基于FPGA的谐波补偿方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010804775.X (22)申请日 2020.08.12 (71)申请人 中电科仪器仪表有限公司 地址 266555 山东省青岛市黄岛区香江路 98号 (72)发明人 李茂林吴恒奎朱卫国罗阳 (74)专利代理机构 青岛智地领创专利代理有限 公司 37252 代理人 林琪超 (51)Int.Cl. G06F 30/3308(2020.01) H03K 3/011(2006.01) H03K 3/013(2006.01) (54)发明名称 一种基于FPGA的谐波补偿方法 (。

2、57)摘要 本发明提供了一种基于FPGA的谐波补偿方 法, 在FPGA中构建谐波补偿电路, 谐波补偿电路 包括依次连接的矫正波形生产模块、 矫正波形相 位控制模块、 矫正波形幅度控制模块和求和模 块。 谐波补偿方法包括采用希尔伯特变换求取原 始波形数据的正交波形数据, 然后根据正交波形 数据计算得到各次谐波波形数据; 在矫正波形相 位控制模块中计算出各次谐波波形的矫正相位, 利用矫正相位对各次谐波进行相位修正; 在矫正 波形幅度控制模块中计算出各次谐波波形的矫 正放大因子, 将放大因子与各次谐波波形数据相 乘; 完成幅度控制的各次谐波矫正波形数据与原 波形数据进行求和运算。 本发明的补偿方法对。

3、环 境敏感度不高, 可以对任意频率有针对性地实现 谐波的精确补偿。 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 CN 112084732 A 2020.12.15 CN 112084732 A 1.一种基于FPGA的谐波补偿方法, 其特征在于, 在FPGA中构建谐波补偿电路, 谐波补偿 电路包括依次连接的矫正波形生产模块、 矫正波形相位控制模块、 矫正波形幅度控制模块 和求和模块, 利用谐波补偿电路进行谐波补偿的方法包括以下步骤: 步骤1: 原始波形数据送入矫正波形生产模块, 矫正波形生产模块采用希尔伯特变换求 取原始波形数据的正交波形数据, 然后根据正交波形数据计算得到各次谐波波形数据; 步骤2:。

4、 各次谐波波形数据送入矫正波形相位控制模块, 在矫正波形相位控制模块中计 算出各次谐波波形的矫正相位, 通过IQ正交法, 利用矫正相位对各次谐波波形数据进行相 位修正; 步骤3: 经过相位修正的各次谐波波形数据进入矫正波形幅度控制模块, 在矫正波形幅 度控制模块中计算出各次谐波波形的矫正放大因子, 将放大因子与各次谐波波形数据相 乘, 完成各次谐波矫正波形数据的幅度控制; 步骤4: 完成幅度控制的各次谐波波形数据与原波形数据进行求和运算, 求和结果为已 矫正的波形数据。 2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的谐波补偿方法, 其特征在于, 各次谐波波形数 据的计算过程为: 由欧拉公式得: e。

5、jxcosx+jsinx 其中, e是自然对数的底, j是虚数单位。 对上式两边分别取m次方, m为自然数: (ejx)m(cosx+jsinx)m 根据二项式定理, 将(cosx+jsinx)m展开: 其中n为不大于m的自然数。 又因为(ejx)mejmxcos(mx)+jsin(mx) 对比以上两式的实部和虚部, 可得: 正交波形数根据式或式计算得到各次谐波波形数据。 3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的谐波补偿方法, 其特征在于, 矫正波形相位 和矫正放大因子Ajn的求取过程为: 非线性系统的典型模型为线性模块和非线性模块的叠加, 取输入信号SIN: 其中A0为输入信号的幅度, 0。

6、为输入信号的频率, t为时间, 为输入信号的相位; 输入信号SIN通过非线性系统后, 有输出信号SOUT: 权利要求书 1/2 页 2 CN 112084732 A 2 上式中为线性模块输出项, 其余各项为非线性模块引 入的各次谐波; 其中, A(0)和分别为线性模块的幅频响应和相频响应, A2、 A3、 An分别为2次 谐波、 3次谐波、 n次谐波的幅度,分别为2次谐波、 3次谐波、 n次谐 波的相位。 取n次谐波矫正信号Sjn为: n次谐波矫正信号通过非线性系统后, 得输出信号SjnOUT为: 为了实现对n次谐波的补偿, 应使得: AjnA(n0)An 通过公式可求得矫正波形相位 通过公式。

7、可求得矫正放大因子Ajn。 4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的谐波补偿方法, 其特征在于, 矫正波形相位对 各次谐波波形数据进行相位修正的公式为: 或 5.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的谐波补偿方法, 其特征在于, 求和运算为: 其中, SIN为原波形数据, Sjn为完成幅度控制的各次谐波波形数据。 权利要求书 2/2 页 3 CN 112084732 A 3 一种基于FPGA的谐波补偿方法 技术领域 0001 本发明涉及任意波形发生器的谐波补偿领域, 具体涉及一种基于FPGA的谐波补偿 方法。 背景技术 0002 任意波形发生器以其波形产生的巨大灵活性, 在雷达信号模拟、 电。

8、子对抗、 复杂电 磁环境构建、 量子通信超多路同步激励产生中得到广泛应用。 任意波形发生器在产生各类 信号时, 受任意波形发生器内硬件电路固有特性的影响, 必然会出现不同程度的谐波失真。 0003 为解决上述问题, 目前常用的方法有以下两种: 0004 (一)从引起谐波失真的根源入手, 通过深入的电路分析, 结合先进的加工工艺, 设 计具有低谐波失真特性的硬件电路; 0005 (二)从谐波抑制的角度去考虑, 设计可编程的低通滤波器电路, 根据设置的输出 频率不同, 改变低通滤波器的截止频率, 从而可以实现一定程度的谐波抑制。 0006 上述常用的两种解决办法都是从硬件出发, 通过电路设计去解决。

9、谐波失真问题。 实现过程会非常复杂困难, 而且势必会增加硬件电路的复杂程度, 同时随着温度变化或器 件老化, 其谐波补偿性能会发生不可预知的变化。 另外, 设计可编程低通滤波器的方法也存 在一定的局限性: 当设置输出频率为低频时, 二次谐波和基波的频率会很接近, 这就导致很 难通过低通滤波器实现谐波抑制。 发明内容 0007 针对现有技术存在的问题, 本发明提供了一种基于FPGA的谐波补偿方法, 采用 FPGA数字算法解决任意波形发生器中硬件电路固有特性导致的谐波失真问题。 0008 本发明采用以下的技术方案: 0009 一种基于FPGA的谐波补偿方法, 在FPGA中构建谐波补偿电路, 谐波补。

10、偿电路包括 依次连接的矫正波形生产模块、 矫正波形相位控制模块、 矫正波形幅度控制模块和求和模 块, 利用谐波补偿电路进行谐波补偿的方法包括以下步骤: 0010 步骤1: 原始波形数据送入矫正波形生产模块, 矫正波形生产模块采用希尔伯特变 换求取原始波形数据的正交波形数据, 然后根据正交波形数据计算得到各次谐波波形数 据; 0011 步骤2: 各次谐波波形数据送入矫正波形相位控制模块, 在矫正波形相位控制模块 中计算出各次谐波波形的矫正相位, 通过IQ正交法, 利用矫正相位对各次谐波波形数据进 行相位修正; 0012 步骤3: 经过相位修正的各次谐波波形数据进入矫正波形幅度控制模块, 在矫正波。

11、 形幅度控制模块中计算出各次谐波波形的矫正放大因子, 将放大因子与各次谐波波形数据 相乘, 完成各次谐波矫正波形数据的幅度控制; 0013 步骤4: 完成幅度控制的各次谐波波形数据与原波形数据进行求和运算, 求和结果 说明书 1/6 页 4 CN 112084732 A 4 为已矫正的波形数据。 0014 优选地, 各次谐波波形数据的计算过程为: 0015 由欧拉公式得: 0016 ejxcosx+jsinx 0017 其中, e是自然对数的底, j是虚数单位。 0018 对上式两边分别取m次方, m为自然数: 0019 (ejx)m(cosx+jsinx)m 0020 根据二项式定理, 将(。

12、cosx+jsinx)m展开: 0021 0022 其中n为不大于m的自然数。 0023 又因为 0024 (ejx)mejmxcos(mx)+jsin(mx) 0025 对比以上两式的实部和虚部, 可得: 0026 0027 0028 正交波形数根据式或式计算得到各次谐波波形数据。 0029优选地, 矫正波形相位和矫正放大因子Ajn的求取过程为: 0030 非线性系统的典型模型为线性模块和非线性模块的叠加, 取输入信号SIN: 0031 0032其中A0为输入信号的幅度, 0为输入信号的频率, t为时间,为输入信号的相 位; 0033 输入信号SIN通过非线性系统后, 有输出信号SOUT: 。

13、0034 0035上式中为线性模块输出项, 其余各项为非线性模 块引入的各次谐波; 0036其中, A(0)和分别为线性模块的幅频响应和相频响应, A2、 A3、 An分别 为2次谐波、 3次谐波、 n次谐波的幅度,分别为2次谐波、 3次谐波、 n次谐波的相位。 0037 取n次谐波矫正信号Sjn为: 0038 0039 n次谐波矫正信号通过非线性系统后, 得输出信号SjnOUT为: 说明书 2/6 页 5 CN 112084732 A 5 0040 0041 为了实现对n次谐波的补偿, 应使得: 0042 0043 AjnA(n0)An 0044通过公式可求得矫正波形相位 0045 通过公式。

14、可求得矫正放大因子Ajn。 0046 优选地, 矫正波形相位对各次谐波波形数据进行相位修正的公式为: 0047 0048 或 0049 0050 优选地, 0051 0052 其中, SIN为原波形数据, Sjn为完成幅度控制的各次谐波波形数据。 0053 本发明具有的有益效果是: 0054 本发明提供的基于FPGA的谐波补偿方法, 相比现有技术, 可简化系统硬件设计, 避 免温度或器件老化对补偿性能的影响; 这种补偿方法对环境敏感度不高, 可以对任意频率 有针对性地实现谐波的精确补偿, 而且数字算法实现灵活, 可根据系统设计需求进行相应 的调整。 附图说明 0055 图1为谐波补偿电路的原理。

15、框图。 具体实施方式 0056 下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明: 0057 实现基于FPGA的谐波补偿的主要思想是: 在原波形数据中叠加各次谐波矫正数 据, 通过非线性系统后, 各次谐波矫正数据产生的波形与原波形数据产生的各次谐波幅度 相等、 相位相差180 。 0058 结合图1, 一种基于FPGA的谐波补偿方法, 在FPGA中构建谐波补偿电路, 谐波补偿 电路包括依次连接的矫正波形生产模块、 矫正波形相位控制模块、 矫正波形幅度控制模块 和求和模块, 利用谐波补偿电路进行谐波补偿的方法包括以下步骤: 0059 步骤1: 原始波形数据送入矫正波形生产模块, 矫正波。

16、形生产模块采用希尔伯特变 换求取原始波形数据的正交波形数据, 然后根据正交波形数据计算得到各次谐波波形数 据。 0060 各次谐波波形数据的计算过程为: 0061 由欧拉公式得: 说明书 3/6 页 6 CN 112084732 A 6 0062 ejxcosx+jsinx 0063 其中, e是自然对数的底, j是虚数单位。 0064 对上式两边分别取m(m为自然数)次方: 0065 (ejx)m(cosx+jsinx)m 0066 根据二项式定理, 将(cosx+jsinx)m展开: 0067 0068 其中n为不大于m的自然数。 0069 又因为 0070 (ejx)mejmxcos(m。

17、x)+jsin(mx) 0071 对比以上两式的实部和虚部, 可得: 0072 0073 0074 正交波形数根据式或式计算得到各次谐波波形数据。 0075 步骤2: 各次谐波波形数据送入矫正波形相位控制模块, 在矫正波形相位控制模块 中计算出各次谐波波形的矫正相位, 通过IQ正交法, 利用矫正相位对各次谐波波形数据进 行相位修正。 0076 矫正波形相位对各次谐波波形数据进行相位修正的公式为: 0077 0078 或 0079 0080 步骤3: 经过相位修正的各次谐波波形数据进入矫正波形幅度控制模块, 在矫正波 形幅度控制模块中计算出各次谐波波形的矫正放大因子, 将放大因子与各次谐波波形数。

18、据 相乘, 完成各次谐波波形数据的幅度控制。 0081具体的, 矫正波形相位和矫正放大因子Ajn的求取过程为: 0082 非线性系统的典型模型为线性模块和非线性模块的叠加, 取输入信号SIN: 0083 0084其中A0为输入信号的幅度, 0为输入信号的频率, t为时间,为输入信号的相 位。 0085 输入信号SIN通过非线性系统后, 有输出信号SOUT: 0086 0087上式中为线性模块输出项, 其余各项为非线性模 块引入的各次谐波。 其中, A(0)和分别为线性模块的幅频响应和相频响应, A2、 说明书 4/6 页 7 CN 112084732 A 7 A3、 An分别为2次谐波、 3次。

19、谐波、 n次谐波的幅度,分别为2次谐 波、 3次谐波、 n次谐波的相位。 0088 取n次谐波矫正信号Sjn为: 0089 0090 n次谐波矫正信号通过非线性系统后, 得输出信号SjnOUT为: 0091 0092 为了实现对n次谐波的补偿, 应使得: 0093 0094 AjnA(n0)An 0095通过公式可求得矫正波形相位 0096 通过公式可求得矫正放大因子Ajn。 0097 步骤4: 完成幅度控制的各次谐波波形数据与原波形数据进行求和运算, 求和结果 为已矫正的波形数据。 0098 求和运算为: 0099 0100 其中, SIN为原波形数据, Sjn为完成幅度控制的各次谐波波形数。

20、据。 0101 已矫正的波形数据输入到非线性系统, 在非线性系统的输出端即可得到已实现各 次谐波补偿的输出。 0102 通过非线性系统后, 得输出信号为: 0103 0104因为 0105 AjnA(n0)An 0106则: 0107 由上式可知, 通过在输入信号中叠加n(n2)次谐波矫正信号, 使得非线性系统输 出信号中原输入信号的n(n2)次谐波得到矫正。 n次谐波矫正信号会引入原波形数据的2n 次、 3n次、 4n次等谐波和互调失真。 因为n次谐波矫正信号自身的幅度很小, 其引入的高次谐 波及互调失真可以忽略。 0108 当然, 上述说明并非是对本发明的限制, 本发明也并不仅限于上述举例, 本技术领 说明书 5/6 页 8 CN 112084732 A 8 域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、 改型、 添加或替换, 也应属于本发明的 保护范围。 说明书 6/6 页 9 CN 112084732 A 9 图1 说明书附图 1/1 页 10 CN 112084732 A 10 。

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