摘要：動(dòng)力裝置的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)需要現(xiàn)場對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和分析，由于受到外界環(huán)境、電磁干擾及接地等各方面因素影響，采集的信號(hào)中耦合了干擾噪聲。這些干擾噪聲的存在會(huì)淹沒信號(hào)的特征信息，給信號(hào)特征提取和分析帶來不利影響。因此，采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)該功能，采用過采樣技術(shù)將有用信號(hào)和噪聲一起采集，然后經(jīng)過多級(jí)多階濾波來濾除高頻噪聲，為了方便數(shù)據(jù)處理，再采用降采樣技術(shù)將采樣信號(hào)降低到穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)時(shí)的采樣范圍。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)試驗(yàn);共模干擾;差模干擾;多階多階降采樣濾波

0? ? 引言

在動(dòng)力裝置試車穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場會(huì)存在多種干擾，這些噪聲疊加在試車采樣數(shù)據(jù)中會(huì)對(duì)采樣的有用信號(hào)產(chǎn)生不良干擾，這些干擾通常稱之為“噪聲”。從來源區(qū)分可以分為采集系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和外界環(huán)境干擾噪聲;從干擾出現(xiàn)規(guī)律劃分可分為固定干擾、半固定干擾、隨機(jī)干擾等;從干擾產(chǎn)生和傳播的方式可分為靜電干擾、磁場耦合干擾、電磁輻射干擾等;從與輸入信號(hào)的關(guān)系來說又可分為差模干擾和共模干擾。由于噪聲干擾比較復(fù)雜，處理措施也比較多樣，我們重點(diǎn)從干擾與輸入信號(hào)關(guān)系來解決共模和差模干擾問題。

1? ? 共模干擾和差模干擾

共模干擾和差模干擾主要是從干擾噪聲源與輸入信號(hào)的關(guān)系來劃分的，我們按照共模干擾和差模干擾與信號(hào)的干擾關(guān)系來分析并解決該種類型的干擾問題。

1.1? ? 共模干擾

共模干擾可以理解為在信號(hào)采集的兩端之間同等程度地引入干擾，使得信號(hào)正（V+）和信號(hào)負(fù)（V-）同等程度地變大或變小。

對(duì)于共模干擾噪聲問題，我們可以通過差分運(yùn)放來解決，因?yàn)閷?duì)于差分放大電路而言，放大的是信號(hào)輸入兩端的差值，即輸入到運(yùn)放輸入端的信號(hào)為Vin=V+-V-;引入共模干擾后，干擾信號(hào)（Vs）會(huì)同等程度地加入到信號(hào)兩端，所以信號(hào)兩端變?yōu)閂+′和V-′，并且V+′=V++Vs，V-′=V-+Vs;Vin′=V+′-V-′=Vin。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，通過差分運(yùn)放電路能夠很好地濾除信號(hào)采集兩端的共模干擾信號(hào)。

1.2? ? 差模干擾

差模干擾又叫“串模干擾”，是指干擾信號(hào)與有用信號(hào)串?dāng)_在一起被送到運(yùn)放電路進(jìn)行放大處理。差模干擾由于并非同相位、同幅度地加載到信號(hào)兩端，所以通過上述的差分放大電路就不能消除該類干擾。

在穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)中，由于被測信號(hào)頻率較低，接近于直流穩(wěn)態(tài)信號(hào)，而干擾信號(hào)頻率較高，鑒于有用信號(hào)頻帶和干擾信號(hào)頻帶可以明顯區(qū)分，通過數(shù)字濾波器方式就能很好地濾除干擾信號(hào)。

而在很多情況下，我們開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，由于是對(duì)多穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集，于是就簡單地將采樣速率設(shè)置為100 Hz（即100點(diǎn)采樣），這樣高頻干擾就會(huì)串?dāng)_到被測信號(hào)中成為信號(hào)的一部分，也就使得有用信號(hào)和干擾信號(hào)頻帶不能區(qū)分了，這就給信號(hào)處理帶來了困難。

如圖1所示，輸入信號(hào)包括四種頻率信號(hào)成分，分別為F1=25 Hz，F(xiàn)2=70 Hz，F(xiàn)3=160 Hz，F(xiàn)4=510 Hz。假定為F1為信號(hào)有用成分，F(xiàn)2、F3和F4為干擾信號(hào)，我們設(shè)定采樣頻率為fs=100 Hz。我們的目的是希望能夠無失真地采集有用信號(hào)25 Hz的F1，而不希望引入干擾信號(hào)F2、F3和F4，可是實(shí)際采樣結(jié)果卻不是這樣的。

如圖2所示，這是我們采集的信號(hào)，頻率成分中包括了10 Hz、25 Hz、30 Hz和40 Hz。很明顯，25 Hz是F1有用信號(hào)，可是10 Hz、30 Hz和40 Hz是什么信號(hào)呢？這是因?yàn)樵谛盘?hào)采集過程中出現(xiàn)了信號(hào)混疊成分，混疊信號(hào)頻率為信號(hào)頻率與采樣頻率倍數(shù)的差值。

所以，干擾信號(hào)F2的混疊頻率為：Alias F2=100-70=30 Hz;

干擾信號(hào)F3的混疊頻率為：Alias F3=2×100-160=40 Hz;

干擾信號(hào)F4的混疊頻率為：Alias F4=510-5×100=10 Hz。

通過分析我們發(fā)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，單純地按照低速采樣模式，會(huì)將干擾信號(hào)的混疊成分一起采集到，成為了信號(hào)的一部分，也就無法進(jìn)行濾除了。所以，我們需要提高采樣速率，將有用信號(hào)和干擾信號(hào)全部采集下來，然后通過濾波方式進(jìn)行去除。

2? ? 多級(jí)多階降采樣濾波

我們構(gòu)造一組帶干擾的信號(hào)，假定有用信號(hào)頻率為正弦信號(hào)，幅值為1，頻率為5 Hz;引入頻率為100 Hz，以幅值為0.2的正弦信號(hào)作為干擾信號(hào)。我們基于NI LabVIEW提供的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包進(jìn)行多級(jí)多階（NStage-MRate）濾波器設(shè)計(jì)，如圖3所示，設(shè)定信號(hào)采樣頻率為10 kHz，采用高采樣頻率的目的是將有用信號(hào)和噪聲干擾信號(hào)一起采集而不產(chǎn)生混疊，然后降采樣設(shè)定信號(hào)輸出頻率為100 Hz，也就是說信號(hào)濾波處理后不會(huì)帶來過高的信號(hào)數(shù)據(jù)吞吐量，便于數(shù)據(jù)分析。濾波器由輸入10 kHz到輸出100 Hz，需要3級(jí)濾波器100倍降采樣濾波來實(shí)現(xiàn)，并且根據(jù)信號(hào)范圍設(shè)定通道為25 Hz，通帶紋波為0.001 dB，阻帶45 Hz，阻帶衰減120 dB。設(shè)定好濾波器系數(shù)后即可生成濾波器模型。

3? ? 結(jié)語

在試驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析的過程中，信號(hào)噪聲干擾是避免不了的，并且來源錯(cuò)綜復(fù)雜，我們需要從不同方面對(duì)噪聲源進(jìn)行分析，正確地進(jìn)行噪聲的抑制和濾除。本文從對(duì)信號(hào)共模干擾和差模干擾的分析、信號(hào)采樣過程中混疊干擾的產(chǎn)生及通過多級(jí)多階降采樣濾波技術(shù)有效濾除信號(hào)高頻干擾的處理方法等角度對(duì)該問題進(jìn)行了探討，對(duì)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集干擾的濾除具有借鑒參考意義。

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收稿日期：2019-12-03

作者簡介：羅舜天（1997—），男，湖南邵陽人，研究方向：測控技術(shù)與儀器。