摘 要：為對信號進行去噪處理，本文研究了面向電磁干擾的高頻開關電源信號去噪方法。首先，分析信號頻譜，根據(jù)電磁干擾條件下信號的輻射特性和傳播特性計算高頻開關電源信號能量。其次，將白噪聲引到原始信號中，利用EMD多次迭代分解，集成平均消除白噪聲，得到本征模態(tài)函數(shù)（IMF）分量，對信號進行EEMD分解。最后，采用獨立成分分析法，從多元信號中分離出統(tǒng)計上獨立的非高斯源信號，進行信號去噪處理。對比試驗結果表明，應用設計方法進行高頻開關電源信號的去噪處理可以有效去除峰值點與多個時序點的噪聲信息，滿足實際應用需求。

關鍵詞：電磁干擾；EEMD分解；去噪方法；ICA自然梯度法；高頻開關電源

中圖分類號：TN 911 " " 文獻標志碼：A

高頻開關電源在其工作過程中產生的高頻通斷、磁性元件的磁通變化以及高頻變壓器的磁場耦合等問題會導致嚴重的電磁干擾（EMI）問題。蔣智偉等[1]通過遺傳算法（GA）優(yōu)化VMD參數(shù)，以提高信號分解的準確性并優(yōu)化去噪效果。但是VMD和GA相結合增加了算法的復雜度，可能導致計算量較大，影響實時處理的性能。同時，算法參數(shù)的選擇和優(yōu)化范圍對結果有顯著影響，需要對自適應地確定最優(yōu)參數(shù)組合做進一步研究。夏焰坤[2]引入改進鯨魚優(yōu)化，根據(jù)多尺度排列熵-方差貢獻率最優(yōu)模態(tài)分量選取原則去除信號中的噪聲分量。但是IWOA算法的優(yōu)化過程較復雜，限制了其在實時監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。針對現(xiàn)有方法的不足，本文將進行面向電磁干擾的高頻開關電源信號去噪方法研究。

1 面向電磁干擾的高頻開關電源信號能量計算

信號能量是指信號在其持續(xù)時間內所具有的能量的總和，信號能量大小與信號幅度、頻率、傳播距離以及傳播介質等因素有關。對高頻開關電源來說，其輸出信號中包括較多的諧波成分，在傳播過程中可能引發(fā)電磁干擾。

信號能量計算通?；谛盘柕墓β屎统掷m(xù)時間。在高頻開關電源的輸出信號中，需要重點關注信號的頻譜特性和電磁輻射特性，因此，計算信號能量前需要對信號頻譜進行分析。計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：e為高頻開關電源信號頻譜值；p（t）為采樣時刻點為t的信號瞬時功率，其中p為信號的瞬時功率，t為信號的采樣時刻點；（t1-t2）為第一次數(shù)據(jù)采樣與第二次數(shù)據(jù)采樣的時刻點間隔時長。

利用公式（2）計算數(shù)字信號或離散時間信號頻譜密度。

E=S（f）+e?k（t） " " " " " （2）

式中：E為高頻開關電源信號頻譜密度；S（f）為密度為f的信號離散化程度，其中S為信號離散化程度，f為密度函數(shù)；e為高頻開關電源信號頻譜值；k（t）為采樣時刻點為t的各頻率分量能量。

在完成上述計算后，需要考慮在電磁干擾條件下信號的輻射特性和傳播特性。通常情況下，高頻開關電源在其工作過程中會產生電磁輻射，輻射經過空間傳播并對周圍環(huán)境造成干擾[3]。因此，可以根據(jù)上述公式的計算結果，并結合電磁干擾條件下輻射信號的方向進行信號輻射的計算。計算中，使用遠場輻射功率密度描述信號的輻射特性，利用積分遠場輻射功率密度在整個空間的分布可以得到信號的輻射能量，計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：E'為高頻開關電源信號輻射能量；E（i）為電磁干擾頻率為i的開關電源信號輻射能量，其中i為電磁干擾頻率；γ為電磁干擾條件下輻射信號的方向；T為信號的長度。

通過上述方式，完成面向電磁干擾的信號高頻開關電源信號能量計算。

2 信號EEMD分解

完成信號能量的計算后，引進EEMD（集合經驗模態(tài)分解技術），進行信號分解處理，這項技術適用于處理非線性、非平穩(wěn)的信號[4]。在處理過程中，將白噪聲引入原始信號中，并利用EMD（經驗模態(tài)分解）的多次迭代分解，集成平均消除白噪聲的影響，從而得到更加穩(wěn)定、準確的IMF分量。在處理過程中，向原始信號中多次添加均勻分布的白噪聲，得到一系列帶噪聲信號，計算過程如公式（4）所示。

X（E'）=X（t）+ni（t） " " " " （4）

式中：X（E'）為帶噪聲信號；X（t）為原始信號；ni（t）為空間中具有均布特征的白噪聲。

完成上述處理后，對X（E'）進行經驗模態(tài)分解處理，旨在將復雜的信號分解為一系列簡單、具有物理意義的成分，即IMF和一個殘余項。

模態(tài)分解的核心是逐步從信號中提取出滿足特定條件的分量。每個分量都需要保證整個數(shù)據(jù)集中極值點（包括局部極大值和局部極小值）的數(shù)量與過零點的數(shù)量必須相等或最多相差一個，從而保證信號本體模態(tài)波形具有類似諧波函數(shù)的對稱性，使信號具有模態(tài)函數(shù)的特性。在分解中，識別信號所有局部極值點，通過3次樣條插值構造出上包絡線和下包絡線。包絡線構造方式如公式（5）所示。

（5）

式中：L為包絡線，結果包括正值與負值，其中正值為上包絡線，負值為下包絡線；x（y）為樣條插值的極小點，其中x為樣條插值，y為極小值點；X（E'）為帶噪聲信號；α為諧波函數(shù)。

計算上包絡線、下包絡線的中值（均值），在帶噪聲信號X中進行包絡線均值處理，得到高頻開關電源信號的第一個分量。計算過程分別如公式（6）、公式（7）所示。

（6）

h1（t）=Xi（t）-m1（t）?χ " "（7）

式中：m1（t）為包絡線的均值；L（t）、U（t）分別為t時刻上、下包絡線的值；h1（t）為高頻開關電源信號的第一個分量；Xi（t）為空間中具有均電源信號均值；χ為停止準則。

如果h1（t）滿足本征模態(tài)函數(shù)的訓練條件，就將其視為第一個信號分量；否則，將h1（t）視為新的信號，重復上述過程，直到滿足條件為止。在此基礎上，從原始信號中減去已提取的本征模態(tài)特征，對剩余信號重復上述步驟，直到剩余信號成為單調函數(shù)或滿足停止準則[5]。利用此過程，每個攜帶噪聲的信號都被分解為一系列IMF（代表信號在不同時間尺度上的特征）和一個殘余項，計算過程如公式（8）所示。

（8）

式中：K為分解后的信號；H（a）為激活函數(shù)a下的時間尺度，其中H為時間尺度，a為激活函數(shù)；δ為殘余項。

按照上述方式，完成高頻開關電源信號的EEMD分解處理。

3 基于ICA自然梯度法的信號去噪處理

完成信號的EEMD分解后，為了進一步去除信號中的噪聲成分，可以采用獨立成分分析（ICA）方法，基于自然梯度法的ICA法，從多元信號中分離出統(tǒng)計上獨立的非高斯源信號，對信號進行去噪處理，由此從原始信號中分離出噪聲成分和價值信號成分。ICA假設觀測到的混合信號是由若干個統(tǒng)計上相互獨立的源信號通過未知的混合矩陣線性組合而成的，此時的信號表達式如公式（9）所示。

Z=K?A " " （9）

式中：Z為由混合矩陣線性組合而成的源信號；A為源信號數(shù)量。

ICA的目的是找到一個解混矩陣，使估計的源信號向量盡可能接近真實的源信號。解混矩陣如公式（10）所示。

（10）

式中：W為解混矩陣；Y（t）為非線性函數(shù)；η為學習率。

由上述計算可知，與傳統(tǒng)的梯度下降法不同，自然梯度法考慮了參數(shù)空間的幾何結構，因此在部分情況下可以更快地收斂到最優(yōu)解。在ICA的上、下文中，自然梯度法通常用于最小化一個對比函數(shù)（例如負熵或互信息），這個函數(shù)衡量了輸出信號的非高斯性，非高斯性越強，說明信號越獨立。在這個過程中，可以根據(jù)信號的對比函數(shù)，利用自然梯度法的更新規(guī)則調整解混矩陣，進行信號非高斯性計算，計算過程如公式（11）所示。

（11）

式中：I為信號的非高斯性；κ為對角矩陣；φ為解混系數(shù)。

重復上述步驟，利用ICA分解對噪聲信號進行分離，基于ICA自然梯度法進行信號去噪處理。

4 對比試驗

噪聲問題在高頻開關電源領域尤為突出，這種現(xiàn)象不僅影響電源本身的能效與穩(wěn)定性，還與干擾網類似，對周圍精密電子設備構成威脅，導致數(shù)據(jù)傳輸誤差激增，系統(tǒng)整體性能顯著下滑，甚至可能觸發(fā)安全事故[6-8]。鑒于此，本文研究了一種高效的電磁干擾抑制與信號去噪技術，旨在從源頭削弱甚至消除噪聲帶來的不利影響。為驗證此方法在實際中的應用效果與可行性，本文將位于關鍵區(qū)域的大型輸配電站作為試驗基地。該電站負責區(qū)域電力供應，需要不間斷的電力保障。高頻開關電源是其不間斷電源系統(tǒng)（UPS）的核心，在突發(fā)停電情況下需要迅速切換并持續(xù)供電。因此，在此環(huán)境下進行測試，不僅能夠真實反映去噪技術在實際工況下的表現(xiàn)，還能直接評估其對提升電力系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和可靠性的貢獻。利用精細的數(shù)據(jù)采集與分析，為高頻開關電源的去噪技術提供堅實的數(shù)據(jù)支撐，推動該技術應用于更廣泛的領域。大型輸配電站市場運營現(xiàn)狀見表1。

該單位開關電源的高頻噪聲通常＞5 MHz，信號中攜帶的成分較復雜，經過技術科與有關單位的鑒定，信號中不僅包括原始的MOSFET開關噪聲，還存在大量的白噪聲、外部信號干擾等。實際測試數(shù)據(jù)顯示，高頻開關電源在滿載運行過程中的輸出噪聲電壓為輸出電壓的1%左右，即對于12 V輸出電源，噪聲電壓可能高達120 mV，嚴重影響了電源的穩(wěn)定性和信號質量。

盡管此單位采用了低通濾波器和多種濾波電容（陶瓷電容和鋁電解電容），但是在部分頻段內，濾波效果仍難以達到預期。由技術部門統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可知，在10 MHz頻段，濾波后的噪聲電壓僅降低約20%，遠未達到理想中的降噪效果。

針對現(xiàn)有問題，本文將某高頻開關電源作為研究對象，分析其運行中的技術參數(shù)，相關內容見表2。

掌握試驗對象的基本情況后，引入文獻[1]提出的基于VMD-ESSA的信號去噪方法和文獻[2]提出的基于IWOA-VMD的信號去噪方法，將二者作為對照組。同時應用對照組方法、本文方法進行高頻開關電源信號去噪處理。去噪結果如圖1～圖3所示。

從圖1可以看出，應用本文方法進行高頻開關電源信號去噪處理，可以有效去除峰值點與多個時序點的噪聲信息。而應用文獻[1]、文獻[2]方法無法有效去噪。

由此可見，本文方法不僅能夠有效識別并去除信號中的峰值噪聲，還能精準處理多個時序點的噪聲信息，保證了信號的純凈度。此種成效不僅驗證了設計方法的科學性與創(chuàng)新性，更體現(xiàn)了其在高頻開關電源信號處理領域的實用價值。有效去除信號中的噪聲成分后，本文方法不僅降低了電源對電網的潛在干擾，還進一步優(yōu)化了脈沖寬度調制信號的占比控制，為電源信號的穩(wěn)定輸出提供了堅實保障。綜上所述，本文設計的方法應用效果卓越，對提升高頻開關電源系統(tǒng)的整體性能具有重要意義。

5 結語

電磁干擾已成為高頻開關電源設計和應用中不可忽視的難題，為了提升設備性能與穩(wěn)定性，對高頻開關電源信號進行去噪處理尤為重要。目前，針對高頻開關電源電磁干擾的抑制技術主要包括濾波、屏蔽和接地等措施，這些措施在一定程度上緩解了電磁干擾問題，但是在實際應用中仍存在優(yōu)化空間。為優(yōu)化現(xiàn)有方法，本文通過電源信號能量計算、信號EEMD分解和基于ICA自然梯度法的信號去噪，研究了面向電磁干擾的高頻開關電源信號去噪方法，深入分析了高頻開關電源電磁干擾的產生機理與傳播途徑，并結合現(xiàn)代信號處理技術，探索更高效、精確的信號去噪方法，從而提升電子設備整體性能，并保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。綜上所述，本文方法可以有效降低高頻開關電源信號中的電磁干擾成分，提高信號質量，為高頻開關電源的設計與應用提供有力支持。

參考文獻

[1]蔣智偉，趙雨潔，李吉祥，等.基于遺傳算法優(yōu)化VMD-ESSA的HIFU回波信號降噪研究[J].傳感技術學報，2024，37（6）：1049-1055.

[2]夏焰坤，寇堅強，李欣洋.基于IWOA-VMD的永磁同步電機匝間短路故障振動信號去噪方法[J].電子測量與儀器學報，2024，38（4）：202-216.

[3]余慧敏，朱姣姿.基于新模態(tài)-小波包分解的超寬帶雷達生命體征信號去噪算法[J].電子測量與儀器學報，2024，38（3）：143-151.

[4]時英元，郭濤，梁穎.基于參數(shù)優(yōu)化的ICEEMDAN-MEMS陀螺信號處理研究[J].自動化與儀器儀表，2024（4）：5-10.

[5]陳元健，黃靖，孫曉，等.基于BWO優(yōu)化VMD聯(lián)合小波閾值的管道泄漏次聲波去噪方法[J].機電工程技術，2024，53（3）：54-59.

[6]湯健強，周鳳星，胡晚屏.IGBT全橋逆變隔離驅動輔助電源的設計[J].電子技術應用，2018，44（1）：133-138.

[7]梅楊，魏錚，劉璟琳，等.高頻鏈AC-DC矩陣變換器的變控制頻率軟開關調制策略[J].電機與控制學報，2024，28（4）：158-167.

[8]王文勝.高頻開關電源的數(shù)字化控制電路的設計[J].電子元器件與信息技術，2024，8（1）：42-45.