一种用于功率放大器控制的小信号处理方法与流程

1.本发明属于信号自适应控制技术领域，尤其涉及一种用于功率放大器控制的小信号处理方法。


背景技术：

2.功率放大器作为一种在给定失真率条件下驱动负载的设备，被广泛地应用在航空航天、车辆交通、医疗器械和工业自动化等众多领域。相应地，对其控制信号的精度和稳定度也有了更高的要求。
3.目前，大多数功率放大器采用外部输入不同频率、幅值的模拟正弦波与内置rom 产生的数字三角波进行比较的方法产生pwm信号驱动负载工作。但是工业环境复杂，当功率放大器输入幅值较小的正弦波时，由于环境噪声的影响，输入正弦波信号的信噪比较低，信号被淹没在噪声中，含有较多毛刺。另外，由于adc位数有限，产生的量化噪声会进一步降低正弦信号的信噪比，从而导致量化后的数字正弦波与数字三角波比较时产生不规则波动，导致pwm信号输出不稳定，影响负载的平稳运行。
4.因此，当外部输入幅值较小、信噪比较低的正弦波时，如何实现功率放大器信号的平稳控制，提高设备驱动性能，延长设备使用寿命具有重要的工程意义。


技术实现要素：

5.为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种用于功率放大器控制的小信号处理方法，能够解决外部幅值较小、信噪比较低的模拟正弦小信号输入时由于环境噪声与adc量化误差产生的信号异常波动导致pwm输出跳变的问题，从而保证pwm 信号的稳定输出，使得功率放大器的控制信号更加平稳，提高设备驱动性能，延长设备使用寿命。本发明的具体技术方案如下：
6.一种用于功率放大器控制的小信号处理方法，包括以下步骤：
7.s1：采用高精度adc对外部输入的连续正弦波小信号采样，并量化为数字正弦波信号，输入处理器；
8.s2：截取步骤s1得到的数字正弦波信号，求信号方差，根据信号方差自适应调整hample滤波器的窗口长度，并对所截取的数字正弦波信号进行hample滤波处理；
9.s3：对步骤s2滤波后的信号进行离散自相关运算，得到离散自相关序列；
10.s4：对步骤s3得到的离散自相关序列进行fft运算，计算自相关序列的频率；自相关序列的频率即为步骤s1中输入正弦波信号的频率，利用得到的输入正弦波信号的频率，通过处理器产生固定采样率、频率与幅度的离散正弦信号序列，并将离散正弦信号序列再传输给处理器；
11.s5：利用rom表产生三角波，再进行线性插值，保证插值后三角波信号与步骤 s4中产生的离散正弦信号序列的采样率相同，即量化误差相同；
12.s6：将步骤s5处理后的三角波信号与步骤s4产生的离散正弦序列输入比较器比
较，产生pwm信号p，直接驱动功率放大器。
13.进一步地，所述步骤s2具体为：
14.s2
‑
1：截取长度为n的数字正弦波信号序列x
n
为[x0,x1,
…
,x
i
，
…
，x
n
‑1]，求信号 x
n
的方差；
[0015]
s2
‑
2：根据方差自适应调整hample滤波时指定点x
i
周围的样本数k，其中， i＝1,
…
,n，如式(1)所示，确定的窗口长度为l＝2k 1，其中，
[0016][0017]
其中，为取整函数，向下取整；
[0018]
s2
‑
3：选择x
i
周围的序列y
2k 1
为[x
i
‑
k
,x
i
‑
k 1
,...,x
i
,...,x
i k
‑1,x
i k
]，长度为 l＝2k 1,求序列y
2k 1
的中值m
i
和绝对偏差σ
i
，如式(2)(3)所示：
[0019]
m
i
＝median(x
i
‑
k
,x
i
‑
k 1
,
…
,x
i
,
…
,x
i k
‑1,x
i k
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0020]
σ
i
＝1.4826
·
median(|x
i
‑
k
‑
m
i
|,...,|x
i k
‑
m
i
|)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0021]
其中，median()表示求序列中值；
[0022]
s2
‑
4：当采样点x
i
左边或右边的采样点数不足k，即采样点在信号的首端或尾端时，则按式(4)(5)计算中值m
i
和绝对偏差σ
i
：
[0023][0024][0025]
s2
‑
5：根据式(6)，处理选择的x
i
：
[0026][0027]
其中，n
σ
为指定的偏差倍数。
[0028]
进一步地，所述步骤s4具体为：
[0029]
利用处理器中自带的fft的ip核对步骤s3求得的自相关序列φ
x
(m)进行fft 运算，然后取频域中幅值最高的点所对应的频率作为输入正弦波信号的频率，如式(7) (8)所示:
[0030][0031]
f
sin
＝f(y
j
＝max(y(k)))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0032]
其中，w
n
＝e
(
‑
2πi)/n
，y(k)为傅里叶变换后不同频率点对应的幅值，k为频率点序列，f
sin
为所求输入正弦信号的频率，y
j
为频域最大幅值，j为最大幅值对应的频率点，m为自相关序列的长度；
[0033]
利用得到的输入正弦信号频率f
sin
，通过处理器产生固定采样率、频率与幅度的离散正弦信号序列x
sin
，并将离散正弦信号序列通过串口再传输给处理器。
[0034]
进一步地，所述步骤s5具体为：
[0035]
s5
‑
1：利用rom表产生采样频率为f
s
，峰峰值为v
p
‑
p
的三角波信号；
[0036]
s5
‑
2：设需生成三角波的频率为f
tri
，则原有的相邻两点x
i
和x
i 1
之间需要插入个点，其中，第p个点的幅值为x
ip
，
[0037][0038]
保证三角波信号x
tri
与正弦信号x
sin
的采样率相同，即量化误差相同。
[0039]
本发明的有益效果在于：
[0040]
1.本发明的自适应窗长的hample滤波器算法，通过求得信号方差确定滤波器窗口长度，相比定长窗口长度的hample滤波器算法，自适应窗长的hample滤波器算法能够在输入正弦波频率变化情况下依然有效地从信号中删除环境冲击噪声产生的尖峰异常值，而不会产生过度平滑现象。
[0041]
2.本发明通过对hample滤波后的离散信号的自相关序列进行fft变换求出频率，相比直接对离散信号进行fft变换，频率测量更加准确。同时采用自相关运算代替设计fir、iir等数字滤波器，在时域直接进行噪声抑制，减小了运算量，提高运算速度，在处理单元运行中更容易实现。
[0042]
3.本发明使用线性插值方法，保证三角波与正弦波的采样频率相同，即量化台阶相同，避免了因量化误差产生的pwm波异常跳变，保证了pwm波输出的平稳性。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
[0044]
图1是理想正弦小信号波形与添加高斯白噪声与尖峰噪声后的正弦小信号波形，其中，(a)为正弦波时域连续波形，(b)为正弦波时域阶梯波形，(c)为添加高斯白噪声与尖峰噪声后的正弦波时域波形，(d)为添加高斯白噪声与尖峰噪声后的正弦波时域阶梯波形；
[0045]
图2是数字三角波时域波形，其中，(a)为三角波时域波形，(b)为三角波时域阶梯波形；
[0046]
图3是加入高斯白噪声信噪比为10db时该方法处理结果，其中，(a)为理想pwm 时域波形，(b)为添加噪声后的pwm时域波形，(c)为本发明方法处理后的pwm时域波形；
[0047]
图4是加入高斯白噪声信噪比为5db时该方法处理结果，其中，(a)为理想pwm 时域波形，(b)为添加噪声后的pwm时域波形，(c)为本发明方法处理后的pwm时域波形；
[0048]
图5是本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0049]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0050]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0051]
如图5所示，一种用于功率放大器控制的小信号处理方法，包括以下步骤：
[0052]
s1：采用高精度adc对外部输入的连续正弦波小信号采样，并量化为数字正弦波信号，输入处理器；
[0053]
s2：截取步骤s1得到的数字正弦波信号，求信号方差，根据信号方差自适应调整hample滤波器的窗口长度，并对所截取的数字正弦波信号进行hample滤波处理；滤除因随机噪声产生的尖峰异常，平滑波形，提高信噪比。
[0054]
s3：对步骤s2滤波后的信号进行离散自相关运算，得到离散自相关序列；
[0055]
s4：对步骤s3得到的离散自相关序列进行fft运算，计算自相关序列的频率；自相关序列的频率即为步骤s1中输入正弦波信号的频率，利用得到的输入正弦波信号的频率，通过处理器产生固定采样率、频率与幅度的离散正弦信号序列，并将离散正弦信号序列再传输给处理器；
[0056]
s5：利用rom表产生三角波，再进行线性插值，保证插值后三角波信号与步骤 s4中产生的离散正弦信号序列的采样率相同，即量化误差相同；
[0057]
s6：将步骤s5处理后的三角波信号与步骤s4产生的离散正弦序列输入比较器比较，产生pwm信号p，直接驱动功率放大器。
[0058]
在一些实施方式中，步骤s2具体为：
[0059]
s2
‑
1：截取长度为n的数字正弦波信号序列x
n
为[x0,x1,
…
,x
i
，
…
，x
n
‑1]，求信号x
n
的方差；
[0060]
s2
‑
2：根据方差自适应调整hample滤波时指定点x
i
周围的样本数k，其中， i＝1,
…
,n，如式(1)所示，确定的窗口长度为l＝2k 1，其中，
[0061][0062]
其中，为取整函数，向下取整；
[0063]
s2
‑
3：选择x
i
周围的序列y
2k 1
为[x
i
‑
k
,x
i
‑
k 1
,...,x
i
,...,x
i k
‑1,x
i k
]，长度为 l＝2k 1,求序列y
2k 1
的中值m
i
和绝对偏差σ
i
，如式(2)(3)所示：
[0064]
m
i
＝median(x
i
‑
k
,x
i
‑
k 1
,
…
,x
i
,
…
,x
i k
‑1,x
i k
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0065]
σ
i
＝1.4826
·
median(|x
i
‑
k
‑
m
i
|,...,|x
i k
‑
m
i
|)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
其中，median()表示求序列中值；
[0067]
s2
‑
4：当采样点x
i
左边或右边的采样点数不足k，即采样点在信号的首端或尾端时，则按式(4)(5)计算中值m
i
和绝对偏差σ
i
：
[0068][0069][0070]
s2
‑
5：根据式(6)，处理选择的x
i
，当偏差较大时，使用中值代替：
[0071][0072]
其中，n
σ
为指定的偏差倍数。
[0073]
较佳地，n
σ
取为3。
[0074]
hampel滤波器的工作方式类似于中值滤波器，但它只取代了相当于远离局部中值的几个标准偏差的值。使用自适应窗长的hample滤波算法对离散正弦波信号进行 hample滤波处理，能够在输入正弦波频率变化的情况下依然有效地从信号中删除尖峰异常值，而不会产生过度平滑现象，能够有效降低噪声，提高信噪比，为下一步进行信号自相关运算做准备。
[0075]
在一些实施方式中，步骤s3具体为：
[0076]
对自适应窗长的hample滤波后的信号进行自相关运算，求其离散自相关序列φ
x
(m)，如式(7)所示：
[0077][0078]
其中，m＝0,1,...,n
‑
1，由于离散信号为周期信号，因此自相关后的信号也为同频的周期信号。由于信号与噪声的相关性有差别，在求自相关以后，信号会得到加强，噪声会被削弱即对噪声有一定的抑制作用，这样可以增加信噪比，使得测频精度变高。同时代替fir、iir等数字滤波器，在时域直接进行噪声抑制，减小运算量，提高运算速度。
[0079]
在一些实施方式中，步骤s4具体为：
[0080]
利用处理器中自带的fft的ip核对步骤s3求得的自相关序列φ
x
(m)进行fft 运算，然后取频域中幅值最高的点所对应的频率作为输入正弦波信号的频率，如式(8) (9)所示:
[0081][0082]
f
sin
＝f(y
j
＝max(y(k)))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0083]
其中，w
n
＝e
(
‑
2πi)/n
，y(k)为傅里叶变换后不同频率点对应的幅值，k为频率点序列，f
sin
为所求输入正弦信号的频率，y
j
为频域最大幅值，j为最大幅值对应的频率点，m为自相关序列的长度；
[0084]
利用得到的输入正弦信号频率f
sin
，通过处理器产生固定采样率、频率与幅度的离散正弦信号序列x
sin
，并将离散正弦信号序列通过串口再传输给处理器。
[0085]
在一些实施方式中，步骤s5具体为：
[0086]
s5
‑
1：利用rom表产生采样频率为f
s
，峰峰值为v
p
‑
p
的三角波信号；
[0087]
s5
‑
2：设需生成三角波的频率为f
tri
，则原有的相邻两点x
i
和x
i 1
之间需要插入个点，其中，第p个点的幅值为x
ip
，
[0088][0089]
保证三角波信号x
tri
与正弦信号x
sin
的采样率相同，即量化误差相同。
[0090]
在一些实施方式中，步骤s6具体为：
[0091]
将插值后的三角波信号x
tri
与步骤s4产生的正弦信号x
sin
送入比较器，如式(11) 所示，产生pwm信号p，直接驱动功率放大器。
[0092][0093]
综上，本发明提供一种基于功率放大器控制的小信号处理方法，通过对外部输入的幅值较小、信噪比较低的模拟正弦波小信号进行hample滤波和自相关运算，并对自相关运算的结果进行快速傅里叶变换(fft)测频，将产生理想数字正弦波与内置 rom产生的三角波进行比较，有效提高了正弦波的信噪比，消除了信号毛刺，解决了模拟正弦波小信号输入时由于环境噪声与adc量化误差产生信号幅值异常波动导致 pwm波输出跳变的问题，从而保证了pwm信号的稳定输出，使得功率放大器的控制信号更加平稳，性能更加优良。
[0094]
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
[0095]
实施例1
[0096]
使用matlab进行仿真，通过给单频正弦信号添加高斯白噪声和尖峰噪声仿真功率放大器实际工作时的外部输入正弦波，如图1所示。
[0097]
图2
‑
图4为通过应用本发明提出的基于功率放大器控制的小信号处理方法处理后，得到的有效结果。
[0098]
从处理结果可以看出，本发明的方法能够从根本上提高正弦波的信噪比，消除了毛刺，解决了幅值较小、信噪比较低的正弦波小信号输入时由于环境噪声与adc量化误差产生的信号异常波动导致pwm波输出跳变的问题，消除了环境噪声对正弦波的影响，从而消除了比较过程中pwm的异常跳动，保证了pwm信号的稳定输出。
[0099]
通过对外部输入幅值较小、信噪比较低的模拟正弦波小信号进行hample滤波、自相关运算与快速傅里叶变换(fft)测频处理，进而产生理想数字正弦波信号，解决了模拟正弦波小信号输入时由于环境噪声与adc量化误差产生信号幅值异常波动导致pwm波输出跳变的问题，从而保证了pwm信号的稳定输出，使得功率放大器的控制信号更加平稳。
[0100]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。