數(shù)字濾波的優(yōu)缺點分析.doc

數(shù)字濾波的優(yōu)缺點分析由于開發(fā)需要，要用到數(shù)字濾波。以前寫的數(shù)字濾波程序都是針對某種需要去寫的。考慮到通用性，專門針對大部分濾波方式寫了通用的濾波程序模塊，是用匯編語言寫的。如用需要，可以留E-Mail 現(xiàn)在介紹一下數(shù)字濾波 一、目的及定義： 所謂數(shù)字濾波,就是通過一定的計算程序,對采集的數(shù)據(jù)進行某種處理，從而消除或削弱干擾和噪聲的影響,提高測量的可靠性和精度。 二、優(yōu)缺點 1、優(yōu)點 ：（1）數(shù)字濾波只是一個計算過程，無需硬件，因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配、特性波動、非一致性等問題。模擬濾波器在頻率很低時較難實現(xiàn)的問題，不會出現(xiàn)在數(shù)字濾波器的實現(xiàn)過程中。（2）只要適當(dāng)改變數(shù)字濾波程序有關(guān)參數(shù)，就能方便的改變?yōu)V波特性，因此數(shù)字濾波使用時方便靈活。2、缺點： 需要占用單片機資源。由于單片機速度和存儲容量都很有限 ,實際應(yīng)用中由于實時性和存儲量的限制 ,在普通單片機上要實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字濾波是不太可能和實際的。 三、分類 數(shù)字濾波方法有很多種，每種方法有其不同的特點和使用范圍。從大的范圍可分為3類。 1、克服大脈沖干擾的數(shù)字濾波法 .限幅濾波法 .中值濾波法 2、抑制小幅度高頻噪聲的平均濾波法 算數(shù)平均 滑動平均 加權(quán)滑動平均 一階滯后濾波法 3、復(fù)合濾波法 四、介紹 在這我選用了常用的8種濾波方法予以介紹 （一）克服大脈沖干擾的數(shù)字濾波法： 克服由儀器外部環(huán)境偶然因素引起的突變性擾動或儀器內(nèi)部不穩(wěn)定引起誤碼等造成的尖脈沖干擾，是儀器數(shù)據(jù)處理的第一步。 通常采用簡單的非線性濾波法。 1、限幅濾波法（又稱程序判斷濾波法） 限幅濾波是通過程序判斷被測信號的變化幅度，從而消除緩變信號中的尖脈沖干擾。 A、方法： 根據(jù)經(jīng)驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設(shè)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(yōu)點： 能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾 C、缺點 無法抑制那種周期性的干擾 平滑度差 D、適用范圍: 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，在濾除脈沖噪聲的同時可以很好地保護信號的細節(jié)信息。 A、方法： 連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)） 把N次采樣值按大小排列（多采用冒泡法） 取中間值為本次有效值 B、優(yōu)點： 能有效克服因偶然因素引起的波動(脈沖)干擾 C、缺點： 對流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜 D、 適用范圍： 對溫度、液位的變化緩慢的被測參數(shù)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。 通常采用具有低通特性的線性濾波器：算數(shù)平均濾波法、加權(quán)平均濾波法、滑動加權(quán)平均濾波法一階滯后濾波法等。 3、算術(shù)平均濾波法 算術(shù)平均濾波法是對N個連續(xù)采樣值相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次測量的濾波值。 A、方法： 連續(xù)取N個采樣值進行算術(shù)平均運算 N值較大時：信號平滑度較高，但靈敏度較低 N值較小時：信號平滑度較低，但靈敏度較高 N值的選?。阂话懔髁?，N=12；壓力：N=4 B、優(yōu)點： 對濾除混雜在被測信號上的隨機干擾信號非常有效。被測信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近上下波動 C、缺點： 不易消除脈沖干擾引起的誤差。對于采樣速度較慢或要求數(shù)據(jù)更新率較高的實時系統(tǒng)，算術(shù)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） 對于采樣速度較慢或要求數(shù)據(jù)更新率較高的實時系統(tǒng)，算術(shù)平均濾法無法使用的。 滑動平均濾波法把N個測量數(shù)據(jù)看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每進行一次新的采樣，把測量結(jié)果放入隊尾，而去掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，這樣在隊列中始終有N個“最新”的數(shù)據(jù)。 A、方法： 把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列 ， 隊列的長度固定為N ，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾,并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù).(先進 先出原則) 把隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算,就可獲得新的濾波結(jié)果 N值的選取：流量，N=12；壓力：N=4；液面，N=412；溫 度，N=14B、優(yōu)點： 對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高 適用于高頻振蕩的系統(tǒng)C、缺點： 靈敏度低 對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差 不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差 不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合 比較浪費RAM 5、加權(quán)遞推平均濾波法 A、方法： 是對遞推平均濾波法的改進，即不同時刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán) 通常是，越接近現(xiàn)時刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取得越大。給予新采樣值的權(quán)系數(shù)越大，則靈敏度越高，但信號平滑度低 B、優(yōu)點： 適用于有較大純滯后時間常數(shù)的對象 和采樣周期較短的系統(tǒng) C、缺點： 對于純滯后時間常數(shù)較小，采樣周期較長，變化緩慢的信號 不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差 6、一階滯后濾波法 一階低通數(shù)字濾波器是用軟件的方法實現(xiàn)硬件的RC濾波，以抑制干擾信號。在模擬量輸入通道中，常用一階滯后RC模擬濾波器來抑制干擾。用此種方法來實現(xiàn)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(shù)（時間常數(shù)=RC）和高精度的RC網(wǎng)絡(luò)。時間常數(shù)越大，要求RC值越大，其漏電流也必然增大，從而使RC網(wǎng)絡(luò)精度下降。采用一階滯后的數(shù)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(shù)要求較大的場合，此法更適合。 A、方法： a= T f /( T f +T) T f 為濾波時間常數(shù)。T為采樣周期 本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果 B、優(yōu)點： 對周期性干擾具有良好的抑制作用 適用于波動頻率較高的場合 C、缺點： 相位滯后，靈敏度低 滯后程度取決于a值大小 不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號 （三）復(fù)合濾波法 在實際應(yīng)用中，有時既要消除大幅度的脈沖干擾，有要做到數(shù)據(jù)平滑。因此常把前面介紹的兩種以上的方法結(jié)合起來使用，形成復(fù)合濾波。去極值平均濾波算法：先用中值濾波算法濾除采樣值中的脈沖性干擾，然后把剩余的各采樣值進行平均濾波。連續(xù)采樣N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N2個采樣的平均值。顯然，這種方法既能抑制隨機干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾。 7、中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾法） 中位值平均濾波法相當(dāng)于“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法” 。 A、方法： 連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和一個最小值 然后計算N-2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值 N值的選?。?14 B、優(yōu)點： 融合了兩種濾波法的優(yōu)點 這種方法既能抑制隨機干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾。 C、缺點： 測量速度較慢，和算術(shù)平均濾波法一樣 比較浪費RAM 8、限幅平均濾波法 在脈沖干擾較嚴重的場合，如采用一般的平均值法，則干擾會平均到結(jié)果中去。限幅平均濾波法相當(dāng)于“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法” A、方法： 每次采樣到的新數(shù)據(jù)先進行限幅處理，再送入隊列進行遞推平均濾波處理 B、優(yōu)點： 融合了