一种滤波器的设计方法插入衰减法说明书

说明书1000072014.51一种滤波器的设计方法——插入衰减法技术领域[0001]本发明涉及信号预处理技术领域，具体涉及一种前置低通滤波器的设计方法。背景技术[0002]大部分采集装置对所处理的信号，要求其在频域上是有限带宽的一个信号(由采样定理决定)，但是由于电力系统存在许多干扰信号，此时就需要对输入信号进行滤波处理(限制最高频率)，即将原始信号先通过一个前置滤波器转化为一个限带信号再处理；另一方面由于芯片处理速度和硬件设备的落后，限制了采样频率的提升；所以为保证采样后信号频域不出混叠现象，必须在A/D采样前对原始信号进行限带滤波(前置滤波器)。此时前置滤波器性能的好坏，将直接影响对信号后续处理的精度。目前电弧故障检测装置(AFDD)中，前置滤波器是通过影像参数法设计的，它主要包括定K型和m推演型这两种设计方法，这种滤波方式的不足之处是各方面的性能缺陷较大：如滤波后的相频特性差、截止频率不准确、阻带特性差，而且无法对指定谐波进行保留。特别当有用信号与干扰信号的频带有重叠时，需要按照随机信号内部的一些统计分布规律最佳地提取有用信号，这种方式无法准确设计出满足要求的前置滤波器。实际中并不严格要求系统函数的幅度在干扰信号频带绝对为零，只要非常小就行，在有用信号频带也不必一定为恒定值，可以在很小的范围内变化，只要其幅度相对较大；幅频特性曲线也不必在某一频率处特别陡峭。根据这点我们就可以用一种“逼近”的思想去设计不同需求的滤波器。[0003]电弧故障检测装置(AFDD)中检测电弧的一种方法：高频电流频谱分析。其主要思想是首先原始信号进行限带处理(前置滤波器)，接着利用罗氏线圈和触发电路采集故障电弧引起的高频电流，然后进行DFT和数学形态滤波处理，提取出信号频谱的轮廓特征构造特征向量作为识别故障电弧的特征参数。我们可以看到这一方法的关键在于有效提取出故障电弧的频域特征参数，是靠滤波实现的。说明所设计滤波器性能的好坏是至关重要的，将直接影响最终的检测结果。发明内容[0004]为了解决上述设计前置滤波器方法的不足，本发明的目的在于提供一种新的设计方法——插入衰减法，这种方法设计滤波器的主要过程：第一步是根据给定的频率响应特性寻求一种可现实的有理函数Ha(s)，使它满足设计要求，这是一个“逼近”过程；第二步是由选定的Ha(s)实现二端口网络（即所需滤波器）的电路结构和参数值，这是一个模拟电路实现的过程。[0005]第一步中所涉及到若干种典型的Ha(s)函数主要有：巴特沃思型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型、椭圆函数型、贝塞尔型、高斯型、相位等波纹型及勒让德型等等。[0006]这种方法设计的前置滤波器不但在通带内波动起伏小，相频特性良好，截止频率定说明书1000072014.52位准，而且可以根据不同的要求标准，选择不同的阶数N进行不同精度地逼近。很好地解决了影像参数法设计滤波器所遇到的问题。[0007]滤波器按幅度特性可分为低通、高通、带通及带阻滤波器，由于后3种滤波器的设计均可由低通滤波器转化而来(经过模拟频率变换)，因此本发明只介绍前置低通滤波器的设计，其Ha(s)采用的是巴特沃思型。[0008]为实现上述目的，本发明采用的技术方案内容具体如下：[0009]根据滤波器性能指标：通带内的最大衰减σp、阻带内最小衰减σs、通带终止频率Ωp、阻带起始频率Ωs，确定巴特沃思滤波器实现时所需阶数N和截止频率Ωc，从而得到可实现的有理函数Ha(s)表达式。[0010]根据滤波器阶数N和考尔Ⅰ型电路，查表得到巴特沃思低通滤波器的归一化电路。其中RS和RL分别为信号源内阻和负载电阻，这种电路也称为达林顿电路结构。Z11(s)是无损LC滤波网络与负载电阻RL共同组成的一端口输入阻抗，它满足一端口策动点阻抗函数的正实性，可以用一端口网络综合法实现它的具体电路。[0011]将上述得到的电路里LC元器件值通过公式去归一化得到实际电感、电容值，从而得到实际电路。附图说明[0012]图1是达林顿电路结构图。[0013]图2是本实施例的电路原理图。[0014]图3是AFDD中故障电弧频谱特征向量提取框图。[0014]图4是模拟滤波器设计步骤框图。具体实施方式[0015]下面结合实施例及其附图对本发明再作描述。[0016]参见图1，达林顿电路结构图，主要包括信号源ES、信号源内阻RS、负载电阻RL、LC无损二端口网络，其中LC无损二端口网络的综合原理是以一端口网络综合原理为基础的，或者说要把达林顿电路结构的设计转化为一个一端口网络的实现问题，这个一端口网络的输入阻抗用Z11(s)表示，滤波器插在负载电阻RL和内阻为RS的信源之间。[0017]参见图2，本实施例的电路原理图，主要包括信号源ES、信号源内阻RS=600、负载电阻RL=600、LC无损二端口网络，其中LC无损二端口网络各个参数的值分别为L1=5.61mH、C2=0、038uF、L3=13.63mH、C2=0、016uF。实现了以下技术指标的低通滤波器：通带内的最大衰减σp=-1dB、阻带内最小衰减σs=-15dB、通带终止频率Ωp=2π×104rad/s、阻带起始频率Ωs=2π×2×104rad/s。此实施例中采用的逼近函数为阶数N=4，截止频率Ωc=2π×1.304×104rad/s的巴特沃思滤波器。[0018]工作原理：①当输入信号频率Ω=0时，频率特性曲线衰减量的分贝值为0dB，即以说明书1000072014.53原点的最大平坦性来逼近理想低通滤波器；②当输入信号频率在通带范围0＜Ω≤Ωp时，频率特性曲线最大衰减量的分贝值为-1dB，即10(-1/20)；③当输入信号频率在截止频率Ω=Ωc时，频率特性曲线衰减量的分贝值为-3dB，即10(-3/20)；④当输入信号频率在阻带范围Ω≥Ωs时，频率特性曲线最小衰减量的分贝值为-15dB，即10(-15/20)；⑤无论输入信号频率Ω在通带、阻带(或过渡段)内，其频率曲线都是呈单调下降的。[0019]参见图3，是AFDD中故障电弧频谱特征向量提取框图，主要包括前置滤波器、A/D采集装置、信号处理(滤波)、DFT变换、故障电弧频谱特征向量提取装置。该故障电弧检测方法是基于回路电流中高频分量的特征提取的。从其特征向量提取流程可以知道，第一步的预处理（前置滤波器）是至关重要的，它性能的优劣直接会影响所提取的特征向量，从而导致无法准确判断是否产生了故障电弧。[0019]参见图3，模拟滤波器设计步骤框图。主要包括寻求可实现的有理函数Ha(s)去逼近所要设计滤波器的频率特性曲线、用二端口网络的电路结构和参数值去实现Ha(s)。首先根据所提供滤波器的性能指标（σp、σs、Ωp、Ωs等），得到“理想”频率特性曲线（不一定可实现），再根据实际情况的要求（如对相位特性要求高的选用巴特沃思型），选用不同的函数原型去逼近它，由此我们可以得到可实现的有理函数Ha(s)；接着根据Ha(s)确定二端口网络的电路结构和参数值，最后得出实际模拟电路。