一種消除頻譜洩漏的高準確度正弦信號測量方法與裝置的製作方法
2023-05-19 20:52:16 3
專利名稱：一種消除頻譜洩漏的高準確度正弦信號測量方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種消除頻譜洩漏的高準確度正弦信號測量方法與裝置，屬於信號測 量技術領域。
背景技術：
在電工測量、電網監測、振動噪聲測量、音頻處理和雷達信號處理等工業領域中， 經常需要對正弦信號的各參數進行高精度測量。如精密的電能計量需要精確測量正弦信號 的幅值，監測電網的頻率波動需要實時精確測量正弦波的頻率，用科氏流量計檢測液體的 流量以及雷達精確測距需要精確測量正弦信號的相位差，計算變壓器直流損耗需要測量信 號中的直流分量。正弦信號測量方法可分為硬體測量法和軟體測量法。傳統的測量方法和裝置主要 通過硬體電路實現，其測量精度取決於測量電路的性能。軟體測量法，是將模擬信號轉換成 數位訊號後用計算機對數位訊號進行處理，它是當今信號檢測新的發展趨勢，其測量精度 和性能主要取決於數位訊號處理算法。1、傳統的正弦信號測量裝置的主要問題用於檢測正弦信號參數的傳統測量裝置主要存在以下問題(1)傳統測量裝置主要由硬體電路實現，易受到噪聲幹擾，測量精度較低，已經不 能滿足越來越高的工業測量要求。(2)傳統測量裝置對硬體依賴程度大，時鐘穩定度、器件對信號的延遲等硬體特性 嚴重製約了傳統測量裝置的測量精度。(3)傳統測量裝置自動化程度低，對輸入信號幅度適應能力差，不能根據待測信號 的大小自動調節信號放大器的增益係數。當信號幅度較大時可能超出測量範圍，如圖4a和 圖4b所示；當信號幅度較小時採樣得到的信號量化誤差較大，如圖5a和圖5b所示。2、目前主要的正弦信號測量算法及其存在的問題本發明中的信號處理算法屬於頻譜分析法的範疇。頻譜分析法最基本的原理是對 信號進行離散傅立葉變換(DFT)，從頻率域獲取信號的參數信息。離散傅立葉變換早已經有 成熟的快速算法FFT，即快速傅立葉變換。在非整周期採樣條件下，直接運用FFT方法會產 生頻譜洩漏，所得的頻譜不能真實反映信號的頻率成分，而是包含了短範圍洩漏和長範圍 洩漏兩部分誤差，如圖6b和圖6d所示。短範圍洩漏是由於非整周期採樣條件下由連續頻譜抽樣得到的離散頻譜峰值不 在連續譜的峰值頻率處，造成了頻譜幅度失真。目前克服短範圍洩漏的主要方法有兩種頻 譜插值和加窗截取。長範圍洩漏是頻譜中的負頻率成分造成的，它在以下兩種情況下引起 的誤差不可忽略。第一，當待測信號頻率遠小於採樣頻率或接近NyquiSt頻率(採樣頻率 的一半)時；第二，當採樣點數較小時。目前克服長範圍洩漏的主要方法有簡化近似法和解 析法。這兩種誤差嚴重影響了 FFT方法的測量精度。運用插值方法和加窗截取方法可以克服短範圍洩漏的影響。韓國專利資料庫中，專利號為KR20030089995A，名稱為「採用頻率和相移插值提高離散傅立葉變換或快速 傅立葉變換精度的方法」 (METHOD FOR INTERPOLATING FREQUENCY AND PHASE OFFSET TO IMPROVE RESOLUTION OF DFT OR FFT)的專利和文獻《基於加窗雙峰譜線的高精度FFT諧 波分析》劉敏，王克英.[J].電測與儀表，2006，43 (4) :20-23都採用雙峰譜線插值的方法 來克服短範圍洩漏的影響，但是都忽略了負頻率成分，因而無法克服長範圍洩漏的影響。盡 管後者採用加窗技術抑制了負頻率對頻譜的影響，測量精度高於前者，但仍無法從根本上 消除負頻率的影響，尤其是當待測信號頻率遠小於採樣頻率或接近Nyquist頻率時測量誤 差較明顯。而且加窗插值方法的精度主要取決於窗函數，當待測信號參數變化時，窗函數的 參數也需要隨之變化，需要根據信號參數確定窗函數的參數，實現方法較複雜。長範圍洩漏是制約正弦信號測量精度的瓶頸。世界專利資料庫中，專利號為 W003058261A1，名稱為「消除非整周期採樣信號離散傅立葉變換頻譜洩漏的方法」(DFT LEAKAGE REMOVAL FOR N0N-C0HERENTLY SAMPLED SIGNALS)考慮了負頻率的影響，在精確預 知待測信號頻率時給出了正弦信號幅度的精確測量方法。但是在待測信號頻率未知的情況 下完全不適用。美國專利資料庫中，專利號為US6965068B2，名稱為「輸入信號頻譜估計的系統和 方法」(SYSTEM AND METHOD FOR ESTIMATING TONES IN AN INPUT SIGNAL)的專利採用了 迭代算法，首先在忽略負頻率影響的情況下利用頻譜的三根譜線近似估計出正弦信號的幅 值、頻率、相位參數，然後根據估計出的參數重構負頻率成分頻譜，從原頻譜中減去重構的 負頻率頻譜得到新的頻譜，再用三根頻率譜線估計正弦信號的參數，反覆迭代，直到達到設 定的精度為止。上述方法存在以下缺點第一，迭代過程需要反覆重構負頻率頻譜，計算量 較大。第二，需要用到三根譜線才能進行測量，因而無法分辨出第一和第三根譜線之間頻率 的信號，降低了算法的頻率解析度。文獻《改進相位測量的頻域插值方法》[Dusan Agrez. [J],測量，2008，41 (2) 151_159(〈〈Interpolation in the frequency domain to improve phase measurement)) [Dusan Agrez. [J]. Measurement, 2008,41 (2) :151_159)提出 了在考慮負頻率的情況下利 用三根譜線近似插值的方法，可以克服短範圍洩漏和長範圍洩漏的影響，提高了測量精度。 但此方法有以下缺點第一，需要用到三根譜線才能進行測量，因而無法分辨出第一和第三 根譜線對應頻率點之間頻率的信號，降低了算法的頻率解析度。第二，此方法是近似算法， 只適用於採樣點數較大的情況，當採樣點數較少時，算法誤差較大。本發明採用一種易於實現的解析方法，能夠完全消除短範圍洩漏和長範圍洩漏的 影響，從根本上解決了非整周期截斷引起的頻譜洩漏問題。對連續採樣的N點數字序列進 行FFT得到頻譜峰值，通過簡單的代數運算一步遞推得到延遲一個採樣間隔後信號的頻譜 峰值，利用兩個頻譜峰值以及直流成分頻譜解析出準確的正弦信號的幅值、頻率、相位及直 流分量。名稱為「正弦信號四參數檢測方法和虛擬儀器信號檢測裝置」，專利號為 ZL200810101338.0的中國專利公開了一種同時考慮短範圍洩漏和長範圍洩漏影響的簡化 近似測量方法，與本發明提出的方法有以下區別。第一，上述專利是將2N-1點數字序列分 裂為兩段，分別進行FFT，實際上要進行兩次N點的FFT，本發明只需要進行一次N點FFT。 第二，上述專利採用了簡化近似的方法，而本發明採用的是精確方法，未經簡化，因而測量結果精度高於上述發明，見表1。第三，上述發明進行簡化近似的前提條件是採樣點數N較 大，本發明不受此條件限制。N越大，FFT的運算量也就越大。此外，上述發明要進行兩次 FFT運算，計算量約為本發明的兩倍。第四，上述發明特徵之一為採樣點數「N取2的正整數 次冪」，而本方法中的採樣點數沒有此限制。名稱為「高準確度正弦信號測量方法」，申請號為200910089315. 7的中國專利也 公開了一種同時考慮短範圍洩漏和長範圍洩漏影響的測量方法，測量過程也未進行近似簡 化。但是與本發明有明顯的區別。第一，上述專利的特徵之一在於「所述採樣為非整周期採 樣，即採樣周期與正弦信號周期之間不是整數倍關係」，而本發明既適用於整周期採樣，又 適用於非整周期採樣，不受上述測量條件的限制。第二，上述專利方法利用的是頻譜中的幅 值最大和次大的兩根譜線，因而無法分辨出這兩根譜線對應頻率點之間頻率的信號，降低 了算法的頻率解析度。而本發明利用的是同一個離散頻率點的兩根峰值頻譜，不會降低對 信號頻率的測量解析度。第三，用上述專利方法測量低頻信號，當採樣點數較低時會出現奇 異，導致數據溢出，無法測量信號的參數，而本方法不會出現此類奇異情況，仍能保持高的 準確度，如表2a、表2b和表2c所示。第四，上述專利方法沒有給出直流分量的測量方法，運 用本發明方法能得到正弦信號全部四個參數的高準確度測量值。名稱為「欠採樣下的正弦信號頻率的高效測量方法及裝置」，申請號 201010162687.0的中國專利公開了一種欠採樣條件下測量正弦信號頻率的方法。上述方 法與本發明方法有以下不同點。第一，上述方法特徵之一是適用於欠採樣條件，即不滿足採 樣定理的情況，本發明方法適用於滿足採樣定理的情況。第二，上述方法僅提供了正弦信號 頻率的測量方法，而本發明方法能測量出正弦信號全部的參數；第三，上述方法另一特徵是 「用長為(2N-1)的卷積窗Wc對中心樣點X(O)前、後(2N-1)個數據進行加權，然後將間隔 為N的數據兩兩進行重疊相加，再對重疊相加後的數據進行DFT」，而本發明方法不需要對 數據進行加窗處理，直接對N點數據作FFT運算。第四，要達到同樣的頻率解析度，本發明 方法所需採樣的數據長度小於上述方法。例如，採樣頻率都為fs時，要達到fs/128的頻率 解析度，上述方法需要採樣255點數據，而本發明方法只需採樣129點數據。
發明內容
1、目的針對國內外現有正弦信號測量方法和裝置的不足，本發明的目的是提供 一種消除頻譜洩漏的高準確度正弦信號測量方法與裝置，它能實現對正弦信號幅值、頻率、 相位和直流分量高準確度的測量。2、技術方案(1)本發明一種消除頻譜洩漏的高準確度正弦信號測量裝置，它是由模擬信號預 處理單元、數據採集單元、數位訊號處理單元、測量結果顯示單元、通信接口單元組成，如圖 1所示。它們之間的位置連接關係是模擬信號預處理單元和數據採集單元之間通過多路 信號線進行連接，數位訊號處理單元通過SPI總線分別與數據採集單元、測量結果顯示單 元、通信接口單元進行連接。所述模擬信號預處理單元由隔離電路和濾波電路組成，其隔離電路和濾波電路之 間由多路信號線連接；該隔離電路採用精密隔離放大器IS0124，它通過封裝在器件內部的 隔離電容來實現輸入級和輸出級信號的隔離；該濾波電路採用連續時間濾波器MAX274，它的功能是濾除經過隔離電路時產生的高頻噪聲；該單元主要對模擬信號進行隔離和低通濾 波。所述數據採集單元由多路模擬選擇開關、可編程增益放大器、可編程控制器CPLD 和AD轉換器組成。多路模擬選擇開關輸入端接濾波電路出來的多路信號線，輸出端為一路 信號線，連接至可編程增益放大器輸入端，可編程增益放大器輸出端由一路信號線連接至 AD轉換器。該多路模擬選擇開關採用DG201，用於從多路模擬信號中選擇所要採樣的信號； 該可編程增益放大器採用AD256實現，它可以根據可編程控制器送來的控制碼改變放大器 的增益係數；該可編程控制器CPLD用於完成採樣控制與調節的功能，根據各輸入的量程控 制可編程增益放大器的增益係數；該AD轉換器採用AD677，用於將預處理過的模擬信號轉 化為數位訊號。所述數位訊號處理單元，採用DSP晶片TMS320C5402，在DSP的內置RAM內設置信 號測量程序，主要包括FFT運算和少量的代數運算，用於實現本發明所提出的信號測量算 法。所述測量結果顯示單元，採用型號為LCM320240的液晶顯示器顯示信號波形和測量結果。所述通信接口單元，採用異步通信接口晶片16C550，使測量裝置通過RS232總線 接口與PC機進行通信，實現對測量裝置的調試，也可將信號測量數據及結果從測量裝置送 到PC機。一種消除頻譜洩漏的高準確度正弦信號測量裝置，其工作過程如下待測多路信號由多路信號線送至隔離器進行外部噪聲隔離，經過濾波器濾除信號 中的高頻雜波幹擾，然後送至多路模擬選擇開關。可編程控制器CPLD和AD677通過SPI總 線與DSP晶片進行數據交換。CPLD發送控制指令到多路模擬選擇開關和AD轉換器，使AD轉 換器以固定採樣頻率採樣輸入的多路信號，然後AD轉換器把採樣的數據由SPI總線和DSP 內固化設置的多通道緩衝串口 McBSP送到DSP中。DSP根據接收數據的大小範圍計算出合 適的放大器增益係數，通過SPI總線發送給CPLD，CPLD產生控制指令送到可編程增益放大 器，改變其增益係數，同時CPLD將修改後的增益係數通過SPI總線送至DSP。DSP運行信號 處理算法所得到的測量結果經過SPI總線送至液晶顯示器進行顯示，同時可通過RS232異 步通信接口晶片16C550，將信號測量數據及結果經由標準串行接口送到PC機，進行可視化 處理並顯示。(2)本發明一種消除頻譜洩漏的高準確度正弦信號測量方法，採用一種易於實現 的解析方法，能夠完全消除短範圍洩漏和長範圍洩漏的影響，從根本上解決了非整周期截 斷引起的頻譜洩漏問題。它首先對連續採樣的N點數字序列進行FFT得到頻譜峰值，然後 通過簡單的代數運算一步遞推得到延遲一個採樣周期後信號的頻譜峰值，再根據兩個頻譜 峰值利用幾何向量法解析出準確的正弦信號的幅值、頻率、相位及直流分量。如圖2所示， 該方法的具體步驟如下步驟1 對待測信號連續採樣，得到N點數字序列Si，以及將其延遲一個採樣周期 後的數字序列S2 ；
Si χ, (η) = A οο5(ωη + φ)+ D η = 0,1,···,Ν-\
S2 x2( ) = Jcos[iy( + l) + p] + Z) η = 0,1,---,jV-1 N為採樣點數，f為正弦信號頻率，T為採樣周期，=〒為採樣頻率。
份=2冗丄二kM為歸一化數字頻率。？ = 0,1,
權利要求
1.一種消除頻譜洩漏的高準確度正弦信號測量裝置，其特徵在於它是由模擬信號預 處理單元、數據採集單元、數位訊號處理單元、測量結果顯示單元、通信接口單元組成，模擬 信號預處理單元和數據採集單元之間通過多路信號線進行連接，數位訊號處理單元通過 SPI總線分別與數據採集單元、測量結果顯示單元、通信接口單元進行連接；所述模擬信號預處理單元由隔離電路和濾波電路組成，其隔離電路和濾波電路之間由 多路信號線連接；該隔離電路採用精密隔離放大器IS0124，它通過封裝在器件內部的隔離 電容來實現輸入級和輸出級信號的隔離；該濾波電路採用連續時間濾波器MAX274，它的功 能是濾除經過隔離電路時產生的高頻噪聲；該單元主要對模擬信號進行隔離和低通濾波；所述數據採集單元由多路模擬選擇開關、可編程增益放大器、可編程控制器CPLD和AD 轉換器組成，多路模擬選擇開關輸入端接濾波電路出來的多路信號線，輸出端為一路信號 線，連接至可編程增益放大器輸入端，可編程增益放大器輸出端由一路信號線連接至AD轉 換器；該多路模擬選擇開關採用DG201，用於從多路模擬信號中選擇所要採樣的信號；該可 編程增益放大器採用AD256實現，它可以根據可編程控制器送來的控制碼改變放大器的增 益係數；該可編程控制器CPLD用於完成採樣控制與調節的功能，根據各輸入的量程控制可 編程增益放大器的增益係數；該AD轉換器採用AD677，用於將預處理過的模擬信號轉化為 數位訊號；所述數位訊號處理單元，採用DSP晶片TMS320C5402，在DSP的內置RAM內設置信號測 量程序，主要包括FFT運算和代數運算，用於實現信號測量算法；所述測量結果顯示單元，採用型號為LCM320240的液晶顯示器顯示信號波形和測量結果；所述通信接口單元，採用異步通信接口晶片16C550，使測量裝置通過RS232總線接口 與PC機進行通信，實現對測量裝置的調試，它也可將信號測量數據及結果從測量裝置送到 PC機。
2.一種消除頻譜洩漏的高準確度正弦信號測量方法，其特徵在於該方法具體步驟如下步驟一對待測信號連續採樣，得到N點數字序列Si，以及將其延遲一個採樣周期後的 數字序列S2 ；Si X1 (n) = A cos(an + φ) + D η = 0,1,---,jV-1 S2: x2 (η) = A cos[iy( + \) + φ\ +D η = 0,1,···, A^-IN為採樣點數，f為正弦信號頻率，T為採樣周期，厶為採樣頻率；ω = 2π^- =歸一化數字頻率-,q = 0,1,fsN^-2'--<θ<-,採樣滿足Nyquist採 2 2樣定理；其中[]表示整數部分；步驟二 對序列Sl進行快速傅立葉變換即FFT，提取峰值頻譜，並經過一步遞推得到序 列S2的峰值頻譜；Ν-ι2πSl的頻譜^㈨工而⑷…耶卜^^閒n=0N上式可寫成yt = OD-I
全文摘要
一種消除頻譜洩漏的高準確度正弦信號測量裝置，它由模擬信號預處理單元、數據採集單元、數位訊號處理單元、測量結果顯示單元、通信接口單元組成，模擬信號預處理單元和數據採集單元通過多路信號線連接，數位訊號處理單元通過SPI總線分別與數據採集單元、測量結果顯示單元、通信接口單元連接。其測量方法的步驟是一、對待測信號連續採樣，得到序列S1、S2；二、對S1進行快速傅立葉變換，提取峰值頻譜和經過遞推得到S2的峰值頻譜；三、運用S1和S2峰值頻譜算出待測信號的頻率；四、根據S1和S2的峰值頻譜相角信息算出待測信號的相位；五、解關於正、負頻率頻譜幅度方程組得到待測信號幅值的測量值；六、去除頻譜洩漏的影響，得到直流分量精確測量值。
文檔編號G01R23/16GK102004186SQ20101053845
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月8日 優先權日2010年11月8日
發明者付連銳, 王兆仲 申請人:北京航空航天大學