CN102998528B - 动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法及其实现装置，利用三角Hanning时域卷积窗对离散化的正弦畸变信号进行加权，对加权以后的信号做离散傅里叶变换得到离散频谱，找到离散频谱中的幅度值为最大、次大和第3的谱线，对所找到的3根峰值谱线，计算峰值谱线左右两侧的泄漏权值，利用泄漏权值的算术平均获得频率分量偏移值，实现频谱泄漏的对消抑制，从而准确提取正弦畸变信号中频率分量的频率和幅值。

Description

动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法及其实现装置

技术领域

本发明涉及动态信号测试与分析领域，具体是一种动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法及其实现装置。 

背景技术

正弦信号是频率成分最为单一的一种信号，广泛应用于通信、电力传输、工业自动控制、超声波探伤等领域。但是在实际系统中，受噪声、传输阻抗等影响，正弦信号往往存在着一定程度的畸变。以电力系统为例，随着电力系统中各种类型的非线性负荷(大功率整流设备、换流设备、电弧炉、电气化铁道以及家用电器等)的不断增加，电力系统中电压、电流正弦波形畸变现象日趋严重。因此，动态正弦畸变信号中频率分量的准确提取是急需解决的关键难题。 

正弦畸变信号中频率分量提取方法从早期的模拟滤波器检测方法，逐步转向以数字信号处理技术为基础的数字分析方法，如FFT、小波变换、人工神经网络、支持向量机等。基于FFT的方法因其实现简单而颇受青睐，但其在动态正弦畸变信号的频率分量提取中难以应用，其主要原因如下：1）畸变发生时，正弦基波频率往往存在波动，严格的同步采样难以实现，非同步采样所引起的频谱泄漏和栅栏效应大大降低了分析精度；2）采用FFT方法时，为简化数学推理，往往忽略了各频率分量间的相互干扰，特别在白噪声存在情况下，动态正弦畸变信号的频谱泄漏模型更加复杂。而上述难题至今仍未有理想成熟的解决方案。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法及其实现装置，抑制正弦畸变信号进行傅里叶变换时所产生的频谱泄漏，从而提高动态正弦畸变信号中频率分量提取的准确度。 

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：利用三角Hanning时域卷积窗对离散化的正弦畸变信号进行加权，对加权以后的信号做离散傅里叶变换得到离散频谱，找到离散频谱中的幅度值为最大、次大和第3的谱线，利用所找到的3根峰值谱线计算峰值谱线左右两侧的泄漏权值，利用泄漏权值的算术平均计算频率分量偏移值，实现频谱泄漏的对消抑制，从而准确提取正弦畸变信号中频率分量的频率和幅值，具体包括以下步骤： 

a. 确定进行傅里叶变换的数据长度N和采样频率f_s； 

b. 将长度均为N/2的三角窗与Hanning窗进行时域卷积，得到长度为N-1的卷积结果，在该卷积结果前补1个零，得到长度为N的三角Hanning时域卷积窗w(n)； 

c. 利用长度为N的三角Hanning时域卷积窗w(n)对离散化的正弦畸变信号x(n)加权，得到加权后的正弦畸变信号x_w(n)=x(n)w(n)； 

d. 对加权后的正弦畸变信号x_w(n)进行长度为N的离散傅里叶变换，得到频谱函数X(n)； 

e. 查找频谱函数X(n)，得到幅度最大谱线k₁、次大谱线k₂和第3大谱线k₃，相应的频谱幅度分别为|X₁|、|X₂|和|X₃|； 

f. 计算峰值谱线左右两侧的泄漏权值分别为d₁和d₂，具体计算公式为： 

$d_1=\frac{\left|X_2\right|}{\left|X_1\right|}$ ， $d_2=\frac{\left|X_3\right|}{\left|X_2\right|}$

g. 利用泄漏权值d₁和d₂的算术平均值计算频率分量偏移值k_x，具体计算公式为： 

$k_x=\frac{1}{2}(d_1+d_2)=\frac{1}{2}(\frac{\left|X_2\right|}{\left|X_1\right|}+\frac{\left|X_3\right|}{\left|X_2\right|})$

h. 根据所计算的频率分量偏移值k_x，得到正弦畸变信号中频率分量的频率值f₀，具体计算公式为： 

$f_0=\frac{f_s}{N}(k_1+k_x)$

i. 根据所计算的频率分量偏移值k_x，得到正弦畸变信号中频率分量的幅值A₀，具体计算公式为： 

$A_0=\frac{2{k_x}^2\mathrm{\π}(1-{k_x}^2)(4-{k_x}^2)}{N\sin \left(k_x\mathrm{\π}\right)}(\frac{\left|X_1{X}_2\right|}{\left|X_3\right|}+\frac{{\left|X_1\right|}^2}{\left|X_2\right|})$

本发明中还包括实现动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法的装置，它包括由用于采集正弦畸变信号的数据采集卡，用于进行正弦畸变信号中频率分量频率和幅值分析的计算机，其中正弦畸变信号与数据采集卡的输入通道相连，数据采集卡与计算机通过USB相连。 

所述的数据采集卡使用美国国家仪器公司的NI USB-6210，NI USB-6210的采样频率设置为250k Hz，数据转换位数为16位，NI USB-6210包含有16个信号输入通道，可以选择其中的任意1个输入通道与正弦畸变信号相连，NI USB-6210与计算机通过USB连接。 

所述的计算机是指安装有美国国家仪器公司LabVIEW软件系统的计算机，计算机通过USB与NI USB-6210相连后，运行LabVIEW软件后可以接收到NI  USB-6210采集的正弦畸变信号，根据动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法可以得到频率分量的频率与幅值。 

综上所述，本发明所述动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法及实现动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法的装置简单可行、能有效抑制由于傅里叶变换所引入的频谱泄漏的影响，提高动态正弦畸变信号中频率分量提取的精度和稳定性。 

附图说明

图1为本发明中实现所述动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法的装置结构示意图； 

图2为本发明所述动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法的流程图； 

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。 

本发明实现所述动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法的装置结构如图1所示。 

如图1所示，数据采集卡使用美国国家仪器公司的NI USB-6210，NI USB-6210的采样频率设置为250k Hz，数据转换位数为16位，NI USB-6210包含有16个信号输入通道，选择其中的任意1个输入通道与正弦畸变信号相连，NI USB-6210与计算机通过USB连接。在本实施例中，采用美国安捷伦公司的信号发生器提供Agilent 33120A待分析的正弦畸变信号，将Agilent 33120A的输出与NI USB-6210的输入端相连。 

计算机采用联想Thinkpad X220笔记本电脑，安装美国国家仪器公司 LabVIEW软件，版本号为8.5，计算机通过USB与NI USB-6210相连后，运行LabVIEW软件后可以接收到NI USB-6210采集的离散化正弦畸变信号x(n)。 

如图2所示，确定进行傅里叶变换的数据长度N=1024和采样频率f_s=250k Hz，将长度为N/2=512的三角窗与长度为N/2=512的Hanning窗进行时域卷积，得到长度为N-1=1023的卷积结果，在该卷积结果前补1个零，得到长度为N=1024的三角Hanning时域卷积窗w(n)。 

如图2所示，利用长度为N=1024的三角Hanning时域卷积窗w(n)对离散化的正弦畸变信号x(n)加权，得到加权后的正弦畸变信号x_w(n)=x(n)w(n)，对加权后的正弦畸变信号x_w(n)进行长度为N=1024的离散傅里叶变换，得到频谱函数X(n)，在频谱函数X(n)中找到频谱幅度最大谱线k₁、次大谱线k₂和第3大谱线k₃，相应的频谱幅度分别为|X₁|、|X₂|和|X₃|，计算峰值谱线左右两侧的泄漏权值分别为d₁和d₂，具体计算公式为： 

$d_1=\frac{\left|X_2\right|}{\left|X_1\right|}$ ， $d_2=\frac{\left|X_3\right|}{\left|X_2\right|}$

如图2所示，利用泄漏权值d₁和d₂的算术平均值计算频率分量偏移值k _x，具体计算公式为： 

$k_x=\frac{1}{2}(d_1+d_2)=\frac{1}{2}(\frac{\left|X_2\right|}{\left|X_1\right|}+\frac{\left|X_3\right|}{\left|X_2\right|})$

如图2所示，根据所计算的频率分量偏移值k_x，得到正弦畸变信号中频率分量的频率值f₀，具体计算公式为： 

$f_0=\frac{f_s}{N}(k_1+k_x)$

如图2所示，根据所计算的频率分量偏移值k_x，得到正弦畸变信号中频率 分量的幅值，具体计算公式为： 

$A_0=\frac{2{k_x}^2\mathrm{\π}(1-{k_x}^2)(4-{k_x}^2)}{N\sin \left(k_x\mathrm{\π}\right)}(\frac{\left|X_1{X}_2\right|}{\left|X_3\right|}+\frac{{\left|X_1\right|}^2}{\left|X_2\right|})$

在本实施例中，得到的动态正弦畸变信号中频率分量提取的结果如表1所示。 

表1  本实施例中得到的动态正弦畸变信号中频率分量提取的结果。 

Claims (4)

1.一种动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法，其特征在于：利用三角Hanning时域卷积窗对离散化的正弦畸变信号进行加权，对加权以后的信号做离散傅里叶变换得到离散频谱，找到离散频谱中的幅度值为最大、次大和第3的谱线，利用所找到的3根峰值谱线计算峰值谱线左右两侧的泄漏权值，利用泄漏权值的算术平均计算频率分量偏移值，实现频谱泄漏的对消抑制，从而准确提取正弦畸变信号中频率分量的频率和幅值，具体包括以下步骤： 

a.确定进行傅里叶变换的数据长度N和采样频率f_s； 

b.将长度均为N/2的三角窗与Hanning窗进行时域卷积，得到长度为N-1的卷积结果，在该卷积结果前补1个零，得到长度为N的三角Hanning时域卷积窗w(n)； 

c.利用长度为N的三角Hanning时域卷积窗w(n)对离散化的正弦畸变信号x(n)加权，得到加权后的正弦畸变信号x_w(n)＝x(n)w(n)； 

d.对加权后的正弦畸变信号x_w(n)进行长度为N的离散傅里叶变换，得到频谱函数X(n)； 

e.查找频谱函数X(n)，得到幅度最大谱线k₁、次大谱线k₂和第3大谱线k₃，相应的频谱幅度分别为|X₁|、|X₂|和|X₃|； 

f.计算峰值谱线左右两侧的泄漏权值分别为d₁和d₂，具体计算公式为： 

g.利用泄漏权值d₁和d₂的算术平均值计算频率分量偏移值k_x，具体计算公式为： 

h.根据所计算的频率分量偏移值k_x，得到正弦畸变信号中频率分量的频率值f₀，具体计算公式为： 

i.根据所计算的频率分量偏移值k_x，得到正弦畸变信号中频率分量的幅值A₀，具体计算公式为： 

。

2.一种实现权利要求1所述的动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法的装置，其特征在于，它包括用于采集正弦畸变信号的数据采集卡，用于进行正弦畸变信号中频率分量频率和幅值分析的计算机，其中正弦畸变信号与数据采集卡的输入通道相连，数据采集卡与计算机通过USB相连。 

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的数据采集卡使用美国国家仪器公司的NI USB-6210，NI USB-6210的采样频率设置为250k Hz，数据转换位数为16位，NI USB-6210包含有16个信号输入通道，选择其中的任意1个输入通道与正弦畸变信号相连，NI USB-6210与计算机通过USB连接。 

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的计算机是指安装有美国国家仪器公司LabVIEW软件系统的计算机，计算机通过USB与NI USB-6210相连后，运行LabVIEW软件后可以接收到NI USB-6210采集的正弦畸变信号，根据动态正弦畸变信号中频率分量的提取方法得到频率分量的频率与幅值。