CN105044459A - 一种谐波分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波分析方法，包括以下步骤：（1）、以固定频率f0对周期为T的电信号连续采样，采样时间为M，且M不小于2T，得到原始采样数组S，其中，所述原始采样数组S包含M/T个周期的数据；（2）、将所述原始采样数组S中的值插值至同一个周期T内，得到数组Sc；（3）、从数组Sc中找出与FFT所有采样时刻点最相近时刻的采样值，得到数组St；（4）、利用FFT快速傅立叶变换计算St测试结果，得到谐波数据。本发明的谐波分析方法，对ADC的采用频率没有要求，因此无需增加硬件成本，通过调整对周期为T的电信号连续采样时间即可获得高密度采样数据，取得了与提高采样频率同样的采样效果，采样数据提高了，数据处理精度也相应得到提高。

Description

一种谐波分析方法

技术领域

本发明涉及一种谐波分析方法。

背景技术

在功率分析仪的谐波测试、频谱分析等应用领域，经常使用谐波分析技术，谐波分析技术是指通过谐波测试功能FFT（FastFourierTransformation，快速傅里叶变换）分析测试周期电信号的各次谐波分量，了解信号的畸变情况。当对一个周期性电信号进行频谱分析时，通常先利用数字ADC采样得到该信号，再进行FFT处理或者DFT（DiscreteFourierTransform，离散傅里叶变换）处理，当使用FFT进行数据处理时，通常需要把ADC的采样频率与电信号的频率进行关联，比如当对500Hz信号进行FFT分析时，可以使用512KHz的ADC采样频率，以保证测试准确性，当电信号频率为5KHz时，则需要ADC的采样频率至少为5.12MHz，这样会极大的提高电路的成本。

目前谐波分析主要依赖于硬件电路实现，采用PLL锁相环技术,产生倍频控制信号去控制AD采集,然后将采集到的数据进行FFT变换,这种采集方法从理论上完全符合FFT变换的需求,但是由于倍频后的采样频率发生变化会影响到常规参数的测试精度,需要进行采样流程控制和频率倍频跟踪,且需要增加硬件锁相环电路,成本也比较高,随着基波频率的提高，相应的采样频率需要增加，因此要求ADC具有更高的采样频率，成本会极大增加，依赖于硬件电路实现，采用频率要求越高，可靠性也会降低。

发明内容

本发明为了解决现有谐波分析主要依赖于改进硬件性能来提高AD采样频率，造成成本高，而且精度降低的问题，提出了一种谐波分析方法，AD采样脱离了对硬件的要求，降低了成本，提高了采样精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种谐波分析方法，包括以下步骤：

（1）、以固定频率f0对周期为T的电信号连续采样，采样时间为M，且M不小于2T，得到原始采样数组S，其中，所述原始采样数组S包含M/T个周期的数据；

（2）、将所述原始采样数组S中的值插值至同一个周期T内，得到数组Sc；

（3）、从数组Sc中找出与FFT所有采样时刻点最相近时刻的采样值，得到数组St；

（4）、利用FFT快速傅立叶变换计算St测试结果，得到谐波数据。

进一步的，所述步骤（2）中所述数组Sc的获取方式如下：将原始采样数组S中除第一周期之外的其他M/T-1周期的有序数据按照各数据的采样时刻在其所在周期内的位置插入至第一周期的数据中，得到一个周期的数据Sc。

进一步的，所述步骤（3）中所述数组St的获取方式如下：根据FFT采样点数N计算所述FFT采样时刻数组t（i）：

t（i）=i*T/N,(i=0,1,…N-1)，

所述周期为T的电信号的函数为f（t），所述FFT所有采样时刻点为t=i*T/N,(i=0,1,…N-1)，从数组Sc中找出与t=i*T/N,(i=0,1,…N-1)最相近时刻的采样值，得到数组St。

进一步的，所述T为所述固定周期T0的非整数倍，调节所述固定周期T0，减少所述M/T个周期的数据的重复率。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的谐波分析方法，通过对周期为T的电信号连续采样，采样时间为M，得到包含大于2周期的采样数据，通过数据插值的方式将所有的采样数据插值至同一周期内，进而提高了采样频率，使得FFT快速傅立叶变换的采样时刻所采集的数据更加接近于实际数据，本方法对ADC的采用频率没有要求，因此无需增加硬件成本，通过调整对周期为T的电信号连续采样时间即可获得高密度采样数据，取得了与提高采样频率同样的采样效果，采样数据提高了，数据处理精度也相应得到提高。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提出的谐波分析方法的一种实施例流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，本实施例提出了一种谐波分析方法，包括以下步骤：

S1、以固定频率f0对周期为T的电信号连续采样，采样时间为M，且M不小于2T，得到原始采样数组S，其中，所述原始采样数组S包含M/T个周期的数据；

S2、将所述原始采样数组S中的值插值至同一个周期T内，得到数组Sc；

S3、从数组Sc中找出与FFT所有采样时刻点最相近时刻的采样值，得到数组St；

S4、利用FFT快速傅立叶变换计算St测试结果，得到谐波数据。

其中，在所述步骤S1中，使用常规的ADC采样器进行采样，其采样频率不必要求过高，因此其系统的复杂度也相应要求不高，以及不会降低其采样的可靠性，本实施例的谐波分析方法，通过对周期为T的电信号连续采样，采样时间为M，得到包含大于2周期的采样数据，通过数据插值的方式将所有的采样数据插值至同一周期内，这样等价于提高了ADC的采样速度，使得FFT快速傅立叶变换的采样时刻所采集的数据更加接近于实际数据，本方法对ADC的采用频率没有要求，因此无需增加硬件成本，通过调整对周期为T的电信号连续采样时间即可获得高密度采样数据，取得了与提高采样频率同样的采样效果，采样数据提高了，数据处理精度也相应得到提高。

例如，周期T为20ms信号的频率为50Hz，如果我每隔10us（采集速度为100kHz）采集一个数据，连续采集1s，这样就可以采集50个信号周期，每个周期采集2000个点，本方法通过把后面49个周期的数据还原到第一个周期，扣除重复的点数，仍然会得到一个时间分布密度远远大于10us的信号，如果所有采样点都不重复，那么相当于平均采样的间隔提升为0.2us（相当于采集速度5MHz），相当于把ADC采样速度提高了50倍，而以上效果所得，完全不用通过改进ADC等硬件电路而获得，进而不会增加硬件成本。

对于需要的512个点的FFT时间相邻的间隔（20ms/512=39.0625us）来说，相对于标准FFT采样时间的平均误差百分比为0.2/39.0625=0.00512，

如果把AD采集速度提高到5us，那么误差百分比0.256%；

如果把AD采集速度提高到2.5us，那么误差百分比为0.128%；

如果把AD采集速度提高到0.5us，那么误差百分比为0.0256%，对于谐波测试来说，已经足够满足要求了。

当对一个10kHz的信号进行采样时，也就是周期为0.1ms，如果每隔0.5us采集一个数据，连续采集1s，这样就可以采集1000个信号周期，每个周期采集200个点，通过把后面999个周期的数据还原到第一个周期，扣除重复的点数，仍然会得到一个时间分布密度远远大于0.5us的信号，如果所有采样点都不重复，那么相当于平均采样的间隔提升为0.0005us，对于需要的512个点的FFT时间相邻的间隔（0.1ms/512=0.1953125us）来说，相对于标准FFT采样时间的平均误差百分比为0.0005/0.1953125=0.00256=0.256%，而此时如果想同样进行512点的谐波分析，利用PLL锁相倍频技术，则需要的AD采集速度则达到10MHz，对于高精度ADC来说，几乎是不可能的。就算有可能，成本也会非常非常高昂。从上面的分析中我们可以看出通过固定采样频率采样后，对采集到的数据进行还原到第一个周期，实际上等价于提高了ADC的采样速度。

优选在本实施例中，所述步骤S2中所述数组Sc的获取方式如下：将原始采样数组S中除第一周期之外的其他M/T-1周期的有序数据按照各数据的采样时刻在其所在周期内的位置插入至第一周期的数据中，得到一个周期的数据Sc。

所述步骤S3中所述数组St的获取方式如下：根据FFT采样点数N计算所述FFT采样时刻数组t（i）：

t（i）=i*T/N,(i=0,1,…N-1)，

所述周期为T的电信号的函数为f（t），所述FFT所有采样时刻点为t=i*T/N,(i=0,1,…N-1)，从数组Sc中找出与t=i*T/N,(i=0,1,…N-1)最相近时刻的采样值，得到数组St。

所有需要的在FFT标准时刻采样点，都是可以从采集数据Sc中找到最接近的时刻点来替代，也就是说需要的FFT时刻点总是会在原始采样数组S中M/T个周期的其中一个周期内被采集到。因此只需要建立一个FFT标准采样时刻与真实采样时刻的对应关系，就可以把用来替代FFT采样时刻t（i）对应的信号幅值进行提取，然后按照FFT的时刻顺序进行排列，最后再进行FFT运算处理，就可以得到各次谐波分量结果。

具体的，为了解决如何才能将需要的FFT时刻与真实采样时刻进行对应，比如，为了对周期为T（取50Hz，也就是0.02s）的电信号f(t)进行N点FFT数据处理（N为512或1024，这里取512），那么需要的FFT采样时刻数组为t（i）=i*T/N,(i=0,1,…N-1)，每一个FFT采样时刻t（i）总能在真实电信号中找到对应的时刻ts（j），当把ADC转换器工作在固定200kHz采样时因为对于周期信号来说f(t)=f(t+k*T),当t=i*T/N时，可以知道f(i*T/N)=f(i*T/N+k*T)，i为0～N-1的常数，k为0以上的常数，k代表电信号的周期个数，也就是说每个FFT的时刻点其实都会对应与它等效的k个时刻点，当以固定采样间隔进行采集时，总能够找到与t(i+k*T)误差最小的时刻，而这个时刻对应的函数值从微分学来看，当时刻误差dt趋近于0时，f(t)=f(t+dt),因此只要找到t(i+k*T)时刻对应的最小误差时刻点，就是需要的真实采样点。t(i+k*T)中的k为整数0～M/T，i为已知常量0～N-1.利用本实施例的方法总能找到与理想FFT采样时刻误差最小的值，然后把这些值根据FFT的时刻顺序进行排列，最后进行FFT数据处理。

为了减少步骤S2中将所述M/T个周期的数据插值至同一个周期时的时刻点重复率，优选电信号的周期T为采样周期T0的非整数倍，其中，T0=1/f0,而且通过调节所述固定频率f0，减少所述M/T个周期的数据的重复率以及数组Sc在一周期时刻内均匀分布。

本发明利用软件数据处理的方式来实现FFT抽样排序与PLL的采样效果完全一样，且电路更简单，可靠性更高,谐波状态下常规电参数测试精度完全不会受到影响,而且能够实现采样与数据处理的分离,实现软件控制和算法的标准化与独立化,降低硬件复杂度和成本，提高可靠性，提高基频测试范围。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种谐波分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、以固定频率f0对周期为T的电信号连续采样，采样时间为M，且M不小于2T，得到原始采样数组S，其中，所述原始采样数组S包含M/T个周期的数据；

（2）、将所述原始采样数组S中的值插值至同一个周期T内，得到数组Sc；

（3）、从数组Sc中找出与FFT所有采样时刻点最相近时刻的采样值，得到数组St；

（4）、利用FFT快速傅立叶变换计算St测试结果，得到谐波数据。

2.根据权利要求1所述的谐波分析方法，其特征在于，所述步骤（2）中所述数组Sc的获取方式如下：将原始采样数组S中除第一周期之外的其他M/T-1周期的有序数据按照各数据的采样时刻在其所在周期内的位置插入至第一周期的数据中，得到一个周期的数据Sc。

3.根据权利要求1或2中所述的谐波分析方法，其特征在于，所述步骤（3）中所述数组St的获取方式如下：根据FFT采样点数N计算所述FFT采样时刻数组t（i）：

t（i）=i*T/N,(i=0,1,…N-1)，

所述周期为T的电信号的函数为f（t），所述FFT所有采样时刻点为t=i*T/N,(i=0,1,…N-1)，从数组Sc中找出与t=i*T/N,(i=0,1,…N-1)最相近时刻的采样值，得到数组St。

4.根据权利要求3所述的谐波分析方法，其特征在于，电信号的周期T为采样周期T0的非整数倍，其中，T0=1/f0,调节所述固定频率f0，减少所述M/T个周期的数据的重复率。