CN107576842A - 一种宽频带同步采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带同步采样方法，以固定采样率对信号进行定频采样，然后将采样所得的数据进行离散傅里叶变换，得到该信号的离散频谱序列，再从中找出幅值最大的点所对应的频谱值，然后对该最大幅值附近的频谱使用FFT+FT的频谱细化方法进行细化，在最大幅值点对应的频谱值附近，使用黄金分割法+牛顿法的搜索算法对该段频谱进行搜索，找到极值点，该点对应的频率即为信号基频，最后通过信号基频控制ADC的同步采样。

Description

一种宽频带同步采样方法

技术领域

本发明属于数字信号处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种宽频带同步采样方法。

背景技术

计算谐波一般都是采用同步采样方法，以减小频谱泄露造成的误差。常用的同步采样方法是利用锁相环技术。锁相环同步方法在电力信号采样中应用很多，尤其是各类数字锁相环的应用。

锁相环可以用来产生同步于被锁信号的整数倍频的输出控制信号。锁相环的基本结构是由鉴相、环路滤波、可控振荡器和倍分频等模块组成，如图1所示。

锁相环的工作原理是最初时被锁信号和锁相信号两者之间存在相位差，然后由鉴相器将相位差转换成电压信号，再通过环路滤波后得到控制信号，对振荡器输出的频率进行控制，并通过反馈回路将振荡器输出信号M倍分频后的频率、相位输入到鉴相器。一直重复下去，直到被锁信号与锁相信号之间的相位差为零，此时，输出信号与输入信号达到同步。

鉴相器是锁相环的一个关键环节，锁相环的精度和稳定度很大程度上取决于鉴相器的性能。鉴相器能够检测出被锁信号与锁相信号之间的相位差，并将其进行放大。如果相位差不为零，那么鉴相器将会相应地输出一个不为零的信号。环路滤波器接收到该信号后，也将输出一个控制信号给可控振荡器，可控振荡器将改变输出信号的频率，将输出频率进行倍频后又输入到鉴相器进行比较。一直重复此过程，直到被锁信号和锁相信号的相位差为零，此时信号已经被锁定。在锁定状态下，如果被锁信号的频率发生变化，鉴相器同样也会产生一个相位差，同样地，接收到该相位差的环路滤波器将输出一个控制信号，改变可控振荡器的输出频率，从而减小相位差。经过这样的反馈后，最终输出信号频率与输入信号频率相等，这时相位差也减为零。

锁相环一般用于对窄带信号的锁相，常用于对电网信号的锁相。当被测信号带宽较宽时，使用锁相环电路会导致锁相时间较长，同时锁相精度降低，甚至无法锁相。而且，当信号受噪声、谐波、间谐波等干扰时，锁相环容易发生“失锁”。此外，锁相环硬件电路较为复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽频带同步采样方法，通过定频采样得到基频值来控制ADC的同步采样，具有结构简单、采样精准等特点。

为实现上述发明目的，本发明一种宽频带同步采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、电压调理/分档模块对输入电压进行分档，得到四相电压U_A、U_B、U_C、U_N；

(2)、提取任意一相电压作为参考电压，输入至抗混叠滤波器，滤除参考电压中的谐波分量；

(3)、通过一路ADC模块对滤波后的参考电压进行定频采样，再将定频采样数据发送给FPGA；

(4)、FPGA根据定频采样数据计算参考电压的基频值，再对该基频值进行倍频后用于控制八路ADC模块同步采样；

(5)、电流调理/分档模块对输入电流进行分档，得到四相电流I_A、I_B、I_C、I_N；

(6)、将四相电压U_A、U_B、U_C、U_N和四相电流I_A、I_B、I_C、I_N输入到抗混叠滤波器组，滤除四相电压电流的谐波分量；

(7)、八路ADC模块根据基频值对滤波后的四相电压电流进行同步采样，得到电压电流的同步采样数据，再通过FPGA输出。

其中，所述的基频值的计算方法为：

(2.1)、对定频采样数据x(n)进行离散傅里叶变换；

其中，n＝0,1,…,N-1，N为采样点数；

(2.2)、根据傅里叶变换结果找出最大幅值对应的频率点f₀；

(2.3)、频谱分辨率Δf＝f_s/N，f_s为采样率；则第k点的频率为f_k＝k·Δf＝k·f_s/N，那么X(f_k)为：

(2.4)、将第k点的频率f_k看成是连续变化的频率f，对频谱进行无限细化，得到X(f)：

(2.5)、在频率点f₀附近，对无限细化后的频谱进行搜索，找出极大值点，该点对于的频率值即为基频值。

进一步的，在频率点f₀附近，对无限细化后的频谱进行搜索的方法为：

(3.1)、先利用黄金分割法对无限细化后的频谱进行搜索

(3.1.1)、设置第一次搜索的初始区间[a₁,b₁]及精度要求L＞0，a₁＝f₀-σ,b₁＝f₀+σ，σ为搜索区间的半径；设置频率试探点λ₁和μ₁；

λ₁＝a₁+0.382(b₁-a₁),μ₁＝a₁+0.618(b₁-a₁)

(3.1.2)、计算频率试探点λ₁和μ₁对应的幅值|X(f_λ1)|和|X(f_μ1)|；

(3.1.3)、判断与的大小，如果则进入步骤(3.1.4)，否则进入步骤(3.1.5)；

(3.1.4)、置a_k+1＝λ_k，b_k+1＝b_k，λ_k+1＝μ_k，μ_k+1＝a_k+1+0.618(b_k+1-a_k+1)，k为迭代次数，k＝1,2,…；

(3.1.5)、置a_k+1＝a_k，b_k+1＝μ_k，μ_k+1＝λ_k，λ_k+1＝a_k+1+0.618(b_k+1-a_k+1)；

(3.1.6)、置k＝k+1，再返回步骤(3.1.2)进行下一轮的迭代，当满足b_k-a_k＜L时，迭代停止；

(3.2)、利用牛顿法在区间[a_k,b_k]进行极大值搜索

(3.2.1)、设置初始频率点x⁰，a_k≤x^j≤b_k，允许误差ε＞0，迭代次数j＝0；

(3.2.2)、计算初始频率点x⁰对应的幅值判断与允许误差ε的大小，若则迭代停止，得到极大值对应的频率点x⁰；否则进入步骤(3.2.3)；

(3.2.3)、置j＝j+1，j为迭代次数，j＝0,1,…；计算出频率点x^j+1，再返回步骤(3.2.2)；

其中，X'( )表示求一阶导，X”( )表示求二阶导。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种宽频带同步采样方法，以固定采样率对信号进行定频采样，然后将采样所得的数据进行离散傅里叶变换，得到该信号的离散频谱序列，再从中找出幅值最大的点所对应的频谱值，然后对该最大幅值附近的频谱使用FFT+FT的频谱细化方法进行细化，在最大幅值点对应的频谱值附近，使用黄金分割法+牛顿法的搜索算法对该段频谱进行搜索，找到极值点，该点对应的频率即为信号基频，最后通过信号基频控制ADC的同步采样。

同时，本发明一种宽频带同步采样方法还具有以下有益效果：

(1)、在频率搜索时，通过采用黄金分割法与牛顿法相结合的方式，加快了基频的搜索速度，以便更快得到搜索结果。

(2)、本发明与锁相环同步采样技术相比，本发明可以对更宽频带的信号进行测量，且成本更低；

(3)、本发明采用FPGA精确地测出基频，再通过基频准确控制ADC采样，实现数据的同步采样。

附图说明

图1是锁相环同步采样原理图；

图2是本发明一种宽频带同步采样原理图；

图3是定频采样数据的离散傅里叶变换频谱图；

图4是离散频谱转化为连续频谱；

图5是牛顿法搜索结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图2是本发明一种宽频带同步采样原理图。

在本实施例中，结合图2，对本发明一种宽频带同步采样方法进行详细说明，具体包括以下步骤：

S1、电压调理/分档模块对输入电压进行分档，得到四相电压U_A、U_B、U_C、U_N；

S2、提取任意一相电压作为参考电压，输入至抗混叠滤波器，滤除参考电压中的谐波分量；

在本实施例中，以A相电压为参考电压，设A相电压为一正弦信号x(t)，x(t)＝sin(2π*80*t)+0.1*sin(6π*80*t)+0.1*sin(10π*80*t)，再在该信号上加上高斯白噪声，信噪比为50dB；

S3、通过一路位宽为16位的ADC模块对滤波后的参考电压进行定频采样，得到采样数据x(n)，再将采样数据x(n)发送给FPGA；

S4、FPGA根据采样数据x(n)计算参考电压的基频值，再对该基频值进行倍频后用于控制八路ADC模块同步采样，其中，倍频时取基频的整数倍即可；

其中，基频值的计算方法为：

(1)、对定频采样数据x(n)进行离散傅里叶变换；

其中，设置采样点数N＝4096；

(2)、根据傅里叶变换结果找出最大幅值对应的频率点f₀，如图3所示，最大幅值所对应的频率值为Freqtemp＝80.0781Hz，则实际基频值就在Freqtemp＝80.0781Hz的附近；

(3)、频谱分辨率Δf＝f_s/N，设置采样率f_s＝4000Hz；则第k点的频率为f_k＝k·Δf＝k·f_s/N，那么X(f_k)为：

(4)、将第k点的频率f_k看成是连续变化的频率f，对频谱进行无限细化，得到X(f)：

在本实施例中，将离散频谱转化为连续频谱，如图4所示；

(5)、在频率点Freqtemp＝80.0781Hz附近，对无限细化后的频谱进行搜索，找出极大值点，该点对于的频率值即为基频值；

下面我们在频率点Freqtemp＝80.0781Hz附近，对无限细化后的频谱进行搜索的过程进行具体说明：

1)、先利用黄金分割法对无限细化后的频谱进行搜索

理论上，搜索区间宽度为2Δf即可，但保守估计，将搜索区间稍微放宽一点，这里在区间[FreqTemp-1.5,FreqTemp+1.5]进行搜索；

1.1)、设置最初搜索区间为[78.5781,81.5781]，区间长度为3Hz，及精度要求L＞0；设置试探点λ₁和μ₁；

λ₁＝a₁+0.382(b₁-a₁),μ₁＝a₁+0.618(b₁-a₁)

1.2)、计算试探点λ₁和μ₁对应的幅值和

1.3)、判断与的大小，如果则进入步骤1.4)，否则进入步骤1.5)；

1.4)、置a_k+1＝λ_k，b_k+1＝b_k，λ_k+1＝μ_k，μ_k+1＝a_k+1+0.618(b_k+1-a_k+1)，k为迭代次数，k＝1,2,…；

1.5)、置a_k+1＝a_k，b_k+1＝μ_k，μ_k+1＝λ_k，λ_k+1＝a_k+1+0.618(b_k+1-a_k+1)；

1.6)、置k＝k+1，再返回步骤1.2)进行下一轮的迭代，当满足b_k-a_k＜L时，迭代停止；

在本实施例中，通过5次迭代搜素后，搜索区间变为[79.7240,80.1617]，此时区间长度小于0.5Hz，在该区间内改用牛顿法进行搜索，以加快搜索速度；

2)、利用牛顿法在区间[79.7240,80.1617]进行极大值搜索

2.1)、设置初始频率点x⁰，a_k≤x^j≤b_k，允许误差ε＞0，迭代次数j＝0；

2.2)、计算初始频率点x⁰对应的幅值判断与允许误差ε的大小，若|f'(x⁰)|＜ε，则迭代停止，得到极大值对应的频率点x⁰；否则进入步骤2.3)；

2.3)、置j＝j+1，j为迭代次数，j＝0,1,…；计算出频率点x^j+1，再返回步骤2.2)；

其中，X'( )表示求一阶导，X”( )表示求二阶导。

在本实施例中，牛顿法搜索的初始点x⁰选为区间[79.7240,80.1617]的中点，即x⁰＝79.94285Hz，在进行第一次搜索后，频率值变为x¹＝80.0004Hz，接着进行第二次搜索，频率值变为x²＝80.0000Hz，第三次搜索后，频率值仍为x³＝80.0000Hz，结束搜索，最终频率值为freq＝x³＝80.0000Hz，如图5所示，与实际频率值相符；

得到信号基频值freq＝x³＝80.0000Hz后，进行倍频，此处采用512倍频，即可得到信号的采样率为f_s＝40960Hz，然后以该采样率进行采样；

S5、电流调理/分档模块对输入电流进行分档，得到四相电流I_A、I_B、I_C、I_N；

S6、将四相电压U_A、U_B、U_C、U_N和四相电流I_A、I_B、I_C、I_N输入到抗混叠滤波器组，滤除四相电压电流的谐波分量；其中，抗混叠滤波器组由8个抗混叠滤波器构成，分别对每一相电压电流进行滤波；

S7、八路ADC模块根据倍频后的基频值对滤波后的四相电压电流进行同步采样，得到电压电流的同步采样数据，再通过FPGA输出。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种宽频带同步采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、电压调理/分档模块对输入电压进行分档，得到四相电压U_A、U_B、U_C、U_N；

(2)、提取任意一相电压作为参考电压，输入至抗混叠滤波器，滤除参考电压中的谐波分量；

(3)、通过一路ADC模块对滤波后的参考电压进行定频采样，再将定频采样数据发送给FPGA；

(4)、FPGA根据定频采样数据计算参考电压的基频值值，再对该基频值进行倍频后用于控制八路ADC模块同步采样；

(5)、电流调理/分档模块对输入电流进行分档，得到四相电流I_A、I_B、I_C、I_N；

(6)、将四相电压U_A、U_B、U_C、U_N和四相电流I_A、I_B、I_C、I_N输入到抗混叠滤波器组，滤除四相电压电流的谐波分量；

(7)、八路ADC模块根据基频值对滤波后的四相电压电流进行同步采样，得到电压电流的同步采样数据，再通过FPGA输出。

2.根据权利要求1所述的一种宽频带同步采样方法，其特征在于，所述的基频值的计算方法为：

(2.1)、对定频采样数据x(n)进行离散傅里叶变换；

<mrow> <mi>X</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mi>x</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> <mi>n</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msup> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow>

其中，n＝0,1,…,N-1，N为采样点数；

(2.2)、根据傅里叶变换结果找出最大幅值对应的频率点f₀；

(2.3)、频谱分辨率Δf＝f_s/N，其中，f为采样率；则第k点的频率为f_k＝k·Δf＝k·f_s/N，那么X(f_k)为：

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(2.4)、将第k点的频率f_k看成是连续变化的频率f，对频谱进行无限细化，得到X(f)：

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(2.5)、在频率点f₀附近，对无限细化后的频谱进行搜索，找出极大值点，该点对于的频率值即为基频值。

3.根据权利要求2所述的一种宽频带同步采样方法，其特征在于，所述步骤(2.5)中，对无限细化后的频谱进行搜索的方法为：

(3.1)、先利用黄金分割法对无限细化后的频谱进行搜索

(3.1.1)、设置第一次搜索的初始区间[a₁,b₁]及精度要求L＞0，a₁＝f₀-σ,b₁＝f₀+σ，σ为搜索区间的半径；设置频率试探点λ₁和μ₁；

λ₁＝a₁+0.382(b₁-a₁),μ₁＝a₁+0.618(b₁-a₁)

(3.1.2)、计算频率试探点λ₁和μ₁对应的幅值和

(3.1.3)、判断与的大小，如果则进入步骤(3.1.4)，否则进入步骤(3.1.5)；

(3.1.4)、置a_k+1＝λ_k，b_k+1＝b_k，λ_k+1＝μ_k，μ_k+1＝a_k+1+0.618(b_k+1-a_k+1)，k为迭代次数，k＝1,2,…；

(3.1.5)、置a_k+1＝a_k，b_k+1＝μ_k，μ_k+1＝λ_k，λ_k+1＝a_k+1+0.618(b_k+1-a_k+1)；

(3.1.6)、置k＝k+1，再返回步骤(3.1.2)进行下一轮的迭代，当满足b_k-a_k＜L时，迭代停止；

(3.2)、利用牛顿法在区间[a_k,b_k]进行极大值搜索

(3.2.1)、设置初始频率点x⁰，a_k≤x^j≤b_k，允许误差ε＞0，迭代次数j＝0；

(3.2.2)、计算初始频率点x⁰对应的幅值判断与允许误差ε的大小，若则迭代停止，得到极大值对应的频率点x⁰；否则进入步骤(3.2.3)；

(3.2.3)、置j＝j+1，j为迭代次数，j＝0,1,…；计算出频率点x^j+1，再返回步骤(3.2.2)；

<mrow> <msup> <mi>x</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>=</mo> <msup> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </msup> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <msup> <mi>X</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <msup> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </msup> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <msup> <mi>X</mi> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>&amp;prime;</mo> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <msup> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </msup> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，X'()表示求一阶导，X”()表示求二阶导。

4.根据权利要求1所述的一种宽频带同步采样方法，其特征在于，所述的抗混叠滤波器组由8个抗混叠滤波器构成，分别对每一相电压电流进行滤波。