各種濾波演算法介紹及比較
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各種濾波演算法的比較數字濾波方法有很多種,每種方法有其不同的特點和使用範圍。從大的範圍可分為3類。
1、克服大脈衝干擾的數字濾波法
(一). 限幅濾波法; (二).中值濾波法
2、抑制小幅度高頻噪聲的平均濾波法
(一).算數平均;(二).滑動平均;(三).加權滑動平均;(四)一階滯後濾波法
3、複合濾波法
下面介紹常用的8種濾波方法:
(一)克服大脈衝干擾的數字濾波法:
克服由儀器外部環境偶然因素引起的突變性擾動或儀器內部不穩定引起誤碼等造成的尖脈衝干擾,是儀器資料處理的第一步。通常採用簡單的非線性濾波法。
1、限幅濾波法(又稱程式判斷濾波法)限幅濾波是通過程式判斷被測訊號的變化幅度,從而消除緩變訊號中的尖脈衝干擾。
A、方法:根據經驗判斷,確定兩次取樣允許的最大偏差值(設為A)每次檢測到新值時判斷:如果本次值與上次值之差A,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值
B、優點:能有效克服因偶然因素引起的脈衝干擾
C、缺點無法抑制那種週期性的干擾平滑度差
D、適用範圍:變化比較緩慢的被測量值
2、中位值濾波法
中位值濾波是一種典型的非線性濾波器,它運算簡單,在濾除脈衝噪聲的同時可以很好地保護訊號的細節資訊。
A、方法:連續取樣N次(N取奇數)把N次取樣值按大小排列(多采用冒泡法)取中間值為本次有效值
B、優點:能有效克服因偶然因素引起的波動(脈衝)干擾
C、缺點:對流量、速度等快速變化的引數不宜
D、適用範圍:對溫度、液位的變化緩慢的被測引數有良好的濾波效果
(二)抑制小幅度高頻噪聲的平均濾波法
小幅度高頻電子噪聲:電子器件熱噪聲、A/D量化噪聲等。通常採用具有低通特性的線性濾波器:算數平均濾波法、加權平均濾波法、滑動加權平均濾波法一階滯後濾波法等。
3、算術平均濾波法算術平均濾波法是對N個連續取樣值相加,然後取其算術平均值作為本次測量的濾波值。
A、方法:連續取N個取樣值進行算術平均運算N值較大時:訊號平滑度較高,但靈敏度較低N值較小時:訊號平滑度較低,但靈敏度較高N值的選取:一般流量,N=12;壓力:N=4
B、優點:對濾除混雜在被測訊號上的隨機干擾訊號非常有效。被測訊號的特點是有一個平均值,訊號在某一數值範圍附近上下波動
C、缺點:不易消除脈衝干擾引起的誤差。對於取樣速度較慢或要求資料更新率較高的實時系統,算術平均濾法無法使用的。比較浪費RAM
4、遞推平均濾波法(又稱滑動平均濾波法)
對於取樣速度較慢或要求資料更新率較高的實時系統,算術平均濾法無法使用的。滑動平均濾波法把N個測量資料看成一個佇列,佇列的長度固定為N,每進行一次新的取樣,把測量結果放入隊尾,而去掉原來隊首的一個數據,這樣在佇列中始終有N個“最新”的資料。
A、方法:把連續取N個取樣值看成一個佇列,佇列的長度固定為N,每次取樣到一個新資料放入隊尾,並扔掉原來隊首的一次資料.(先進先出原則)把佇列中的N個數據進行算術平均運算,就可獲得新的濾波結果N值的選取:流量,N=12;壓力:N=4;液麵,N=4~12;溫度,N=1~4
B、優點:對週期性干擾有良好的抑制作用,平滑度高適用於高頻振盪的系統
C、缺點:靈敏度低對偶然出現的脈衝性干擾的抑制作用較差不易消除由於脈衝干擾所引起的取樣值偏差不適用於脈衝干擾比較嚴重的場合比較浪費RAM
5、加權遞推平均濾波法
A、方法:是對遞推平均濾波法的改進,即不同時刻的資料加以不同的權通常是,越接近現時刻的資料,權取得越大。給予新取樣值的權係數越大,則靈敏度越高,但訊號平滑度低
B、優點:適用於有較大純滯後時間常數的物件和取樣週期較短的系統
C、缺點:對於純滯後時間常數較小,取樣週期較長,變化緩慢的訊號不能迅速反應系統當前所受干擾的嚴重程度,濾波效果差
6、一階滯後濾波法一階低通數字濾波器是用軟體的方法實現硬體的RC濾波,以抑制干擾訊號。在模擬量輸入通道中,常用一階滯後RC模擬濾波器來抑制干擾。
用此種方法來實現對低頻干擾時,首先遇到的問題是要求濾波器有大的時間常數(時間常數=RC)和高精度的RC網路。時間常數越大,要求RC值越大,其漏電流也必然增大,從而使RC網路精度下降。採用一階滯後的數字濾波方法,能很好的克服這種模擬量濾波器的缺點,在濾波常數要求較大的場合,此法更適合。
A、方法:a=Tf/(Tf+T)Tf為濾波時間常數。T為取樣週期本次濾波結果=(1-a)*本次取樣值+a*上次濾波結果
B、優點:對週期性干擾具有良好的抑制作用適用於波動頻率較高的場合
C、缺點:相位滯後,靈敏度低滯後程度取決於a值大小不能消除濾波頻率高於取樣頻率的1/2的干擾訊號
(三)複合濾波法
在實際應用中,有時既要消除大幅度的脈衝干擾,有要做到資料平滑。因此常把前面介紹的兩種以上的方法結合起來使用,形成複合濾波。去極值平均濾波演算法:先用中值濾波演算法濾除取樣值中的脈衝性干擾,然後把剩餘的各取樣值進行平均濾波。連續取樣N次,剔除其最大值和最小值,再求餘下N-2個取樣的平均值。顯然,這種方法既能抑制隨機干擾,又能濾除明顯的脈衝干擾。
7、中位值平均濾波法(又稱防脈衝干擾平均濾法)
中位值平均濾波法相當於“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”。
A、方法:連續取樣N個數據,去掉一個最大值和一個最小值然後計算N-2個數據的算術平均值N值的選取:3~14
B、優點:融合了兩種濾波法的優點這種方法既能抑制隨機干擾,又能濾除明顯的脈衝干擾。
C、缺點:測量速度較慢,和算術平均濾波法一樣比較浪費RAM
8、限幅平均濾波法
在脈衝干擾較嚴重的場合,如採用一般的平均值法,則干擾會平均到結果中去。限幅平均濾波法相當於“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”
A、方法:每次取樣到的新資料先進行限幅處理,再送入佇列進行遞推平均濾波處理
B、優點:融合了兩種濾波法的優點,對於偶然出現的脈衝性干擾,可消除由於脈衝干擾所引起的取樣值偏差
C、缺點:比較浪費RAM
D、適用範圍:緩變訊號
其他濾波方法還有很多,就不一一列舉了,以上方法是以前做的幻燈片中的內容。做了五個通用的濾波源程式。除了加權濾波法外,其他的可以根據這五個程式相互呼叫實現濾波功能。