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滤波器的应用领域分析

2017-09-22 [责任编辑:wenwei]
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【导读】滤波是信号处理中的一项基本而重要的技术。利用滤波技术可以从各种信号中提取出所要的信号,滤除不需要的干扰信号。滤波器是信号的频域分析中的一个重要元器件。滤波器种类繁多,各种滤波器具有不同的性能特点,因此在滤波器选择时,通常需要综合考虑客户的实际使用环境以及客户性能需求才能做出正确、有效、可靠的选择。
 
滤波器的应用领域分析
 
滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器,模拟滤波器用来处理模拟信号或连续的信号,数字滤波器用来处理离散的数字信号。
 
模拟滤波器可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中,如:电力系统、电解电镀企业、水处理设备、石化企业、大型商场及办公大楼、精密电子企业、机场/港口的供电系统、医疗机构等。
 
通信行业
 
滤波器的应用领域分析
 
为了满足大规模数据中心机房的运行需要,通信配电系统中的UPS使用容量在大幅上升。据调查,通信低压配电系统主要的谐波源设备为UPS、开关电源、变频空调等。
 
其产生的谐波含量都较高,且这些谐波源设备的位移功率因数极高。通过使用有源滤波器可以提高通信系统及配电系统的稳定性,延长通信设备及电力设备的使用寿命,并且使配电系统更符合谐波环境的设计规范。
 
半导体行业
 
大多数半导体行业的3次谐波非常严重,主要是由于企业中使用了大量的单相整流设备。3次谐波属于零序谐波,具备在中性线汇集的特点,导致中性线压力过大,甚至出现打火现象,存在着极大的生产安全隐患。
 
滤波器的应用领域分析
 
谐波还会造成断路器跳闸,耽误生产时间。3次谐波在变压器内形成环流,加速了变压器的老化。严重的谐波污染必然对配电系统中的设备使用效率和寿命造成影响。
 
石化行业
 
滤波器的应用领域分析
 
由于生产的需要,石化行业中存在着大量泵类负载,并且不少泵类负载都配有变频器。变频器的大量应用使石化行业配电系统中的谐波含量大大增加。
 
目前绝大部分变频器整流环节都是应用6脉冲将交流转化为直流,因此产生的谐波以5次、7次、11次为主。其主要危害表现为对电力设备的危害及在计量方面的偏差。使用有源滤波器可以很好地解决这方面的问题。
 
化纤行业
 
滤波器的应用领域分析
 
为大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化质量,以及延长炉龄、节省能源,在化纤行业常用到电助熔加热设备,借助电极把电直接送入燃料加热的玻璃池窑中。这些设备会产生大量的谐波,且三相谐波的频谱和幅值差别比较大。
 
钢铁/中频加热行业
 
滤波器的应用领域分析
 
钢铁业中常用到的中频炉、轧机、电弧炉等设备都会对电网的电能质量产生重大的影响,使电容补偿柜过载保护动作频繁、变压器和供电线路发热严重、熔断器频繁熔断等,甚至引起电压跌落、闪变。
 
汽车制造业
 
滤波器的应用领域分析
 
焊机是汽车制造业中不可少的设备,由于焊机具有随机性、快速性及冲击性的特点,使大量使用焊机造成严重的电能质量问题,造成焊接质量不稳、自动化程度高的机器人由于电压不稳而不能工作,无功补偿系统无法正常使用等情况。
 
直流电机谐波治理
 
大型直流电机场所都需要先通过整流设备将交流电转换为直流电,由于此类工程的负载容量都较大,因此在交流侧存在严重的谐波污染,造成电压畸变,严重时会引起事故。
 
自动化生产线和精密设备的使用
 
在自动化生产线和精密设备场合,谐波会影响到其正常使用,使智能控制系统、PLC系统等出现故障。
 
医院系统
 
医院对供电的连续性和可靠性有非常严格的要求,0类场所自动恢复供电时间T≤15S,1类场所自动恢复供电时间0.5S≤T≤15S, 2类场所自动恢复供电时间T≤0.5S,电压总谐波畸变率THDu≤3%,X光机、CT机、核磁共振都是谐波含量极高的负载。
 
剧场/体育馆
 
滤波器的应用领域分析
 
可控硅调光系统、大型LED设备等都是谐波源,在运行过程中会产生大量的三次谐波,不但造成配电系统的电力设备效率低下,而且还会造成灯光频闪,对通信、有线电视等微弱电回路产生杂音,甚至产生故障。
 
在近代电信设备和各类控制系统中,数字滤波器应用也极为广泛,这里列举部分应用最成功的领域。

语音处理
 
滤波器的应用领域分析
 
语音处理是最早应用数字滤波器的领域之一,也是最早推动数字信号处理理论发展的领域之一。该领域主要包括5个方面的内容:
 
第一,语音信号分析。即对语音信号的波形特征、统计特性、模型参数等进行分析计算;
 
第二,语音合成。即利用专用数字硬件或在通用计算机上运行软件来产生语音;
 
第四,语音增强。即从噪音或干扰中提取被掩盖的语音信号。
 
第五,语音编码。主要用于语音数据压缩,目前已经建立了一系列语音编码的国际标准,大量用于通信和音频处理。
 
图像处理
 
滤波器的应用领域分析
 
数字滤波技术以成功地应用于静止图像和活动图像的恢复和增强、数据压缩、去噪音和干扰、图像识别以及层析X射线摄影,还成功地应用于雷达、声纳、超声波和红外信号的可见图像成像。
 
在现代通信技术领域内,几乎没有一个分支不受到数字滤波技术的影响。信源编码、信道编码、调制、多路复用、数据压缩以及自适应信道均衡等,都广泛地采用数字滤波器,特别是在数字通信、网络通信、图像通信、多媒体通信等应用中,离开了数字滤波器,几乎是寸步难行。其中,被认为是通信技术未来发展方向的软件无线电技术,更是以数字滤波技术为基础。
 
电视、雷达
 
滤波器的应用领域分析
 
数字电视取代模拟电视已是必然趋势。高清晰度电视的普及指日可待,与之配套的视频光盘技术已形成具有巨大市场的产业;可视电话和会议电视产品不断更新换代。
 
视频压缩和音频压缩技术所取得的成就和标准化工作,促成了电视领域产业的蓬勃发展,而数字滤波器及其相关技术是视频压缩和音频压缩技术的重要基础。
 
雷达信号占有的频带非常宽,数据传输速率也非常高,因而压缩数据量和降低数据传输速率是雷达信号数字处理面临的首要问题。告诉数字器件的出现促进了雷达信号处理技术的进步。
 
在现代雷达系统中,数字信号处理部分是不可缺少的,因为从信号的产生、滤波、加工到目标参数的估计和目标成像显示都离不开数字滤波技术。雷达信号的数字滤波器是当今十分活跃的研究领域之一。声纳信号处理分为两大类,即有源声纳信号处理和无源声纳信号处理,有源声纳系统涉及的许多理论和技术与雷达系统相同。
 
音乐
 
数字滤波器为音乐领域开辟了一个新局面,在对音乐信号进行编辑、合成、以及在音乐中加入交混回响、合声等特殊效果特殊方面,数字滤波技术都显示出了强大的威力。数字滤波器还可用于作曲、录音和播放,或对旧录音带的音质进行恢复等。
 
有源电力滤波器在机场的应用
 
电力系统谐波产生的根本原因是一些具有非线性伏安特性的输配电和用电设备。当电流流经非线性负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成了非正弦波电流,从而产生谐波。谐波污染越来越多地威胁到电力系统安全、稳定、经济运行,给同一网络的线性负载和其它用户带来了极大影响。
 
滤波器的应用领域分析
 
飞机作为一种便捷的交通方式给人们日常交通生活带来了多样化的选择,随之机场也在逐年扩建。但在机场的低压配电系统中,存在着大量的谐波源,如机场助航灯、直流电机、电炉、轧机、电焊机等,这些谐波源具有电流畸变大、谐波频谱范围广、无功需求变化快等特点。
 
这类负载产生的谐波,危及配电系统的正常运行,甚至引发严重的电气事故。其中以机场助航灯光系统为例,助航灯光负载设备不断增加,机场灯光站大量使用可控硅调光设备,导致产生大量的谐波电流,对电能质量造成污染,同时附加电流和额外的热效应对各类电气设备和电缆线路安全也造成一定危害。因此,对机场助航灯光站电力谐波问题进行分析与治理极为重要。
 
滤波器的应用领域分析
 
目前电力系统谐波治理主要存在两大主流方式:无源滤波技术和有源滤波技术。机场灯光站采用的大功率电力半导体调光设备,会产生大量高次谐波(主要是3 倍次谐波以外的所有奇次谐波),而无源滤波器对每次谐波都要单独设计单谐振滤波器,设计参数要跟系统阻抗有关(计算系统阻抗很繁琐,并且系统逐年扩建,系统阻抗也会变化);无源滤波不能对谐波完全消除,反而存在着放大谐振的危险;电容的老化也会使原来设计谐振点偏移而达不到滤除目标谐波的目的;无源滤波系统适合负荷单一、稳定的场合。
 
与无源滤波器相比,有源滤波系统具有高度可控性和快速响应性(≤1ms),能补偿各次谐波,可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波。
 
其基本原理是从谐波源(被补偿对象)负载回路中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而相位相反的补偿电流波形,用以抵消谐波源负载所产生的谐波电流,从而使电网侧电流只含有基波分量。
 
治理效果:
 
滤波器的应用领域分析
 
FIR滤波器在音响系统中的应用
 
滤波器的应用领域分析
 
通常情况下,我们使用IIR EQ是对音响系统或者某个通路的频率响应曲线进行修正,这是我们使用这种均衡器的目的。事实上,大多数情况下,它可以帮我们实现这个目标。实际使用中PEQ和GEQ有一定区别,但不论哪种形式的EQ,只要它功能足够强大,基本上可以达到与我们预期的目的。
 
但不幸的是,IIR EQ在对系统或者通道的频响曲线按我们个人的意志进行修正的同时,它也带来了一个副产品——该音响系统或者通道的相位响应遭到了破坏。而且,大体的规律是:IIR EQ对频响的改变幅度越大,则伴随着其对对应系统或者通道相位响应的破坏越严重。
 
滤波器的应用领域分析
音响系统中使用高通滤波器(也可以认为是IIR EQ的一种)对相位的影响示意
 
不过,在科技高度发展的今天,FIR这个曾经被大量的应用于通信等其它领域的技术能够被应用到音响系统,这的确也是一件好事儿。
 
因为,它解决了IIR EQ所不能解决的问题,那就是作为EQ的另一种类型,它可以只对音响系统的频响做修正而不影响其相位响应;它也可以只对音响系统的相位做修正而不影响频响(这不是跟“全通滤波器”相似吗?的确是,但是它的灵活性和功能性比AP强大多了);它还可以同时修正系统的频率响应和相位响应。
 
这么一说,FIR EQ除了对系统的脉冲响应没有修正能力这外,几乎无所不能了?的确如此,但是,它也是有副作用的!
 
滤波器的应用领域分析
使用FIR处理器对500Hz以上的信号进行频响和相位处理前后的对比结果
 
因为FIR滤波器是一种数字滤波器,无法用模拟电路实现,所以,它对信号进行处理的时候,会或多或少的需要时间成本。换句话说,使用了FIR滤波器的音响系统会有额外的延时,而IIR因为可以用模拟电路来实现,则无此诟病,所谓任何事情都有两面性,有好的一面就会有不好的另一面。虽然,时间成本也是我们必须要考虑的因素,但至少对于中高频信号,几个毫秒的时间成本我们也不需要过于心疼。
 
而具体需要多少时间成本,主要决定于需要FIR处理的频率范围。频率越低的声音其周期也越长。很简单我们可以想到,作为数字信号处理器的FIR,至少需要声音信号对应下限频率的一个周期的时间对它进行处理。举例说明,就理想状况而言,对于500Hz的声音信号,FIR滤波器需要至少2ms的时间进行处理,当然,这个时滞一般情况下我们可以接受。但若是要处理低至50Hz的信号的时候,可能就需要20ms甚至于更长的时间,这对于现场演出来说就会成为一个非常恼人的问题。
 
滤波器的应用领域分析
 
通常来说,音响这行业,一定是在不断的做选择。因为,永远没有最好的方案,只有依当下而言更合适的解决办法。想要更好的频率响应的相位响应,我们会考虑使用FIR滤波器,但是同时我们又不希望有太大的时延在系统中产生。所以,在现实状况中,很多厂商选择用FIR处理系统的中高频部分,而有IIR EQ以及经典的分频电路处理低频和超低频部分。
 
自适应滤波在信号处理中的应用
 
自适应滤波器的各种应用主要包括:
 
1、系统建模,其中自适应滤波器作为估计未知系统特性的模型。
 
2、自适应噪声对消器,其中自适应滤波器用于估计并对消期望信号中的噪声分量;
 
3、数字通信接收机,其中自适应滤波器用于信道识别并提供码间串扰的均衡器;
 
4、自适应天线系统,其中自适应滤波器用于波束方向控制,并可在波束方向图中提供一个零点以便消除不希望的干扰。
 
滤波器的应用领域分析
 
系统辨识或系统建模
 
对于一个真实的物理系统,人们主要关心其输入和输出特性,即对信号的传输特性,而不要求完全了解其内部结构。系统可以是一个或多个输入,也可以有一个或多个输出。通信系统的辨识问题是通信系统的一个非常重要的问题。所谓系统辨识,实质上是根据系统的输入和输出信号来估计或确定系统的特性以及系统的单位脉冲响应或传递函数。
 
系统辨识和建模是一个非常广泛的概念,在控制、通信和信号处理等领域里都有重要意义。实际上,系统辨识和建模不仅局限于传统的工程领域,而且可以用来研究社会系统、经济系统和生物系统等。
 
本节只讨论通信和信号处理中的系统辨识和建模问题。采用滤波器作为通信信道的模型,并利用自适应系统辨识的方法对通信信道进行辨识,从而可以进一步地对通信信道进行均衡处理。
 
滤波器的应用领域分析
 
如果把通信信道看成是一个“黑箱”,仅知道“黑箱”的输入和输出;以一个自适应滤波器作为这个“黑箱”的模型,并且使滤波器具有与“黑箱”同样的输入和输出。自适应滤波器通过调制自身的参数,使滤波器的输出与“黑箱”的输出相“匹配”。
 
这里的“匹配”通常指最小二乘意义上的匹配。这样,滤波器就模拟了通信信道对信号的传输行为。尽管自适应滤波器的结构和参数与真实的通信信道不一样,但是它们在输入、输出响应上保持高度一致。
 
因此,在这个意义上,自适应滤波器就是这个未知“黑箱”系统的模型。并且还可以发现,如果自适应滤波器具有足够多的自由度(可调节参数),那么,自适应滤波器可以任意程度地模拟这个“黑箱”。
 
假定未知信道为有限冲激响应(FIR)结构,构造一个FIR结构的自适应滤波器,用一伪随机系列作为系统的输入信号x(n),同时送入未知信道系统和自适应滤波器。
 
调整自适应滤波器的系数,使误差信号e(n)的均方误差达到最小,则自适应滤波器的输出y(n)近似等于通信系统的输出d(n)。可以证明,加性噪声v(n)的存在并不影响自适应滤波器最终收敛到最优维纳解。
 
可以认为,具有相同输入和相似输出的两个FIR系统,应该具有相似的特性。因此,可以采用自适应滤波器的特性或其单位脉冲响应来近似替代未知系统的特性或单位脉冲响应。
 
FBAR滤波器在智能手机中的应用
 
现代智能手机中一个非常重要的部分是射频(RF)滤波器,正如它的基本原理,滤波器主要应用于通过需要并拒绝不要的频率,以使手机中的许多接收器可以只处理预期的信号。
 
滤波器的应用领域分析
 
在过去,手机通常只在全球特定地区的少数频段中工作,然而对于现代化的手机,基本上会在相同时间于多个无线频段工作,包括移动通信、蓝牙(Bluetooth)、WiFi和GPS等,而制造商也希望设计出可在全球不同地区和不同电信运营商服务下工作的产品,要让手机在更多频段和地区工作代表了手机对射频滤波的要求越来越高。
 
滤波器的应用领域分析
 
在前几代的无线技术中,滤波要求并不难达成,可能只需使用表面声波滤波器即可,但随着运营商网络逐渐演进到CDMA和3G,为了可以利用目前的4G/LTE服务,智能手机本身变得更为复杂,因此手机制造商已经开始扩大采用FBAR技术来解决以下即将讨论4G/LTE所面对的独特问题。
 
滤波器的应用领域分析
 
可在多个频段工作的4G/LTE手机
 
最新的智能手机产品在设计上必须可在全球多个频段工作,多频段智能手机的整体尺寸并不会大于前一代,因此如果要在保留给射频前端电路的相同空间内加入更多的滤波器,那么非常明显地,滤波器本身必须非常小,藉助Microcap微型封装技术,FBAR滤波器可以通过芯片级封装满足绝大多数的空间受限应用。
 
由于FBAR是基体型材料,因此可以提供非常良好的功率处理能力而不需要使用如SAW滤波器中常见的并行结构,另外,FBAR器件的尺寸也会随着频率的提高而缩小,这使得FBAR非常适合目前2300MHz到2700MHz,以及未来3.5GHz的新4G/LTE频段应用。
 
运行于更高数据率的4G/LTE智能手机
 
相较于3G服务,相同数据量下4G/LTE的下载速度大约可以达到10倍,也就是说于同样时间内可被下载的数据量达到10倍,有几种方法可以用来实现更高的数据率,4G/LTE会依检测到的信号强度使用不同的调制方式,简单地说,信噪比越高,数据率就愈高,如由QPSK转换成QAM16/64调制。
 
于通过单刀多掷开关结合多个双工器的多频段4G/LTE手机上,检测到的信号可能过低而影响数据率,FBAR的低插入损耗有助于极大化输入信号强度,带来更高的数据吞吐量,从而得到更好的用户体验和更高的数据容量。
 
采用分频多工调制的手机使用允许同时进行信号发射和接收的双工器,由于发射和接收滤波器连接到相同的天线端口,因此彼此间的滤波器隔离就非常重要,较高的隔离会将接收频段的噪声降至最低,这可以提高SNR和数据率。
 
提高数据率的另一种方法是通过载波聚合,载波聚合以多于一个频段的同时工作来提高下载数据率,部分新LTE频段占据相对较小的频谱,因此这是一个网络运营商可以有效提高通信容量的方法。
 
由于每个频段的发射和接收会同时工作,因此不能够使用开关,从而使用多工器来结合各个发射和接收滤波器到相同的天线端口上,当以多工器配置结合时,Avago的FBAR滤波器可以提供低信号损耗路径,有助于最大限度地提高数据率。
 
智能手机同时使用多个无线信号
 
目前很难找到没有Wi-Fi连线功能的智能手机,依手机工作频率不同,如果没有经过适当的滤波处理,手机发送的信号可能会干扰Wi-Fi的正常运行。
 
滤波器的应用领域分析
 
使用智能手机作为Wi-Fi热点时,Wi-Fi会和4G/LTE无线信号同时工作,如果没有卓越的滤波能力,Wi-Fi收发器就有可能被遮蔽或者受到Band 7频带上LTE信号传输的影响。
 
今天绝大多数的手机同时还支持GPS,甚至GLONASS服务,由于GPS/GLONASS信号通常功率非常低,大约在-125dBm ~ -150dBm,因此所有接近GPS频率的发射信号都可能影响GPS/GLONASS接收器的灵敏度,AGPS-F001预滤波器加LNA模块由于具有陡峭滤波和宽带衰减能力,因此可以提供移动网络、PCS和WiFi信号卓越的带外遮蔽能力和良好的线性性能。
 
FBAR技术优势
 
电池使用时间是一项经常用来进行手机性能测试并相互比较的重要特性,在接收侧,我们讨论了FBAR的较低插入损耗如何通过补偿于射频前端结合多频段所带来的较高损耗支持4G/LTE手机的更高数据率,另一个好处是,通过使手机可以检测较微弱信号,扩大移动通信的覆盖范围,避免造成较差的接收能力甚至掉线。
 
滤波器的应用领域分析
 
在发射侧,较低的发射滤波器插入损耗代表了在相同天线发射功率下功率放大器所需的输出功率较低,相较于其他滤波器技术,Avago的Band 4双工器带来的插入损耗改善大约在0.2dB ~ 0.5dB,相当于节省达50mA的电流消耗,因此可以提供更长的电池使用寿命和通话时间。
 
滤波器的应用领域分析
 
当大多数应用还是基于3G服务时,只有少数频段可以从FBAR技术获益,随着4G/LTE多频段智能手机的普及,FBAR技术的特性优势,例如低插入损耗、陡峭滤波曲线、高隔离性和极小化的尺寸等已经成为所有主要智能手机制造商快速导入这个技术的原因。
 
目前采用FBAR技术的滤波器、双工器以及多工器产品已经被导入美国、欧洲和亚洲等地区15个不同工作频段的智能手机设计中,随着新滤波挑战的出现,FBAR技术将继续成为提供解答的优先选择,成为主流技术。
 
滤波器的应用领域如此广泛,以至于想完全列举他们是根本不可能的,除了以上几个领域外,还有很多其他的应用领域。例如,在军事上被大量应用于导航、制导、电子对抗、战场侦察;在电力系统中被应用于能源分布规划和自动检测;在环境保护中被应用于对空气污染和噪声干扰的自动监测,在经济领域中被应用于股票市场预测和经济效益分析等等。
 
 
 
 
 
 
 
 
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关键字:滤波器 应用领域 信号处理 
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