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滤波器不止于应用于三相变频电源-滤波器的应用领域分析

滤波器的应用领域如此广泛在电源行业应用在三相变频电源比较多,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;在三相变频电源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。

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。

三相变频电源滤波器可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中,如:三相变频电源系统、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/港口的三相变频电源供电系统、医疗机构等。


通讯职业
为了满意大规模数据中心机房的运转需求,通讯配电体系中的UPS运用容量在大幅上升。据调查,通讯低压配电体系首要的谐波源设备为UPS、开关电源、变频空调等。
其发作的谐波含量都较高,且这些谐波源设备的位移功率因数极高。经过运用有源滤波器能够进步通讯体系及配电体系的安稳性,延伸通讯设备及电力设备的运用寿命,而且使配电体系更契合谐波环境的规划规范。
 
半导体职业
大多数半导体职业的3次谐波十分严峻,首要是因为企业中运用了许多的单相整流设备。3次谐波属于零序谐波,具备在中性线聚集的特色,导致中性线压力过大,乃至呈现打火现象,存在着极大的出产安全隐患。
谐波还会构成断路器跳闸,耽搁出产时刻。3次谐波在变压器内构成环流,加快了变压器的老化。严峻的谐波污染必定对配电体系中的设备运用功率和寿命构成影响。
 
石化职业
因为出产的需求,石化职业中存在着许多泵类负载,而且不少泵类负载都配有变频器。变频器的许多运用使石化职业配电体系中的谐波含量大大添加。
现在绝大部分变频器整流环节都是运用6脉冲将沟通转化为直流,因而发作的谐波以5次、7次、11次为主。其首要损害表现为对电力设备的损害及在计量方面的差错。运用有源滤波器能够很好地处理这方面的问题。
 
化纤职业
为大幅进步熔化率、进步玻璃的熔化质量,以及延伸炉龄、节约能源,在化纤职业常用到电助熔加热设备,凭借电极把电直接送入燃料加热的玻璃池窑中。这些设备会发作许多的谐波,且三相谐波的频谱和幅值不同比较大。
 
钢铁/中频加热职业
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发作严峻的影响,使电容补偿柜过载维护动作频频、变压器和供电线路发热严峻、熔断器频频熔断等,乃至引起电压下跌、闪变。
 
轿车制造业
 焊机是轿车制造业中不行少的设备,因为焊机具有随机性、快速性及冲击性的特色,使许多运用焊机构成严峻的电能质量问题,构成焊接质量不稳、主动化程度高的机器人因为电压不稳而不能作业,无功补偿体系无法正常运用等情况。
 
直流电机谐波管理
 大型直流电机场所都需求先经过整流设备将沟通电转换为直流电,因为此类工程的负载容量都较大,因而在沟通侧存在严峻的谐波污染,构成电压畸变,严峻时会引起事端。
 
主动化出产线和精细设备的运用 
在主动化出产线和精细设备场合,谐波会影响到其正常运用,使智能操控体系、PLC体系等呈现毛病。
 
医院体系 
医院对供电的连续性和可靠性有十分严厉的要求,0类场所主动康复供电时刻T≤15S,1类场所主动康复供电时刻0.5S≤T≤15S, 2类场所主动康复供电时刻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
可控硅调光体系、大型LED设备等都是谐波源,在运转过程中会发作许多的三次谐波,不但构成配电体系的电力设备功率低下,而且还会构成灯火频闪,对通讯、有线电视等微弱电回路发作杂音,乃至发作毛病。
在近代电信设备和各类操控体系中,数字滤波器运用也极为广泛,这儿列举部分运用最成功的范畴。
 
语音处理 
语音处理是最早运用数字滤波器的范畴之一,也是最早推进数字信号处理理论开展的范畴之一。该范畴首要包含5个方面的内容:
榜首,语音信号剖析。即对语音信号的波形特征、核算特性、模型参数等进行剖析核算;
第二,语音组成。即运用专用数字硬件或在通用核算机上运转软件来发作语音;
第三,语音辨认。即用专用硬件或核算机辨认人讲的话,或许辨认说话的人;
第四,语音增强。即从噪音或搅扰中提取被掩盖的语音信号。
第五,语音编码。首要用于语音数据紧缩,现在现已建立了一系列语音编码的国际标准,许多用于通讯和音频处理。
 
图画处理
数字滤波技能以成功地运用于静止图画和活动图画的康复和增强、数据紧缩、去噪音和搅扰、图画辨认以及层析X射线拍摄,还成功地运用于雷达、声纳、超声波和红外信号的可见图画成像。
在现代通讯技能范畴内,简直没有一个分支不遭到数字滤波技能的影响。信源编码、信道编码、调制、多路复用、数据紧缩以及自适应信道均衡等,都广泛地选用数字滤波器,特别是在数字通讯、网络通讯、图画通讯、多媒体通讯等运用中,离开了数字滤波器,简直是寸步难行。其间,被以为是通讯技能未来开展方向的软件无线电技能,更是以数字滤波技能为根底。
 
电视、雷达
数字电视取代模仿电视已是必定趋势。高清晰度电视的遍及指日可下,与之配套的视频光盘技能已构成具有巨大商场的工业;可视电话和会议电视产品不断更新换代。
视频紧缩和音频紧缩技能所取得的成就和标准化作业,促成了电视范畴工业的蓬勃开展,而数字滤波器及其相关技能是视频紧缩和音频紧缩技能的重要根底。
雷达信号占有的频带十分宽,数据传输速率也十分高,因而紧缩数据量和下降数据传输速率是雷达信号数字处理面临的首要问题。通知数字器材的呈现促进了雷达信号处理技能的进步。
在现代雷达体系中,数字信号处理部分是不行短少的,因为从信号的发作、滤波、加工到方针参数的估量和方针成像显现都离不开数字滤波技能。雷达信号的数字滤波器是当今十分活泼的研讨范畴之一。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,有源声纳体系涉及的许多理论和技能与雷达体系相同。
 
音乐 
数字滤波器为音乐范畴拓荒了一个新局面,在对音乐信号进行修改、组成、以及在音乐中参加交混回响、合声等特别作用特别方面,数字滤波技能都显现出了强壮的威力。数字滤波器还可用于作曲、录音和播映,或对旧录音带的音质进行康复等。 
 
有源电力滤波器在机场的运用
电力体系谐波发作的底子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,就构成了非正弦波电流,然后发作谐波。谐波污染越来越多地威胁到电力体系安全、安稳、经济运转,给同一网络的线性负载和其它用户带来了极大影响。
飞机作为一种快捷的交通办法给人们日常交通日子带来了多样化的挑选,随之机场也在逐年扩建。但在机场的低压配电体系中,存在着许多的谐波源,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、谐波频谱规模广、无功需求改动快等特色。
这类负载发作的谐波,危及配电体系的正常运转,乃至引发严峻的电气事端。其间以机场助航灯火体系为例,助航灯火负载设备不断添加,机场灯火站许多运用可控硅调光设备,导致发作许多的谐波电流,对电能质量构成污染,一起附加电流和额定的热效应对各类电气设备和电缆线路安全也构成必定损害。因而,对机场助航灯火站电力谐波问题进行剖析与管理极为重要。
现在电力体系谐波管理首要存在两大干流办法:无源滤波技能和有源滤波技能。机场灯火站选用的大功率电力半导体调光设备,会发作许多高次谐波(首要是3 倍次谐波以外的一切奇次谐波),而无源滤波器对每次谐波都要独自规划单谐振滤波器,规划参数要跟体系阻抗有关(核算体系阻抗很繁琐,而且体系逐年扩建,体系阻抗也会改动);无源滤波不能对谐波彻底消除,反而存在着放大谐振的风险;电容的老化也会使原来规划谐振点偏移而达不到滤除方针谐波的意图;无源滤波体系适宜负荷单一、安稳的场合。
与无源滤波器比较,有源滤波体系具有高度可控性和快速呼应性(≤1ms),能补偿各次谐波,可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特色;在性价比上较为合理;滤波特性不受体系阻抗的影响,可消除与体系阻抗发作谐振的风险;具有自适应功用,可主动盯梢补偿改动着的谐波。
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,由补偿设备发作一个与该谐波电流巨细持平而相位相反的补偿电流波形,用以抵消谐波源负载所发作的谐波电流,然后使电网侧电流只含有基波重量。

管理作用:

FIR滤波器在音响体系中的运用
一般情况下,我们运用IIR EQ是对音响体系或许某个通路的频率呼应曲线进行批改,这是我们运用这种均衡器的意图。事实上,大多数情况下,它能够帮我们完成这个方针。实际运用中PEQ和GEQ有必定差异,但不管哪种方式的EQ,只需它功用满意强壮,基本上能够到达与我们预期的意图。
但不幸的是,IIR EQ在对体系或许通道的频响曲线按我们个人的毅力进行批改的一起,它也带来了一个副产品——该音响体系或许通道的相位呼应遭到了损坏。而且,大体的规律是:IIR EQ对频响的改动幅度越大,则伴跟着其对对应体系或许通道相位呼应的损坏越严峻。
音响体系中运用高通滤波器(也能够以为是IIR EQ的一种)对相位的影响暗示
不过,在科技高度开展的今日,FIR这个从前被许多的运用于通讯等其它范畴的技能能够被运用到音响体系,这确实也是一件好事儿。
因为,它处理了IIR EQ所不能处理的问题,那就是作为EQ的另一种类型,它能够只对音响体系的频响做批改而不影响其相位呼应;它也能够只对音响体系的相位做批改而不影响频响(这不是跟“全通滤波器”类似吗?确实是,可是它的灵活性和功用性比AP强壮多了);它还能够一起批改体系的频率呼应和相位呼应。
这么一说,FIR EQ除了对体系的脉冲呼应没有批改才能这外,简直无所不能了?确实如此,可是,它也是有副作用的!
运用FIR处理器对500Hz以上的信号进行频响和相位处理前后的比照成果
因为FIR滤波器是一种数字滤波器,无法用模仿电路完成,所以,它对信号进行处理的时分,会或多或少的需求时刻本钱。换句话说,运用了FIR滤波器的音响体系会有额定的延时,而IIR因为能够用模仿电路来完成,则无此诟病,所谓任何事情都有两面性,有好的一面就会有欠好的另一面。虽然,时刻本钱也是我们有必要要考虑的要素,但至少关于中高频信号,几个毫秒的时刻本钱我们也不需求过于心疼。 
而详细需求多少时刻本钱,首要决定于需求FIR处理的频率规模。频率越低的声响其周期也越长。很简略我们能够想到,作为数字信号处理器的FIR,至少需求声响信号对应下限频率的一个周期的时刻对它进行处理。举例说明,就抱负情况而言,关于500Hz的声响信号,FIR滤波器需求至少2ms的时刻进行处理,当然,这个时滞一般情况下我们能够接受。但若是要处理低至50Hz的信号的时分,可能就需求20ms乃至于更长的时刻,这关于现场表演来说就会成为一个十分恼人的问题。
一般来说,音响这职业,必定是在不断的做挑选。因为,永久没有最好的计划,只要依当下而言更适宜的处理办法。想要更好的频率呼应的相位呼应,我们会考虑运用FIR滤波器,可是一起我们又不期望有太大的时延在体系中发作。所以,在现实情况中,许多厂商挑选用FIR处理体系的中高频部分,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运用
自适应滤波器的各种运用首要包含:
1、体系建模,其间自适应滤波器作为估量不知道体系特性的模型。
2、自适应噪声抵消器,其间自适应滤波器用于估量并抵消期望信号中的噪声重量;
3、数字通讯接纳机,其间自适应滤波器用于信道辨认并供给码间串扰的均衡器;
4、自适应天线体系,其间自适应滤波器用于波束方向操控,并可在波束方向图中供给一个零点以便消除不期望的搅扰。
 
体系辨识或体系建模
关于一个实在的物理体系,人们首要关怀其输入和输出特性,即对信号的传输特性,而不要求彻底了解其内部结构。体系能够是一个或多个输入,也能够有一个或多个输出。通讯统的辨识问题是通讯体系的一个十分重要的问题。所谓体系辨识,实质上是依据体系的输入和输出信号来估量或断定体系的特性以及体系的单位脉冲呼应或传递函数。
体系辨识和建模是一个十分广泛的概念,在操控、通讯和信号处理等范畴里都有重要意义。实际上,体系辨识和建模不仅局限于传统的工程范畴,而且能够用来研讨社会体系、经济体系和生物体系等。
本节只评论通讯和信号处理中的体系辨识和建模问题。选用滤波器作为通讯信道的模型,并运用自适应体系辨识的办法对通讯信道进行辨识,然后能够进一步地对通讯信道进行均衡处理。
如果把通讯信道看成是一个“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,而且使滤波器具有与“黑箱”相同的输入和输出。自适应滤波器经过调制自身的参数,使滤波器的输出与“黑箱”的输出相“匹配”。
这儿的“匹配”一般指最小二乘意义上的匹配。这样,滤波器就模仿了通讯信道对信号的传输行为。虽然自适应滤波器的结构和参数与实在的通讯信道不一样,可是它们在输入、输出呼应上保持高度一致。
因而,在这个意义上,自适应滤波器就是这个不知道“黑箱”体系的模型。而且还能够发现,如果自适应滤波器具有满意多的自由度(可调理参数),那么,自适应滤波器能够恣意程度地模仿这个“黑箱”。
假定不知道信道为有限冲激呼应(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体系的输入信号x(n),一起送入不知道信道体系和自适应滤波器。

调整自适应滤波器的系数,使差错信号e(n)的均方差错到达最小,则自适应滤波器的输出y(n)近似等于通讯体系的输出d(n)。能够证明,加性噪声v(n)的存在并不影响自适应滤波器终究收敛到最优维纳解。

能够以为,具有相同输入和类似输出的两个FIR体系,应该具有类似的特性。因而,能够选用自适应滤波器的特性或其单位脉冲呼应来近似代替不知道体系的特性或单位脉冲呼应。
 
FBAR滤波器在智能手机中的运用
现代智能手机中一个十分重要的部分是射频(RF)滤波器,正如它的基本原理,滤波器首要运用于经过需求并回绝不要的频率,以使手机中的许多接纳器能够只处理预期的信号。
在曩昔,手机一般只在全球特定区域的少量频段中作业,但是关于现代化的手机,基本上会在相一起刻于多个无线频段作业,包含移动通讯、蓝牙(Bluetooth)、WiFi和GPS等,而制造商也期望规划出可在全球不同区域和不同电信运营商效劳下作业的产品,要让手机在更多频段和区域作业代表了手机对射频滤波的要求越来越高。
在前几代的无线技能中,滤波要求并不难到达,可能只需运用外表声波滤波器即可,但跟着运营商网络逐步演进到CDMA和3G,为了能够运用现在的4G/LTE效劳,智能手机自身变得更为杂乱,因而手机制造商现已开端扩展选用FBAR技能来处理以下行将评论4G/LTE所面临的独特问题。

可在多个频段作业的4G/LTE手机
最新的智能手机产品在规划上有必要可在全球多个频段作业,多频段智能手机的全体尺度并不会大于前一代,因而如果要在保留给射频前端电路的相同空间内参加更多的滤波器,那么十分明显地,滤波器自身有必要十分小,藉助Microcap微型封装技能,FBAR滤波器能够经过芯片级封装满意绝大多数的空间受限运用。

因为FBAR是基体型资料,因而能够供给十分杰出的功率处理才能而不需求运用如SAW滤波器中常见的并行结构,另外,FBAR器材的尺度也会跟着频率的进步而缩小,这使得FBAR十分适宜现在2300MHz到2700MHz,以及未来3.5GHz的新4G/LTE频段运用。
 
运转于更高数据率的4G/LTE智能手机
 
相较于3G效劳,相同数据量下4G/LTE的下载速度大约能够到达10倍,也就是说于相一起刻内可被下载的数据量到达10倍,有几种办法能够用来完成更高的数据率,4G/LTE会依检测到的信号强度运用不同的调制办法,简略地说,信噪比越高,数据率就愈高,如由QPSK转换成QAM16/64调制。

于经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,然后得到更好的用户体会和更高的数据容量。
 
选用分频多工调制的手机运用答应一起进行信号发射和接纳的双工器,因为发射和接纳滤波器连接到相同的天线端口,因而彼此间的滤波器阻隔就十分重要,较高的阻隔会将接纳频段的噪声降至最低,这能够进步SNR和数据率。
 
进步数据率的另一种办法是经过载波聚合,载波聚合以多于一个频段的一起作业来进步下载数据率,部分新LTE频段占有相对较小的频谱,因而这是一个网络运营商能够有用进步通讯容量的办法。

因为每个频段的发射和接纳会一起作业,因而不能够运用开关,然后运用多工器来结合各个发射和接纳滤波器到相同的天线端口上,当以多工器装备结合时,Avago的FBAR滤波器能够供给低信号损耗途径,有助于最大极限地进步数据率。
 
智能手机一起运用多个无线信号
 
现在很难找到没有Wi-Fi连线功用的智能手机,依手机作业频率不同,如果没有经过恰当的滤波处理,手机发送的信号可能会搅扰Wi-Fi的正常运转。
运用智能手机作为Wi-Fi热门时,Wi-Fi会和4G/LTE无线信号一起作业,如果没有杰出的滤波才能,Wi-Fi收发器就有可能被遮盖或许遭到Band 7频带上LTE信号传输的影响。
 
今日绝大多数的手机一起还支撑GPS,乃至GLONASS效劳,因为GPS/GLONASS信号一般功率十分低,大约在-125dBm ~ -150dBm,因而一切挨近GPS频率的发射信号都可能影响GPS/GLONASS接纳器的灵敏度,AGPS-F001预滤波器加LNA模块因为具有峻峭滤波和宽带衰减才能,因而能够供给移动网络、PCS和WiFi信号杰出的带外遮盖才能和杰出的线性功能。
 
FBAR技能优势
 
电池运用时刻是一项常常用来进行手机功能测验并彼此比较的重要特性,在接纳侧,我们评论了FBAR的较低插入损耗如何经过补偿于射频前端结合多频段所带来的较高损耗支撑4G/LTE手机的更高数据率,另一个优点是,经过使手机能够检测较微弱信号,扩展移动通讯的掩盖规模,防止构成较差的接纳才能乃至掉线。
 


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能,Avago的Band 4双工器带来的插入损耗改善大约在0.2dB ~ 0.5dB,相当于节约达50mA的电流耗费,因而能够供给更长的电池运用寿命和通话时刻。
 


当大多数运用仍是根据3G效劳时,只要少量频段能够从FBAR技能获益,跟着4G/LTE多频段智能手机的遍及,FBAR技能的特性优势,例如低插入损耗、峻峭滤波曲线、高阻隔性和极小化的尺度等现已成为一切首要智能手机制造商快速导入这个技能的原因。
 
现在选用FBAR技能的滤波器、双工器以及多工器产品现已被导入美国、欧洲和亚洲等区域15个不同作业频段的智能手机规划中,跟着新滤波应战的呈现,FBAR技能将持续成为供给回答的优先挑选,成为干流技能。

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