延时陷波的自适应有源电力滤波器的滤波x最小均方方法技术

本发明专利技术公开了一种基于延时陷波的自适应有源电力滤波器的滤波x最小均方(FXLMS)方法，属于应用于自适应有源电力滤波器(APF)的经典FXLMS算法的优化设计，特别涉及有源电力滤波器的自适应算法的技术领域，包括：基于时延陷波的FXLMS算法通过构建多通道陷波滤波器，取代经典FXLMS算法中主通道的高阶滤波器，同时通过时延的方式代替经典FXLMS算法中次级通道的卷积运算，补偿次级通道带来的幅值和相位影响，通过本发明专利技术可以实现经典FXLMS算法的优化设计，与经典FXLMS算法相比，极大减少计算量，同时提高APF的抑制效果，更有利于在硬件电路上实现。上实现。上实现。

【技术实现步骤摘要】
延时陷波的自适应有源电力滤波器的滤波x最小均方方法


[0001]本专利技术属于应用于自适应有源电力滤波器APF的经典FXLMS算法优化，特别涉及基于时延陷波的FXLMS算法
，更具体地，涉及一种基于延时陷波的自适应有源电力滤波器的FXLMS方法。

技术介绍

[0002]自适应滤波算法从原理主要分为两类：最小均方算法(Least Mean Square，LMS)和最小二乘算法(Recursive Least Square，RLS)，FXLMS算法由经典LMS算法发展而来，广泛应用于主动噪声控制领域。
[0003]滤波
‑
x最小均方(filter
‑
X least mean square，FXLMS)算法与经典LMS算法的主要区别在于前者添加了次级通道，对从反馈到控制输出信号的次级通道的信号进行了相位补偿。然而，FXLMS算法需要消耗极大的计算机资料，不利于在硬件上实现。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种基于延时陷波的自适应有源电力滤波器的FXLMS方法，实现自适应有源电力滤波器的FXLMS算法的优化设计，与经典FXLMS算法相比，极大减少计算量，提高APF的抑制效果，更有利于在硬件电路上实现。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种应用于自适应有源电力滤波器的基于延时陷波的FXLMS方法，包括：
[0006]基于时延陷波的FXLMS算法通过构建多通道的两阶陷波滤波器取代经典FXLMS算法中高阶主通道，采用时延的方式代替经典FXLMS算法中次级通道权值系数的辨识方法，以补偿次级通道带来的幅值和相位影响，不需要次级通道与权值系数做卷积，极大减小计算量。
[0007]在一些可选的实施方案中，所述采用时延的方式代替经典FXLMS算法中次级通道权值系数的辨识方法，包括：
[0008]对内部数字式频率合成器DDS信号源合成的正弦波和余弦波进行延时操作后送入FXLMS算法作为参考信号x(n)，得到经过滤波器对应的输出信号，其中，以当前信号源频率值f为地址从预设的延时时钟周期数表中进行查表得到对应频率的延迟时钟周期数。
[0009]在一些可选的实施方案中，所述预设的延时时钟周期数表的构建方法包括：
[0010]将建模得到的单位脉冲响应函数进行快速傅里叶分解后得到各频率成分与相位的对应关系P(f)，由于延时必须为正数，调整P(f)的值处于
‑
2π至0之间，其中，相位与时延t的关系为：f为信号源频率；
[0011]通过得到延时的具体时钟周期数d(f)，f
s
为数字电路的工作时钟频率；
[0012]将d(f)的值以表的形式存储到数字控制系统的存储器得到预设的延时时钟周期数表。
[0013]在一些可选的实施方案中，进行延时操作后的参考信号为：x(n)＝Asin(2πd(f)t)，A为信号幅值。
[0014]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0015]本专利技术提出的基于时延陷波的FXLMS算法，与经典FXLMS算法进行计算量的对比，减少了约50％的计算量，更有利于在硬件电路上实现。同时，基于时延陷波FXLMS算法的抑制效果优于经典FXLMS算法，抑制效果高出40dB。
附图说明
[0016]图1是本专利技术实施例提供的一种基于时延陷波的XLMS算法的结构框图；
[0017]图2是本专利技术实施例提供的一种应用在APF中的基于时延陷波FXLMS算法的MATLAB/Simulink模型；
[0018]图3是本专利技术实施例提供的一种基于时延陷波FXLMS算法与经典FXLMS算法的APF的谐波抑制效果对比图。
具体实施方式
[0019]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0020]基于时延陷波的FXLMS算法的结构框图如图1所示，该算法的信号处理通道一次只能处理一个频率，由该频率的正弦和余弦构成参考信号x(n)。从结构上来说，基于时延陷波的FXLMS算法的一个通道相当于一个正交的两阶陷波滤波器，可抑制的频点数与设计的通道数量相等。
[0021]基于时延陷波的FXLMS算法的参考信号由内部的信号发生器，直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)产生，假设该频率为f，幅值为A，则参考信号为：
[0022]x(n)＝Asin(2πft)
[0023]经过滤波器对应的输出信号为：
[0024]y(n)＝W1(n)x1(n)+W2(n)x2(n)
[0025]其中
[0026][0027]基于时延陷波的FXLMS算法不需要进行参考信号与滤波器权值系数的卷积运算，也就是说基于时延陷波的FXLMS算法在卷积计算上计算量远小于经典的FXLMS算法。基于时延陷波的FXLMS算法不需要对不同频率的谐波进行分别处理，频率成分越复杂，需要的滤波通道数量越多。除此之外，基于时延陷波的FXLMS算法需要提供频率值以生成正弦余弦信号代替经典FXLMS算法中由采样获得的参考信号，对于已知干扰频率成分的情况可以直接使
用该频率值，若该频率未知，则需要提取频率成分。
[0028]经典FXLMS算法中的参考信号需要与次级通道权值系数求卷积，以补偿次级通道带来的幅值和相位影响，所以当次级通道阶数较高时仍然具有很大的计算量，基于时延陷波的FXLMS算法采用时延的方式代替卷积运算，减小计算量。具体的实现方式为将建模得到的单位脉冲响应函数(即权值系数)，进行快速傅里叶分解(FFT)后得到各频率成分与相位的对应关系P(f)，由于延时必须为正数，调整P(f)的值处于
‑
2π至0之间。相位与时延t有如下关系：
[0029][0030]式中f为信号源频率。可得延时的具体时钟周期数为：
[0031][0032]式中f
s
为数字电路的工作时钟频率，本专利技术实施例中优选为400kHz。将d(f)的值以表的形式存储到数字控制系统的存储器，以当前信号源频率值f为地址进行查表得到对应频率的延迟时钟周期数。对内部DDS信号源合成的正弦波、余弦波进行延时操作后送入算法作为参考信号x(n)。取代了传统FXLMS算法中次级通道与参考信号做卷积的操作，极大减少了计算量。
[0033]如表1所示，为主通道L阶、次级通道M阶的FXLMS算法的计算量，如表2所示，为K个频点、次级通道M阶的基于时延陷波的FXLMS算法的计算量。将表1中经典FXLMS算法与表2中基于时延陷波的FXLMS算法的乘加计算量总结对比如表3所示。
[0034]表1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于延时陷波的应用于自适应有源电力滤波器的滤波
‑
x最小均方方法，其特征在于，包括：基于时延陷波的FXLMS算法通过构建多通道的两阶陷波滤波器取代经典FXLMS算法中高阶主通道，采用时延的方式代替经典FXLMS算法中次级通道权值系数的辨识方法，以补偿次级通道带来的幅值和相位影响，不需要次级通道与权值系数做卷积。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用时延的方式代替经典FXLMS算法中次级通道权值系数的辨识方法，包括：对内部数字式频率合成器DDS信号源合成的正弦波和余弦波进行延时操作后送入FXLMS算法作为参考信号x(n)，得到经过滤波器对应的输出信号，其中，以当前信号源频率值f为地址从预设的延时时钟周期...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨春宇，黄琛，华成超，杨鹏，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：