專利名稱:脈動控制接收機的制作方法
本發(fā)明涉及一種用于供電系統(tǒng)的脈動控制接收機，它由至少有一個數(shù)字濾波器的輸入部分，分析裝置和輸出部分組成。
在供電系統(tǒng)中用脈動控制接收機來控制負載已經(jīng)有幾十年歷史。在脈動控制工程中使用編碼音頻信號，此信號被加到電力系統(tǒng)(例如50赫或60赫)上，并以信息的形式傳輸。在供電系統(tǒng)中，已經(jīng)采用不同音頻或其他系統(tǒng)特性，例如不同脈沖間隔的脈動控制系統(tǒng)。脈動控制接收的任務(wù)是檢測經(jīng)由供電系統(tǒng)傳來的脈沖信息;如果必要的話，還可履行特種開關(guān)的職責(zé)。為達到這個目的，脈動控制接收機具有以下三部分(1)用于對接收到的脈沖進行濾波和整形的輸入部分;(2)用于分析信息的處理部分;(3)具有開關(guān)裝置的輸出部分。
由于在接收到的系統(tǒng)信號中存在干擾變量，使得脈動控制接收機的檢測任務(wù)更加困難。最重要的干擾變量是系統(tǒng)頻率的諧波(即系統(tǒng)諧波)，其次是系統(tǒng)頻率本身。系統(tǒng)電壓的頻率和幅度在一個容許范圍內(nèi)變化，系統(tǒng)諧波也是如此。鄰近供電系統(tǒng)的控制頻率所引起的干擾以及其他不規(guī)則擾動信號均能如噪聲一樣被檢測出來。
這些干擾變量是脈動控制接收機輸入端的音頻脈沖電平必須保持在某個特定最小值以上的原因。在輸入部分具有模擬帶通濾波器的一般脈動控制接收機，其最小音頻工作電壓約等于系統(tǒng)電壓的0.5%。為保證得到這個最小可接收電壓信號，就需要高功率脈動控制發(fā)射機。如果可降低所需的發(fā)射電平，將帶來可觀的經(jīng)濟效益。但是，用模擬帶通濾波器不可能進一步明顯地降低最小發(fā)射電平。此外，模擬濾波器還有某些制造上的不利條件，因為它們含有制造過程中必須調(diào)諧的頻率確定元件(frequency-determing components)。
另一個重要參數(shù)是帶通濾波器的選擇性。目前能達到的選擇性決定了現(xiàn)有的關(guān)于脈動控制頻率的頻率分布方案(VDEW方案)。模擬濾波器即使就其選擇性而言，用經(jīng)濟上可能的辦法也已無法取得進一步的顯著提高。
德國書2708074建議裝置一個單板微計算機，用來數(shù)字式地濾出脈動控制脈沖。其目的是利用較大規(guī)模集成電路減少脈動控制接收機的硬片費用。然而，作者僅僅是希望所提出的數(shù)字濾波器超過模擬濾波器的功能。關(guān)于用數(shù)字濾波器可以得到更好的濾波特性，以及以什么方式可以實現(xiàn)這個目標，該書未就此給出任何指示。
本發(fā)明的基本目的是在德國專利2708074的基礎(chǔ)上詳細說明一種脈動控制接收機，它具有用于從某電力系統(tǒng)信號中濾出脈動控制脈沖的數(shù)字濾波器;這種濾波器避免了以前濾波器的缺點，特別是，它具有高的選擇性和高的輸入靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明的脈動控制接收機，由于它具有以下特征及其有利的設(shè)計才可達到此目的它包括至少有一個數(shù)字濾波器的輸入部分，一個分析裝置和一個輸出部分;輸入數(shù)字濾波器具有特殊的頻率響應(yīng)，該濾波器對系統(tǒng)的諧波頻率、鄰近脈動控制系統(tǒng)的控制頻率以及系統(tǒng)的特殊干擾頻率區(qū)，產(chǎn)生大幅度選擇性衰減;接收機中有N級有限脈沖響應(yīng)(FIR)匹配濾波器，其設(shè)計是基于具有各種干擾變量的電力系統(tǒng)的特殊的通道特性(這些干擾變量的給定在此種情況中，即考慮頻率起伏的系統(tǒng)頻率及其諧波頻率，鄰近脈動控制裝置的頻率以及與系統(tǒng)區(qū)域有關(guān)的干擾頻譜)以及這種濾波器的頻率響應(yīng)在系統(tǒng)頻率的諧波頻率點和鄰近脈動控制裝置的控制頻率處，具有無限大的衰減。
本發(fā)明推薦提供的輸入濾波器具有特定的頻率響應(yīng)，也即對個別的頻率或很窄的頻率范圍具有可選擇的很高的衰減。上述可用不同方法構(gòu)成的數(shù)字濾波器在任何情況下都具有足夠短的建立時間。
N級有限脈沖響應(yīng)匹配濾波器可以組成下面所稱的最佳濾波器，它有利地具有高度衰減的特定頻率區(qū)。這種濾波器可抑制任何干擾頻率(例如外部脈動控制頻率)或干擾頻率區(qū)(例如由局部有限系統(tǒng)區(qū)間中的靜態(tài)變換裝置引起的干擾)。它可任意地選擇脈動控制頻率，因此不必要使它定位于特定的增量模式范圍內(nèi)。此外，取樣頻率是固定的，也就是說，與脈動控制頻率及系統(tǒng)頻率無關(guān)。這意味著，不需要鎖相環(huán)電路就可抑制系統(tǒng)頻率及其諧波頻率(起伏的系統(tǒng)頻率也一樣)。然而，目前，濾波器本身仍然需要比較高的費用。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，這種硬件的費用很快就會失去它的重要性。
可以用一種所謂準最佳濾波器，以不同的方式、用較少的硬件費用，達到所需的濾波性能;即，設(shè)定所選擇的增量模式(例如25Hz，16 2/3 HZ，8 1/3 HZ，或4 1/6 HZ)的頻率的幅度為零;結(jié)果，對所選擇的增量模式而言，系統(tǒng)諧波和其他供電企業(yè)的脈動控制頻率都被抑制了。其結(jié)果，當各供電企業(yè)使用與所選擇的增量模式頻率的倍數(shù)對應(yīng)的不同控制頻率時，各鄰近的供電企業(yè)就不會產(chǎn)生相互干擾。這也意味著，在采用根據(jù)本發(fā)明的接收機之后，可以省去供電系統(tǒng)中通常的音頻裝置和帶通電路。此外，那些迄今不可用的緊靠系統(tǒng)頻率諧波的頻率也可以用作控制頻率。最后，一個非常有意義的優(yōu)點是對于脈動控制頻率，約等于系統(tǒng)電壓的0.1%至0.3%的最小接收電平已經(jīng)足夠了。
通過適當?shù)剡x擇濾波系數(shù)，可以把實現(xiàn)準最佳數(shù)字濾波器的費用保持在低水平。因此，可采用等于2的乘方的濾波系數(shù)。從E.Luder的“無乘法器的數(shù)字濾波器的設(shè)計和最佳化”(AEU Vol.37 1983年，第9-10期，299-302，特別是P299的方程(3))得知這種可能性。根據(jù)本發(fā)明的一項有利的改進，提出利用具有某種參數(shù)的傳遞函數(shù)作為基礎(chǔ)，這種參數(shù)使得濾波系數(shù)僅取-1、0或1。那樣，為實現(xiàn)這種濾波器只需要加法和減法，它大大簡化了計算方法。使用遞歸濾波器(recursive filter)結(jié)構(gòu)的可能性對于實現(xiàn)這種濾波器也是有利的。
使用鎖相環(huán)電路，能方便地實現(xiàn)取樣頻率和系統(tǒng)頻率的耦合。這就避免了濾波器特性隨系統(tǒng)頻率波動而變化。
以下借助附圖和實施例，較詳細地對本發(fā)明加以說明，就附圖圖1表示脈動控制接收機的方框圖;
圖2表示與VDE0420相應(yīng)的系統(tǒng)諧波以及與VDEW相應(yīng)的脈動控制頻率的典型電平值(VDE-西德電氣工程師協(xié)會);
圖3表示最佳數(shù)字濾波器的衰減曲線;
圖4表示準最佳數(shù)字濾波器的衰減曲線;
圖5表示有利的濾波系數(shù)g(K)。
圖1表示與本發(fā)明相應(yīng)的脈動控制接收機的方塊圖。這個脈動控制接收機包括初步濾波器(coarse filter)1，理想取樣器2，A/D變換器3，數(shù)字處理單元4和輸出級5;這些部分都是串聯(lián)連接的。在準最佳濾波器的情況下，可有一個鎖相環(huán)電路6，它的輸入端EC與初步濾波器1的第二輸出端A7相連;它的輸出端A6與取樣器2的第二輸入端E7相連。數(shù)字處理單元4有兩項功能(1)作為一個帶通濾波器4，用來對來自系統(tǒng)信號的脈動控制脈沖進行數(shù)字濾波;(2)作為一個分析器。因此，脈動控制接收機的輸入部分由初步濾波器1，取樣器2，A/D變換器3以及處理單元4中的帶通濾波器組成。
在準最佳濾波器情況下采用鎖相環(huán)電路6不是絕對必要的;但是，它提供一種在脈動控制頻率下把發(fā)射和接收電平降到特別低的可能性。在這一方面，由于取樣器2的取樣頻率和系統(tǒng)頻率的耦合，即使在系統(tǒng)頻率波動情況下，也可實現(xiàn)系統(tǒng)頻率諧波的極大衰減。可以省去抗混疊濾波器(anti-aliaimg filter)。
如果使用鎖相環(huán)電路，如圖1中所示，那么，初步濾波器1就由一個巴特沃思(Butterworth)四級高通濾波器(它的截止頻率fg＝150HZ，用于選擇性地衰減系統(tǒng)頻率的電平)和一個fg＝350HZ的一級低通濾波器組成。該高通濾波器用以把系統(tǒng)頻率的電平降低到其他信號分量的電平范圍內(nèi);同時，使系統(tǒng)信號電平同后面電子器件允許的電壓范圍相適應(yīng)。該低通濾波器用于衰減高頻干擾信號，例如由開關(guān)過程引起的干擾以及噪聲電平。低通濾波器的輸出端被通到初步濾波器1的輸出端A7，后者與鎖相環(huán)電路6連接。
如果省去鎖相環(huán)電路，即，采用固定的取樣頻率，那么具有截止頻率fg＝350HZ的6級低通濾波器更適用于初步濾波器1，用它來代替簡單的1級低通濾波器。6級低通濾波器起一個抗混疊濾波器的作用，也就是說，它抵消了由于連續(xù)取樣所引起的模擬頻譜的失真。
將系統(tǒng)信號(UN(t))輸送到初步濾波器1的輸入端E1。在初步濾波器的輸出端A1，一個經(jīng)過濾波和電平修正的信號UF(t)被發(fā)送到理想取樣器2的輸入端E2。理想取樣器2通過按取樣周期T進行等間隔取樣，由連續(xù)信號UF(t)產(chǎn)生一個離散的序列U(k)。接著A/D變換器3使序列U(k)的振幅數(shù)字化，并在其輸出端A3發(fā)送出序列X(k)，再把X(k)輸送到數(shù)字處理單元4的輸入端E4。
數(shù)字處理單元4被用作為數(shù)字帶通濾波器和用作對接收到的脈動控制脈沖進行解碼的分析器。脈動控制脈沖的解碼及輸出部分5的結(jié)構(gòu)是已知的而不需要進一步的說明。因此，下面解釋數(shù)字帶通濾波器的設(shè)計。
在該帶通濾波器的設(shè)計中，假定一個已知或已測定的頻譜，例如，示于圖2。圖2根據(jù)德國電氣工程師協(xié)會(VDE)0420(實線)，表示了作為系統(tǒng)電壓UN的百分數(shù)的系統(tǒng)諧波電平值U;并根據(jù)VDEW，以1%系統(tǒng)電壓的電平表示了脈動控制系統(tǒng)的控制頻率(虛線)。為實現(xiàn)有限建立周期，最佳濾波器必須僅僅在起干擾作用的系統(tǒng)諧波和外部脈動控制頻率的狹窄范圍內(nèi)具有高的衰減值。在以上這些頻率之間的中間頻率范圍內(nèi)，比較低的衰減值已足以抑制系統(tǒng)中的噪聲或其他干擾信號。因為系統(tǒng)頻率在一個允許的范圍內(nèi)(例如49-50.5HZ)波動，使得系統(tǒng)諧波的頻率也在波動，所以應(yīng)不將系統(tǒng)諧波視為頻譜線，而應(yīng)視為一個窄頻率區(qū)。此外，脈動控制頻率也具有容限范圍。
視為最佳濾波器的衰減曲線的例子示于圖3中，該濾波器在給定條件下給出了有用信號和干擾信號的最大的功率比值(匹配濾波器)。然而，在所示的例子中，未考慮外部脈動控制頻率。這種濾波器是不可能實現(xiàn)為模擬濾波器的。作為數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)也需要增加一定的硬件費用，因為需要高的濾波器級數(shù)，因而在每個取樣周期中需要大量的乘和加法運算。然而，對于這種最佳濾波器，約等于0.1%的系統(tǒng)電壓的脈動控制頻率的輸入電平，已經(jīng)足夠;而且是在系統(tǒng)電壓和它的諧波的整個容限范圍內(nèi)。所需的接收電平是所需誤碼概率的函數(shù)。
根據(jù)有益的研制結(jié)果，建議用一種所謂準最佳濾波器，它能提供大致同樣低的接收電平，而且實現(xiàn)起來更簡單。在這種裝置中，采用了一個具有如下脈沖響應(yīng)的數(shù)字帶通濾波器
其中g(shù)(k)＝脈沖響應(yīng)或濾波系數(shù)C＝常數(shù)ωo＝2πfofo＝脈動控制頻率T＝1/fsfs＝取樣頻率k＝1，2，3…φ＝相移
N＝濾波器級數(shù)選擇參數(shù)C，T和φ使g(k)取最簡單的值，即g(k)＝-1，0，1。
濾波器的輸出變量Y(k)與輸入序列X(k)之間存在以下關(guān)系Y(k)=Σi = 0N -1]]>g(i)x(k-i)利用簡單的濾波系數(shù)g(k)＝-1，0，或1，在實現(xiàn)該濾波器時只需要加法和減法。
例如，如果取樣頻率的參數(shù)取為fs＝6fo，常數(shù)C＝2/3]]>，相移φ＝0°，則得到示于圖5中的g(k)＝0，1，1，0，-1，-1。
所提出的準最佳濾波器的另一個有益的特點是可能用遞歸濾波器結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)所需的濾波器。這樣，可以進一步降低硬件費用。在濾波系數(shù)g(k)＝0，1，1，0，-1，-1…的情況下，得到以下差分方程Y(k)＝Y(jié)(k-1)-Y(k-2)+X(k-1)-X(k-N-1)對于任何的濾波級數(shù)N，為計算輸出變量Y(k)，只需要進行兩次減法和一次加法。
上述濾波器用幅度響應(yīng)的零點而完全抑制了特定頻率fk。對于這些頻率下式成立fk＝ (k)/(N) fsk＝0，1…N-1k≠ (N)/6 ， 5/6 N該濾波器的這種特性可用來消除系統(tǒng)頻率及其諧波頻率;只要適當選擇取樣頻率fs和濾波器級數(shù)N即可實現(xiàn)。
對于典型的脈動控制頻率fo＝216 2/3 HZ，則取樣頻率fs為fs＝6fo＝1300HZ抑制fN＝50Hz的系統(tǒng)頻率及其所有諧波頻率時的濾波器的級數(shù)為N＝78，156，234，312，390，…利用以上濾波器級數(shù)N，及16 2/3 HZ增量模式，也可以完全抑制外部控制頻率。不難看出，通過適當選擇參數(shù)，也可以用其他增量模式，例如8 1/3 HZ模式，4 1/6 HZ模式來達到對外部控制頻率的抑制。
圖4表示在濾波器級數(shù)N＝78情況下，一個準最佳濾波器的衰減曲線。此濾波器有一個短的建立周期(約60ms)。
采用兩個或更多濾波器串聯(lián)的辦法，可以得到比這條衰減曲線更大的變率;并且在頻率漂移的情況下，可得到象采用鎖相環(huán)電路同樣好的結(jié)果。
用最佳和準最佳數(shù)字濾波器在供電企業(yè)系統(tǒng)中進行了一系列廣泛的試驗，理論上預(yù)期的結(jié)果在實踐中得到了證明。實驗結(jié)果還表明，可以實現(xiàn)所提出的用于脈動控制接收機的準最佳濾波器;例如，裝備有Intel 8085型8位微處理器的脈動控制接收機，在實際運行中，具有和使用最佳濾波器的脈沖控制接收機差不多同樣好的性能。
權(quán)利要求
1.一個用于供電系統(tǒng)的脈動控制接收機，它具有一個至少含有一個數(shù)字濾波器的輸入部分，一個分析裝置和一個輸出部分；其特征在于其數(shù)字濾波器具有這樣的頻率響應(yīng)一對系統(tǒng)頻率的諧波頻率和/或鄰近脈動控制設(shè)備的控制頻率和/或系統(tǒng)特定干擾頻率范圍，產(chǎn)生選擇性衰減。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的脈動控制接收機，其特征在于提供一個N級有限脈沖響應(yīng)(FIR)的匹配濾波器，其設(shè)計根據(jù)是供電系統(tǒng)的特定的通道特性，這種供電系統(tǒng)具有給定的干擾變量一考慮系統(tǒng)頻率波動的系統(tǒng)頻率及其諧波頻率，鄰近脈動控制裝置的頻率以及系統(tǒng)區(qū)域性干擾頻譜。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的脈動控制接收機，其特征點在于其濾波器的頻率響應(yīng)具有與某些頻率對應(yīng)的零點(無限大衰減)，這些頻率是系統(tǒng)頻率的諧波頻率以及鄰近脈動控制裝置的控制頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3的脈動控制接收機，其特征在于其數(shù)字式帶通濾波器具有如下脈沖響應(yīng)
其中g(shù)(k)＝脈沖響應(yīng)或濾波系數(shù)C＝常數(shù)ωo＝2πfo，fo＝脈動控制頻率T＝1/fs，fs＝取樣頻率K＝1，2，3φ＝相移N＝濾波器級數(shù)
5.根據(jù)權(quán)利要求
3的脈動控制接收機，其特征在于在輸入部分設(shè)置兩個數(shù)字濾波器的串聯(lián)電路，它具有如下脈沖響應(yīng)
其中g(shù)(k)＝脈沖響應(yīng)或濾波系數(shù)C＝常數(shù)ωo＝2πfo，fo＝脈動控制頻率T＝1/fs，fs＝取樣頻率K＝1，2，3φ＝相移N＝濾波器級數(shù)
6.根據(jù)權(quán)利要求
4的脈動控制接收機，其特征在于借助相應(yīng)同步控制回路(鎖相環(huán)電路)，使數(shù)字濾波器的取樣頻率fs與系統(tǒng)頻率fN耦合。
7.根據(jù)權(quán)利要求
4至6之一脈動控制接收機，其特征在于所選擇濾波器參數(shù)一取樣頻率fs，常數(shù)C和相移φ，使得濾波系數(shù)g(k)只能取以下值g(k)＝-1，0或1
8.根據(jù)權(quán)利要求
4至7中之一的脈動控制接收機，其特征在于所選擇濾波器級數(shù)N，使得每隔△f＝fN/m(其中fN＝系統(tǒng)頻率，m＝1，2，3，…)可得到濾波器頻率響應(yīng)的零點;而取樣頻率fs是系統(tǒng)頻率fN的整數(shù)倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求
4至8中之一的脈動控制接收機，其特征在于提供了一種遞歸濾波器結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)這種脈動控制接收機。
專利摘要
為使脈動控制接收機具有最小的脈沖控制信號輸入電平—低于已有的脈動控制接收機的輸入電平，本發(fā)明提出在其輸入部分用一個數(shù)字帶通濾波器，這種濾波器的頻率響應(yīng)在選定的頻率或狹窄頻率范圍內(nèi)具有很特大的衰減。根據(jù)最佳實施方案，提供了一種濾波器，此濾波器在所選擇的增量模式的頻率上幅度為零；并適當選擇濾波器的參數(shù)，便得到簡單的濾波系數(shù)。
文檔編號H04B3/54GK86104912SQ86104912
公開日1987年2月18日 申請日期1986年8月2日
發(fā)明者海因茨·克朗曼勒, 喬基姆·斯托克, 喬·普希勒 申請人:布朗波維里公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan