CN108390698B - 一种基于插值fft算法的电力线载波参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于插值FFT算法的电力线载波参数测量方法，首先用采样频率f_s采集时域载波信号，得到M点离散序列x(m)，用长度为M的切比雪夫‑布莱克曼卷积窗w(n)对离散化的载波信号进行加权截断，得到加权序列，对加权序列做离散傅里叶变换得到频谱函数X_w(m)，通过三谱线插值算法计算信号频率偏移值δ，由频率偏移值计算电力载波信号的频率，幅值和相角，实现载波参数的测量。本方法测量过程快速方便，测量结果准确，为电力载波参数测量提供了一条有效的途径。

Description

一种基于插值FFT算法的电力线载波参数测量方法

技术领域

本发明属于电力线载波测量领域，涉及一种基于插值FFT算法的电力线载波参数测量方法。

背景技术

电力线载波通信是以电力线为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种通信方式。电力线遍及千家万户，其作为通信媒介具有应用的广泛性和经济性。人们对于电力载波通信技术的研究历史悠久，早在20世纪20年代就开始将其应用于10kV配电网线路的通信中。随着人们对各种通信需求的不断上升和相关技术的快速发展，电力载波通信日益成为国内外相关人员研究的热点。近十年来，在权威期刊和国际会议上，有大量基于电力载波通信技术的自动抄表系统和家居自动化系统等实际应用研究方面的出现。电力载波通信为在已加载工频电力信号的通路上传输高速数据信息，因而具有工作环境恶劣、干扰严重、时变性大等特点同时信号很容易产生反射、驻波、谐振等现象，使信号的衰减特性极其复杂，造成电力载波通信信道具有很强的频率选择性。如何准确的测量载波参数是提高电力线载波通信质量的关键。

本发明提出的方法，解决了传统电力线载波参数测量方法难以准确载波参数的难题。通过切比雪夫-布莱克曼卷积窗对信号进行加权截断，可在非同步采样情况下有效抑制频谱泄露，准确测量载波参数。本方法测量过程快速方便，测量结果准确，为载波参数测量提供了一条有效的途径，为电力载波通讯测试奠定了技术基础。

发明内容

本发明提出的一种基于插值FFT算法的电力线载波参数测量方法，解决了传统电力载波参数测量方法难以准确测量载波频率、幅值和相位的难题。

本发明是通过以下技术方案来实现发明目的的：

一种基于插值FFT算法的电力线载波参数测量方法，包括以下步骤：

步骤1：以采样频率f_s采集时域载波信号，得到M点离散序列x(m)，m＝0，1，2，…，M-1；

步骤2：用长度为M的切比雪夫-布莱克曼卷积窗w(m)对离散化的载波信号进行加权截断，得到加权序列x_w(m)＝x(m)w(m)；

步骤3：对加权序列做离散傅里叶变换得到频谱函数X_w(m)，通过三谱线插值算法计算信号频率偏移值δ；

步骤4：由频率偏移值计算电力载波信号的频率f₀，幅值A₀和相角

实现载波参数的测量。

进一步，所述步骤2中，长度为M的切比雪夫-布莱克曼卷积窗w(m)是由长度分别为M/2的切比雪夫窗和布莱克曼窗卷积而获得，计算公式为：

w(n)＝w₁(n)*w₂(n)；

其中w₁(n)、w₂(n)分别为切比雪夫窗和布莱克曼窗的时域表达式。

进一步，所述步骤3中，频率偏移值δ的计算过程如下：

步骤3.1：计算频谱函数

其中函数W(m)为切比雪夫-布莱克曼卷积窗的离散傅里叶表达式；

步骤3.2：搜索|X_w(m)|，其中||表示取模值，得到幅值最大的谱线的位置l及其左右两根谱线位置，即l-1和l+1；

步骤3.3：由插值表达式

计算得到η，通过最小二乘法求得频率偏移量δ。

进一步，所述步骤3.3中，由δ＝g^-1(η)计算得到频率偏移量δ。

进一步，所述步骤4中，通过f₀＝(l+δ)f_s/M得到电力载波信号的频率f₀。

进一步，所述步骤4中，电力载波信号的幅值A₀的计算式为：

进一步，所述步骤4中，电力载波信号的相角

的计算式为：

其中Phase{}是求相角运算。

本发明基于插值FFT的电力载波测量方法，采用加窗插值方法计算信号的频率，从而降低栅栏效应和频谱泄露对频率计算的影响，选用FFT算法使得计算更加快速，易于微机实现；采用切比雪夫-布莱克曼卷积窗对信号进行加权截断，可在非同步采样情况下有效抑制频谱泄露，准确测量载波参数；本方法测量过程快速方便，测量结果准确，为电力载波参数测量提供了一条有效的途径，为电力载波通讯测试奠定了一定的技术基础。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

附图为本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明的基于插值FFT算法的电力线载波参数测量方法，包括以下步骤：

步骤1：以采样频率f_s采集时域载波信号，得到M点离散序列x(m)，m＝0，1，2，…，M-1；

步骤2：用长度为M的切比雪夫-布莱克曼卷积窗w(m)对离散化的载波信号进行加权截断，得到加权序列x_w(m)＝x(m)w(m)；其中，长度为M的切比雪夫-布莱克曼卷积窗w(m)是由长度分别为M/2的切比雪夫窗和布莱克曼窗卷积而获得，计算公式为：

w(n)＝w₁(n)*w₂(n)；

其中w₁(n)、w₂(n)分别为切比雪夫窗和布莱克曼窗的时域表达式。

步骤3：对加权序列做离散傅里叶变换得到频谱函数X_w(m)，通过三谱线插值算法计算信号频率偏移值δ；频率偏移值δ的计算过程如下：

步骤3.1：计算频谱函数

其中函数W(m)为切比雪夫-布莱克曼卷积窗的离散傅里叶表达式；

步骤3.2：搜索|X_w(m)|，其中||表示取模值，得到幅值最大的谱线的位置l及其左右两根谱线位置，即l-1和l+1；

步骤3.3：由插值表达式

计算得到η，通过最小二乘法求得频率偏移量δ，具体而言是由δ＝g^-1(η)计算得到频率偏移量δ。

步骤4：由频率偏移值计算电力载波信号的频率f₀，幅值A₀和相角

实现载波参数的测量。具体而言：

(1)通过f₀＝(l+δ)f_s/M得到电力载波信号的频率f₀；

(2)电力载波信号的幅值A₀的计算式为：

(3)电力载波信号的相角

的计算式为：

其中Phase{}是求相角运算。

具体应用计算实施例：

如图所示，该实施例采用以下步骤计算频率、幅值、相角：

步骤1：设采样频率为f_s＝4000Hz，对时域载波信号x(t)进行采样得到采样序列x(m)；

步骤2：用长度M＝1024的切比雪夫-布莱克曼卷积窗对离散序列进行加权，得到x_w(m)＝x(m)w(m)；

步骤3：对加权信号x_w(m)进行快速傅里叶变换，得到频谱函数|X_w(m)|；

步骤4：查找频谱函数|X_w(m)|，得到幅值最大的谱线的位置l＝14及其左右两根谱线位置，即13和15，相应的频谱幅值|X_w(l)|＝81.78，|X_w(l-1)|＝61.6和|X_w(l+1)|＝48.08，由插值表达式

计算得到η＝-0.1657；

步骤5：由频率分量偏移值δ＝g^-1(η)，计算得到δ＝-0.1488；

步骤6：由频率，幅值，相角的计算公式

f₀＝(l+δ)f_s/M

得到电力线载波信号的频率f₀＝50.2Hz，幅值A₀＝220，相角

本发明方法步骤总体来说可以阐述如下：

(1)以采样频率f_s采集时域载波信号，得到M点离散序列x(m)，m＝0，1，2，…，M-1；(2)用长度为M的切比雪夫-布莱克曼卷积窗w(m)对离散化的载波信号进行加权截断，得到加权序列x_w(m)＝x(m)w(m)；(3)对加权序列做离散傅里叶变换得到频谱函数X_w(m)，通过三谱线插值算法计算信号频率偏移值δ；(4)由频率偏移值计算电力载波信号的频率f₀，幅值A₀和相角

实现载波参数的测量；

本发明的方法以插值FFT算法为基础，可准确进行载波参数测量，满足电力载波通讯对载波测试的要求。本方法测量过程快速方便，测量结果准确，为电力载波参数测量提供了一条有效的途径，为电力载波通讯测试奠定了一定的技术基础。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于插值FFT算法的电力线载波参数测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：以采样频率f_s采集时域载波信号，得到M点离散序列x(m)，m＝0，1，2，…，M-1；

步骤2：用长度为M的切比雪夫-布莱克曼卷积窗w(m)对离散化的载波信号进行加权截断，得到加权序列x_w(m)＝x(m)w(m)；

长度为M的切比雪夫-布莱克曼卷积窗w(m)是由长度分别为M/2的切比雪夫窗和布莱克曼窗卷积而获得，计算公式为：

w(n)＝w₁(n)*w₂(n)；

其中w₁(n)、w₂(n)分别为切比雪夫窗和布莱克曼窗的时域表达式；

步骤3：对加权序列做离散傅里叶变换得到频谱函数X_w(m)，通过三谱线插值算法计算信号频率偏移值δ；

频率偏移值δ的计算过程如下：

步骤3.1：根据计算频谱函数

可以反推得到电力载波信号的频率f₀、幅值A₀和相角

其中函数W(m)为切比雪夫-布莱克曼卷积窗的离散傅里叶表达式；本步骤中用长度为M的切比雪夫-布莱克曼卷积窗w(m)对离散化的载波信号进行加权截断，对加权序列做离散傅里叶变换得到频谱函数X_w(m)；

步骤3.2：搜索|X_w(m)|，其中||表示取模值，得到幅值最大的谱线的位置l及其左右两根谱线位置，即l-1和l+1；

步骤3.3：由插值表达式

计算得到η，通过最小二乘法求得频率偏移量δ；

步骤4：由频率偏移值计算电力载波信号的频率f₀，幅值A₀和相角

实现载波参数的测量；具体是通过f₀＝(l+δ)f_s/M得到电力载波信号的频率f₀；

电力载波信号的幅值A₀的计算式为：

电力载波信号的相角

的计算式为：

其中Phase{}是求相角运算。

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