面向電磁干擾的高頻開關(guān)電源信號去噪方法

摘 要：為對信號進(jìn)行去噪處理，本文研究了面向電磁干擾的高頻開關(guān)電源信號去噪方法。首先，分析信號頻譜，根據(jù)電磁干擾條件下信號的輻射特性和傳播特性計(jì)算高頻開關(guān)電源信號能量。其次，將白噪聲引到原始信號中，利用EMD多次迭代分解，集成平均消除白噪聲，得到本征模態(tài)函數(shù)（IMF）分量，對信號進(jìn)行EEMD分解。最后，采用獨(dú)立成分分析法，從多元信號中分離出統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立的非高斯源信號，進(jìn)行信號去噪處理。對比試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行高頻開關(guān)電源信號的去噪處理可以有效去除峰值點(diǎn)與多個(gè)時(shí)序點(diǎn)的噪聲信息，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：電磁干擾；EEMD分解；去噪方法；ICA自然梯度法；高頻開關(guān)電源

中圖分類號：TN 911 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

高頻開關(guān)電源在其工作過程中產(chǎn)生的高頻通斷、磁性元件的磁通變化以及高頻變壓器的磁場耦合等問題會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）問題。蔣智偉等[1]通過遺傳算法（GA）優(yōu)化VMD參數(shù)，以提高信號分解的準(zhǔn)確性并優(yōu)化去噪效果。但是VMD和GA相結(jié)合增加了算法的復(fù)雜度，可能導(dǎo)致計(jì)算量較大，影響實(shí)時(shí)處理的性能。同時(shí)，算法參數(shù)的選擇和優(yōu)化范圍對結(jié)果有顯著影響，需要對自適應(yīng)地確定最優(yōu)參數(shù)組合做進(jìn)一步研究。夏焰坤[2]引入改進(jìn)鯨魚優(yōu)化，根據(jù)多尺度排列熵-方差貢獻(xiàn)率最優(yōu)模態(tài)分量選取原則去除信號中的噪聲分量。但是IWOA算法的優(yōu)化過程較復(fù)雜，限制了其在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。針對現(xiàn)有方法的不足，本文將進(jìn)行面向電磁干擾的高頻開關(guān)電源信號去噪方法研究。

1 面向電磁干擾的高頻開關(guān)電源信號能量計(jì)算

信號能量是指信號在其持續(xù)時(shí)間內(nèi)所具有的能量的總和，信號能量大小與信號幅度、頻率、傳播距離以及傳播介質(zhì)等因素有關(guān)。對高頻開關(guān)電源來說，其輸出信號中包括較多的諧波成分，在傳播過程中可能引發(fā)電磁干擾。

信號能量計(jì)算通?；谛盘柕墓β屎统掷m(xù)時(shí)間。在高頻開關(guān)電源的輸出信號中，需要重點(diǎn)關(guān)注信號的頻譜特性和電磁輻射特性，因此，計(jì)算信號能量前需要對信號頻譜進(jìn)行分析。計(jì)算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：e為高頻開關(guān)電源信號頻譜值；p（t）為采樣時(shí)刻點(diǎn)為t的信號瞬時(shí)功率，其中p為信號的瞬時(shí)功率，t為信號的采樣時(shí)刻點(diǎn)；（t1-t2）為第一次數(shù)據(jù)采樣與第二次數(shù)據(jù)采樣的時(shí)刻點(diǎn)間隔時(shí)長。

利用公式（2）計(jì)算數(shù)字信號或離散時(shí)間信號頻譜密度。

E=S（f）+e?k（t） " " " " " （2）

式中：E為高頻開關(guān)電源信號頻譜密度；S（f）為密度為f的信號離散化程度，其中S為信號離散化程度，f為密度函數(shù)；e為高頻開關(guān)電源信號頻譜值；k（t）為采樣時(shí)刻點(diǎn)為t的各頻率分量能量。

在完成上述計(jì)算后，需要考慮在電磁干擾條件下信號的輻射特性和傳播特性。通常情況下，高頻開關(guān)電源在其工作過程中會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，輻射經(jīng)過空間傳播并對周圍環(huán)境造成干擾[3]。因此，可以根據(jù)上述公式的計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合電磁干擾條件下輻射信號的方向進(jìn)行信號輻射的計(jì)算。計(jì)算中，使用遠(yuǎn)場輻射功率密度描述信號的輻射特性，利用積分遠(yuǎn)場輻射功率密度在整個(gè)空間的分布可以得到信號的輻射能量，計(jì)算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：E'為高頻開關(guān)電源信號輻射能量；E（i）為電磁干擾頻率為i的開關(guān)電源信號輻射能量，其中i為電磁干擾頻率；γ為電磁干擾條件下輻射信號的方向；T為信號的長度。

通過上述方式，完成面向電磁干擾的信號高頻開關(guān)電源信號能量計(jì)算。

2 信號EEMD分解

完成信號能量的計(jì)算后，引進(jìn)EEMD（集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解技術(shù)），進(jìn)行信號分解處理，這項(xiàng)技術(shù)適用于處理非線性、非平穩(wěn)的信號[4]。在處理過程中，將白噪聲引入原始信號中，并利用EMD（經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）的多次迭代分解，集成平均消除白噪聲的影響，從而得到更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確的IMF分量。在處理過程中，向原始信號中多次添加均勻分布的白噪聲，得到一系列帶噪聲信號，計(jì)算過程如公式（4）所示。

X（E'）=X（t）+ni（t） " " " " （4）

式中：X（E'）為帶噪聲信號；X（t）為原始信號；ni（t）為空間中具有均布特征的白噪聲。

完成上述處理后，對X（E'）進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解處理，旨在將復(fù)雜的信號分解為一系列簡單、具有物理意義的成分，即IMF和一個(gè)殘余項(xiàng)。

模態(tài)分解的核心是逐步從信號中提取出滿足特定條件的分量。每個(gè)分量都需要保證整個(gè)數(shù)據(jù)集中極值點(diǎn)（包括局部極大值和局部極小值）的數(shù)量與過零點(diǎn)的數(shù)量必須相等或最多相差一個(gè)，從而保證信號本體模態(tài)波形具有類似諧波函數(shù)的對稱性，使信號具有模態(tài)函數(shù)的特性。在分解中，識別信號所有局部極值點(diǎn)，通過3次樣條插值構(gòu)造出上包絡(luò)線和下包絡(luò)線。包絡(luò)線構(gòu)造方式如公式（5）所示。

（5）

式中：L為包絡(luò)線，結(jié)果包括正值與負(fù)值，其中正值為上包絡(luò)線，負(fù)值為下包絡(luò)線；x（y）為樣條插值的極小點(diǎn)，其中x為樣條插值，y為極小值點(diǎn)；X（E'）為帶噪聲信號；α為諧波函數(shù)。

計(jì)算上包絡(luò)線、下包絡(luò)線的中值（均值），在帶噪聲信號X中進(jìn)行包絡(luò)線均值處理，得到高頻開關(guān)電源信號的第一個(gè)分量。計(jì)算過程分別如公式（6）、公式（7）所示。

（6）

h1（t）=Xi（t）-m1（t）?χ " "（7）

式中：m1（t）為包絡(luò)線的均值；L（t）、U（t）分別為t時(shí)刻上、下包絡(luò)線的值；h1（t）為高頻開關(guān)電源信號的第一個(gè)分量；Xi（t）為空間中具有均電源信號均值；χ為停止準(zhǔn)則。

如果h1（t）滿足本征模態(tài)函數(shù)的訓(xùn)練條件，就將其視為第一個(gè)信號分量；否則，將h1（t）視為新的信號，重復(fù)上述過程，直到滿足條件為止。在此基礎(chǔ)上，從原始信號中減去已提取的本征模態(tài)特征，對剩余信號重復(fù)上述步驟，直到剩余信號成為單調(diào)函數(shù)或滿足停止準(zhǔn)則[5]。利用此過程，每個(gè)攜帶噪聲的信號都被分解為一系列IMF（代表信號在不同時(shí)間尺度上的特征）和一個(gè)殘余項(xiàng)，計(jì)算過程如公式（8）所示。

（8）

式中：K為分解后的信號；H（a）為激活函數(shù)a下的時(shí)間尺度，其中H為時(shí)間尺度，a為激活函數(shù)；δ為殘余項(xiàng)。

按照上述方式，完成高頻開關(guān)電源信號的EEMD分解處理。

3 基于ICA自然梯度法的信號去噪處理

完成信號的EEMD分解后，為了進(jìn)一步去除信號中的噪聲成分，可以采用獨(dú)立成分分析（ICA）方法，基于自然梯度法的ICA法，從多元信號中分離出統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立的非高斯源信號，對信號進(jìn)行去噪處理，由此從原始信號中分離出噪聲成分和價(jià)值信號成分。ICA假設(shè)觀測到的混合信號是由若干個(gè)統(tǒng)計(jì)上相互獨(dú)立的源信號通過未知的混合矩陣線性組合而成的，此時(shí)的信號表達(dá)式如公式（9）所示。

Z=K?A " " （9）

式中：Z為由混合矩陣線性組合而成的源信號；A為源信號數(shù)量。

ICA的目的是找到一個(gè)解混矩陣，使估計(jì)的源信號向量盡可能接近真實(shí)的源信號。解混矩陣如公式（10）所示。

（10）

式中：W為解混矩陣；Y（t）為非線性函數(shù)；η為學(xué)習(xí)率。

由上述計(jì)算可知，與傳統(tǒng)的梯度下降法不同，自然梯度法考慮了參數(shù)空間的幾何結(jié)構(gòu)，因此在部分情況下可以更快地收斂到最優(yōu)解。在ICA的上、下文中，自然梯度法通常用于最小化一個(gè)對比函數(shù)（例如負(fù)熵或互信息），這個(gè)函數(shù)衡量了輸出信號的非高斯性，非高斯性越強(qiáng)，說明信號越獨(dú)立。在這個(gè)過程中，可以根據(jù)信號的對比函數(shù)，利用自然梯度法的更新規(guī)則調(diào)整解混矩陣，進(jìn)行信號非高斯性計(jì)算，計(jì)算過程如公式（11）所示。

（11）

式中：I為信號的非高斯性；κ為對角矩陣；φ為解混系數(shù)。

重復(fù)上述步驟，利用ICA分解對噪聲信號進(jìn)行分離，基于ICA自然梯度法進(jìn)行信號去噪處理。

4 對比試驗(yàn)

噪聲問題在高頻開關(guān)電源領(lǐng)域尤為突出，這種現(xiàn)象不僅影響電源本身的能效與穩(wěn)定性，還與干擾網(wǎng)類似，對周圍精密電子設(shè)備構(gòu)成威脅，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤差激增，系統(tǒng)整體性能顯著下滑，甚至可能觸發(fā)安全事故[6-8]。鑒于此，本文研究了一種高效的電磁干擾抑制與信號去噪技術(shù)，旨在從源頭削弱甚至消除噪聲帶來的不利影響。為驗(yàn)證此方法在實(shí)際中的應(yīng)用效果與可行性，本文將位于關(guān)鍵區(qū)域的大型輸配電站作為試驗(yàn)基地。該電站負(fù)責(zé)區(qū)域電力供應(yīng)，需要不間斷的電力保障。高頻開關(guān)電源是其不間斷電源系統(tǒng)（UPS）的核心，在突發(fā)停電情況下需要迅速切換并持續(xù)供電。因此，在此環(huán)境下進(jìn)行測試，不僅能夠真實(shí)反映去噪技術(shù)在實(shí)際工況下的表現(xiàn)，還能直接評估其對提升電力系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和可靠性的貢獻(xiàn)。利用精細(xì)的數(shù)據(jù)采集與分析，為高頻開關(guān)電源的去噪技術(shù)提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐，推動(dòng)該技術(shù)應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。大型輸配電站市場運(yùn)營現(xiàn)狀見表1。

該單位開關(guān)電源的高頻噪聲通常＞5 MHz，信號中攜帶的成分較復(fù)雜，經(jīng)過技術(shù)科與有關(guān)單位的鑒定，信號中不僅包括原始的MOSFET開關(guān)噪聲，還存在大量的白噪聲、外部信號干擾等。實(shí)際測試數(shù)據(jù)顯示，高頻開關(guān)電源在滿載運(yùn)行過程中的輸出噪聲電壓為輸出電壓的1%左右，即對于12 V輸出電源，噪聲電壓可能高達(dá)120 mV，嚴(yán)重影響了電源的穩(wěn)定性和信號質(zhì)量。

盡管此單位采用了低通濾波器和多種濾波電容（陶瓷電容和鋁電解電容），但是在部分頻段內(nèi)，濾波效果仍難以達(dá)到預(yù)期。由技術(shù)部門統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可知，在10 MHz頻段，濾波后的噪聲電壓僅降低約20%，遠(yuǎn)未達(dá)到理想中的降噪效果。

針對現(xiàn)有問題，本文將某高頻開關(guān)電源作為研究對象，分析其運(yùn)行中的技術(shù)參數(shù)，相關(guān)內(nèi)容見表2。

掌握試驗(yàn)對象的基本情況后，引入文獻(xiàn)[1]提出的基于VMD-ESSA的信號去噪方法和文獻(xiàn)[2]提出的基于IWOA-VMD的信號去噪方法，將二者作為對照組。同時(shí)應(yīng)用對照組方法、本文方法進(jìn)行高頻開關(guān)電源信號去噪處理。去噪結(jié)果如圖1～圖3所示。

從圖1可以看出，應(yīng)用本文方法進(jìn)行高頻開關(guān)電源信號去噪處理，可以有效去除峰值點(diǎn)與多個(gè)時(shí)序點(diǎn)的噪聲信息。而應(yīng)用文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法無法有效去噪。

由此可見，本文方法不僅能夠有效識別并去除信號中的峰值噪聲，還能精準(zhǔn)處理多個(gè)時(shí)序點(diǎn)的噪聲信息，保證了信號的純凈度。此種成效不僅驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性與創(chuàng)新性，更體現(xiàn)了其在高頻開關(guān)電源信號處理領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值。有效去除信號中的噪聲成分后，本文方法不僅降低了電源對電網(wǎng)的潛在干擾，還進(jìn)一步優(yōu)化了脈沖寬度調(diào)制信號的占比控制，為電源信號的穩(wěn)定輸出提供了堅(jiān)實(shí)保障。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的方法應(yīng)用效果卓越，對提升高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的整體性能具有重要意義。

5 結(jié)語

電磁干擾已成為高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)和應(yīng)用中不可忽視的難題，為了提升設(shè)備性能與穩(wěn)定性，對高頻開關(guān)電源信號進(jìn)行去噪處理尤為重要。目前，針對高頻開關(guān)電源電磁干擾的抑制技術(shù)主要包括濾波、屏蔽和接地等措施，這些措施在一定程度上緩解了電磁干擾問題，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍存在優(yōu)化空間。為優(yōu)化現(xiàn)有方法，本文通過電源信號能量計(jì)算、信號EEMD分解和基于ICA自然梯度法的信號去噪，研究了面向電磁干擾的高頻開關(guān)電源信號去噪方法，深入分析了高頻開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理與傳播途徑，并結(jié)合現(xiàn)代信號處理技術(shù)，探索更高效、精確的信號去噪方法，從而提升電子設(shè)備整體性能，并保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。綜上所述，本文方法可以有效降低高頻開關(guān)電源信號中的電磁干擾成分，提高信號質(zhì)量，為高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供有力支持。

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