CN103048539A

CN103048539A - 一种音频取证中电网频率的精确采集装置及方法

Info

Publication number: CN103048539A
Application number: CN2012105847246A
Authority: CN
Inventors: 贾飞; 周靖凯; 周云霞; 印鹏; 王文秀; 曹冬建
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-04-17

Abstract

本发明公开一种音频取证中电网频率的精确采集装置及方法，属于电网频率的采集技术领域。本采集装置，包括频率采集点和上位机，频率采集点包括精密电压互感器降压模块、信号调理模块、抗混叠滤波器模块、单片机和无线通信单元；所述的上位机通过无线通信单元完成与频率采集点的无线连接。本发明的采集方法，包括以下步骤：（1）将频率采集点布置于各个采集小区内；（2）将采样得到的数据放入缓存中缓存；（3）通过无线通信单元传送给上位机；（4）上位机将接收数据放入DMA缓冲区，频率计算；（5）将数据传输给数据库服务器；（6）数据保存到数据库服务器。本发明能将电网频率信号精确换算、保存，快速构建地区级的电网频率数据库。

Description

一种音频取证中电网频率的精确采集装置及方法

技术领域

本发明属于电网频率的采集技术领域，更具体地说，涉及一种音频取证中电网频率的精确采集装置及方法。

背景技术

在语音取证中，从电网频率特征角度对录音信号进行获取、分析和评价其真伪性、提取与录音时间、录音地点等有关联的特征参数进行录音地点的识别，就可以作为法庭或其他行政部门认可的证据。电网频率能反映语音录音时间、录音地点以及根据一定的分析一直是公安司法部门非常关注的问题。

由于我国电网频率波动较大，再加上我国电网特性复杂、电力传输通道干扰较大从而导致了从音频证据中提取的电网频率特性曲线与电力传输部门差异较大。正是这么大差异的存在，使得每一个地点的电网频率都存在差异，有了空间和时间轴的区别。电网频率测量，以及地区级电网频率数据库有了很重要的意义。当录音地点的电网频率的采集存在数据库中，而且频率采集满足一定的精度和实时性，就可以根据MATLAB等工具进行对比分析。所以录音地点的电网频率的测量精度以及实时性在语音取证中起关键性作用。而我国供电公司无法提供这些频率信息，所以电网频率数据库的组建是摆在面前需要解决的问题。

如何构建我国地区电网频率数据库，如何提取电网噪声和干扰的影响，提取出与地区数据库最匹配的电网频率特征变化曲线，是摆在我们面前一个值得深入探讨的问题。并且频率的数据较多，怎么处理这些庞大的数据也是需要解决的难题之一。

中国专利号200910078034.1，公开日2009年07月15日，公开了一份名称为以电网不对称运行和频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法的专利文件，其属于现代电力系统中负荷建模技术领域的一种以电网不对称运行和频率偏移信息辨识综合负荷等值马达方法。具体以负荷特性录波仪记录的负荷马达群所在母线的三相不对称电压瞬时值信息作为输入，以用户负荷马达群在三相不对称电压下所消耗的三相不对称电流作为输出，并将三相电压三相电流瞬时值进行坐标变换，建立综合负荷等值马达的模型，在旋转坐标系下电流分量的目标优化函数，应用微分进化和单纯形相结合的混合优化算法辨识综合负荷等值马达参数。改变以往采用电压正序相量作为输入，正序功率作为输出；以及默认电网频率为50HZ来辨识综合负荷等值马达的局限性，提高建模的准确性和可信度、综合负荷等值马达辨识精度和适用范围。但是该专利检测的电压频率等信息是为了方便电力系统中负荷建模，而且检测方法复杂。

中国专利申请号201210006398.0，公开日2012年07月18日，公开了一份名称为数字录音完整性检测方法的专利申请文件，该发明申请公开了数字录音完整性检测方法，包括：步骤1，对待检测的携带有电网频率的数字录音进行向下采样；步骤2，对采样数据进行带通滤波；步骤3，对滤波后的音频序列进行分帧处理，逐帧提取电网频率并计算相应的电网频率相位，得到一个电网频率相位序列；步骤4，根据电网频率相位的特征值检测数字录音的完整性。该发明可以对携带有电网频率的数字录音提取电网频率相位特征，判断数字录音是否存在插入、删除、替换等篡改，并定位篡改位置，实现数字录音的完整性检测。该发明可用于法庭取证中数字录音证据的完整性认证。但是该发明只能对录音本身的电网频率进行核对，无法对将录音的电网频率与实际电网的频率进行比对，无法确定录音的地点。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术无法利用我国复杂的电网特性来对录音进行核查，而司法的判决需要对录音证据辨别真伪性以及需要判断准确的录音地点问题，本发明提供一种音频取证中电网频率的精确采集装置及方法，其能建立一个地区级的电网频率数据库，通过将录音的电网频率与各个小区的电网频率进行核对，迅速的确定录音的地点和录音的时间。

2、技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种音频取证中电网频率的精确采集装置，包括频率采集点和上位机，所述的频率采集点包括精密电压互感器降压模块、信号调理模块、抗混叠滤波器模块、单片机和无线通信单元；所述的精密电压互感器降压模块、信号调理模块、抗混叠滤波器模块和单片机依次相连；所述的无线通信单元连接到单片机上；所述的上位机通过无线通信单元完成与频率采集点的无线连接。

所述的单片机带有ADC采集模块。

所述的精密电压互感器降压模块采集的电压信号经自身降压处理后传输给信号调理模块，信号调理模块将信号调理后经过抗混叠滤波器模块传输给单片机，单片机通过无线通信单元将信号传输给上位机。

所述的信号调理模块对信号的调理是将信号调理成适合ADC采集范围内。

还包括数据库服务器，所述的上位机为嵌入式上位机，上位机将接收的信号处理后保存在数据库服务器。

所述的信号调理模块所用的集成运放是MCP6002T-I/SN；所述的单片机为MSP430G2553。

所述的无线通信单元的通信方式是多点通信终端往一个集线器终端发送数据，集线器终端将各数据按数据来源分组经过RS232接口发送至上位机。

一种音频取证中电网频率的精确采集方法，包括以下步骤：

(1)将频率采集点布置于各个采集小区内，采集装置采集电网频率为f_m；

(2)频率采集点将采样得到的数据放入缓存中缓存；

(3)当缓存达到设定值时通过无线通信单元传送给上位机；

(4)上位机开辟一个DMA块，将接收数据放入DMA缓冲区；

(5)配置DMA缓冲区满时发生中断，计算频率，计算完成后将数据传输给数据库服务器；

(6)数据保存到数据库服务器。

所述的步骤(5)中执行中断程序中频率算法如下：

I、缓冲区数据为接收到的数据x(n)；

II、对x(n)求微分x'(n)＝x(n)-x(n-1)；

III、分别对x(n)和x'(n)加汉明窗得x₁(n)和x′₁(n)；

x₁(n)＝x(n)*hanming(n)；

x′₁(n)＝x′(n)*hanming(n)

IV、分别对x(n)和x'(n)求256点DFT得X(K)和X′(K)；

X(K)＝DFT(x₁(n))；

X′(K)＝DFT(x′₁(n))

V、求X(K)和X'(K)最大模值|X(K_max)|和|X'(k_max)|；

|X(K_max)|＞|X(K_other)|；

|X′(k_max)|＞|X′(K_other)|

VI、根据k_max求的采样因子f_a

f_{a} = \frac{PI * k_{\max}}{N * \sin (\frac{PI * k_{\max}}{N})};

VII、得采样频率_fr

f_{r} = \frac{f_{m} * f_{a} | X^{'} (k_{\max}) |}{2 PI * | X (k_{\max}) |};

其中：x(n)表示接收到的数据，n∈[0，N)；N为一次运算采样的数据，其值为256；PI表示π。

使用时，小区级采集点布置，是在一个无线通信的可靠范围内，按照不同变压器、不同楼宇、不同相线、不同房间将多个频率采集点分别布置在各个地方。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明一种音频取证中电网频率的精确采集装置，包括频率采集点和上位机，频率采集点包括精密电压互感器降压模块、信号调理模块、抗混叠滤波器模块、单片机和无线通信单元，可以完成对各个地方电压频率等信号的采集，频率采集精确，实时性强；

(2)本发明一种音频取证中电网频率的精确采集装置是在一个无线通信的可靠范围内，按照不同变压器、不同楼宇、不同相线、不同房间将多个频率采集点分别布置在各个地方，所采集的电网频率数据组建成一个电网频率数据库，在语音取证中起到技术保障的作用；

(3)本发明一种音频取证中电网频率的精确采集装置，结构简单，设计合理，易于制造；

(4)本发明一种音频取证中电网频率的精确采集方法，采集信号准确，成本低，操作简单；

(5)本发明一种音频取证中电网频率的精确采集方法，特有的执行中断程序算法，能按照所要求精度快速的计算出信号的频率数据。

附图说明

图1为本发明频率采集点的结构示意图；

图2为本发明采集时采集点、上位机和数据库服务器的电路关系示意图；

图3为本发明信号传递示意图；

图4为本发明中断程序中算法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图1、图2、图3所示，一种音频取证中电网频率的精确采集装置，包括频率采集点和上位机，频率采集点包括精密电压互感器降压模块、信号调理模块、抗混叠滤波器模块、单片机和无线通信单元；精密电压互感器降压模块、信号调理模块、抗混叠滤波器模块和单片机依次相连；无线通信单元连接到单片机上；所述的上位机通过无线通信单元完成与频率采集点的无线连接。单片机带有ADC采集模块。

精密电压互感器降压模块采集的电压信号经自身降压处理后传输给信号调理模块，信号调理模块将信号调理成适合ADC采集范围内后经过抗混叠滤波器模块传输给单片机，单片机通过无线通信单元将信号传输给上位机。还包括数据库服务器，所述的上位机为嵌入式上位机，上位机将接收的信号处理后保存在数据库服务器。信号调理模块所用的集成运放有多种，本实施例选择的是MCP6002T-I/SN，本实施例选择的单片机为MSP430G2553。

无线通信单元的通信方式是多点通信终端往一个集线器终端发送数据，集线器终端将各数据按数据来源分组经过RS232接口发送至上位机。使用时，小区级采集点布置，是在一个无线通信的可靠范围内，按照不同变压器、不同楼宇、不同相线、不同房间将多个频率采集点分别布置在各个地方。开始信号的采集。

采集采用如下方法，一种音频取证中电网频率的精确采集方法，包括以下步骤：

(2)频率采集点将采样得到的数据放入缓存中缓存；

(3)当缓存达到设定值时通过无线通信单元传送给上位机；

(4)上位机开辟一个DMA块，将接收数据放入DMA缓冲区；

(6)数据保存到数据库服务器。

所述的步骤(5)中执行中断程序中频率算法如下：

I、缓冲区数据为接收到的数据x(n)；

II、对x(n)求微分x'(n)＝x(n)-x(n-1)；

III、分别对x(n)和x'(n)加汉明窗得x₁(n)和x′₁(n)；

x₁(n)＝x(n)*hanming(n)；

x′₁(n)＝x′(n)*hanming(n)

IV、分别对x(n)和x'(n)求256点DFT得X(K)和X′(K)；

X(K)＝DFT(x₁(n))；

X′(K)＝DFT(x′₁(n))

V、求X(K)和X'(K)最大模值|X(K_max)|和|X'(k_max)|；

|X(K_max)|＞|X(K_other)|；

|X′(k_max)|＞|X′(K_other)|

VI、根据k_max求的采样因子f_a

f_{a} = \frac{PI * k_{\max}}{N * \sin (\frac{PI * k_{\max}}{N})};

VII、得采样频率f_r

f_{r} = \frac{f_{m} * f_{a} | X^{'} (k_{\max}) |}{2 PI * | X (K_{\max}) |};

精密电压互感器降压模块让电网220V电压降到了可检测的电压范围，其具有频率特性好的优点，故针对50HZ可以忽略电压互感器的频率特性对测试数据的影响。从电路的输入方式可以看出，该模块不仅是电气隔离式而且还是信号隔离，故有更高的安全性。这个模块电路的输出是一个隔离，缩小的电网电压，本实施例将电压降为3V左右的交流电压。这个信号是含有负电压，所以不能直接送ADC采集模块检测，故本发明在信号的传递过程中加入信号调理模块。

本实施例的抗混叠滤波器模块选用一个300HZ的低通滤波器，是一个二阶Sallen-Key结构的单位增益的低通滤波器，其参数选择是根据归一化的巴特沃斯系数及相应公式得出。普通技术人员都对归一化频率的滤波器的设计非常了解，这里不再嶅述。

ADC采集模块嵌入在单片机中，单片机选择的是MSP430G2553，其是一款低功耗、高性价比的16位单片机，内部ADC采集模块将采样频率最大达到200KPS。

无线通信单元选择的是24L01模块。该硬件模块在空旷地带的传输距离可以达到500m，可靠数据吞吐量可以达到2Mbps。在复杂环境下也可穿墙有几十米的传输距离。

数据处理得出具体频率流程图如图4所示。算法经过FFT仿真效果非常好，仅仅利用了256点的DFT就可以将频率精确度提高到0.0014%。本实施例是利用了差分信号的特征，求信号的差分是一种简化了的求自相关函数的一种方法。其自相关函数也可以反映原信号频率；根据流程图中的算法可以提高频率的测量精度。

本实施例中上位机接收到数据放入缓存中，每组数据存放在一个256B的缓存中，当缓存满时计算一次FFT。根据ST官方公布数据，计算一次256点FFT的时间，在72M时钟时是0.362ms，其它一些计算量相比于FFT来说比较小，故可以不必考虑。256点数据缓冲需要250ms，0.362ms相对于250ms来说可以忽略不计，本实施例中可以不用考虑计算量太大而来不及计算的问题。

根据算法算出频率后，把算出结果按频率采集点放置的地点进行编号放入对应输出缓存中，缓存满时则通过网口上传数据至数据库服务器。

本实施例的部分实测数据参见表1，由于篇幅过长只截取细节，每组只取30个数据。

其中A组和B组为同一变压器下测试情况。于2012年9月15日18:00测得的一组数据中的细节情况，对应时间点18:43:00：

A组地点为南京工程学院东区6栋A106；

B组数据采集地点为南京工程学院北区4栋B116。

表中C、D、E组为不同变压器下测试情况。于2012年10月14日13:20测得的一组数据中的细节情况，对应时间点13:23:00：

C组地点为南京工程学院信息楼B309；

D组地点为南京林业大学图书馆；

E组地点为南京晓庄学院图书馆。

表1本实施例中的部分实测数据

	A	B	C	D	E
						1	50.0070	50.0043	50.0457	50.0572	50.0587
2	50.0027	49.9979	50.0500	50.0587	50.0500
						3	50.0087	50.0028	50.0473	50.0525	50.0536
4	50.0081	49.9969	50.0532	50.0607	50.0485
						5	50.0110	50.0051	50.0499	50.0519	50.0545
6	50.0068	49.9987	50.0537	50.0584	50.0471
						7	50.0135	50.0043	50.0529	50.0542	50.0527
8	50.0122	49.9998	50.0541	50.0617	50.0460
						9	50.0163	50.0051	50.0536	50.0527	50.0494
10	50.0116	49.9987	50.0528	50.0589	50.0460
						11	50.0138	50.0050	50.0543	50.0542	50.0537
12	50.0144	50.0016	50.0549	50.0612	50.0482
						13	50.0205	50.0054	50.0543	50.0571	50.0565
14	50.0194	50.0013	50.0581	50.0627	50.0600
						15	50.0217	50.0093	50.0572	50.0592	50.0644
16	50.0164	50.0042	50.0571	50.0636	50.0591
						17	50.0211	50.0092	50.0592	50.0579	50.0598
18	50.0192	50.0061	50.0601	50.0634	50.0627
						19	50.0206	50.0122	50.0617	50.0597	50.0625

20	50.0205	50.0051	50.0591	50.0669	50.0618
						21	50.0211	50.0128	50.0595	50.0605	50.0600
22	50.0217	50.0058	50.0619	50.0667	50.0623
						23	50.0217	50.0130	50.0632	50.0606	50.0594
24	50.0201	50.0060	50.0611	50.0679	50.0641
						25	50.0237	50.0149	50.0634	50.0665	50.0591
26	50.0238	50.0136	50.0632	50.0676	50.0638
						27	50.0247	50.0163	50.0630	50.0636	50.0607
28	50.0243	50.0103	50.0629	50.0671	50.0634
						29	50.0236	50.0151	50.0648	50.0671	50.0583
30	50.0235	50.0126	50.0612	50.0656	50.0672

Claims

1.一种音频取证中电网频率的精确采集装置，其特征在于：包括频率采集点和上位机，所述的频率采集点包括精密电压互感器降压模块、信号调理模块、抗混叠滤波器模块、单片机和无线通信单元；所述的精密电压互感器降压模块、信号调理模块、抗混叠滤波器模块和单片机依次相连；所述的无线通信单元连接到单片机上；所述的上位机通过无线通信单元完成与频率采集点的无线连接。

2.根据权利要求1所述的一种音频取证中电网频率的精确采集装置，其特征在于，所述的单片机带有ADC采集模块。

3.根据权利要求2所述的一种音频取证中电网频率的精确采集装置，其特征在于，所述的精密电压互感器降压模块采集的电压信号经自身降压处理后传输给信号调理模块，信号调理模块将信号调理后经过抗混叠滤波器模块传输给单片机，单片机通过无线通信单元将信号传输给上位机。

4.根据权利要求3所述的一种音频取证中电网频率的精确采集装置，其特征在于，所述的信号调理模块对信号的调理是将信号调理成适合ADC采集范围内。

5.根据权利要求3所述的一种音频取证中电网频率的精确采集装置，其特征在于，还包括数据库服务器，所述的上位机为嵌入式上位机，上位机将接收的信号处理后保存在数据库服务器。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种音频取证中电网频率的精确采集装置，其特征在于，所述的信号调理模块所用的集成运放是MCP6002T-I/SN；所述的单片机为MSP430G2553。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种音频取证中电网频率的精确采集装置，其特征在于，所述的无线通信单元的通信方式是多点通信终端往一个集线器终端发送数据，集线器终端将各数据按数据来源分组经过RS232接口发送至上位机。

8.一种音频取证中电网频率的精确采集方法，包括以下步骤：

(2)频率采集点将采样得到的数据放入缓存中缓存；

(3)当缓存达到设定值时通过无线通信单元传送给上位机；

(4)上位机开辟一个DMA块，将接收数据放入DMA缓冲区；

(6)数据保存到数据库服务器。

9.根据权利要求8所述的一种音频取证中电网频率的精确采集方法，其特征在于，所述的步骤(5)中执行中断程序中频率算法如下：

I、缓冲区数据为接收到的数据x(n)；

II、对x(n)求微分x'(n)＝x(n)-x(n-1)；

III、分别对x(n)和x'(n)加汉明窗得x₁(n)和x′₁(n)；

x₁(n)＝x(n)*hanming(n)；

x′₁(n)＝x′(n)*hanming(n)

IV、分别对x(n)和x'(n)求256点DFT得X(K)和X′(K)；

X(K)＝DFT(x₁(n))；

X′(K)＝DFT(x′₁(n))

V、求X(K)和X'(K)最大模值|X(K_max)|和|X'(k_max)|；

|X(K_max)|＞|X(K_other)|；

|X′(k_max)|＞|X′(K_other)|

VI、根据k_max求的采样因子f_a

f_{a} = \frac{PI * k_{\max}}{N * \sin (\frac{PI * k_{\max}}{N})};

VII、得采样频率f_r

f_{r} = \frac{f_{m} * f_{a} | X^{'} (k_{\max}) |}{2 PI * | X (K_{\max}) |};