幾種軟件濾波算法的原理和比較

　　簡介：主要描述了各種濾波算法的方法、優點和缺點，以供讀者參考、借鑒。

　　第1種方法：限幅濾波法(又稱程序判斷濾波法)

　　A方法：根據經驗判斷，確定兩次采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，則本次值有效，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沖干擾。

　　C缺點：無法抑制那種周期性的干擾，平滑度差。

　　第2種方法：中位值濾波法

　　A方法：連續采樣N次(N取奇數)，把N次采樣值按大小排列，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干擾，對溫度、液位的變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果。

　　C缺點：對流量、速度等快速變化的參數不宜。

　　第3種方法：算術平均濾波法

　　A方法：連續取N個采樣值進行算術平均運算，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值的選取：一般流量，N=12;壓力：N=4。

　　B優點：適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波，這樣信號的特點是有一個平均值，信號在某一數值范圍附近上下波動。

　　C缺點：對于測量速度較慢或要求數據計算速度較快的實時控制不適用，比較浪費RAM。

　　第4種方法：遞推平均濾波法(又稱滑動平均濾波法)

　　A方法：把連續取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據放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數據(先進先出原則)。把隊列中的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;液面，N=4~12;溫度，N=1~4。

　　B優點：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。

　　C缺點：靈敏度低，對偶然出現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。

　　第5種方法：中位值平均濾波法(又稱防脈沖干擾平均濾波法)

　　A方法：相當于“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”，連續采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算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，對于偶然出現的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

　　C缺點：測量速度較慢，和算術平均濾波法一樣，比較浪費RAM。

　　第6種方法：限幅平均濾波法

　　A方法：相當于“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”，每次采樣到的新數據先進行限幅處理，再送入隊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，對于偶然出現的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

　　C缺點：比較浪費RAM。

　　第7種方法：一階滯后濾波法

　　A方法：取a=0~1，本次濾波結果=(1-a)*本次采樣值+a*上次濾波結果。

　　B優點：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。

　　第8種方法：加權遞推平均濾波法

　　A方法：是對遞推平均濾波法的改進，即不同時刻的數據加以不同的權，通常是，越接近現時刻的資料，權取得越大，給予新采樣值的權系數越大，則靈敏度越高，但信號平滑度越低。

　　B優點：適用于有較大純滯后時間常數的對象和采樣周期較短的系統。

　　C缺點：對于純滯后時間常數較小，采樣周期較長，變化緩慢的信號，不能迅速反應系統當前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差。

　　第9種方法：消抖濾波法

　　A方法：設置一個濾波計數器，將每次采樣值與當前有效值比較：如果采樣值=當前有效值，則計數器清零。如果采樣值<>當前有效值，則計數器+1，并判斷計數器是否>=上限N(溢出)，如果計數器溢出，則將本次值替換當前有效值，并清計數器。

　　B優點：對于變化緩慢的被測參數有較好的濾波效果，可避免在臨界值附近控制器的反復開/關跳動或顯示器上數值抖動。

　　C缺點：對于快速變化的參數不宜，如果在計數器溢出的那一次采樣到的值恰好是干擾值，則會將干擾值當作有效值導入系統。

　　第10種方法：限幅消抖濾波法

　　A方法：相當于“限幅濾波法”+“消抖濾波法”，先限幅后消抖。

　　B優點：繼承了“限幅”和“消抖”的優點，改進了“消抖濾波法”中的某些缺陷，避免將干擾值導入系統。

　　C缺點：對于快速變化的參數不宜。

　　第11種方法：IIR數字濾波器

　　A方法：確定信號帶寬，濾之。Y(n)=a1*Y(n-1)+a2*Y(n-2)+...+ak*Y(n-k)+b0*X(n)+b1*X(n-1)+b2*X(n-2)+...+bk*X(n-k)。

　　B優點：高通，低通，帶通，帶阻任意。設計簡單(用matlab)。

　　C缺點：運算量大。