CN104062494B - 一种抑制频谱泄漏的采样间隔补偿方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抑制频谱泄漏的采样间隔补偿方法及系统，该采样间隔补偿方法包括如下步骤：A.计算理想采样时钟数；B.根据累积截断误差对理想采样时钟数进行补偿得到补偿后采样间隔；C.对补偿后采样间隔进行四舍五入取整得到实际采样间隔；D.根据实际采样间隔以及补偿后采样间隔更新累积截断误差。本发明的有益效果是本发明的采样间隔补偿方法及系统能够提高测量数据的稳定性，提高测量数据的精度，抑制谐波分析的频谱泄漏。
Description
技术领域
本发明涉及数字式电表领域，尤其涉及一种抑制频谱泄漏的采样间隔补偿方法及系统。
背景技术
在现代数字式电表中，采样都是通过系统内部的采样时钟进行控制的，各种芯片的采样控制时钟频率从几兆到上百兆。使用采样控制时钟进行采样控制时，由于采样间隔只能为采样控制时钟间隔的整数倍，因此如图1所示理论采样间隔和实际采样间隔会存在着截断误差，造成一周波的采样点的时间间隔和采样信号的周波长度不相等的情况。由于一周波的采样点的时间间隔和采样信号的周波长度不相等，会造成测量信号的有效值的波动和精度的降低，并且会在进行谐波分析时造成频谱泄漏。
例如，采样控制时钟为150M，输入信号频率为50Hz，每周波采样512点，此时相邻采样点之间的理想控制时钟间隔为：
由于采样间隔只能为采样控制时钟的整数倍，因此实际采样间隔为：
Nactual＝[Nideal+0.5]＝[5859.875]＝5859
上式中理想间隔加0.5是进行四舍五入运算，[]是进行取整运算。此时如图1所示一周波采样点的时间长度t1比信号的周期长度t0短。
当采样控制时钟频率为150M,输入信号频率为50.1Hz，每周波采样点数为512点，此时相邻采样点之间的理想控制时钟间隔为：
此时一周波采样点的时间长度如图1中的时间长度t2所示,比信号周期t0要长。
当采样控制时钟为150M,输入信号频率为50Hz,每周波采样512点，输入信号基波幅值为220V,信号中含有一个幅值为10V的63次谐波，信号表达式如下式所示：
由于采样截断误差造成的频谱泄漏如下表1所示：
表1采样截断误差造成的频谱泄漏情况
| 谐波次数 | 幅值 |
| 58 | 0.0073540 |
| 59 | 0.0093797 |
| 60 | 0.0127540 |
| 61 | 0.0195020 |
| 62 | 0.0397900 |
| 63 | 10.000419 |
| 64 | 0.0408380 |
| 65 | 0.0207940 |
| 66 | 0.0140910 |
| 67 | 0.0107340 |
| 68 | 0.0087162 |
表1所示的频谱泄漏可以使用图2所示的柱状图表示。
在信号频率保持为50Hz不变时，由于采样截断误差造成的有效值波动情况如图3所示。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种抑制频谱泄漏的采样间隔补偿方法。
本发明提供了一种抑制频谱泄漏的采样间隔补偿方法，包括如下步骤：
A.计算理想采样时钟数；
B.根据累积截断误差对理想采样时钟数进行补偿得到补偿后采样间隔；
C.对补偿后采样间隔进行四舍五入取整得到实际采样间隔；
D.根据实际采样间隔以及补偿后采样间隔更新累积截断误差。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤A中，根据输入信号的基波频率以及每周波采样点数计算理想采样时钟数，计算理想采样时钟数的公式为：Nideal＝(采样控制时钟)/(信号频率*每周波采样点)，所述Nideal表示理想采样时钟数。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤B中，补偿后采样间隔的公式为：Ncompensate-ideal＝Nideal+△Nsum，所述Ncompensate-ideal表示补偿后采样间隔，所述△Nsum表示采样间隔累积截断误差。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤C中，实际采样间隔的公式为：Nactual＝[Ncompensate-ideal+0.5]，所述Nactual表示实际采样间隔。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤D中，更新累积截断误差的公式为：△Nsum＝Ncompensate-ideal-Nactual。
本发明还提供了一种抑制频谱泄漏的采样间隔补偿系统，包括：
计算单元，计算理想采样时钟数；
补偿单元，根据累积截断误差对理想采样时钟数进行补偿得到补偿后采样间隔；
获取单元，对补偿后采样间隔进行四舍五入取整得到实际采样间隔；
更新单元，根据实际采样间隔以及补偿后采样间隔更新累积截断误差。
作为本发明的进一步改进，在所述计算单元中，根据输入信号的基波频率以及每周波采样点数计算理想采样时钟数，计算理想采样时钟数的公式为：Nideal＝(采样控制时钟)/(信号频率*每周波采样点)，所述Nideal表示理想采样时钟数。
作为本发明的进一步改进，在所述补偿单元中，补偿后采样间隔的公式为：Ncompensate-ideal＝Nideal+△Nsum，所述Ncompensate-ideal表示补偿后采样间隔，所述△Nsum表示采样间隔累积截断误差。
作为本发明的进一步改进，在所述获取单元中，实际采样间隔的公式为：Nactual＝[Ncompensate-ideal+0.5]，所述Nactual表示实际采样间隔。
作为本发明的进一步改进，在所述更新单元中，更新累积截断误差的公式为：△Nsum＝Ncompensate-ideal-Nactual。
本发明的有益效果是：本发明的采样间隔补偿方法及系统能够提高测量数据的稳定性，提高测量数据的精度，抑制谐波分析的频谱泄漏。
附图说明
图1是采样截断误差示意图。
图2是采样截断误差造成的频谱泄漏情况图。
图3是采样截断误差造成的周波有效值波动图。
图4是本发明的方法流程图。
图5是补偿前后测量数据稳定性和精度对比图。
图6放大后的补偿前后测量数据稳定性和精度对比图。
图7是补偿前后频谱泄漏对比情况图。
具体实施方式
如图4所示，本发明公开了一种抑制频谱泄漏的采样间隔补偿方法，包括如下步骤：
在步骤S1中，计算理想采样时钟数；
在步骤S2中，根据累积截断误差对理想采样时钟数进行补偿得到补偿后采样间隔；
在步骤S3中，对补偿后采样间隔进行四舍五入取整得到实际采样间隔；
在步骤S4中，根据实际采样间隔以及补偿后采样间隔更新累积截断误差。
在步骤S1中，根据输入信号的基波频率以及每周波采样点数计算理想采样时钟数，计算理想采样时钟数的公式为：Nideal＝(采样控制时钟)/(信号频率*每周波采样点)，所述Nideal表示理想采样时钟数。
在步骤S2中，补偿后采样间隔的公式为：Ncompensate-ideal＝Nideal+△Nsum，所述Ncompensate-ideal表示补偿后采样间隔，所述△Nsum表示采样间隔累积截断误差。
在步骤S3中，实际采样间隔的公式为：Nactual＝[Ncompensate-ideal+0.5]，所述Nactual表示实际采样间隔。
在步骤S4中，更新累积截断误差的公式为：△Nsum＝Ncompensate-ideal-Nactual。
本发明的采样间隔以采样时钟的个数表示，下面的符号分别表示：
[]：取整运算，N：采样间隔，ΔNsum：采样间隔累积截断误差。
在步骤S1中，根据输入信号的基波频率以及每周波采样点数计算理想采样间隔Nideal。
在步骤S2中，将采样间隔累积截断误差ΔNsum累加到理想采样间隔Nideal上得到补偿后的采样间隔Ncompensate-ideal。
例如，采样控制时钟为150M,信号频率50Hz,每周波采样512点。采样补偿的过程为：
在步骤S1中，计算理想采样时钟数：
在采样控制时钟为150M,输入信号为50Hz，每周波采样为512点的情况下，采用采样补偿的情况下，如图5所示有效值的稳定性和精度相对于补偿前有明显的提高，并且与理论值基本相等。
在图5中补偿后和理论值基本重合，为了更清楚进行对比分析，将图5中6000周波附件的图进行放大分析，结果如图6所示。从图6可以看出补偿后值和理论值的误差非常的小。
如表2所示补偿过后63次谐波附近谐波的泄漏情况明显得到了抑制。
表2采样补偿前后频谱泄漏对比情况
| 谐波次数 | 补偿前 | 理想 | 补偿后 |
| 58 | 0.007354 | 0 | 6.1797e-013 |
| 59 | 0.0093797 | 0 | 8.6153e-013 |
| 60 | 0.012754 | 0 | 1.3501e-012 |
| 61 | 0.019502 | 0 | 9.0642e-013 |
| 62 | 0.03979 | 0 | 4.9053e-012 |
| 63 | 10 | 10 | 10 |
| 64 | 0.040838 | 0 | 4.9908e-012 |
| 65 | 0.020794 | 0 | 0.00013174 |
| 66 | 0.014091 | 0 | 1.4612e-012 |
| 67 | 0.010734 | 0 | 9.6793e-013 |
| 68 | 0.0087162 | 0 | 7.2303e-013 |
图7表示了补偿前后频谱泄漏的对比情况，为了使对比图更清晰图中没有显示63次谐波的值。由图可以看出补偿后频谱泄漏基本为0，频谱泄漏得到了很好的抑制。
本发明还公开了一种抑制频谱泄漏的采样间隔补偿系统，包括：
计算单元，计算理想采样时钟数；
补偿单元，根据累积截断误差对理想采样时钟数进行补偿得到补偿后采样间隔；
获取单元，对补偿后采样间隔进行四舍五入取整得到实际采样间隔；
更新单元，根据实际采样间隔以及补偿后采样间隔更新累积截断误差。
在所述计算单元中，根据输入信号的基波频率以及每周波采样点数计算理想采样时钟数，计算理想采样时钟数的公式为：Nideal＝(采样控制时钟)/(信号频率*每周波采样点)，所述Nideal表示理想采样时钟数。
在所述补偿单元中，补偿后采样间隔的公式为：Ncompensate-ideal＝Nideal+△Nsum，所述Ncompensate-ideal表示补偿后采样间隔，所述△Nsum表示采样间隔累积截断误差。
在所述获取单元中，实际采样间隔的公式为：Nactual＝[Ncompensate-ideal+0.5]，所述Nactual表示实际采样间隔。
在所述更新单元中，更新累积截断误差的公式为：△Nsum＝Ncompensate-ideal-Nactual。
为了克服采样截断误差造成的有效值波动、误差增大以及谐波分析时的频谱泄漏，本发明提供了一种抑制频谱泄漏的采样间隔补偿方法及系统。
与现有技术相比，本发明的采样间隔补偿方法及系统具有如下有益效果：
1.提高测量数据的稳定性；
2.提高测量数据的精度；
3.抑制谐波分析的频谱泄漏。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种抑制频谱泄漏的采样间隔补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.计算理想采样时钟数；
B.根据累积截断误差对理想采样时钟数进行补偿得到补偿后采样间隔；
C.对补偿后采样间隔进行四舍五入取整得到实际采样间隔；
D.根据实际采样间隔以及补偿后采样间隔更新累积截断误差；
在所述步骤A中，根据输入信号的基波频率以及每周波采样点数计算理想采样时钟数，计算理想采样时钟数的公式为：Nideal＝(采样控制时钟)/(信号频率*每周波采样点)，所述Nideal表示理想采样时钟数；
在所述步骤B中，补偿后采样间隔的公式为：Ncompensate-ideal＝Nideal+△Nsum，所述Ncompensate-ideal表示补偿后采样间隔，所述△Nsum表示采样间隔累积截断误差。
2.根据权利要求1所述的采样间隔补偿方法，其特征在于，在所述步骤C中，实际采样间隔的公式为：Nactual＝[Ncompensate-ideal+0.5]，所述Nactual表示实际采样间隔。
3.根据权利要求2所述的采样间隔补偿方法，其特征在于，在所述步骤D中，更新累积截断误差的公式为：△Nsum＝Ncompensate-ideal-Nactual。
4.一种抑制频谱泄漏的采样间隔补偿系统，其特征在于，包括：
计算单元，计算理想采样时钟数；
补偿单元，根据累积截断误差对理想采样时钟数进行补偿得到补偿后采样间隔；
获取单元，对补偿后采样间隔进行四舍五入取整得到实际采样间隔；
更新单元，根据实际采样间隔以及补偿后采样间隔更新累积截断误差；
在所述计算单元中，根据输入信号的基波频率以及每周波采样点数计算理想采样时钟数，计算理想采样时钟数的公式为：Nideal＝(采样控制时钟)/(信号频率*每周波采样点)，所述Nideal表示理想采样时钟数；
在所述补偿单元中，补偿后采样间隔的公式为：Ncompensate-ideal＝Nideal+△Nsum，所述Ncompensate-ideal表示补偿后采样间隔，所述△Nsum表示采样间隔累积截断误差。
5.根据权利要求4所述的采样间隔补偿系统，其特征在于，在所述获取单元中，实际采样间隔的公式为：Nactual＝[Ncompensate-ideal+0.5]，所述Nactual表示实际采样间隔。
6.根据权利要求5所述的采样间隔补偿系统，其特征在于，在所述更新单元中，更新累积截断误差的公式为：△Nsum＝Ncompensate-ideal-Nactual。
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