專利名稱：一種消除頻譜泄漏的高準(zhǔn)確度正弦信號測量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種消除頻譜泄漏的高準(zhǔn)確度正弦信號測量方法與裝置，屬于信號測 量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在電工測量、電網(wǎng)監(jiān)測、振動噪聲測量、音頻處理和雷達信號處理等工業(yè)領(lǐng)域中， 經(jīng)常需要對正弦信號的各參數(shù)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(jiān)測電網(wǎng)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件測量法和軟件測量法。傳統(tǒng)的測量方法和裝置主要 通過硬件電路實現(xiàn)，其測量精度取決于測量電路的性能。軟件測量法，是將模擬信號轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號后用計算機對數(shù)字信號進行處理，它是當(dāng)今信號檢測新的發(fā)展趨勢，其測量精度 和性能主要取決于數(shù)字信號處理算法。1、傳統(tǒng)的正弦信號測量裝置的主要問題用于檢測正弦信號參數(shù)的傳統(tǒng)測量裝置主要存在以下問題(1)傳統(tǒng)測量裝置主要由硬件電路實現(xiàn)，易受到噪聲干擾，測量精度較低，已經(jīng)不 能滿足越來越高的工業(yè)測量要求。(2)傳統(tǒng)測量裝置對硬件依賴程度大，時鐘穩(wěn)定度、器件對信號的延遲等硬件特性 嚴(yán)重制約了傳統(tǒng)測量裝置的測量精度。(3)傳統(tǒng)測量裝置自動化程度低，對輸入信號幅度適應(yīng)能力差，不能根據(jù)待測信號 的大小自動調(diào)節(jié)信號放大器的增益系數(shù)。當(dāng)信號幅度較大時可能超出測量范圍，如圖4a和 圖4b所示；當(dāng)信號幅度較小時采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(fā)明中的信號處理算法屬于頻譜分析法的范疇。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(shù)信息。離散傅立葉變換早已經(jīng)有 成熟的快速算法FFT，即快速傅立葉變換。在非整周期采樣條件下，直接運用FFT方法會產(chǎn) 生頻譜泄漏，所得的頻譜不能真實反映信號的頻率成分，而是包含了短范圍泄漏和長范圍 泄漏兩部分誤差，如圖6b和圖6d所示。短范圍泄漏是由于非整周期采樣條件下由連續(xù)頻譜抽樣得到的離散頻譜峰值不 在連續(xù)譜的峰值頻率處，造成了頻譜幅度失真。目前克服短范圍泄漏的主要方法有兩種頻 譜插值和加窗截取。長范圍泄漏是頻譜中的負(fù)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(dāng)待測信號頻率遠小于采樣頻率或接近NyquiSt頻率(采樣頻率 的一半)時；第二，當(dāng)采樣點數(shù)較小時。目前克服長范圍泄漏的主要方法有簡化近似法和解 析法。這兩種誤差嚴(yán)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范圍泄漏的影響。韓國專利數(shù)據(jù)庫中，專利號為KR20030089995A，名稱為“采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《基于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都采用雙峰譜線插值的方法 來克服短范圍泄漏的影響，但是都忽略了負(fù)頻率成分，因而無法克服長范圍泄漏的影響。盡 管后者采用加窗技術(shù)抑制了負(fù)頻率對頻譜的影響，測量精度高于前者，但仍無法從根本上 消除負(fù)頻率的影響，尤其是當(dāng)待測信號頻率遠小于采樣頻率或接近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于窗函數(shù)，當(dāng)待測信號參數(shù)變化時，窗函數(shù)的 參數(shù)也需要隨之變化，需要根據(jù)信號參數(shù)確定窗函數(shù)的參數(shù)，實現(xiàn)方法較復(fù)雜。長范圍泄漏是制約正弦信號測量精度的瓶頸。世界專利數(shù)據(jù)庫中，專利號為 W003058261A1，名稱為“消除非整周期采樣信號離散傅立葉變換頻譜泄漏的方法”(DFT LEAKAGE REMOVAL FOR N0N-C0HERENTLY SAMPLED SIGNALS)考慮了負(fù)頻率的影響，在精確預(yù) 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。美國專利數(shù)據(jù)庫中，專利號為US6965068B2，名稱為“輸入信號頻譜估計的系統(tǒng)和 方法”(SYSTEM AND METHOD FOR ESTIMATING TONES IN AN INPUT SIGNAL)的專利采用了 迭代算法，首先在忽略負(fù)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(shù)，然后根據(jù)估計出的參數(shù)重構(gòu)負(fù)頻率成分頻譜，從原頻譜中減去重構(gòu)的 負(fù)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(shù)，反復(fù)迭代，直到達到設(shè) 定的精度為止。上述方法存在以下缺點第一，迭代過程需要反復(fù)重構(gòu)負(fù)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，降低了算法的頻率分辨率。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(fù)頻率的情況下利 用三根譜線近似插值的方法，可以克服短范圍泄漏和長范圍泄漏的影響，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(yīng)頻率點之間頻率的信號，降低了算法的頻率分辨率。第二，此方法是近似算法， 只適用于采樣點數(shù)較大的情況，當(dāng)采樣點數(shù)較少時，算法誤差較大。本發(fā)明采用一種易于實現(xiàn)的解析方法，能夠完全消除短范圍泄漏和長范圍泄漏的 影響，從根本上解決了非整周期截斷引起的頻譜泄漏問題。對連續(xù)采樣的N點數(shù)字序列進 行FFT得到頻譜峰值，通過簡單的代數(shù)運算一步遞推得到延遲一個采樣間隔后信號的頻譜 峰值，利用兩個頻譜峰值以及直流成分頻譜解析出準(zhǔn)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(shù)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范圍泄漏和長范圍泄漏影響的簡化 近似測量方法，與本發(fā)明提出的方法有以下區(qū)別。第一，上述專利是將2N-1點數(shù)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(fā)明只需要進行一次N點FFT。 第二，上述專利采用了簡化近似的方法，而本發(fā)明采用的是精確方法，未經(jīng)簡化，因而測量結(jié)果精度高于上述發(fā)明，見表1。第三，上述發(fā)明進行簡化近似的前提條件是采樣點數(shù)N較 大，本發(fā)明不受此條件限制。N越大，F(xiàn)FT的運算量也就越大。此外，上述發(fā)明要進行兩次 FFT運算，計算量約為本發(fā)明的兩倍。第四，上述發(fā)明特征之一為采樣點數(shù)“N取2的正整數(shù) 次冪”，而本方法中的采樣點數(shù)沒有此限制。名稱為“高準(zhǔn)確度正弦信號測量方法”，申請?zhí)枮?00910089315. 7的中國專利也 公開了一種同時考慮短范圍泄漏和長范圍泄漏影響的測量方法，測量過程也未進行近似簡 化。但是與本發(fā)明有明顯的區(qū)別。第一，上述專利的特征之一在于“所述采樣為非整周期采 樣，即采樣周期與正弦信號周期之間不是整數(shù)倍關(guān)系”，而本發(fā)明既適用于整周期采樣，又 適用于非整周期采樣，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(yīng)頻率點之間頻率的信號，降低 了算法的頻率分辨率。而本發(fā)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 信號頻率的測量分辨率。第三，用上述專利方法測量低頻信號，當(dāng)采樣點數(shù)較低時會出現(xiàn)奇 異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出，無法測量信號的參數(shù)，而本方法不會出現(xiàn)此類奇異情況，仍能保持高的 準(zhǔn)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(fā)明方法能得到正弦信號全部四個參數(shù)的高準(zhǔn)確度測量值。名稱為“欠采樣下的正弦信號頻率的高效測量方法及裝置”，申請?zhí)?201010162687.0的中國專利公開了一種欠采樣條件下測量正弦信號頻率的方法。上述方 法與本發(fā)明方法有以下不同點。第一，上述方法特征之一是適用于欠采樣條件，即不滿足采 樣定理的情況，本發(fā)明方法適用于滿足采樣定理的情況。第二，上述方法僅提供了正弦信號 頻率的測量方法，而本發(fā)明方法能測量出正弦信號全部的參數(shù)；第三，上述方法另一特征是 “用長為(2N-1)的卷積窗Wc對中心樣點X(O)前、后(2N-1)個數(shù)據(jù)進行加權(quán)，然后將間隔 為N的數(shù)據(jù)兩兩進行重疊相加，再對重疊相加后的數(shù)據(jù)進行DFT”，而本發(fā)明方法不需要對 數(shù)據(jù)進行加窗處理，直接對N點數(shù)據(jù)作FFT運算。第四，要達到同樣的頻率分辨率，本發(fā)明 方法所需采樣的數(shù)據(jù)長度小于上述方法。例如，采樣頻率都為fs時，要達到fs/128的頻率 分辨率，上述方法需要采樣255點數(shù)據(jù)，而本發(fā)明方法只需采樣129點數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的針對國內(nèi)外現(xiàn)有正弦信號測量方法和裝置的不足，本發(fā)明的目的是提供 一種消除頻譜泄漏的高準(zhǔn)確度正弦信號測量方法與裝置，它能實現(xiàn)對正弦信號幅值、頻率、 相位和直流分量高準(zhǔn)確度的測量。2、技術(shù)方案(1)本發(fā)明一種消除頻譜泄漏的高準(zhǔn)確度正弦信號測量裝置，它是由模擬信號預(yù) 處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)字信號處理單元、測量結(jié)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(guān)系是模擬信號預(yù)處理單元和數(shù)據(jù)采集單元之間通過多路 信號線進行連接，數(shù)字信號處理單元通過SPI總線分別與數(shù)據(jù)采集單元、測量結(jié)果顯示單 元、通信接口單元進行連接。所述模擬信號預(yù)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；該隔離電路采用精密隔離放大器IS0124，它通過封裝在器件內(nèi)部的 隔離電容來實現(xiàn)輸入級和輸出級信號的隔離；該濾波電路采用連續(xù)時間濾波器MAX274，它的功能是濾除經(jīng)過隔離電路時產(chǎn)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(shù)據(jù)采集單元由多路模擬選擇開關(guān)、可編程增益放大器、可編程控制器CPLD 和AD轉(zhuǎn)換器組成。多路模擬選擇開關(guān)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(zhuǎn)換器。該多路模擬選擇開關(guān)采用DG201，用于從多路模擬信號中選擇所要采樣的信號； 該可編程增益放大器采用AD256實現(xiàn)，它可以根據(jù)可編程控制器送來的控制碼改變放大器 的增益系數(shù)；該可編程控制器CPLD用于完成采樣控制與調(diào)節(jié)的功能，根據(jù)各輸入的量程控 制可編程增益放大器的增益系數(shù)；該AD轉(zhuǎn)換器采用AD677，用于將預(yù)處理過的模擬信號轉(zhuǎn) 化為數(shù)字信號。所述數(shù)字信號處理單元，采用DSP芯片TMS320C5402，在DSP的內(nèi)置RAM內(nèi)設(shè)置信 號測量程序，主要包括FFT運算和少量的代數(shù)運算，用于實現(xiàn)本發(fā)明所提出的信號測量算 法。所述測量結(jié)果顯示單元，采用型號為LCM320240的液晶顯示器顯示信號波形和測量結(jié)果。所述通信接口單元，采用異步通信接口芯片16C550，使測量裝置通過RS232總線 接口與PC機進行通信，實現(xiàn)對測量裝置的調(diào)試，也可將信號測量數(shù)據(jù)及結(jié)果從測量裝置送 到PC機。一種消除頻譜泄漏的高準(zhǔn)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(jīng)過濾波器濾除信號 中的高頻雜波干擾，然后送至多路模擬選擇開關(guān)?？删幊炭刂破鰿PLD和AD677通過SPI總 線與DSP芯片進行數(shù)據(jù)交換。CPLD發(fā)送控制指令到多路模擬選擇開關(guān)和AD轉(zhuǎn)換器，使AD轉(zhuǎn) 換器以固定采樣頻率采樣輸入的多路信號，然后AD轉(zhuǎn)換器把采樣的數(shù)據(jù)由SPI總線和DSP 內(nèi)固化設(shè)置的多通道緩沖串口 McBSP送到DSP中。DSP根據(jù)接收數(shù)據(jù)的大小范圍計算出合 適的放大器增益系數(shù)，通過SPI總線發(fā)送給CPLD，CPLD產(chǎn)生控制指令送到可編程增益放大 器，改變其增益系數(shù)，同時CPLD將修改后的增益系數(shù)通過SPI總線送至DSP。DSP運行信號 處理算法所得到的測量結(jié)果經(jīng)過SPI總線送至液晶顯示器進行顯示，同時可通過RS232異 步通信接口芯片16C550，將信號測量數(shù)據(jù)及結(jié)果經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)串行接口送到PC機，進行可視化 處理并顯示。(2)本發(fā)明一種消除頻譜泄漏的高準(zhǔn)確度正弦信號測量方法，采用一種易于實現(xiàn) 的解析方法，能夠完全消除短范圍泄漏和長范圍泄漏的影響，從根本上解決了非整周期截 斷引起的頻譜泄漏問題。它首先對連續(xù)采樣的N點數(shù)字序列進行FFT得到頻譜峰值，然后 通過簡單的代數(shù)運算一步遞推得到延遲一個采樣周期后信號的頻譜峰值，再根據(jù)兩個頻譜 峰值利用幾何向量法解析出準(zhǔn)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(xù)采樣，得到N點數(shù)字序列Si，以及將其延遲一個采樣周期 后的數(shù)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為采樣點數(shù)，f為正弦信號頻率，T為采樣周期，=〒為采樣頻率。
份=2冗丄二kM為歸一化數(shù)字頻率。？ = 0,1,
權(quán)利要求
1.一種消除頻譜泄漏的高準(zhǔn)確度正弦信號測量裝置，其特征在于它是由模擬信號預(yù) 處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)字信號處理單元、測量結(jié)果顯示單元、通信接口單元組成，模擬 信號預(yù)處理單元和數(shù)據(jù)采集單元之間通過多路信號線進行連接，數(shù)字信號處理單元通過 SPI總線分別與數(shù)據(jù)采集單元、測量結(jié)果顯示單元、通信接口單元進行連接；所述模擬信號預(yù)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；該隔離電路采用精密隔離放大器IS0124，它通過封裝在器件內(nèi)部的隔離 電容來實現(xiàn)輸入級和輸出級信號的隔離；該濾波電路采用連續(xù)時間濾波器MAX274，它的功 能是濾除經(jīng)過隔離電路時產(chǎn)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(shù)據(jù)采集單元由多路模擬選擇開關(guān)、可編程增益放大器、可編程控制器CPLD和AD 轉(zhuǎn)換器組成，多路模擬選擇開關(guān)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(zhuǎn) 換器；該多路模擬選擇開關(guān)采用DG201，用于從多路模擬信號中選擇所要采樣的信號；該可 編程增益放大器采用AD256實現(xiàn)，它可以根據(jù)可編程控制器送來的控制碼改變放大器的增 益系數(shù)；該可編程控制器CPLD用于完成采樣控制與調(diào)節(jié)的功能，根據(jù)各輸入的量程控制可 編程增益放大器的增益系數(shù)；該AD轉(zhuǎn)換器采用AD677，用于將預(yù)處理過的模擬信號轉(zhuǎn)化為 數(shù)字信號；所述數(shù)字信號處理單元，采用DSP芯片TMS320C5402，在DSP的內(nèi)置RAM內(nèi)設(shè)置信號測 量程序，主要包括FFT運算和代數(shù)運算，用于實現(xiàn)信號測量算法；所述測量結(jié)果顯示單元，采用型號為LCM320240的液晶顯示器顯示信號波形和測量結(jié)果；所述通信接口單元，采用異步通信接口芯片16C550，使測量裝置通過RS232總線接口 與PC機進行通信，實現(xiàn)對測量裝置的調(diào)試，它也可將信號測量數(shù)據(jù)及結(jié)果從測量裝置送到 PC機。
2.一種消除頻譜泄漏的高準(zhǔn)確度正弦信號測量方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一對待測信號連續(xù)采樣，得到N點數(shù)字序列Si，以及將其延遲一個采樣周期后的 數(shù)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為采樣點數(shù)，f為正弦信號頻率，T為采樣周期，厶為采樣頻率；ω = 2π^- =歸一化數(shù)字頻率-,q = 0,1,fsN^-2'--<θ<-,采樣滿足Nyquist采 2 2樣定理；其中[]表示整數(shù)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，并經(jīng)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^^閑n=0N上式可寫成yt = OD-I
全文摘要
一種消除頻譜泄漏的高準(zhǔn)確度正弦信號測量裝置，它由模擬信號預(yù)處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)字信號處理單元、測量結(jié)果顯示單元、通信接口單元組成，模擬信號預(yù)處理單元和數(shù)據(jù)采集單元通過多路信號線連接，數(shù)字信號處理單元通過SPI總線分別與數(shù)據(jù)采集單元、測量結(jié)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(xù)采樣，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(jīng)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(jù)S1和S2的峰值頻譜相角信息算出待測信號的相位；五、解關(guān)于正、負(fù)頻率頻譜幅度方程組得到待測信號幅值的測量值；六、去除頻譜泄漏的影響，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(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者付連銳, 王兆仲 申請人:北京航空航天大學(xué)