CN101216511A - 一种数字同步采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字同步采样方法，属于数模混合信号处理领域，该方法包括设采样频率f_s为M×N×f₀，用f_s对频率为f_i的输入信号采样，其中f₀为输入信号的频率理论值；对输入信号进行频率测量；将得到的频率测量结果，采样信号用级联梳状滤波抽取方式进行抽取位置为p、抽取率为M’的下抽取滤波；得到抽取后的采样频率与频率为f_i的输入信号满足同步采样关系。本发明具有计算量小，易于实现，同步准确，实用性好的优点。

Description

一种数字同步采样方法

技术领域

本发明属于数模混合信号处理领域，特别涉及数字同步采样方法。

背景技术

同步采样就是整周期、等间隔均匀采样，要求采样频率f_s与被测信号频率f_i的比值是一周内采样点数N的整数倍。根据提供采样信号方式不同，同步采样分为软件同步采样和硬件同步采样两种。

硬件同步采样是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。传统的做法是利用锁相频率跟踪原理实现同步等间隔采样，其电路如图1所示。该电路由相位比较器(以下简称PD)、低通滤波器(以下简称LP)、压控振荡器(以下简称VCO)构成的锁相环(以下简称PLL)内加入N分频器，输入f_i为被测信号的频率，作为锁相环的基准频率，输出f_s为采样频率。f_s经N分频后与f_i相比较；根据锁相环工作原理，锁定时f_s＝N×f_i。由于PLL的实时跟踪性，当被测信号频率f_i变化时，电路能自动快速跟踪并锁定，始终满足采样频率为被测信号频率的整数倍，从而实现一周内等间隔采样N点。这种硬件实现的同步采样方法需要模拟电路来实现，设计比较复杂，并且占用较大的硬件面积；当分频数N较大时，输出的采样频率f_s存在抖动，并不能实现理想的一周内等间隔采样。

采用软件实现的同步采样方法有两种：方法一是在采样过程中动态调整采样时间间隔，即等效调整采样频率f_s，使实际采样时刻最大限度地逼近理想均匀同步采样时刻；方法二是在采样后用线性插值方法修正采样值，使实际采样序列逼近理想的均匀同步采样序列。但软件同步采样需要微处理器的参与，为提高实时性，必须采用高性能的微处理器才能完成算法所需要的运算，因此开发成本也很高。

软件同步采样方法需要对被测信号基波频率进行检测。2003年由张世平，赵永平，张绍卿，李德胜等发表在《电机工程学报》的“一种基于自适应陷波器的电网频率测量新方法”，它采用两极自适应陷波滤波器结构：第一级陷波器滤除谐波并得到加强的基波成分，再经过降采样处理把基波频谱拓宽厚；由第二级陷波器来估计基波频率。该算法具有计算量小，频率检测速度快的优点，适合商业开发应用。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种数字同步采样方法，具有计算量小、易于实现、同步准确、实用性好的优点。

本发明提出的一种数字同步采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设采样频率f_s为M×N×f₀，用f_s对频率为f_i的输入信号采样，其中f₀为输入信号频率的理论值，M、N为正整数，(即f_s对信号采样后将模拟信号数字化，在数字离散域对f₀的采样是同步的)；

2)用基于自适应陷波器的电网频率测量方法对输入信号进行频率测量；

3)依据频率测量的结果，对步骤1)所得到的采样信号用级联梳状滤波(以下简称CIC)抽取方式进行抽取位置为p、抽取率为M’的下抽取滤波；得到抽取后的采样频率与频率为f_i的输入信号满足同步采样关系。

所述步骤3)的级联梳状滤波抽取方式采用级联梳状滤波器实现，该滤波器的传递函数是：

$H\left(z\right)={\left(\frac{1-z^{-M^{\′}}}{1-z^{-1}}\right)}^r\·\·\·\left(1\right)$

式中：r表示级联阶数，z^-1表示单位延迟，M’与M的关系是 $M=2^{\mathrm{round}\left({\log }_2\left(M^{\′}\right)\right)};$

(这种滤波器的特点是所有滤波系数均为1，因此实现时不需要乘法器)。本发明采用的滤波器的一种实现方式是由D触发器和加法器构成积分单元并且串联r个，每M’个积分运算之后做一次微分运算实现下抽取，微分单元由D触发器、减法器构成并且串联r个，从而实现式(1)的传递函数；

(为了与输入频率是f_i的信号保持同步采样的关系)下抽取后采样频率f_sd需满足：

$f_{\mathrm{sd}}=\frac{f_s}{M^{\′}}=N\×f_i\·\·\·\left(2\right)$

即下抽取率M’为：

$M^{\′}=\frac{f_s}{N\×f_i}=M\×\frac{f_0}{f_i}\·\·\·\left(3\right)$

M’若为分数值，实现分数下抽取可以利用CIC抽取过程中抽取位置的改变而实现；即：设在f_s采样率下第k时刻CIC的抽取位置为p(k)，并且设下一个抽取时刻是k+x，那么抽取位置可以表示为：

p(k+x)＝p(k)+x…………………………………(4)

其中x是满足式(5)的非负整数：

f_i×(k+x)-round(f_i×k)≥M×f₀…………………(5)

其中round表示四舍五入的取整运算；f_i是输入信号的频率；f₀是输入信号频率的理论值；M是下抽取率。

(式(5)中的所有乘法运算可以通过累加和的方式实现，并不占用硬件乘法器。)经过上述处理数字同步采样之后的信号可以用于类似快速傅立叶变换(以下简称FFT)这样对同步采样很敏感的运算，进而得到实际应用所需的各种数据。

本发明的特点及效果：

本发明方法在采样频率f_s不变的条件下，根据测量信号频率f_i的结果来动态调整数字信号处理中抽取滤波的抽取位置，使得抽取后的采样频率f_sd总是跟随输入信号频率f_i的变化而变化，因此实际得到的采样值最大限度地逼近理想均匀采样值，达到了同步采样的目的。整个方法都能用数字电路完成，完全硬件化，无需软件的参与。

本发明相比已有方法具有计算量小，易于实现，同步准确，实用性好的优点。

附图说明

图1为已有的一种硬件实现的同步采样的结构示意图。

图2为本发明方法的原理框图。

图3为本发明方法的实施例框图。

图4为本发明方法中抽取位置可控的CIC结构示意图。

图5为本发明方法实施例抽取后的信号FFT频谱。

具体实施方式

下面结合本发明方法在谐波电能计量中的应用详细介绍它的具体实施方式。

在谐波电能计量中，需要准确地求出电网中基波和谐波确切的幅度和相位，常用的方法就是快速傅立叶变换(以下简称FFT)。而FFT计算在非同步采样的条件下会导致严重的频率泄漏进而使基波和谐波电能计量精度降低，因此同步采样是谐波计量的关键。

本发明应用于谐波计量的同步采样方法实施例的结构图如图3所示，其中，电网频率的理论值f₀为50Hz，假定采样频率f_s是50×131072Hz＝6.5536MHz，电网的实际频率f_i是52Hz，该方法包括以下步骤：

1)对输入的模拟信号经过一个采样频率是50×128×1024Hz＝6.5536MHz的模数转换器(以下简称ADC)，它对信号采样后将模拟信号数字化；

2)用基于自适应陷波器的电网频率测量方法测量出输入信号的频率f_i＝52Hz；

3)ADC输出的信号经过一个理论下采样率为M＝128，级联阶数r＝3的CIC抽取滤波过程，其内部结构如图4所示，它由3个D触发器和3个加法器构成积分单元(如图4中左侧所示)；并且根据第k时刻的抽取位置推倒公式(5)实现分数下抽取 $M^{\′}=\frac{f_s}{N\×f_i}=M\×\frac{f_0}{f_i}=123.077$ ；由3个D触发器和3个减法器构成微分单元(如图4中右侧所示)，最终将系统抽取率降为 $f_{\mathrm{sd}}=\frac{f_s}{M^{\′}}=N\×f_i=53.248\mathrm{KHz};$

设第k＝0时刻CIC的抽取位置为p(0)＝0，通过递推公式p(k+x)＝p(k)+x和52×(k+x)-round(52×k)≥128×50，可以依次求出各次抽取对应的抽取位置，例如第1、2、3次的抽取位置分别是：123，118，113。

CIC抽取之后的信号在数字离散域与降采样后的采样频率满足同步采样的关系，即一个信号周波有1024点采样值。

在实际应用当中，为了减小FFT计算的复杂度，本实施例可以将信号通过一个下采样率为M＝16，级联阶数r＝3的CIC滤波器，将系统频率下降为3.328KHz，即一个信号周波有64点采样值。

对上述同步采样信号做FFT频谱分析，其谱线如图5所示，其中横轴表示频率(单位是赫兹)，纵轴表示幅度(单位是分贝)；从图5可以看出，频谱已不存在非同步采样时的频谱泄漏的现象。把FFT的结果做处理就可以得到计量所需要的基波和谐波的相关信息，其中基波的有功功率误差小于0.0001％。

Claims (3)

1.本发明提出的一种数字同步采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设采样频率f_s为M×N×f₀，用f_s对频率为f_i的输入信号采样，其中f₀为输入信号的频率理论值，M、N为正整数；

2)对输入信号进行频率测量；

3)依据步骤2)得到的频率测量结果，对步骤1)的采样信号用级联梳状滤波抽取方式进行抽取位置为p、抽取率为M’的下抽取滤波；得到抽取后的采样频率与频率为f_i的输入信号满足同步采样关系。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)的级联梳状滤波抽取方式采用级联梳状滤波器实现，该滤波器的传递函数是：

$H\left(z\right)={\left(\frac{1-z^{-M^{\′}}}{1-z^{-1}}\right)}^r\·\·\·\left(1\right)$

式中：r表示级联阶数，z^-1表示单位延迟，M’与M的关系是 $M=2^{\mathrm{round}\left({\log }_2\left(M^{\′}\right)\right)}.$

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，若所述M’为分数值，则设在f_s采样率下第k时刻级联梳状滤波的抽取位置为p(k)，并且设下一个抽取时刻是k+x，那么抽取位置用以下的推导公式求得：

p(k+x)＝p(k)+x…………………………………(2)

其中x是满足式(3)的非负整数：

f_i×(k+x)-round(f_i×k)≥M×f₀…………………(3)

其中round表示四舍五入的取整运算；f_i是输入信号的频率；f₀是输入信号频率的理论值；M是下抽取率。

Images