CN117783981B - 一种基于量子电压和数字采样技术的信号初始相位抖动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于量子电压和数字采样技术的信号初始相位抖动补偿方法。该方法对被测信号和量子阶梯信号调相后，进行差分采样得到差分信号，加上相应的量子阶梯信号的台阶值得到被测正弦信号序列x₁(m)，换相后采样得到被测正弦信号序列x₂(m)，重复N次换相采样获取2N组被测正弦信号序列x_2n(m)，其中2N次采样的最大初始相位差对应的时间范围为T_i，对2N组被测正弦信号序列x_2n(m)做平均得到平均信弓再对平均信弓进行快速Fourier变换，计算得到幅值A，最后根据理想正弦信号频率f₀与初始相位抖动范围对应的时间T_i计算补偿值Y，并对幅值A用补偿值Y进行补偿，获取补偿后的幅值

Description

一种基于量子电压和数字采样技术的信号初始相位抖动补偿 方法

技术领域

本发明属于交流电压精密测量领域，具体涉及一种基于量子电压和数字采样技术的信号初始相位抖动补偿方法。

背景技术

可编程约瑟夫森量子电压在电磁计量领域有比较广泛的应用，目前已经将阶梯波量子电压应用于交流电压的测量、基波及谐波功率的测量和感应分压器的测量。在交流电压测量中，首先采用量子电压系统合成阶梯波信号，设置被测电压信号同步输出，然后利用差分采样系统对交流信号和阶梯波信号的差值进行测量。在实际操作中，为消除采样通道间的固有差异，需要进行通道换相测量，并将两次结果取平均。此外为了降低系统随机噪声对测量精度的影响，常采用多次独立采样取平均的方法。但由于每次测量信号的初始相位无法保证完全一致，存在微小差异，因此会导致平均后的信号幅值存在偏差。为消除这种误差,有必要开发一种基于量子电压和数字采样技术的信号初始相位抖动补偿方法。该方法可以补偿相位抖动而引入的幅值测量误差，这种补偿方法对提高采集系统的准确度具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于量子电压和数字采样技术的信号初始相位抖动补偿方法，用以解决因初始相位抖动而引发的幅值偏差问题。本发明提供了一种基于量子电压和数字采样技术的信号初始相位抖动补偿方法，包括以下步骤：

1)根据理想正弦信号频率f₀和每周期采样点数M，确定采样频率f_s；选择合适的量子阶梯信号台阶数L；需要注意的是，f_s满足Nyquist–Shannon采样定理；M/L应为整数，即保证每个台阶上的采样点数为整数；

2)根据被测信号驱动可编程约瑟夫森电压基准(programmable Josephsonvoltage standard，PJVS)产生相应的量子阶梯信号，通过调相操作，即调整被测信号相位，使被测信号与量子阶梯信号尽量交于台阶中点，从而获取较小的差分信号，加上相应的量子阶梯信号的台阶值即可得到被测正弦信号序列x₁(m)；换相后测量得到被测正弦信号序列x₂(m)；

3)重复上述步骤测量N次，获取2N组被测正弦信号序列x_2n(m)，其中2N次测量的最大初始相位差为

4)将2N组被测正弦信号序列x_2n(m)相同点位处的采样点做平均得到平均信号

5)对平均信号进行快速Fourier变换，计算得到幅值A；

6)根据理想正弦信号频率f₀与最大初始相位差值计算补偿值Y；

7)对幅值A用补偿值Y进行补偿，获取准确的幅值

其有益效果为：本发明在多次采样后消除随机误差的同时，补偿了因初始相位抖动而造成的幅值偏差问题，且补偿效果好；运算过程简单直观，易于实现；补偿后可以准确复现信号的实际振幅。

进一步地，步骤3)中获取2N组被测正弦信号序列x_2n(m)，其中采集信号x_2n(m)最大初始相位差为计算/>其中T_i为最大初始相位差/>对应的时间差。

进一步的，步骤4)中相同点位的采样点的时间差不超过T_i，将相同点位的采样点做平均得到平均信号

其有益效果为：通过将多次采样结果做平均可以有效减少因随机误差对测量结果所产生的影响。

进一步地，步骤6)中补偿值为所述的补偿后信号幅值为/>

附图说明

图1为本发明的实现初始相位抖动的补偿方法的流程图；

图2为本发明多次采样做平均的示意图；

图3为进行10万次实验，每次随机采样100次求平均的补偿前后误差分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

一种基于量子电压和数字采样技术的信号初始相位抖动补偿方法实施例：

如图1所示，本实施例提出一种基于量子电压和数字采样技术的信号初始相位抖动补偿方法，包括如下步骤：

步骤1：根据理想正弦信号频率f₀和每周期采样点数M，确定采样频率f_s；选择合适的量子阶梯信号台阶数L；需要注意的是，f_s满足Nyquist–Shannon采样定理；M/L应为整数，即保证每个台阶上的采样点数为整数；

步骤2：根据被测信号驱动PJVS系统产生相应的量子阶梯信号，在对被测信号和量子阶梯信号调相后，完成差分采样得到差分信号，加上相应的量子阶梯信号的台阶值即可得到被测正弦信号序列x₁(m)；换相后测量得到被测正弦信号序列x₂(m)

步骤3：重复上述步骤测量N次，获取2N组被测正弦信号序列x_2n(m)，其中2N次测量的最大初始相位差为

步骤4：将2N组被测正弦信号序列x_2n(m)相同点位处的采样点做平均得到平均信号

步骤5：对平均信号进行快速Fourier变换，计算得到幅值A；

步骤6：根据理想正弦信号频率f₀与最大初始相位差对应的时间范围T_i计算补偿值Y，具体计算公式为：/>

步骤7：对幅值A用补偿值Y进行补偿，获取准确的幅值

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出1个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

应用示例1

多次实验仿真补偿前后实例：

1.在开始采样之前，仿真实验设置正弦信号为y＝sin(t)，每周期采样点数为M＝4000，每相邻采样点时间间隔为设置最大初相位差为/>每次采样的正弦信号初相位在/>内随机取值。

2.取采样次数为S＝100，进行100次采样，100次采样的初相位在内随机取值，得到采样序列x(4000，100)，相同点位处的采样点分布在相位范围/>内，如图2所示，其中T_i为相位范围/>所对应的时间范围。

3.将100次采样序列求平均，得到平均序列为：

4.对平均信号进行快速Fourier变换，计算得到幅值A。

5.补偿值计算公式为计算得到补偿值/>

6.对幅值A用补偿值Y进行补偿，获取准确的幅值

7.重复上述步骤进行N＝100000次计算。

当采样次数S＝100时，结果如图3所示，补偿前幅值与理想值之间的误差均值为-1.0×10^-8，补偿后幅值与理想值之间的误差均值为1.0×10^-10,误差降低了2个数量级，可以看出补偿效果明显。

以上实施例进一步阐述了本发明技术方案的特征及优势。本领域技术人员可以在不脱离本发明技术方案的范围内，设计出更多具体的实现方式。但这些依据本发明设计出的实施例，都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于量子电压和数字采样技术的信号初始相位抖动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据理想正弦信号频率f₀和每周期采样点数M，确定采样频率f_s；选择合适的量子阶梯信号台阶数L；需要注意的是，f_s满足Nyquist-Shannon采样定理；M/L应为整数，即保证每个台阶上的采样点数为整数；

2)根据被测信号驱动可编程约瑟夫森电压基准(programmable Josephson voltagestandard，PJVS)产生相应的量子阶梯信号，通过调相操作，即调整被测信号相位，使被测信号与量子阶梯信号尽量交于台阶中点，从而获取较小的差分信号，加上相应的量子阶梯信号的台阶值即可得到被测正弦信号序列x₁(m)；换相后测量得到被测正弦信号序列x₂(m)；

3)重复上述步骤测量N次，获取2N组被测正弦信号序列x_2n(m)，其中2N次测量的最大初始相位差为其中计算/>其中T_i为最大初始相位差/>对应的时间差；

4)将2N组被测正弦信号序列x_2n(m)相同点位处的采样点做平均得到平均信号其中相同点位处的采样点的时间差不超过T_i；

5)对平均信号进行快速Fourier变换，计算得到幅值A；

6)根据理想正弦信号频率f₀与最大初始相位差值计算补偿值Y；

7)对幅值A用补偿值Y进行补偿，获取准确的幅值其中步骤6)中补偿值为所述的补偿后信号幅值为/>