控制飽和電抗器的磁飽和程度，負(fù)荷變化時(shí)其電抗值隨之變化，從而調(diào)節(jié)無(wú)功功率輸出的大??；
1.2.3.2晶閘管控制電抗器(TCR)：通過(guò)改變控制角而改變導(dǎo)通時(shí)間，相當(dāng)于調(diào)節(jié)電抗器的電抗達(dá)到改變無(wú)功功率輸出的目的；
1.2.3.3晶閘管控制高漏電抗器(TCT)：原理同TCR，晶閘管斷開(kāi)時(shí)呈高電抗，接通時(shí)根據(jù)控制角調(diào)節(jié)無(wú)功功率輸出的大小。因使用了變壓器，可直接接入高側(cè)；
1.2.3.4晶閘管投切電容器(TSC)：其晶閘管超前90°時(shí)接通并在斷開(kāi)前一直保持此控制角，如電為正弦波，則流過(guò)TSC的電流亦正弦波，故無(wú)諧波產(chǎn)生，但此TSC不能在導(dǎo)通期間改變無(wú)功功率輸出的大小。
四種形式的靜止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置(SVC)電路及參數(shù)對(duì)比于圖1及表1。從表1可見(jiàn)SR諧波來(lái)自磁飽和、非線性，TCR及TCT通過(guò)改變晶閘管控制角而調(diào)節(jié)電抗器的電抗，控制角大于90°時(shí)得不到交流電源的完整正弦波。此三種形式使用必考慮抑制它自生諧波，結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)必復(fù)雜。
1.2.4靜止無(wú)功功率發(fā)生器(SVG)通過(guò)不同控制，既可發(fā)出無(wú)功功率(呈容性)，也能吸收無(wú)功功率(呈感性)。但功能單一，僅調(diào)節(jié)無(wú)功功率。
圖1 四種形式靜止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置(SVC)電路
表1 四種形式靜止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置(SVC)性能對(duì)比
2、案例討論
2.1案例1：某終端變電所裝ABB公司生產(chǎn)的串聯(lián)型諧波濾波器THF，感濾波效果欠明顯。
究其原因，可能是此系統(tǒng)的三次諧波在終端變電所的終端變壓器的繞組內(nèi)己抵消，而THF濾波僅針對(duì)三次諧波,對(duì)其它高次諧波及無(wú)功補(bǔ)償無(wú)能為力，所以感濾波效果欠明顯。
建議：如仍用ABB公司產(chǎn)品，改用ABB公司新近生產(chǎn)的有源動(dòng)態(tài)諧波濾波器：
⑴ PQFI---適用于大功率三相三線系統(tǒng)；
⑵ PQFM---適用于較小功率三相三線系統(tǒng)；
⑶ PQFK---適用于混合型負(fù)載(含中性線中有零序諧波)三相四線系統(tǒng)；
⑷ PQFS---適用于商業(yè)、住宅及輕工負(fù)載(帶/不帶中性線負(fù)載)三相四線/三相三線系統(tǒng)。
2.2案例2：某大廈工程選用某廠ZN-TSF智能型低壓動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償成套裝置，亦感濾波效果欠明顯。
究其原因，可能是此大廈工程用了大量UPS，系統(tǒng)含有大量諧波。而此智能型低壓動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償成套裝置選用的是“標(biāo)準(zhǔn)抗諧振型”，僅適用于“含有少量諧波的系統(tǒng)”。
建議：如仍用此廠產(chǎn)品，改選“非標(biāo)濾波型”，與制造廠協(xié)商按系統(tǒng)中諧波頻率及容量針對(duì)性特殊設(shè)計(jì)、生產(chǎn)。費(fèi)用會(huì)升高，但能有的放矢解問(wèn)題。
2.3案例3：某設(shè)計(jì)辦公樓0.4/0.23kV側(cè)為單母線分段，兩段母線分別各由一臺(tái)Dyn11干式變壓器供電，左段非線性負(fù)荷少，右段母線供負(fù)荷中大型UPS多，導(dǎo)致系統(tǒng)諧波超標(biāo)(五次、七次諧波多，五次為68A)，電流畸變大(45%)。
2.3.1 原始條件原始系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)“表2案例3原始條件”；
2.3.2設(shè)計(jì)方案左段裝調(diào)諧式電抗電容器柜，著力無(wú)功功率補(bǔ)償；右段裝一臺(tái)70A有源電力濾波器濾除五、七次諧波，并配以調(diào)諧式電抗電容器柜著力無(wú)功補(bǔ)償。一次電路總方案見(jiàn)“圖2案例3系統(tǒng)概略圖”；
圖2 案例3系統(tǒng)概略圖
2.3.3 安裝位置排除效果不明顯的電源入口及需增費(fèi)用的設(shè)專用箱兩方案，選用在分配電盤(pán)或負(fù)荷中心安裝。集中治理、投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。
2.3.4測(cè)試結(jié)果：分析過(guò)程以美福祿克公司FLUKE-41B電能質(zhì)量測(cè)試儀測(cè)試：至31階次諧波的電壓、電流及波
形；電壓、電流有效值及頻率；峰值、最大值、最小值、平均值及DC；功率、功率因數(shù)、諧波失真總量、峰值因數(shù)。篩選后的數(shù)據(jù)見(jiàn)“表3電容器投入前后”、“表4濾波器投入前后”。通過(guò)電容器投入前后、有源濾波器投入前后的瞬時(shí)電壓及電流波形圖、諧波電流頻譜圖、基波電流趨勢(shì)圖、功率因數(shù)變化趨勢(shì)圖、濾波效果(電壓、電流波形圖及柱狀圖)圖，列表對(duì)比分析，效果較理想。
表2案例3原始條件
表3電容器投入前后
表4濾波器投入前后
3、綜合治理
3.1新思路
3.1.1抑制諧波染和降低無(wú)功功率同時(shí)并舉是針對(duì)電網(wǎng)電源質(zhì)量品質(zhì)的兩項(xiàng)最關(guān)健指標(biāo)、最復(fù)雜的技術(shù)難點(diǎn)的新舉措，對(duì)提高電能質(zhì)量有著十分重要的意義。
3.1.2雙管其下可以協(xié)調(diào)降無(wú)功與抑諧波彼此的尺度，避免過(guò)度無(wú)功補(bǔ)償導(dǎo)致諧振的危險(xiǎn)，也是節(jié)省投資的技術(shù)經(jīng)濟(jì)皆顧及的綜合行為。
3.1.3兩類設(shè)備此兩功能多彼此交叉，可合理安排，充分發(fā)揮各設(shè)備長(zhǎng)項(xiàng)及能，為專用、昂價(jià)、高技術(shù)設(shè)備的選用、配搭進(jìn)行了新探索、新嘗試。
3.2實(shí)施步驟
當(dāng)前情況下，從經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)可靠雙方面出發(fā)，建議綜合治理按步試行：
3.2.1先考慮無(wú)功功率補(bǔ)償按常規(guī)計(jì)算出有功及無(wú)功負(fù)荷量，確定無(wú)功功率補(bǔ)償量，從而略偏大地選定補(bǔ)償電力電容。建議當(dāng)前還是采用：
3.2.1.1巡測(cè)繼電投切電容器的常規(guī)作法；
3.2.1.2晶閘管投切電容器的TSC法。
3.2.2考慮抑諧先測(cè)諧使用相應(yīng)儀器檢測(cè)系統(tǒng)的諧波次數(shù)及含量，除案例三外，檢測(cè)儀器尚多，例如：
3.2.2.1TOPAS電能質(zhì)量測(cè)試儀瑞士LEM公司生產(chǎn)，可連續(xù)跟蹤測(cè)量，了解系統(tǒng)帶負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。此儀器參數(shù)指標(biāo)為：
3.2.2.2FLUKE-41B諧波測(cè)試儀美國(guó)FLUKE福祿克公司生產(chǎn)，用于測(cè)量電壓、電流的諧波情況及功率因數(shù)。此儀器參數(shù)指標(biāo)為：
3.2.2.3 美FLUKE的電能質(zhì)量分析儀還有：
3.2.2.3.1在線式---如FT2000L；
3.2.2.3.2便攜式---如F1760專家型、1750三相電能記錄型、F1740系列三相分析型、Norma系列寬頻帶型；
3.2.2.3.3手持式---如F430系列三相分析型、F1735三相記錄型、F43B單相型、F345型。
3.2.3選用抑諧設(shè)備按前述原則，針對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)出的諧波次數(shù)及含量選用抑諧設(shè)備，而不是事先一無(wú)所知就盲目設(shè)計(jì)選型，重蹈案例一、二之覆轍。
3.2.4調(diào)試安裝接線完畢，在相應(yīng)儀器檢測(cè)下對(duì)抑諧設(shè)備按系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)試，最好亦對(duì)兩端極端狀況作亦作調(diào)試。
3.2.5軟件當(dāng)前尚無(wú)充分理由必需使用“諧波綜合治理系統(tǒng)軟件包”智能處理，或許它是此諧波綜合治理技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展、成熟后的所取。
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