CN115968532A - 用于电信号的有效编解码器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于对信号进行压缩的方法，该方法包括：经由信号记录模块获取主信号；经由处理器通过以下项对该主信号的模型信号进行建模：经由该处理器获取采样信号；经由该处理器获取加窗信号；以及经由该处理器提取：具有基波量值和基波相位的基波频率波形；以及具有谐波量值和谐波相位的至少一个谐波频率波形；其中该模型信号包括该基波频率波形和该至少一个谐波频率波形；经由该处理器计算重构信号与该主信号之间的误差信号；经由该处理器根据至少以下项来确定最佳增益；提供平均值的求平均步骤、预定义阈值和缩放信号，其中该缩放信号是通过迭代地进行以下项以预定义增益缩放的历史误差信号：对该误差信号与该缩放信号之间的差值求平均，其中当该平均值满足该预定义阈值时，该最佳增益包括该预定义增益；经由该处理器通过以下项从残差信号确定索引：确定该残差信号；对该残差信号进行矢量量化；以及对矢量量化后的残差信号编索引；经由该处理器合成压缩信号，其中该压缩信号包括：该基波相位；该基波量值；该谐波相位；该谐波量值该最佳增益；该索引。因此，该压缩方法优选地克服了与当前压缩技术相关联的问题，并且提供了一种用于对能够被用来推断电路上的负载类型的信号进行压缩的合适技术。

Description

用于电信号的有效编解码器

技术领域

本发明涉及用于对电信号进行压缩和解压缩的方法。

背景技术

能量管理系统可捕获与电压和电流波形相关的重要数据以用于最终使用能量或负载监测。由能量管理系统捕获的数据需要高采样率，以便推断电负载(即电路中存在的机器或装置的类型)或预测何时需要对电路中的设备进行维护。

在特定场景中，可能有必要经由网络将该数据发送相当远的距离。通常情况下，所述网络受到约束，使得发送电压和电流波形所需的数据速率可能太大。甚至对于最先进的数据传输方法诸如光纤，所需的数据速率也常常太大。

因此，需要一种减小数据大小的技术。

对信号进行压缩的当前方法基于使初始信号与重构信号之间的平均误差最小化。然而，推断机器或装置的类型基于信号的高阶分量。因此，使例如均方误差最小化的当前压缩方法可能去除允许系统提取关于电负载的信息的这些高阶分量。

存在另外的信号压缩方法，其中信号是基于心理声学模型来压缩的。然而，这些方法也不适于从电信号中推断电负载。

因此，需要一种对信号进行压缩和解压缩的改进方式。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于对信号进行压缩的方法，该方法包括：经由信号记录模块获取主信号；经由处理器通过以下项对该主信号的模型信号进行建模：经由该处理器获取采样信号；经由该处理器获取加窗信号；经由该处理器提取：具有基波量值、基波相位和基波频率的基波频率波形；具有谐波量值、谐波相位和谐波频率的至少一个谐波频率波形；其中该模型信号包括该基波频率波形和该至少一个谐波频率波形；经由该处理器计算重构信号与该主信号之间的误差信号；经由该处理器根据至少以下项来确定最佳增益；提供平均值的求平均步骤、预定义阈值和缩放信号，其中该缩放信号是通过迭代地进行以下项以预定义增益缩放的历史误差信号：对该误差信号与该缩放信号之间的差值求平均，其中当该平均值满足该预定义阈值时，该最佳增益包括该预定义增益；经由该处理器通过以下项从残差信号确定索引：确定该残差信号；对该残差信号进行矢量量化；以及对矢量量化后的残差信号编索引；经由该处理器合成该压缩信号，其中该压缩信号包括：该基波相位；该基波量值；该基波频率；该谐波相位；该谐波量值；该谐波频率；该最佳增益；该索引。以这种方式，主信号可被压缩，从而产生压缩信号，该压缩信号包括可允许以比主信号更低的数据速率发送该信号的分量。本领域技术人员应当指出的是，至少一个谐波频率波形中的每个谐波频率波形包括谐波相位、谐波量值和谐波频率。

术语“模型信号”将被本领域技术人员理解为指已经被建模的信号。术语“基波量值”将被本领域技术人员理解为指基波信号的量值，术语“基波相位”将被理解为指基波信号的相位，并且术语“基波频率”将被理解为指基波信号的频率。相似地，术语“谐波量值”、“谐波相位”和“谐波频率”将被理解为分别指谐波信号的量值、相位和频率。

优选地，通过经由处理器以奈奎斯特速率对主信号进行采样来获取采样信号。以这种方式，主信号可由处理器通过以最低采样速率对主信号进行采样来压缩，而不会向压缩信号引入误差诸如混叠。

本领域技术人员应当理解，可想到另外的采样速率，其中采样速率是适用于捕获主信号的任何速率。

优选地，通过经由处理器对采样信号应用窗口函数来获取加窗信号。进一步优选地，窗口函数是汉明窗。以这种方式，可减少频谱泄漏。

本领域技术人员应当理解，可使用适用于使频谱泄漏影响最小化的任何窗口函数。

优选地，基波频率和至少一个谐波频率是通过经由处理器对加窗信号应用快速傅里叶变换来提取的。进一步优选地，提取基波频率和六个谐波频率。以这种方式，主信号可被进一步压缩为七个频率分量，同时仍然保留比在仅提取基波频率波形的情形下更多的信息。

本领域技术人员应当理解，可提取任何数量的谐波频率。以这种方式，较高数量的谐波频率可更准确地捕获主信号，并且较低数量的谐波频率可进一步压缩主信号。

优选地，重构信号基于模型信号。以这种方式，重构信号可表示主信号的压缩版本，包括基波信号的量值、相位和频率，以及谐波信号中的每个谐波信号的量值和相位。

优选地，误差信号是通过从主信号中减去重构信号来计算的。以这种方式，可获取重构信号与主信号之间的差值，该差值指示信号信息的丢失。

优选地，确定最佳增益包括以下迭代步骤：i.经由处理器对缩放信号进行编码；其中缩放信号是通过经由处理器将历史误差信号乘以预定义增益来编码的；ii.经由处理器从误差信号中减去缩放信号，从而产生差值；iii.经由处理器计算所得信号的平均值；iv.经由处理器将平均值与预定义阈值进行比较；以及v.重复步骤i.至iv.，其中预定义增益是新增益。以这种方式，可提取误差信号的延迟分量，该延迟分量表示跨多个时间段的误差信号所共有的循环信号。进一步有利地，可达到最佳增益值，从而提供最佳压缩比。

在优选实施方案中，历史误差信号是存储在数据存储库中的来自先前时间间隔的误差信号。以这种方式，可存储先前时间段的误差信号，以便提取误差信号中的延迟分量。

优选地，新增益是经由处理器使用随机下降算法来计算的。以这种方式，可在步骤i至v的较少迭代中达到最佳增益值。

本领域技术人员应当理解，可使用适用于收敛至最佳增益的任何算法。

优选地，残差信号是通过确定误差信号与历史误差信号之间的差值来编码的。以这种方式，可创建包括与在两个不同时间间隔的误差信号之间的差值相关的信息的信号。

优选地，残差信号是相对于预定义码本进行矢量量化的，其中预定义码本存储在数据存储库中。有利地，对残差信号进行矢量量化对残差信号进行压缩。进一步优选地，预定义码本包括被配置为提供最佳压缩比的索引。有利地，可选择矢量量化点(即，索引)，使得在矢量量化步骤期间丢失最少量的数据。在另外的优选实施方案中，随着更多的主信号被压缩，预定义码本受到训练。以这种方式，随着更多的主信号被压缩，预定义码本可改进索引。

优选地，残差信号被增量编码，从而产生增量编码系数。以这种方式，残差信号存储为误差信号与历史误差信号之间的差值。进一步优选地，如果预定义码本尚未被训练到合适的水平，则残差信号仅被增量编码。

优选地，压缩信号存储在数据存储库中或经由发射器发送。以这种方式，压缩信号可被存储或发送。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于对压缩信号进行解压缩的方法，该方法包括：经由处理器提取残差信号；以及经由该处理器重构主信号。

在一些实施方案中，压缩信号包括：基波相位；基波量值；基波频率；谐波相位；谐波量值；谐波频率；最佳增益；以及索引。有利地，压缩信号的这些分量能够被用来重构已经压缩的信号。

在另外的实施方案中，压缩信号包括：基波相位；基波量值；基波频率；谐波相位；谐波量值；谐波频率；最佳增益；以及增量编码系数。有利地，压缩信号的这些分量能够被用来重构已经压缩的信号。

在一些实施方案中，提取残差信号包括：经由处理器将索引与预定义码本进行比较，其中预定义码本存储在数据存储库中；以及经由处理器基于索引来重建残差信号。以这种方式，索引可在预定义码本中找到，并且随后被用来重构残差信号。

在另外的实施方案中，提取残差信号包括：经由处理器对增量编码系数进行解码；以及经由处理器基于解码后的增量编码系数来重建残差信号。以这种方式，可使用增量编码系数而不是索引来重构残差信号。

优选地，重构主信号包括：经由处理器将残差信号与乘以最佳增益的历史残差信号相加，从而产生相加的残差信号；经由处理器基于以下项来重建主信号的正弦分量：基波相位；基波量值；基波频率、谐波相位；谐波量值以及谐波频率；经由处理器将相加的残差信号与正弦分量相加，从而重构主信号。以这种方式，可使用压缩信号的分量来重构主信号。

优选地，历史残差信号是存储在数据存储库中的来自先前时间间隔的残差信号。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于对信号进行压缩和解压缩的方法，包括根据本发明的第一方面和本发明的第二方面的方法。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于对信号进行压缩的系统，该系统包括：信号记录模块，该信号记录模块被配置为获取主信号；数据存储库，该数据存储库包括：历史误差信号；预定义码本；以及压缩信号；压缩单元，该压缩单元被配置为对该主信号进行压缩，该压缩单元包括处理器，该处理器被配置为：对模型信号进行建模；计算误差信号；确定最佳增益；确定索引；确定增量编码系数并且合成该压缩信号；发射器，该发射器被配置为发送该压缩信号。

优选地，该处理器被进一步配置为：获取采样信号；获取加窗信号；对该加窗信号应用快速傅里叶变换；提取基波频率波形和至少一个谐波频率波形；计算重构信号；从该主信号中减去该重构信号；将该历史误差信号乘以该预定义增益，从而获得缩放信号；对该误差信号与该缩放信号之间的差值求平均；从该误差信号中减去该缩放信号，从而产生所得信号；计算该所得信号的平均值；将该平均值与该预定义阈值进行比较；重复使用新增益提取延迟分量的步骤，直到该平均值满足该预定义阈值；使用随机下降算法来计算该新增益；相对于该预定义码本对该残差信号进行矢量量化；对该系数进行增量编码；以及通过组合以下项来合成该压缩信号：该基波相位；该基波量值；该基波频率；该谐波相位；该谐波量值；该谐波频率；该最佳增益；该索引或该增量编码系数。

根据本发明的第五方面，提供了一种用于对压缩信号进行解压缩的系统，该系统包括：接收器，该接收器被配置为接收压缩信号，该压缩信号包括：基波相位；基波量值；基波频率；谐波相位；谐波量值；谐波频率；最佳增益；以及索引或增量编码系数；数据存储库，该数据存储库包括：预定义码本；以及历史残差信号；解压缩单元，该解压缩单元包括处理器，该处理器被配置为：提取残差信号；将该历史残差信号乘以该最佳增益；将该残差信号与相乘后的历史残差信号相加，从而产生相加的残差信号；重建该主信号；将该主信号与该相加的残差信号相加。

具体实施方式

将仅以举例的方式并参考附图来描述具体的实施方案，其中：

图1示出了电路中的能量管理系统的示意图；

图2示出了根据本发明的第一方面的用于对信号进行压缩的压缩方法的示意图；

图3示出了解压缩单元的示意图；并且

图4示出了根据本发明的第二方面的用于对压缩信号进行解压缩的解压缩方法的示意图。

参见图1，示出了电路101中的能量管理系统100的示意图。能量管理系统100包括信号记录模块102、数据存储库104、压缩单元106、发射器108和处理器110。数据存储库104包括历史误差信号105、预定义增益107、预定义阈值109和码本111。码本111包括多个索引。

在使用中，并且参考图2，示出了根据本发明的第一方面的用于对信号进行压缩的压缩方法200。

在步骤202处，信号记录模块102记录主信号203。主信号可以为对应于电路101的电流或电压信号。

在步骤204处，处理器110以奈奎斯特速率对主信号进行采样，从而产生采样信号205。

在步骤206处，处理器110对采样信号205应用汉明窗，从而产生加窗信号207。

在步骤208处，处理器110对加窗信号207应用快速傅里叶变换，从而产生加窗信号207的频谱209。

在步骤210处，处理器110从频谱209中提取基波信号和前六个谐波信号。

在步骤212处，处理器110从频谱209的基波信号中提取基波量值、基波相位和基波频率。处理器110进一步从频谱209的六个谐波信号中的每个谐波信号中提取谐波量值、谐波相位和谐波频率。基波量值、基波相位、谐波量值和谐波相位存储在数据存储库104中。

在步骤214处，处理器110使用基波量值、基波相位、基波频率、谐波量值、谐波相位和谐波频率来重建模型信号215。

在步骤216处，处理器110从主信号205中减去模型信号215，从而产生误差信号217。

在步骤218处，处理器110通过将历史误差信号105乘以预定义增益107来发起迭代过程。乘以预定义增益107由此产生缩放信号219。

在步骤220处，处理器110从误差信号217中减去缩放信号219。从误差信号217中减去缩放信号2019由此产生所得信号221。

在步骤222处，处理器110计算差值的平均值，并且将平均值与预定义阈值109进行比较。

在步骤224处，如果平均值满足预定义阈值109，则步骤226不发生，并且将预定义增益输出为最佳增益225。如果平均值不满足预定义阈值109，则步骤226发生。

在步骤226处，使用随机下降算法将预定义增益调整为新增益227，并且在预定义增益107为新增益227的情况下重复步骤218至224。

在步骤228处，处理器110从历史误差信号105中减去误差信号217，从而产生残差信号229。

在步骤230处，处理器110将残差信号229与码本111中的索引进行比较，以便将残差信号229矢量量化为多个残差索引231。

在步骤232处，处理器110合成压缩信号233，该压缩信号包括基波量值、基波相位、基波频率、谐波量值、谐波相位、谐波频率、最佳增益225和残差索引231。应当指出的是，压缩信号233包括六个谐波波形中的每个谐波波形的谐波量值、谐波相位和谐波频率。

在步骤234处，发射器108发送压缩信号233。

参考图3，示出了解压缩单元300的示意图。

解压缩单元300包括处理器302、接收器304和数据存储库306。数据存储库306包括码本308和历史残差信号312。码本308基本上类似于如图1所述的码本111，并且包括多个索引。

在使用中，并且参考图4，示出了根据本发明的第二方面的用于对压缩信号233进行解压缩的解压缩方法400的示意图。

在步骤402处，接收器304接收压缩信号233，并且将压缩信号233存储在数据存储库306中。压缩信号233包括基波量值、基波相位、基波频率、谐波量值、谐波相位、谐波频率、最佳增益225和残差索引231。

在步骤404处，处理器302将残差索引231与码本308中的索引进行比较，并且基于与残差索引231匹配的索引来产生重构残差信号405。重构残差信号405将类似于残差信号229，但丢失了一些信息。

在步骤406处，处理器将历史残差信号312乘以最佳增益225，从而产生缩放历史残差信号407。

在步骤408处，处理器将重构残差信号405与缩放历史残差信号407相加，从而产生相加的残差信号409。

在步骤410处，处理器组合基波量值、基波相位、基波频率，从而产生基波正弦信号411。

在步骤412处，处理器组合谐波量值、谐波相位和谐波频率，从而产生谐波正弦信号413。

在步骤414处，处理器将基波正弦信号411与谐波正弦信号413相加，从而产生正弦信号415。

在步骤416处，处理器将正弦信号415与相加的残差信号409相加，从而产生解压缩信号417。解压缩信号417基本上类似于主信号203，但丢失了一些信息。

应当理解，上述实施方案仅以举例的方式给出，并且在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，可以对所述实施方案进行各种修改。例如，主信号可以为电流、电压或任何其他电路指示标识。此外，可以存在从主信号中提取的任何数量的谐波信号。此外，可以任何采样速率对主信号进行采样，并且可对采样信号应用任何窗口函数。此外，可使用任何合适的算法来收敛至最佳增益值。

Claims (22)

1.一种用于对信号进行压缩的方法，所述方法包括：

经由信号记录模块获取主信号；

经由处理器通过以下项对所述主信号的模型信号进行建模：

经由所述处理器获取采样信号；

经由所述处理器获取加窗信号；以及

经由所述处理器提取：

具有基波量值、基波相位和基波频率的基波频率波形；和

具有谐波量值和谐波相位以及基波频率的至少一个谐波频率波形；

其中所述模型信号包括所述基波频率波形和所述至少一个谐波频率波形；

经由所述处理器计算重构信号与所述主信号之间的误差信号；

经由所述处理器根据至少以下项来确定最佳增益：提供平均值的求平均步骤、预定义阈值和缩放信号，其中所述缩放信号是通过迭代地进行以下项以预定义增益缩放的历史误差信号：

对所述误差信号与所述缩放信号之间的差值求平均，其中当所述平均值满足所述预定义阈值时，所述最佳增益包括所述预定义增益；

经由所述处理器通过以下项从残差信号确定索引：

确定所述残差信号；

对所述残差信号进行矢量量化；以及

对矢量量化后的残差信号编索引；

经由所述处理器合成压缩信号，其中所述压缩信号包括：

所述基波相位；

所述基波量值；

所述基波频率；

所述谐波相位；

所述谐波量值；

所述谐波频率；

所述最佳增益；和

所述索引。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

通过经由所述处理器以奈奎斯特速率对所述主信号进行采样来获取所述采样信号；

通过经由所述处理器对所述采样信号应用窗口函数来获取所述加窗信号；并且

所述基波频率波形和所述至少一个谐波频率波形是通过经由所述处理器对所述加窗信号应用快速傅里叶变换来提取的。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述重构信号基于所述模型信号。

4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的方法，其中所述误差信号是通过从所述主信号中减去所述重构信号来计算的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述最佳增益包括以下迭代步骤：

i.经由所述处理器对所述缩放信号进行编码；

其中所述缩放信号是通过经由所述处理器将所述历史误差信号乘以所述预定义增益来编码的；

ii.经由所述处理器从所述误差信号中减去所述缩放信号，从而产生所述差值；

iii.经由所述处理器计算所述差值的所述平均值；

iv.经由所述处理器将所述平均值与所述预定义阈值进行比较；以及

v.重复步骤i.至iv.，其中所述预定义增益是新增益。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述历史误差信号是存储在数据存储库中的来自先前时间间隔的误差信号。

7.根据权利要求4或权利要求5所述的方法，其中所述新增益是经由所述处理器使用随机下降算法来计算的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述残差信号是通过确定所述误差信号与所述历史误差信号之间的所述差值来编码的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述残差信号是相对于预定义码本进行矢量量化的，其中所述预定义码本存储在所述数据存储库中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述残差信号被增量编码，从而产生增量编码系数。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述压缩信号存储在所述数据存储库中或经由发射器发送。

12.一种用于对压缩信号进行解压缩的方法，所述方法包括：

经由处理器提取残差信号；以及

经由所述处理器重构主信号。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述压缩信号包括：

基波相位；

基波量值；

基波频率；

谐波相位；

谐波量值；

谐波频率；

最佳增益；和

索引。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述压缩信号包括：

基波相位；

基波量值；

基波频率；

谐波相位；

谐波量值；

谐波频率；

最佳增益；和

增量编码系数。

15.根据权利要求13所述的方法，其中提取所述残差信号包括：

经由所述处理器将所述索引与预定义码本进行比较，其中所述预定义码本存储在数据存储库中；以及

经由所述处理器基于所述索引来重建所述残差信号。

16.根据权利要求14所述的方法，其中提取所述残差信号包括：

经由所述处理器对所述增量编码系数进行解码；以及

经由所述处理器基于所述解码的增量编码系数来重建所述残差信号。

17.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中重构所述主信号包括：

经由所述处理器将所述残差信号与乘以所述最佳增益的历史残差信号相加，从而产生相加的残差信号；

经由所述处理器基于以下项来重建所述主信号的正弦分量：

所述基波相位；

所述基波量值；

所述基波频率；

所述谐波相位；

所述谐波量值；和

所述谐波频率；

经由所述处理器将所述相加的残差信号与所述正弦分量相加，

从而重构所述主信号。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述历史残差信号是存储在所述数据存储库中的来自先前时间间隔的残差信号。

19.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，还包括根据权利要求12至18中任一项所述的方法步骤。

20.一种用于对信号进行压缩的系统，所述系统包括：

信号记录模块，所述信号记录模块被配置为获取主信号；

数据存储库，所述数据存储库包括：

历史误差信号；

预定义码本；和

处理器，所述处理器被配置为：

对模型信号进行建模；

计算误差信号；

确定最佳增益；

确定索引；

确定增量编码系数，以及

合成压缩信号；

发射器，所述发射器被配置为发送所述压缩信号。

21.根据权利要求20所述的系统，其中所述处理器被进一步配置为：

获取采样信号；

获取加窗信号；

对所述加窗信号应用快速傅里叶变换；

提取基波频率波形和至少一个谐波频率波形；

计算重构信号；

从所述主信号中减去所述重构信号；

将所述历史误差信号乘以预定义增益，从而获得缩放信号；

对所述误差信号与所述缩放信号之间的差值求平均；

从所述误差信号中减去所述缩放信号，从而产生所得信号；

计算所述所得信号的平均值；

将所述平均值与预定义阈值进行比较；

重复使用新增益提取延迟分量的步骤，直到所述平均值满足所述预定义阈值；

使用随机下降算法来计算所述新增益；

相对于所述预定义码本对所述残差信号进行矢量量化；

对所述系数进行增量编码；以及

通过组合以下项来合成所述压缩信号：

所述基波相位；

所述基波量值；

所述基波频率；

所述谐波相位；

所述谐波量值；

所述谐波频率；

所述最佳增益；和

所述索引或所述增量编码系数。

22.一种用于对压缩信号进行解压缩的系统，所述系统包括：

接收器，所述接收器被配置为接收压缩信号，所述压缩信号包括：

基波相位；

基波量值；

基波频率；

谐波相位；

谐波量值；

谐波频率；

最佳增益；和

索引或增量编码系数；

数据存储库，所述数据存储库包括：

预定义码本；和

历史残差信号；

解压缩单元，所述解压缩单元包括处理器，所述处理器被配置为：

提取残差信号；

将所述历史残差信号乘以所述最佳增益；

将所述残差信号与相乘后的历史残差信号相加，从而产生相加的残差信号；

重建主信号；

将所述主信号与所述相加的残差信号相加。

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