JP2014081352A - Frequency analysis device, signal processing apparatus using the device, and high-frequency measurement instrument using the apparatus - Google Patents

Frequency analysis device, signal processing apparatus using the device, and high-frequency measurement instrument using the apparatus Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a frequency analysis device capable of outputting a conversion result for a target frequency regardless of a sampling frequency.SOLUTION: A frequency analysis device includes: a sampling part 1 for sampling for an input analog signal to generate sampling data; a data conversion part 5 for converting the sampling data into re-sampling data that is sampling data corresponding to a target frequency of the analog signal; and an FFT process part 6 for applying high-speed Fourier transformation processing to the re-sampling data to output a conversion result for each frequency. The sampling data generated by the sampling part 1 is converted into re-sampling data corresponding to a target frequency of an analog signal, and high-speed Fourier transformation is applied to the re-sampling data. Therefore, it is possible to output a conversion result for a target frequency regardless of the sampling frequency.

Description

本発明は、高速フーリエ変換処理を行う周波数解析装置、当該周波数解析装置を用いた信号処理装置、および、当該信号処理装置を用いた高周波測定装置に関する。   The present invention relates to a frequency analysis device that performs fast Fourier transform processing, a signal processing device that uses the frequency analysis device, and a high-frequency measurement device that uses the signal processing device.

従来、高周波電力が伝送される伝送線路に配置されて、各種の高周波パラメータを検出する高周波測定装置が開発されている(例えば、特許文献1など)。高周波測定装置は、伝送線路を流れる高周波電流と伝送線路に生じる高周波電圧とを検出し、検出した電圧信号および電流信号の基本波成分の振幅および位相をそれぞれ算出する。そして、算出されたこれらのデータから、高周波パラメータを算出する。なお、高周波パラメータとは、例えば、インピーダンス、反射係数、進行波電力、反射波電力などである。   2. Description of the Related Art Conventionally, a high-frequency measuring device that is arranged on a transmission line through which high-frequency power is transmitted and detects various high-frequency parameters has been developed (for example, Patent Document 1). The high-frequency measuring device detects a high-frequency current flowing through the transmission line and a high-frequency voltage generated in the transmission line, and calculates the amplitude and phase of the detected fundamental component of the voltage signal and current signal, respectively. Then, a high frequency parameter is calculated from these calculated data. Note that the high-frequency parameters are, for example, impedance, reflection coefficient, traveling wave power, reflected wave power, and the like.

図11は、従来の高周波測定装置が備える電圧信号処理装置の一例を説明するための図である。同図に示す電圧信号処理装置は、電圧信号の基本波成分の振幅および位相を算出するものである。電圧信号処理装置は、周波数解析を行うサンプリング部100およびFFT処理部600と、周波数解析結果に基づいて演算を行う演算部700とを備えている。本願では、複数の周波数成分が混在している信号に対して処理を行い、周波数毎のスペクトルに分解することを「周波数解析」としている。なお、電流信号の信号処理を行う電流信号処理装置も同様の構成になる。   FIG. 11 is a diagram for explaining an example of a voltage signal processing device provided in a conventional high-frequency measurement device. The voltage signal processing apparatus shown in the figure calculates the amplitude and phase of the fundamental component of the voltage signal. The voltage signal processing apparatus includes a sampling unit 100 and an FFT processing unit 600 that perform frequency analysis, and a calculation unit 700 that performs calculation based on the frequency analysis result. In the present application, processing for a signal in which a plurality of frequency components are mixed and decomposition into a spectrum for each frequency is referred to as “frequency analysis”. A current signal processing device that performs signal processing of current signals has the same configuration.

サンプリング部100は、サンプリングを行うものである。サンプリング部100は、検出された電圧信号vを入力され、サンプリング周波数fsでN点サンプリング(Nは2の累乗)を行って、サンプリングされたN個のサンプリングデータxi(i=0,1,…,N−1)をFFT処理部600に出力する。 The sampling unit 100 performs sampling. The sampling unit 100 receives the detected voltage signal v, performs N-point sampling (N is a power of 2) at the sampling frequency f s , and samples N pieces of sampled data x i (i = 0, 1). ,..., N−1) are output to the FFT processing unit 600.

FFT処理部600は、高速フーリエ変換(Fast Fourier transformation)処理を行うものである。FFT処理部600は、サンプリング部100から入力されるサンプリングデータxiに対して高速フーリエ変換処理を行い、変換結果Xk(k=0,1,…,N/2−1)を演算部700に出力する。 The FFT processing unit 600 performs a fast Fourier transformation process. The FFT processing unit 600 performs a fast Fourier transform process on the sampling data x i input from the sampling unit 100, and the conversion result X k (k = 0, 1,..., N / 2-1) is calculated by the calculation unit 700. Output to.

演算部700は、電圧信号vの基本波成分の振幅および位相を演算するものである。演算部700は、FFT処理部600より入力される変換結果Xkに基づいて、その大きさであるスペクトルパワー|Xk|が最大のものを検出する。k=aのときのスペクトルパワー|Xa|が最大になるとすると、演算部700は、変換結果Xaに基づいて電圧信号vの基本波成分の振幅および位相を演算して出力する。 The calculation unit 700 calculates the amplitude and phase of the fundamental wave component of the voltage signal v. Based on the conversion result X k input from the FFT processing unit 600, the calculation unit 700 detects the one having the largest spectrum power | X k |. If the spectrum power | X a | when k = a is maximized, the calculation unit 700 calculates and outputs the amplitude and phase of the fundamental component of the voltage signal v based on the conversion result X a .

特開2004−93257号公報JP 2004-93257 A

FFT処理部600がFFT処理により出力する変換結果Xkは離散的であり、サンプリング周波数fsの分解能の整数倍の周波数についてのみ変換結果Xkが出力される。したがって、基本波成分の周波数(以下では、「基本周波数」とする。)がサンプリング周波数fsの分解能の整数倍である場合は、基本周波数についての変換結果Xkが出力されるが、基本周波数がサンプリング周波数fsの分解能の整数倍でない場合は、基本周波数についての変換結果Xkが出力されず、基本周波数の前後の周波数の変換結果Xkに分散されて出力される。 The conversion result X k output by the FFT processing unit 600 by the FFT processing is discrete, and the conversion result X k is output only for a frequency that is an integral multiple of the resolution of the sampling frequency f s . Accordingly, when the frequency of the fundamental wave component (hereinafter referred to as “fundamental frequency”) is an integer multiple of the resolution of the sampling frequency f s , the conversion result X k for the fundamental frequency is output. Is not an integral multiple of the resolution of the sampling frequency f s , the conversion result X k for the fundamental frequency is not output, but is distributed and output in the conversion result X k for the frequencies before and after the fundamental frequency.

この場合、スペクトルパワー|Xk|が最大になる周波数(k=aのときの周波数fa)が基本周波数に一致しないので、変換結果Xaに基づいて演算部700で算出された振幅および位相は、基本波成分の振幅および位相を正確に示さない。 In this case, since the frequency (frequency f a when k = a ) at which the spectrum power | X k | becomes maximum does not match the fundamental frequency, the amplitude and phase calculated by the calculation unit 700 based on the conversion result X a Does not accurately indicate the amplitude and phase of the fundamental component.

本発明は上述した事情のもとで考え出されたものであって、サンプリング周波数に関係なく、対象とする周波数についての変換結果を出力することができる周波数解析装置を提供することをその目的としている。   The present invention has been conceived under the circumstances described above, and it is an object of the present invention to provide a frequency analyzer that can output a conversion result for a target frequency regardless of the sampling frequency. Yes.

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。   In order to solve the above problems, the present invention takes the following technical means.

本発明の第1の側面によって提供される周波数解析装置は、入力されるアナログ信号に対してサンプリングを行って、サンプリングデータを生成するサンプリング手段と、前記サンプリングデータを、前記アナログ信号の対象とする周波数に対応したサンプリングデータであるリサンプリングデータに変換するデータ変換手段と、前記リサンプリングデータに対して高速フーリエ変換処理を行って周波数毎の変換結果を出力するFFT処理手段とを備えていることを特徴とする。   The frequency analysis apparatus provided by the first aspect of the present invention includes a sampling unit that performs sampling on an input analog signal to generate sampling data, and the sampling data is a target of the analog signal. Data conversion means for converting into resampling data that is sampling data corresponding to the frequency, and FFT processing means for performing fast Fourier transform processing on the resampling data and outputting a conversion result for each frequency It is characterized by.

なお、「対象とする周波数」とは、周波数解析の対象となる周波数である。例えば、基本波成分の周波数解析を行う場合、「対象とする周波数」は基本周波数であり、第n高調波成分の周波数解析を行う場合、「対象とする周波数」は第n高調波の周波数である。また、「対象とする周波数に対応したサンプリングデータ」とは、対象とする周波数がサンプリング周波数の分解能の整数倍になる場合のサンプリング周波数(リサンプリング周波数)でサンプリングを行ったサンプリングデータ(リサンプリングデータ)のことである。   The “target frequency” is a frequency to be subjected to frequency analysis. For example, when performing frequency analysis of the fundamental wave component, “target frequency” is the fundamental frequency, and when performing frequency analysis of the nth harmonic component, “target frequency” is the frequency of the nth harmonic. is there. “Sampling data corresponding to the target frequency” means sampling data (resampling data) sampled at a sampling frequency (resampling frequency) when the target frequency is an integral multiple of the resolution of the sampling frequency. ).

本発明の好ましい実施の形態においては、前記対象とする周波数に対応したサンプリング周波数であるリサンプリング周波数を算出するリサンプリング周波数算出手段をさらに備え、前記データ変換手段は、前記サンプリング手段のサンプリング周波数および前記リサンプリング周波数に基づいて変換を行う。   In a preferred embodiment of the present invention, the apparatus further comprises resampling frequency calculating means for calculating a resampling frequency that is a sampling frequency corresponding to the target frequency, wherein the data converting means includes the sampling frequency of the sampling means and Conversion is performed based on the resampling frequency.

なお、「対象とする周波数に対応したサンプリング周波数」とは、対象とする周波数がサンプリング周波数の分解能の整数倍になる場合のサンプリング周波数(リサンプリング周波数)のことである。   The “sampling frequency corresponding to the target frequency” is a sampling frequency (resampling frequency) when the target frequency is an integral multiple of the resolution of the sampling frequency.

本発明の好ましい実施の形態においては、前記データ変換手段は、前記サンプリング周波数をfs、前記リサンプリング周波数をfrとした場合、下記式に基づいて、前記サンプリングデータxi(i=0,1,…,N−1)を前記リサンプリングデータrn(n=0,1,…,N−1)に変換する。
In a preferred embodiment of the present invention, when the sampling frequency is f s and the resampling frequency is f r , the data conversion means is configured to output the sampling data x i (i = 0, 1,..., N−1) is converted into the resampling data r n (n = 0, 1,..., N−1).

本発明の好ましい実施の形態においては、前記サンプリングデータに対して高速フーリエ変換処理を行って周波数毎の変換結果を出力する第2のFFT処理手段と、前記第2のFFT処理手段が出力する周波数毎の変換結果に基づいて、前記対象とする周波数を推定する周波数推定手段とをさらに備えている。   In a preferred embodiment of the present invention, a second FFT processing unit that performs a fast Fourier transform process on the sampling data and outputs a conversion result for each frequency, and a frequency output by the second FFT processing unit Frequency estimation means for estimating the target frequency based on each conversion result.

本発明の好ましい実施の形態においては、前記周波数推定手段は、前記第2のFFT処理手段が出力する変換結果の大きさであるスペクトルパワーが最大値になる場合の周波数である近似周波数を検出する検出手段と、前記近似周波数に周波数分解能を加算した周波数についてのスペクトルパワーと、前記近似周波数から前記周波数分解能を減算した周波数についてのスペクトルパワーとを比較する比較手段と、前記最大値に対する、前記比較手段によって大きいと判定された方のスペクトルパワーの比率を算出する比率算出手段とを備えており、前記比率算出手段によって算出された比率に基づいて、前記対象とする周波数を推定する。   In a preferred embodiment of the present invention, the frequency estimation means detects an approximate frequency that is a frequency when the spectrum power, which is the magnitude of the conversion result output from the second FFT processing means, reaches a maximum value. Detecting means, comparing means for comparing a spectral power for a frequency obtained by adding a frequency resolution to the approximate frequency, and a spectral power for a frequency obtained by subtracting the frequency resolution from the approximate frequency; and the comparison for the maximum value. Ratio calculating means for calculating the ratio of the spectrum power determined to be larger by the means, and estimating the target frequency based on the ratio calculated by the ratio calculating means.

本発明の好ましい実施の形態においては、前記周波数推定手段は、前記近似周波数からの補正量と前記比率との対応関係をあらかじめ記憶している記憶手段をさらに備え、前記比較手段によって、周波数分解能を加算した周波数のスペクトルパワーの方が大きいと判定された場合は、前記比率に対応する補正量に前記周波数分解能を乗算して前記近似周波数に加算した周波数を、前記対象とする周波数として推定し、前記比較手段によって、周波数分解能を減算した周波数のスペクトルパワーの方が大きいと判定された場合は、前記比率に対応する補正量に前記周波数分解能を乗算して前記近似周波数から減算した周波数を、前記対象とする周波数として推定する。   In a preferred embodiment of the present invention, the frequency estimation means further comprises storage means for storing in advance a correspondence relationship between the correction amount from the approximate frequency and the ratio, and the comparison means provides frequency resolution. When it is determined that the spectrum power of the added frequency is larger, the frequency obtained by multiplying the correction amount corresponding to the ratio by the frequency resolution and added to the approximate frequency is estimated as the target frequency, When the comparison means determines that the spectrum power of the frequency obtained by subtracting the frequency resolution is larger, the frequency obtained by multiplying the correction amount corresponding to the ratio by the frequency resolution and subtracting the frequency from the approximate frequency, Estimated as the target frequency.

本発明の好ましい実施の形態においては、前記周波数推定手段は、前記第2のFFT処理手段が出力する変換結果の大きさであるスペクトルパワーが最大値saになる場合の周波数である近似周波数を検出する検出手段と、前記近似周波数に周波数分解能を加算した周波数についてのスペクトルパワーsa+1と、前記近似周波数から前記周波数分解能を減算した周波数についてのスペクトルパワーsa-1とを比較する比較手段とを備え、前記比較手段によって、sa+1≧sa-1と判定された場合は、
によって算出されたΔkに前記周波数分解能を乗算して前記近似周波数に加算した周波数を、前記対象とする周波数として推定し、前記比較手段によって、sa+1<sa-1と判定された場合は、
によって算出されたΔkに前記周波数分解能を乗算して前記近似周波数から減算した周波数を、前記対象とする周波数として推定する。
In a preferred embodiment of the present invention, the frequency estimation means calculates an approximate frequency that is a frequency when the spectrum power, which is the magnitude of the conversion result output from the second FFT processing means, reaches a maximum value sa. Comparison comparing detection means for detecting, spectral power s a + 1 for a frequency obtained by adding frequency resolution to the approximate frequency, and spectral power s a-1 for a frequency obtained by subtracting the frequency resolution from the approximate frequency. And when the comparison means determines that s a + 1 ≧ s a-1 ,
A frequency obtained by multiplying Δk calculated by the above frequency resolution and adding to the approximate frequency is estimated as the target frequency, and s a + 1 <s a-1 is determined by the comparison unit Is
Is multiplied by the frequency resolution and subtracted from the approximate frequency to estimate the target frequency.

本発明の好ましい実施の形態においては、前記対象とする周波数を検出する周波数検出手段をさらに備えている。   In a preferred embodiment of the present invention, a frequency detecting means for detecting the target frequency is further provided.

本発明の好ましい実施の形態においては、前記対象とする周波数は、前記アナログ信号の基本波成分の周波数である。   In a preferred embodiment of the present invention, the target frequency is a frequency of a fundamental wave component of the analog signal.

本発明の好ましい実施の形態においては、複数の対象とする周波数毎に、前記データ変換手段およびFFT処理手段を備えている。   In a preferred embodiment of the present invention, the data conversion means and the FFT processing means are provided for each of a plurality of target frequencies.

本発明の第2の側面によって提供される信号処理装置は、本発明の第1の側面によって提供される周波数解析装置と、前記FFT処理手段が出力する、前記対象とする周波数についての変換結果に基づいて、前記アナログ信号の対象とする周波数成分の振幅および位相を演算する演算手段とを備えていることを特徴とする。   The signal processing device provided by the second aspect of the present invention includes a frequency analysis device provided by the first aspect of the present invention and a conversion result for the target frequency output by the FFT processing means. And an arithmetic means for calculating the amplitude and phase of the frequency component of interest of the analog signal.

本発明の第3の側面によって提供される高周波測定装置は、高周波電力が伝送される伝送線路に配置されて、高周波電圧信号および高周波電流信号を検出する高周波検出装置と、本発明の第2の側面によって提供される信号処理装置であって、前記高周波電圧信号の前記対象とする周波数成分の振幅および位相を演算する電圧信号処理装置と、本発明の第2の側面によって提供される信号処理装置であって、前記高周波電流信号の前記対象とする周波数成分の振幅および位相を演算する電流信号処理装置と、前記電圧信号処理装置が出力した前記高周波電圧信号の前記対象とする周波数波成分の振幅および位相と、前記電流信号処理装置が出力した前記高周波電流信号の前記対象とする周波数成分の振幅および位相とから、各種高周波パラメータを演算する演算装置とを備えていることを特徴とする。   The high-frequency measuring device provided by the third aspect of the present invention is arranged on a transmission line through which high-frequency power is transmitted, and detects a high-frequency voltage signal and a high-frequency current signal. A signal processing apparatus provided by the aspect, the voltage signal processing apparatus calculating the amplitude and phase of the target frequency component of the high-frequency voltage signal, and the signal processing apparatus provided by the second aspect of the present invention A current signal processing device that calculates an amplitude and a phase of the target frequency component of the high-frequency current signal, and an amplitude of the target frequency wave component of the high-frequency voltage signal output by the voltage signal processing device And the phase and the amplitude and phase of the target frequency component of the high-frequency current signal output from the current signal processing device. Characterized in that an arithmetic unit for calculating the data.

本発明によると、サンプリング手段によって生成されたサンプリングデータがアナログ信号の対象とする周波数に対応したリサンプリングデータに変換され、当該リサンプリングデータに対して高速フーリエ変換処理が行われる。したがって、サンプリング周波数に関係なく、対象とする周波数についての変換結果を出力することができる。   According to the present invention, the sampling data generated by the sampling means is converted into resampling data corresponding to the frequency targeted for the analog signal, and fast Fourier transform processing is performed on the resampling data. Therefore, the conversion result for the target frequency can be output regardless of the sampling frequency.

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。   Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.

第1実施形態に係る周波数解析装置を説明するための機能ブロック図である。It is a functional block diagram for demonstrating the frequency analyzer which concerns on 1st Embodiment. 周波数finの推定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the estimation method of the frequency fin. スペクトルパワー比と補正量の関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between a spectrum power ratio and a correction amount. サンプリングデータとリサンプリングデータとを説明するための図である。It is a figure for demonstrating sampling data and resampling data. 第1実施形態に係る高周波測定装置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the high frequency measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment. 電圧信号処理装置に電圧信号を入力したシミュレーション結果を説明するためのものである。It is for demonstrating the simulation result which input the voltage signal into the voltage signal processing apparatus. 正規化された周波数偏移量およびスペクトルパワーを表す図である。It is a figure showing the amount of frequency deviation and spectrum power which were normalized. 第2実施形態に係る周波数解析装置を説明するための機能ブロック図である。It is a functional block diagram for demonstrating the frequency analyzer which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る周波数解析装置を説明するための機能ブロック図である。It is a functional block diagram for demonstrating the frequency analyzer which concerns on 3rd Embodiment. 第4実施形態に係る周波数解析装置を説明するための機能ブロック図である。It is a functional block diagram for demonstrating the frequency analyzer which concerns on 4th Embodiment. 従来の高周波測定装置が備える電圧信号処理装置の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the voltage signal processing apparatus with which the conventional high frequency measuring device is provided.

以下、本発明の実施の形態を、本発明に係る周波数解析装置を備えた電圧信号処理装置を例として、図面を参照して具体的に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings, taking as an example a voltage signal processing apparatus including a frequency analysis apparatus according to the present invention.

図1は、第1実施形態に係る周波数解析装置を説明するための機能ブロック図であり、当該周波数解析装置を備えた電圧信号処理装置を示している。同図に示す電圧信号処理装置Aは、伝送線路に生じる高周波電圧を検出したアナログ信号である電圧信号vを入力され、当該電圧信号vの基本波成分の振幅および位相を演算するものである。電圧信号処理装置Aは、周波数解析装置を構成するサンプリング部1、FFT処理部2、周波数推定部3、リサンプリング周波数算出部4、データ変換部5、およびFFT処理部6と、演算部7とを備えている。   FIG. 1 is a functional block diagram for explaining the frequency analysis device according to the first embodiment, and shows a voltage signal processing device including the frequency analysis device. A voltage signal processing apparatus A shown in the figure receives a voltage signal v that is an analog signal obtained by detecting a high-frequency voltage generated in a transmission line, and calculates the amplitude and phase of a fundamental wave component of the voltage signal v. The voltage signal processing apparatus A includes a sampling unit 1, an FFT processing unit 2, a frequency estimation unit 3, a resampling frequency calculation unit 4, a data conversion unit 5, an FFT processing unit 6, and a calculation unit 7 that constitute a frequency analysis device. It has.

サンプリング部1は、サンプリングを行うものである。サンプリング部1は、入力される電圧信号vに対して、サンプリング周波数fsでN点サンプリング(Nは2の累乗であり、例えば、本実施形態では「2048」としている。)を行い、サンプリングされたN個のサンプリングデータxi(i=0,1,…,N−1)をFFT処理部2およびデータ変換部5に出力する。サンプリング周波数fsは、あらかじめ定められた値が設定されている。なお、サンプリング部1は量子化も行っており、サンプリングデータxiはデジタルデータになっている。 The sampling unit 1 performs sampling. The sampling unit 1 performs N-point sampling (N is a power of 2, for example, “2048” in the present embodiment) with respect to the input voltage signal v at the sampling frequency f s and is sampled. N sampling data x i (i = 0, 1,..., N−1) are output to the FFT processing unit 2 and the data conversion unit 5. The sampling frequency f s is set to a predetermined value. The sampling unit 1 also performs quantization, and the sampling data x i is digital data.

FFT処理部2は、高速フーリエ変換処理を行うものである。FFT処理部2は、サンプリング部1から入力されるサンプリングデータxiに対して高速フーリエ変換処理を行い、変換結果Xkを周波数推定部3に出力する。変換結果Xkは、下記(1)式で算出される。なお、FFT処理部2の前段にローパスフィルタを設けて、高周波成分を除去するようにしてもよい。
The FFT processing unit 2 performs a fast Fourier transform process. The FFT processing unit 2 performs fast Fourier transform processing on the sampling data x i input from the sampling unit 1, and outputs the conversion result X k to the frequency estimation unit 3. The conversion result X k is calculated by the following equation (1). Note that a low-pass filter may be provided before the FFT processing unit 2 to remove high-frequency components.

周波数推定部3は、電圧信号vの基本周波数を推定するものである。周波数推定部3は、まず、FFT処理部2より入力される変換結果Xkに基づいて、スペクトルパワー|Xk|が最大となる周波数を算出する。サンプリング周波数fsでN点サンプリングを行った場合、周波数分解能f1は、f1=fs/Nとなる。また、周波数fk(=k・f1)のスペクトルパワーが|Xk|となる。k=aのときのスペクトルパワー|Xa|が最大になるとすると、この時の周波数はfa(=a・f1)である。周波数fa+1(=(a+1)・f1)のときのスペクトルパワー|Xa+1|、または、周波数fa-1(=(a−1)・f1)のときのスペクトルパワー|Xa-1|が、スペクトルパワー|Xa|の次に大きいものとなる。周波数推定部3は、最大のスペクトルパワー|Xa|と、次に大きいスペクトルパワー|Xa+1|(または、スペクトルパワー|Xa-1|)とに基づいて、電圧信号vの基本周波数finを推定する。 The frequency estimator 3 estimates the fundamental frequency of the voltage signal v. First, the frequency estimation unit 3 calculates a frequency at which the spectrum power | X k | is maximum based on the conversion result X k input from the FFT processing unit 2. When N-point sampling is performed at the sampling frequency f s , the frequency resolution f 1 is f 1 = f s / N. Further, the spectrum power of the frequency f k (= k · f 1 ) is | X k |. If the spectrum power | X a | when k = a is maximized, the frequency at this time is f a (= a · f 1 ). Spectral power | X a + 1 | at frequency f a + 1 (= (a + 1) · f 1 ) or Spectral power at frequency f a-1 (= (a-1) · f 1 ) | X a-1 | is the next largest after the spectral power | X a |. The frequency estimation unit 3 calculates the fundamental frequency of the voltage signal v based on the maximum spectral power | X a | and the next largest spectral power | X a + 1 | (or spectral power | X a-1 |). to estimate the f in.

図2は、基本周波数finの推定方法を説明するための図であり、各周波数のスペクトルパワーを示している。 Figure 2 is a diagram for explaining a method of estimating the fundamental frequency f in, it shows a spectrum power of each frequency.

同図(a)は、|Xa+1|≧|Xa-1|の場合を示している。この場合、基本周波数finは、周波数fa(=a・f1)と周波数fa+1(=(a+1)・f1)の間の周波数faに近い値になる。つまり、基本周波数finの位置に表れるべきスペクトルパワー(同図において破線で示している。)が、周波数faと周波数fa+1の位置に分散されて表れている。基本周波数finが周波数faに近いほど、スペクトルパワー|Xa|は大きくなり、スペクトルパワー|Xa+1|は小さくなる。したがって、スペクトルパワー|Xa|とスペクトルパワー|Xa+1|とから、基本周波数finと周波数faとの差を求めることができる。本実施形態では、当該差をΔk・f1とする補正量Δkを定義し、スペクトルパワー|Xa|に対するスペクトルパワー|Xa+1|の比率であるスペクトルパワー比R(=|Xa+1|/|Xa|)から、補正量Δkを算出している。 FIG. 5A shows the case of | X a + 1 | ≧ | X a-1 |. In this case, the fundamental frequency f in, a value close to the frequency f a of between frequency f a (= a · f 1 ) and the frequency f a + 1 (= (a + 1) · f 1). That is, (shown by dashed lines in FIG.) Spectral power should appear in a position of the fundamental frequency f in have appeared are dispersed in the position of the frequency f a and the frequency f a + 1. As the fundamental frequency f in is close to the frequency f a, spectral power | X a | becomes larger, the spectral power | X a + 1 | is small. Therefore, the spectral power | X a | and spectral power | X a + 1 | from and can determine the difference between the fundamental frequency f in the frequency f a. In this embodiment, a correction amount Δk that defines the difference as Δk · f 1 is defined, and a spectrum power ratio R (= | X a +) that is a ratio of the spectrum power | X a + 1 | to the spectrum power | X a | 1 | / | X a |), the correction amount Δk is calculated.

図3は、スペクトルパワー比Rと補正量Δkの関係を説明するための図である。   FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the spectral power ratio R and the correction amount Δk.

同図は、電圧信号vの基本周波数を13.56MHz付近で変化させた時のスペクトルパワー比Rと補正量Δkの関係を示している。具体的には、補正量Δkを0.01ずつ変化させてスペクトルパワー比Rを算出してテーブル化し、線形補完により補完したものである。周波数推定部3は、当該テーブル(以下では、「変換テーブル」とする。)に基づいて、スペクトルパワー比Rから補正量Δkを線形補完して算出し、リサンプリング周波数算出部4に出力する。   The figure shows the relationship between the spectral power ratio R and the correction amount Δk when the fundamental frequency of the voltage signal v is changed around 13.56 MHz. Specifically, the spectral power ratio R is calculated by changing the correction amount Δk by 0.01 and is tabulated and complemented by linear interpolation. The frequency estimation unit 3 calculates the correction amount Δk from the spectral power ratio R by linear interpolation based on the table (hereinafter referred to as “conversion table”), and outputs the correction amount Δk to the resampling frequency calculation unit 4.

|Xa+1|<|Xa-1|の場合、図2(b)に示すように、基本周波数finは、周波数fa-1(=(a−1)・f1)と周波数fa(=a・f1)との間の周波数faに近い値になる。つまり、基本周波数finの位置に表れるべきスペクトルパワー(同図において破線で示している。)が、周波数fa-1と周波数faの位置に分散されて表れている。基本周波数finが周波数faに近いほど、スペクトルパワー|Xa|は大きくなり、スペクトルパワー|Xa-1|は小さくなる。したがって、スペクトルパワー|Xa|とスペクトルパワー|Xa-1|とから、基本周波数finと周波数faとの差(Δk・f1)を算出することができる。この場合のスペクトルパワー比R(=|Xa-1|/|Xa|)と補正量Δkの関係は、図3と同様になるので、周波数推定部3は、同じ変換テーブルを用いて、スペクトルパワー比Rから補正量Δkを線形補完して算出する。 | X a + 1 | <| X a-1 | if, as shown in FIG. 2 (b), the fundamental frequency f in, the frequency f a-1 (= (a -1) · f 1) and the frequency It becomes a value close to the frequency f a between f a (= a · f 1 ). That is, (shown by dashed lines in FIG.) Spectral power should appear in a position of the fundamental frequency f in have appeared are dispersed in the position of the frequency f a-1 and the frequency f a. As the fundamental frequency f in is close to the frequency f a, spectral power | X a | becomes larger, the spectral power | X a-1 | is small. Therefore, the spectral power | X a | and spectral power | X a-1 | from and can calculate the difference between the fundamental frequency f in the frequency f a (Δk · f 1) . In this case, the relationship between the spectral power ratio R (= | X a-1 | / | X a |) and the correction amount Δk is the same as that in FIG. 3, so the frequency estimation unit 3 uses the same conversion table, The correction amount Δk is calculated from the spectral power ratio R by linear interpolation.

周波数推定部3は、入力されうる電圧信号vの基本周波数毎に変換テーブルを記録している。なお、いずれの周波数であっても、スペクトルパワー比Rと補正量Δkの関係は同様であり、図3と同様の、上に凸の形状の曲線となるので、同じ変換テーブルを用いるようにしてもよい。また、スペクトルパワー比Rと補正量Δkの関係を、図3の破線で示す直線で近似させて、単純な計算式(Δk=0.5R)で補正量Δkを算出するようにしてもよい。これらの場合、補正量Δkの精度は悪くなるが、変換テーブルのための記憶容量を削減することができる。また、他の計算方法で補正量Δkを算出するようにしてもよい。また、スペクトルパワー比Rを用いるのでなく、スペクトルパワー|Xa|とスペクトルパワー|Xa+1|(または、スペクトルパワー|Xa-1|)との差を用いて補正量Δkを算出するようにしてもよい。 The frequency estimation unit 3 records a conversion table for each basic frequency of the voltage signal v that can be input. Note that the relationship between the spectral power ratio R and the correction amount Δk is the same regardless of the frequency, and the same upward conversion curve is used as in FIG. Also good. Further, the correction amount Δk may be calculated by a simple calculation formula (Δk = 0.5R) by approximating the relationship between the spectrum power ratio R and the correction amount Δk with a straight line indicated by a broken line in FIG. In these cases, the accuracy of the correction amount Δk is deteriorated, but the storage capacity for the conversion table can be reduced. Further, the correction amount Δk may be calculated by another calculation method. Further, instead of using the spectral power ratio R, the correction amount Δk is calculated using the difference between the spectral power | X a | and the spectral power | X a + 1 | (or spectral power | X a-1 |). You may do it.

周波数推定部3で推定された基本周波数fin(以下では、「推定周波数fin」とする。)は、補正量Δkから、下記(2)式のようになる。周波数推定部3は、算出された補正量Δkをリサンプリング周波数算出部4に出力する。
Is the fundamental frequency f in (hereinafter, referred to as "estimated frequency f in".) Was estimated by the frequency estimation unit 3, from the correction amount .DELTA.k, it becomes: (2). The frequency estimation unit 3 outputs the calculated correction amount Δk to the resampling frequency calculation unit 4.

図1に戻って、リサンプリング周波数算出部4は、推定周波数finに対応したサンプリング周波数であるリサンプリング周波数frを算出するものである。リサンプリング周波数算出部4は、周波数推定部3から入力される補正量Δkに基づいてリサンプリング周波数frを算出し、データ変換部5に出力する。周波数推定部3からリサンプリング周波数算出部4には、aの値および|Xa+1|と|Xa-1|のどちらが大きいかを示す情報も入力される。 Returning to FIG. 1, the resampling frequency calculation unit 4, and calculates the resampling frequency f r is the sampling frequency corresponding to the estimated frequency f in. Resampling frequency calculator 4 calculates the resampling frequency f r on the basis of the correction amount Δk inputted from the frequency estimation unit 3, and outputs the data conversion unit 5. The frequency estimation unit 3 to the resampling frequency calculation unit 4 are also input with information indicating the value of a and which of | X a + 1 | and | X a-1 | is greater.

推定周波数finがリサンプリング周波数frの分解能の整数倍であれば、電圧信号vをリサンプリング周波数frでサンプリングしたサンプリングデータをFFT処理することで、推定周波数finについての変換結果を出力することができる。本実施形態では、リサンプリング周波数frをサンプリング周波数fsより大きく、できるだけ近いものとするために、下記(3)式によって、リサンプリング周波数frを算出している。なお、リサンプリング周波数frの算出方法はこれに限られない。例えば、下記(3)式の分母を、それぞれ「a」、「a−1」、「a+1」や、その他の整数にしてもよい。
If an integral multiple of the resolution of the estimated frequency f in resampling frequency f r, by FFT processing sampling data obtained by sampling the voltage signal v at the resampling frequency f r, the conversion result of the estimated frequency f in can do. In this embodiment, the resampling frequency f r greater than the sampling frequency f s, in order to be as close as possible, the following equation (3), calculates the resampling frequency f r. The method of calculating the resampling frequency f r is not limited to this. For example, the denominator of the following equation (3) may be “a”, “a−1”, “a + 1”, or other integers.

なお、上記(2)、(3)式より、frは、下記(4)式で表すことができる。したがって、周波数推定部3から補正量Δkを入力する代わりに、上記(2)式に基づいて算出された推定周波数finを入力し、下記(4)式に基づいてリサンプリング周波数frを算出するようにしてもよい。
The above (2) and (3), f r can be expressed by the following equation (4). Therefore, the calculation instead of entering a correction amount Δk from the frequency estimation unit 3, the (2) Enter the estimated frequency f in calculated based on the formula, the resampling frequency f r on the basis of the following equation (4) You may make it do.

データ変換部5は、サンプリングデータの変換を行うものである。データ変換部5は、サンプリング部1より入力される、サンプリング周波数fsでサンプリングされたサンプリングデータxi(i=0,1,…,N−1)を、リサンプリング周波数frでサンプリングした場合のリサンプリングデータrn(n=0,1,…,N−1)に変換する。具体的には、データ変換部5は、サンプリング部1より入力されるサンプリングデータxi(i=0,1,…,N−1)、リサンプリング周波数算出部4より入力されるリサンプリング周波数fr、およびあらかじめ設定されているサンプリング周波数fsに基づいて、sinc関数の性質を利用した下記(5)式によって、リサンプリングデータrn(n=0,1,…,N−1)を算出している。
The data conversion unit 5 converts sampling data. Data converter 5 is input from the sampling unit 1, the sampling frequency f s of sampled sampling data x i (i = 0,1, ... , N-1) if the, sampled at the resampling frequency f r To the resampling data r n (n = 0, 1,..., N−1). Specifically, the data conversion unit 5 includes sampling data x i (i = 0, 1,..., N−1) input from the sampling unit 1 and a resampling frequency f input from the resampling frequency calculation unit 4. r, and on the basis of the preset and has the sampling frequency f s, is calculated by the following formula (5) the nature using the sinc function, the resampling data r n (n = 0,1, ... , n-1) a doing.

上記(5)式の算出方法について、以下に説明する。   The calculation method of the above equation (5) will be described below.

f(t)をフーリエ変換する式は下記(6)式となり、F(ω)をフーリエ逆変換する式は下記(7)式となる。
The equation for Fourier transforming f (t) is the following equation (6), and the equation for inverse Fourier transforming F (ω) is the following equation (7).

上記(7)式に上記(6)式を代入すると、
Substituting the above equation (6) into the above equation (7),

上記(8)式を離散表示に書き直すと、下記(9)式になる。下記(9)式は、サンプリングされた離散データf(k)がデルタ関数の畳み込みを用いてf(t)が再生されることを意味している。つまり、サンプリングされた離散データf(k)を用いて、任意の時間の補間値を表すことができる。
When the above equation (8) is rewritten into discrete display, the following equation (9) is obtained. The following equation (9) means that f (t) is reproduced from the sampled discrete data f (k) using convolution of a delta function. That is, an interpolated value at an arbitrary time can be expressed using the sampled discrete data f (k).

なお、サンプリング関数として、デルタ関数δ(t)の近似関数であるSinc関数を用いることができる。   As a sampling function, a Sinc function that is an approximate function of the delta function δ (t) can be used.

連続波形f(t)の周波数スペクトルがW[Hz]以下に制限されている場合、サンプリング定理より、1/(2W)秒ごとにサンプリングしたf(t)の値の列により完全に表される。したがって、上記(9)式より、サンプリング関数をSinc関数として定義すると、下記(10)式で表される。
When the frequency spectrum of the continuous waveform f (t) is limited to W [Hz] or less, it is completely represented by a sequence of f (t) values sampled every 1 / (2 W) seconds from the sampling theorem. . Therefore, when the sampling function is defined as a Sinc function from the above equation (9), it is expressed by the following equation (10).

上記(10)式の導出の方法を、以下に説明する。   A method for deriving the above equation (10) will be described below.

f(t)を時間間隔Tごとにサンプリングしたfs(t)は、下記(11)式で表される。
f (t) was sampled every time interval T f s (t) is expressed by the following equation (11).

重畳積分定理の公式である下記(12)式の関係を参照して、上記(11)式のfs(t)をフーリエ変換すると、Fs(ω)は下記(13)のようになる。
Referring to the relationship of the following equation (12) that is the formula of the superposition integral theorem, when f s (t) of the above equation (11) is Fourier transformed, F s (ω) is as shown in the following (13).

s(ω)は、区間(−ω0/2〜ω0/2)で、(1/T)F(ω)に等しい周期関数である。f(t)の周波数帯域が(−W〜W)[Hz]に制限されていることに注意すると、下記(14)式に示す方形窓関数Pωc(ω)を用いることで、2πW=ωcとして、下記(15)式の関係が得られる。
F s (ω) is in the interval (-ω 0 / 2~ω 0/2 ), is a periodic function equal to (1 / T) F (ω ). Note that the frequency band of f (t) is limited to (−W to W) [Hz]. By using the square window function Pω c (ω) shown in the following equation (14), 2πW = ω As c , the following equation (15) is obtained.

上記(15)式にフーリエ逆変換を行うと、上記(12)式の重畳積分定理の公式を参照して、f(t)は下記(16)式のようになる。
When the inverse Fourier transform is performed on the above equation (15), f (t) is expressed by the following equation (16) with reference to the formula of the superposition integral theorem of the above equation (12).

ここで、以下のように、フーリエ変換対を算出することができる。
Here, a Fourier transform pair can be calculated as follows.

上記(16)式は、上記(17)式のフーリエ変換対を用いると、ωc=2πW、T=1/(2W)より、下記(18)式となる。
When the Fourier transform pair of the above equation (17) is used, the above equation (16) becomes the following equation (18) from ω c = 2πW and T = 1 / (2W).

以上のように、離散的なデータとSinc関数を用いることで、任意の時間のデータを復元することができる。   As described above, data of an arbitrary time can be restored by using discrete data and a Sinc function.

上記(18)式(上記(10)式)において、2W=fs、任意の時間t=(1/fr)iより、下記(19)式となる。なお、Sinc関数は偶関数なのでSinc(x)=Sinc(−x)である。
In the above equation (18) (the above equation (10)), 2W = f s and arbitrary time t = (1 / f r ) i, the following equation (19) is obtained. Since the Sinc function is an even function, Sinc (x) = Sinc (−x).

上記(19)式より、離散的なデータf(n/fs)をサンプリングデータxi(i=0,1,…,N−1)とすると、リサンプリングデータrn(n=0,1,…,N−1)は、上記(5)式で算出することができる。 From the above (19), discrete data f (n / f s) of the sampling data x i (i = 0,1, ... , N-1) when that resampling data r n (n = 0, 1 ,..., N−1) can be calculated by the above equation (5).

なお、上記(3)式より、fs/fr=a/(a+Δk)(または、a/(a−Δk))なので、上記(5)式はaとΔkとで表すことができる。したがって、リサンプリング周波数算出部4からリサンプリング周波数frを入力する代わりに、周波数推定部3から補正量Δk、aの値、および|Xa+1|と|Xa-1|のどちらが大きいかを示す情報を入力して、リサンプリングデータrnを算出するようにしてもよい。 From the above equation (3), f s / f r = a / (a + Δk) (or a / (a−Δk)), so the above equation (5) can be expressed by a and Δk. Therefore, instead of entering the resampling frequency f r from the resampling frequency calculator 4, the correction amount Δk from the frequency estimation unit 3, the values of a, and | X a + 1 | and | X a-1 | which of large or a type information indicating, may be calculated resampling data r n.

図4は、サンプリングデータxiと、サンプリングデータxiをデータ変換部5で変換したリサンプリングデータrnとを説明するための図である。 FIG. 4 is a diagram for explaining the sampling data x i and the resampling data r n obtained by converting the sampling data x i by the data converter 5.

同図において、ひし形で表している点は、正弦波信号を所定のサンプリング周波数fsでサンプリングしたサンプリングデータxi(i=0,1,…,N−1)を示している。サンプリングデータxiに基づいて、FFT処理部2、周波数推定部3、およびリサンプリング周波数算出部4によって、リサンプリング周波数frが算出される。正方形で表している点は、リサンプリング周波数frに基づいてデータ変換部5で変換されたリサンプリングデータrn(n=0,1,…,N−1)を示している。リサンプリングデータrnもサンプリングデータxiと同じ正弦波上に位置している。また、リサンプリング周波数frがサンプリング周波数fsより大きいので、リサンプリングデータrnの間隔がサンプリングデータxiの間隔より狭くなっている。 In the figure, the points indicated by diamonds indicate sampling data x i (i = 0, 1,..., N−1) obtained by sampling a sine wave signal at a predetermined sampling frequency f s . Based on the sampling data x i , the resampling frequency fr is calculated by the FFT processing unit 2, the frequency estimation unit 3, and the resampling frequency calculation unit 4. That are represented by squares, the resampling frequency f r resampled data converted by the data conversion unit 5 based on r n (n = 0,1, ... , N-1) shows a. Resampling data r n are also located in the same sine wave on the sampling data x i. Further, since the resampling frequency f r is greater than the sampling frequency f s, distance resampled data r n is narrower than the interval of the sampling data x i.

図1に戻って、FFT処理部6は、高速フーリエ変換処理を行うものである。FFT処理部6は、データ変換部5から入力されるリサンプリングデータrnに対して高速フーリエ変換処理を行い、変換結果Rk(k=0,1,…,N/2−1)を演算部7に出力する。変換結果Rkは、下記(20)式で算出される。
Returning to FIG. 1, the FFT processing unit 6 performs fast Fourier transform processing. FFT processing section 6 performs fast Fourier transform processing on resampling data r n inputted from the data converter 5, the conversion result R k (k = 0,1, ... , N / 2-1) the operation Output to unit 7. The conversion result R k is calculated by the following equation (20).

演算部7は、電圧信号vの基本波成分の振幅および位相を演算するものである。演算部7は、FFT処理部6より入力される変換結果Rkに基づいて、スペクトルパワー|Rk|が最大のものを検出する。リサンプリング周波数frが上記(3)式の第1式(すなわち、|Xa+1|≧|Xa-1|の場合)で算出された場合は、k=aのときのスペクトルパワー|Ra|が最大になるので、演算部7は、変換結果Raに基づいて電圧信号vの基本波成分の振幅および位相を演算して出力する。振幅は|Ra|に基づいて算出され、位相θはRaの実部であるRe(Ra)と虚部であるIm(Ra)とから、下記(21)式により算出される。
The calculation unit 7 calculates the amplitude and phase of the fundamental wave component of the voltage signal v. Based on the conversion result R k input from the FFT processing unit 6, the calculation unit 7 detects the one having the maximum spectrum power | R k |. When the resampling frequency fr is calculated by the first expression of the above expression (3) (that is, when | X a + 1 | ≧ | X a-1 |), the spectral power when k = a | Since R a | is maximized, the calculation unit 7 calculates and outputs the amplitude and phase of the fundamental component of the voltage signal v based on the conversion result R a . Amplitude | R a | to be calculated based on the phase θ from that the real part of R a Re (R a) and an imaginary part Im (R a), is calculated by the following equation (21).

一方、リサンプリング周波数frが上記(3)式の第2式(すなわち、|Xa+1|<|Xa-1|の場合)で算出された場合は、k=a−1のときのスペクトルパワー|Ra-1|が最大になるので、演算部7は、変換結果Ra-1に基づいて電圧信号vの基本波成分の振幅および位相を演算して出力する。 On the other hand, when the resampling frequency fr is calculated by the second expression of the above expression (3) (that is, in the case of | X a + 1 | <| X a-1 |), when k = a−1 R a-1 | | spectral power of the so becomes maximum, the arithmetic unit 7 calculates and outputs the amplitude and phase of the fundamental wave component of the voltage signal v based on the conversion result R a-1.

図5は、電圧信号処理装置Aを備える高周波測定装置を説明するための図である。同図に示す高周波測定装置は、電圧信号処理装置A、電流信号処理装置B、高周波検出装置C、演算装置Dを備えている。   FIG. 5 is a diagram for explaining a high-frequency measuring device including the voltage signal processing device A. The high-frequency measuring device shown in the figure includes a voltage signal processing device A, a current signal processing device B, a high-frequency detection device C, and an arithmetic device D.

高周波検出装置Cは、高周波電力が伝送される伝送線路Eに配置されて、伝送線路Eを流れる高周波電流と伝送線路Eに生じる高周波電圧とを検出するものである。高周波検出装置Cは、検出したアナログ信号である電圧信号vを電圧信号処理装置Aに出力し、検出したアナログ信号である電流信号iを電流信号処理装置Bに出力する。電流信号処理装置Bは、高周波検出装置Cから電流信号iを入力され、当該電流信号iの基本波成分の振幅および位相を演算する。電流信号処理装置Bの構成は電圧信号処理装置A(図1参照)と同様である。演算装置Dは、電圧信号処理装置Aが算出した電圧信号vの基本波成分の振幅および位相と、電流信号処理装置Bが算出した電流信号iの基本波成分の振幅および位相とから、各種高周波パラメータを算出する。   The high-frequency detection device C is arranged on the transmission line E through which high-frequency power is transmitted, and detects a high-frequency current flowing through the transmission line E and a high-frequency voltage generated in the transmission line E. The high frequency detection device C outputs the detected voltage signal v, which is an analog signal, to the voltage signal processing device A, and outputs the detected current signal i, which is an analog signal, to the current signal processing device B. The current signal processing device B receives the current signal i from the high frequency detection device C and calculates the amplitude and phase of the fundamental wave component of the current signal i. The configuration of the current signal processing device B is the same as that of the voltage signal processing device A (see FIG. 1). The arithmetic unit D uses various amplitudes and phases of the fundamental component of the voltage signal v calculated by the voltage signal processor A and the amplitude and phase of the fundamental component of the current signal i calculated by the current signal processor B. Calculate the parameters.

本実施形態において、データ変換部5から出力されるリサンプリングデータrn(n=0,1,…,N−1)は、リサンプリング周波数frでサンプリングした場合のサンプリングデータになっている。推定周波数fin(電圧信号vの基本周波数を推定したもの)はリサンプリング周波数frの分解能の整数倍になっているので、FFT処理部6が出力する変換結果Rk(k=0,1,…,N/2−1)には、推定周波数finのものが含まれている。したがって、演算部7は、電圧信号vの基本波成分の振幅および位相を正確に算出することができる。 In this embodiment, the resampling data r n outputted from the data converting unit 5 (n = 0,1, ..., N-1) is adapted to sampling data when sampled at the resampling frequency f r. Since the estimated frequency f in (estimated fundamental frequency of the voltage signal v) is an integral multiple of the resolution of the resampling frequency fr , the conversion result R k (k = 0, 1) output by the FFT processing unit 6 , ..., the N / 2-1), which include the estimated frequency f in. Therefore, the calculation unit 7 can accurately calculate the amplitude and phase of the fundamental wave component of the voltage signal v.

図6は、電圧信号処理装置Aに電圧信号vを入力したシミュレーション結果を説明するためのものである。   FIG. 6 is a diagram for explaining a simulation result when the voltage signal v is input to the voltage signal processing apparatus A.

周波数13.56MHzの電圧信号vを、位相を30°ずつずらして、サンプリング部1に入力した。サンプリング周波数fs=125MHz、サンプリング点数N=2048としている。同図中央の欄は、周波数推定部3で推定された推定周波数finおよび演算部7で算出された位相θを記載しており、同図右側の欄は、実際の値(同図左側の欄)との誤差を記載している。同図に示すように、周波数の誤差は最大で40Hz程度であり、位相の誤差は最大で0.12°程度であった。十分実用的な値を算出することができている。 A voltage signal v having a frequency of 13.56 MHz was input to the sampling unit 1 with a phase shifted by 30 °. Sampling frequency f s = 125 MHz and sampling point number N = 2048. FIG middle column describes a phase calculated by the estimated frequency f in and the arithmetic unit 7 which is estimated by the frequency estimation unit 3 theta, column of the FIG right, the actual value (FIG left Column)). As shown in the figure, the maximum frequency error was about 40 Hz, and the maximum phase error was about 0.12 °. A sufficiently practical value can be calculated.

なお、本実施形態においては、周波数推定部3がスペクトルパワー比Rと変換テーブルを用いて補正量Δkを算出する場合について説明したが、これに限られず、他の方法で補正量Δkを算出するようにしてもよい。周波数推定部3が計算式を用いて補正量Δkを算出する実施例について、以下に説明する。   In the present embodiment, the case where the frequency estimation unit 3 calculates the correction amount Δk using the spectral power ratio R and the conversion table has been described. However, the present invention is not limited to this, and the correction amount Δk is calculated by another method. You may do it. An embodiment in which the frequency estimation unit 3 calculates the correction amount Δk using a calculation formula will be described below.

この場合も、周波数推定部3は、FFT処理部2より入力される変換結果Xkに基づいて、最大のスペクトルパワー|Xa|と、次に大きいスペクトルパワー|Xa+1|(または、スペクトルパワー|Xa-1|)とを検出する。以下では、スペクトルパワー|Xk|をskと記載する。 Also in this case, the frequency estimation unit 3 determines the maximum spectral power | X a | and the next largest spectral power | X a + 1 | (or based on the conversion result X k input from the FFT processing unit 2. Spectral power | X a-1 |) is detected. Hereinafter, the spectral power | X k | is described as s k .

本実施形態では、サンプリングデータxiに特別な窓関数を乗算していないので、下記(22)式に示す方形波を窓関数として乗算していることになる。
In this embodiment, since the sampling data x i is not multiplied by a special window function, the square wave shown in the following equation (22) is multiplied as a window function.

上記(22)式をフーリエ変換すると下記(23)式になり、さらにω=2πfとすると、下記(24)式になる。なお、f=0のときに最大値が「1」になるように正規化している。
When the above equation (22) is Fourier transformed, the following equation (23) is obtained, and when ω = 2πf, the following equation (24) is obtained. Note that normalization is performed so that the maximum value is “1” when f = 0.

基本周波数finからの周波数偏移量を正規化したものをδとすると、これに対応する周波数スペクトルのスペクトルパワーを正規化したS(δ)は、下記(25)式で表せる。基本周波数finのときにδ=0となり、このときS(0)=1で最大になる。
When the frequency deviation from the fundamental frequency f in and those normalized [delta], S ([delta]) that the spectral power of the frequency spectrum normalized corresponding thereto may be expressed by the following equation (25). [Delta] = 0 becomes the time of the fundamental frequency f in, is maximized at this time S (0) = 1.

最大のスペクトルパワーがsaで、次に大きいスペクトルパワーがsa+1の場合(sa+1≧sa-1)、δ=−Δkのときが周波数faに対応し、S(−Δk)がsaを正規化したものになる(図7(a)参照)。また、δ=1−Δkのときが周波数fa+1に対応し、S(1−Δk)がsa+1を正規化したものになる。なお、lは正規化するための定数である。したがって、上記(25)式より下記(26)、(27)式が導かれ、下記(28)式が導かれる。
When the maximum spectral power is s a and the next largest spectral power is s a + 1 (s a + 1 ≧ s a-1 ), when δ = −Δk corresponds to the frequency f a , S (− .delta.k) is obtained by normalizing the s a reference (FIG. 7 (a)). Further, when δ = 1−Δk corresponds to the frequency f a + 1 , S (1−Δk) is obtained by normalizing s a + 1 . Note that l is a constant for normalization. Therefore, the following formulas (26) and (27) are derived from the above formula (25), and the following formula (28) is derived.

最大のスペクトルパワーがsaで、次に大きいスペクトルパワーがsa-1の場合(sa+1<sa-1)、δ=Δkのときが周波数faに対応し、S(Δk)がsaを正規化したものになる(図7(b)参照)。また、δ=Δk−1のときが周波数fa-1に対応し、S(Δk−1)がsa-1を正規化したものになる。したがって、上記(25)式より下記(29)、(30)式が導かれ、下記(31)式が導かれる。
When the maximum spectral power is s a and the next largest spectral power is s a-1 (s a + 1 <s a-1 ), when δ = Δk corresponds to the frequency f a , S (Δk) Becomes a normalized version of sa (see FIG. 7B). Further, when δ = Δk−1, this corresponds to the frequency f a−1 , and S (Δk−1) is obtained by normalizing s a−1 . Therefore, the following formulas (29) and (30) are derived from the above formula (25), and the following formula (31) is derived.

周波数推定部3は、sa+1≧sa-1の場合には上記(28)式を用いて、sa+1<sa-1の場合には上記(31)式を用いて、補整量Δkを算出する。なお、基本周波数finは、上記(2)式より算出することができる。 The frequency estimation unit 3 uses the above equation (28) when s a + 1 ≧ s a−1 , and uses the above equation (31) when s a + 1 <s a−1 . A compensation amount Δk is calculated. The basic frequency f in can be calculated from the above equation (2).

また、上記第1実施形態においては、周波数推定部3で推定周波数finを推定したが、これに限られず、他の方法で推定周波数finを検出するようにしてもよい。他の方法で推定周波数finを検出する場合を第2実施形態として、以下に説明する。 Further, in the first embodiment has been estimated estimated frequency f in the frequency estimation unit 3 is not limited thereto, may be detected to estimate the frequency f in the other way. The case of detecting the estimated frequency f in the other way as the second embodiment will be described below.

図8は、第2実施形態に係る周波数解析装置を説明するための機能ブロック図である。同図において、第1実施形態に係る電圧信号処理装置A(図1参照)と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。図8に示すように、電圧信号処理装置A1は、電圧信号vから推定周波数finを検出する点で、第1実施形態に係る電圧信号処理装置Aと異なる。 FIG. 8 is a functional block diagram for explaining the frequency analysis device according to the second embodiment. In the figure, the same or similar elements as those of the voltage signal processing apparatus A (see FIG. 1) according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals. As shown in FIG. 8, the voltage signal processing device A1 is different from the voltage signal processing device A according to the first embodiment in that the estimated frequency fin is detected from the voltage signal v.

周波数検出部8は、入力される信号の基本周波数を検出するものである。周波数検出部8は、電圧信号vを入力され、当該電圧信号vの基本周波数である推定周波数finを検出し、検出した推定周波数finをリサンプリング周波数算出部4’に出力する。周波数検出方法は、従来からある検出方法を用いればよく、交流信号がゼロレベルを交差する点間のパルスをカウントし、そのカウント値の逆数を取って周波数を求める「ゼロクロス点間カウント法」であってもよいし、PLL(Phase Locked Loop)を利用した方法であってもよい。周波数検出部8による周波数検出は、サンプリング部1によるサンプリングと同じタイミングで行う。なお、電圧信号処理装置A1に周波数検出部8を設けるのではなく、電圧信号処理装置A1の外部にある周波数検出装置で電圧信号vの基本周波数を検出して、リサンプリング周波数算出部4’に入力するようにしてもよい。 The frequency detector 8 detects the fundamental frequency of the input signal. Frequency detection unit 8 is input a voltage signal v, detecting the estimated frequency f in the fundamental frequency of the voltage signal v, and outputs the detected estimated frequency f in the resampling frequency calculator 4 '. The frequency detection method may be a conventional detection method, which counts pulses between points where the AC signal crosses the zero level, and calculates the frequency by taking the reciprocal of the count value. There may be a method using PLL (Phase Locked Loop). The frequency detection by the frequency detection unit 8 is performed at the same timing as the sampling by the sampling unit 1. Instead of providing the frequency detection unit 8 in the voltage signal processing device A1, the basic frequency of the voltage signal v is detected by the frequency detection device outside the voltage signal processing device A1, and the resampling frequency calculation unit 4 ′ You may make it input.

リサンプリング周波数算出部4’は、周波数検出部8から推定周波数finを入力されてリサンプリング周波数frを算出する。リサンプリング周波数算出部4’は、上記(4)式を用いて、リサンプリング周波数frを算出する。分母の「a」には、推定周波数finを周波数分解能f1(=fs/N)で割った値に近い整数を用いるようにすればよい。 Resampling frequency calculator 4 'calculates the resampling frequency f r is input to the estimated frequency f in the frequency detecting unit 8. Resampling frequency calculator 4 'may be made of any of the above (4) equation, to calculate the resampling frequency f r. "A" of the denominator may be the estimated frequency f in to use the nearest integer divided by the frequency resolution f 1 (= f s / N ).

第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、推定周波数finに対応したリサンプリング周波数frが算出され、データ変換部5から出力されるリサンプリングデータrn(n=0,1,…,N−1)がリサンプリング周波数frでサンプリングした場合のサンプリングデータになる。したがって、第2実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。 In the second embodiment, like the first embodiment, the estimated frequency f in resampling frequency f r which corresponds is calculated, resampling data output from the data conversion unit 5 r n (n = 0,1 , ..., the sampling data in the case where N-1) is sampled at the resampling frequency f r. Therefore, also in 2nd Embodiment, there can exist an effect similar to 1st Embodiment.

なお、上記第1および第2実施形態においては、データ変換部5がサンプリング部1より入力されるサンプリングデータxiをリサンプリングデータrnに変換する場合について説明したが、これに限られない。例えば、サンプリング部1がリサンプリング周波数算出部4(4’)で算出されたリサンプリング周波数frでサンプリングを行うようにして、データ変換部5を設けないようにしてもよい。ただし、サンプリング部1がリサンプリング周波数算出部4(4’)で算出されるリサンプリング周波数frに対応できるように、クロック周波数を相当高くする必要がある。クロック周波数に応じてリサンプリング周波数frの精度を下げると、演算部7の演算結果の精度も下がる。データ変換部5を用いれば、サンプリング部1の性能に関係なく、適切なリサンプリングデータrnを生成することができる。 In the above first and second embodiments, the description has been given of the case of converting the sampling data x i for the data converter 5 is input from the sampling unit 1 to the resampling data r n, not limited to this. For example, the sampling unit 1 is configured to perform sampling at the resampling frequency f r which is calculated by the resampling frequency calculator 4 (4 ') may not be provided with the data converter 5. However, as the sampling unit 1 can correspond to the resampling frequency f r which is calculated by the resampling frequency calculator 4 (4 '), it is necessary to considerably higher clock frequency. Reducing the precision of the resampling frequency f r in accordance with the clock frequency, decrease the accuracy of the operation result of the arithmetic unit 7. With the data conversion unit 5, irrespective of the performance of the sampling unit 1 can generate the appropriate resampling data r n.

また、上記第1および第2実施形態においては、本発明に係る周波数解析装置を電圧信号処理装置に用いた場合について説明したが、これに限られない。本発明に係る周波数解析装置は、あらゆる交流信号の周波数解析を行う場合にも、用いることができる。例えば、電圧信号処理装置A(図1参照)において、演算部7で振幅および位相を演算する代わりに、FFT処理部6が出力する変換結果Rk(k=0,1,…,N/2−1)をスペクトルとして表示するようにしてもよい。 In the first and second embodiments, the case where the frequency analysis device according to the present invention is used in a voltage signal processing device has been described. However, the present invention is not limited to this. The frequency analysis apparatus according to the present invention can also be used when performing frequency analysis of any AC signal. For example, in the voltage signal processing apparatus A (see FIG. 1), instead of calculating the amplitude and phase in the calculation unit 7, the conversion result R k (k = 0, 1,..., N / 2) output from the FFT processing unit 6 -1) may be displayed as a spectrum.

また、上記第1および第2実施形態においては、電圧信号処理装置A(A1)が電圧信号vの基本波成分の振幅および位相を演算する場合について説明したが、これに限られない。電圧信号処理装置A(A1)が電圧信号vの高調波成分の振幅および位相を演算するようにしてもよい。   In the first and second embodiments, the case where the voltage signal processing apparatus A (A1) calculates the amplitude and phase of the fundamental wave component of the voltage signal v has been described. However, the present invention is not limited to this. The voltage signal processing device A (A1) may calculate the amplitude and phase of the harmonic component of the voltage signal v.

例えば、第n高調波成分の振幅および位相を演算する場合には、演算部7が、FFT処理部6より入力される変換結果Rkのうち、基本周波数のn倍の周波数成分に対応するものを用いて演算を行うようにすればよい。すなわち、リサンプリング周波数frが上記(3)式の第1式(すなわち、|Xa+1|≧|Xa-1|の場合)で算出された場合は、k=aのときのスペクトルパワー|Ra|が最大になり、この時の周波数が基本周波数である。したがって、演算部7は、変換結果Rnaに基づいて演算を行うようにすればよい。具体的には、|Rna|に基づいて振幅を算出し、上記(21)式において「Ra」を「Rna」に代えて位相θを算出する。一方、リサンプリング周波数frが上記(3)式の第2式(すなわち、|Xa+1|<|Xa-1|の場合)で算出された場合は、k=a−1のときのスペクトルパワー|Ra-1|が最大になり、この時の周波数が基本周波数である。したがって、演算部7は、変換結果Rn(a-1)に基づいて演算を行うようにすればよい。具体的には、|Rn(a-1)|に基づいて振幅を算出し、上記(21)式において「Ra」を「Rn(a-1)」に代えて位相θを算出する。 For example, when calculating the amplitude and phase of the nth harmonic component, the calculation unit 7 corresponds to a frequency component of n times the fundamental frequency in the conversion result R k input from the FFT processing unit 6. What is necessary is just to perform calculation using. That is, when the resampling frequency fr is calculated by the first expression (that is, in the case of | X a + 1 | ≧ | X a-1 |), the spectrum when k = a is obtained. The power | R a | is maximized, and the frequency at this time is the fundamental frequency. Therefore, the calculating part 7 should just calculate based on conversion result Rna . Specifically, the amplitude is calculated based on | R na |, and the phase θ is calculated by replacing “R a ” with “R na ” in the equation (21). On the other hand, when the resampling frequency fr is calculated by the second expression of the above expression (3) (that is, in the case of | X a + 1 | <| X a-1 |), when k = a−1 Spectrum power | R a-1 | becomes maximum, and the frequency at this time is the fundamental frequency. Therefore, the calculation unit 7 may perform the calculation based on the conversion result Rn (a-1) . Specifically, the amplitude is calculated based on | R n (a-1) |, and the phase θ is calculated by replacing “R a ” with “R n (a-1) ” in the above equation (21). .

上述した演算部7の演算処理のみで高調波成分の振幅および位相を演算する場合、周波数推定部3(周波数検出部8)で推定された基本周波数に誤差があると、高次の高調波成分の演算結果の精度が悪くなってしまう。したがって、周波数推定部3がFFT処理部2より入力される変換結果Xkのうち高調波成分に対応する周波数帯域のものだけを用いて補正量Δkを算出するようにしてもよい(第1実施形態の場合)。この場合、補正量Δkが高調波周波数に対するものであり、これに基づいたリサンプリングデータrnに変換されるので、演算部7での演算結果の精度が良くなる。なお、FFT処理部2の前段にバンドパスフィルタを設けて、高調波成分のみをFFT処理部2に入力するようにしてもよい。なお、第2実施形態の場合は、周波数検出部8が基本周波数の代わりに高調波周波数を検出して、推定周波数finとしてリサンプリング周波数算出部4’に出力すればよい。 When the amplitude and phase of the harmonic component are calculated only by the calculation processing of the calculation unit 7 described above, if there is an error in the fundamental frequency estimated by the frequency estimation unit 3 (frequency detection unit 8), higher-order harmonic components The accuracy of the result of the calculation will deteriorate. Therefore, the frequency estimation unit 3 may calculate the correction amount Δk using only the conversion result X k input from the FFT processing unit 2 in the frequency band corresponding to the harmonic component (first embodiment). In case of form). In this case, the correction amount Δk is intended for the harmonic frequencies, because it is converted into resampled data r n based on this calculation result of the accuracy in the calculation unit 7 is improved. Note that a band pass filter may be provided in the previous stage of the FFT processing unit 2 so that only the harmonic component is input to the FFT processing unit 2. In the case of the second embodiment, the frequency detecting unit 8 detects the harmonic frequencies instead of the fundamental frequency may be output to the resampling frequency calculator 4 'as the estimated frequency f in.

次に、基本波成分の振幅および位相と高調波成分の振幅および位相とをそれぞれ演算することができる電圧信号処理装置を、第3実施形態として以下に説明する。   Next, a voltage signal processing device capable of calculating the amplitude and phase of the fundamental component and the amplitude and phase of the harmonic component will be described as a third embodiment.

図9は、第3実施形態に係る周波数解析装置を説明するための機能ブロック図である。同図において、第1実施形態に係る電圧信号処理装置A(図1参照)と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。図9に示すように、電圧信号処理装置A2は、高調波成分の振幅および位相を演算する構成(同図において破線で囲った構成であるリサンプリング周波数算出部4”、データ変換部5’、FFT処理部6’、および、演算部7’)が追加されている点と、周波数推定部3’が2種類の補正量ΔkとΔk’とを切り替えて出力する点で、第1実施形態に係る電圧信号処理装置Aと異なる。   FIG. 9 is a functional block diagram for explaining the frequency analysis apparatus according to the third embodiment. In the figure, the same or similar elements as those of the voltage signal processing apparatus A (see FIG. 1) according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals. As shown in FIG. 9, the voltage signal processing device A2 has a configuration for calculating the amplitude and phase of the harmonic component (a resampling frequency calculation unit 4 ″, a data conversion unit 5 ′, which is a configuration surrounded by a broken line in FIG. 9), In the first embodiment, an FFT processing unit 6 ′ and a calculation unit 7 ′) are added, and the frequency estimation unit 3 ′ switches and outputs two types of correction amounts Δk and Δk ′. This is different from the voltage signal processing apparatus A.

周波数推定部3’は、変換結果Xkを用いて基本周波数に対する補正量Δkを算出し、リサンプリング周波数算出部4に出力する状態と、変換結果Xkのうち高調波成分に対応する周波数帯域のものだけを用いて高調波周波数に対する補正量Δk’を算出し、リサンプリング周波数算出部4”に出力する状態とを切り替える。なお、FFT処理部2の前段にフィルタを設けて、ローパスフィルタとして基本周波数成分のみを通過させる状態と、バンドパスフィルタとして高調波成分のみを通過させる状態とを切り替えるようにしてもよい。 The frequency estimation unit 3 ′ calculates a correction amount Δk for the fundamental frequency using the conversion result X k and outputs the correction amount Δk to the resampling frequency calculation unit 4, and the frequency band corresponding to the harmonic component in the conversion result X k Is used to calculate the correction amount Δk ′ for the harmonic frequency and switch the state to be output to the resampling frequency calculation unit 4 ″. Note that a filter is provided in the previous stage of the FFT processing unit 2 as a low-pass filter. You may make it switch the state which allows only a fundamental frequency component to pass, and the state which allows only a harmonic component to pass as a band pass filter.

リサンプリング周波数算出部4”、データ変換部5’、FFT処理部6’、および、演算部7’は、それぞれリサンプリング周波数算出部4、データ変換部5、FFT処理部6、および、演算部7と同様の機能ブロックである。リサンプリング周波数算出部4”は、周波数推定部3’より入力される補正量Δk’に基づいて、リサンプリング周波数fr’を算出する。リサンプリング周波数算出部4”は、周波数推定部3’より補正量Δk’が入力されていない間(周波数推定部3’がリサンプリング周波数算出部4に補正量Δkを入力している間)は、保持しておいた直前のリサンプリング周波数fr’を出力する(リサンプリング周波数算出部4も同様)。データ変換部5’はリサンプリング周波数fr’に基づいて変換したリサンプリングデータrn’を出力し、FFT処理部6’はリサンプリングデータrn’に対して高速フーリエ変換処理を行って変換結果Rk’を出力し、演算部7’は変換結果Rk’に基づいて高調波成分の振幅および位相を演算する。 The resampling frequency calculator 4 ″, the data converter 5 ′, the FFT processor 6 ′, and the calculator 7 ′ are respectively the resampling frequency calculator 4, the data converter 5, the FFT processor 6, and the calculator. 7 to be the same functional blocks. resampling frequency calculator 4 "on the basis of the 'correction amount Δk input from' frequency estimating unit 3 calculates the resampling frequency f r '. The re-sampling frequency calculation unit 4 ″ is during the period when the correction amount Δk ′ is not input from the frequency estimation unit 3 ′ (while the frequency estimation unit 3 ′ inputs the correction amount Δk to the resampling frequency calculation unit 4). The previous resampling frequency f r ′ held is output (the same applies to the resampling frequency calculation unit 4), and the data conversion unit 5 ′ converts the resampling data r n converted based on the resampling frequency f r ′. ', The FFT processing unit 6' performs fast Fourier transform processing on the resampling data r n 'and outputs a conversion result R k ', and the calculation unit 7 'generates a harmonic based on the conversion result R k '. Calculate the amplitude and phase of the wave component.

基本波成分の他に複数の高調波成分(例えば、第3高調波と第5高調波など)の処理を行う場合は、図9に示す破線で囲った構成を必要な数だけ設け、周波数推定部3’が各高調波周波数に対する補正量Δk’をそれぞれ算出して、切り替えて出力するようにすればよい。   When processing a plurality of harmonic components (for example, the third harmonic and the fifth harmonic) in addition to the fundamental wave component, a necessary number of configurations surrounded by a broken line shown in FIG. 9 are provided to estimate the frequency. The unit 3 ′ may calculate the correction amount Δk ′ for each harmonic frequency, and switch and output it.

上記第3実施形態の場合、周波数推定部3’が補正量Δkと補正量Δk’とを交互に算出して出力を切り替えるので、リサンプリング周波数frおよびリサンプリング周波数fr’がそれぞれ固定されている期間がある。電圧信号vの周波数が変動する場合、この固定期間での演算結果の精度は悪くなる。補正量Δkと補正量Δk’とを同時に算出することができる電圧信号処理装置を、第4実施形態として以下に説明する。 In the case of the third embodiment, since the frequency estimation unit 3 ′ alternately calculates the correction amount Δk and the correction amount Δk ′ and switches the output, the resampling frequency fr and the resampling frequency fr ′ are fixed. There is a period. When the frequency of the voltage signal v varies, the accuracy of the calculation result in this fixed period is deteriorated. A voltage signal processing apparatus capable of calculating the correction amount Δk and the correction amount Δk ′ simultaneously will be described below as a fourth embodiment.

図10は、第4実施形態に係る周波数解析装置を説明するための機能ブロック図である。同図において、第1実施形態に係る電圧信号処理装置A(図1参照)と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。図10に示すように、電圧信号処理装置A3は、高調波成分の振幅および位相を演算する構成(同図において破線で囲った構成であるFFT処理部2’、周波数推定部3”、リサンプリング周波数算出部4”、データ変換部5’、FFT処理部6’、および、演算部7’)が追加されている点で、第1実施形態に係る電圧信号処理装置Aと異なる。   FIG. 10 is a functional block diagram for explaining the frequency analysis device according to the fourth embodiment. In the figure, the same or similar elements as those of the voltage signal processing apparatus A (see FIG. 1) according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals. As shown in FIG. 10, the voltage signal processing device A3 has a configuration for calculating the amplitude and phase of the harmonic component (an FFT processing unit 2 ′, a frequency estimation unit 3 ″ that is a configuration surrounded by a broken line in the same figure, resampling). It differs from the voltage signal processing apparatus A according to the first embodiment in that a frequency calculation unit 4 ″, a data conversion unit 5 ′, an FFT processing unit 6 ′, and a calculation unit 7 ′) are added.

FFT処理部2’、周波数推定部3”、リサンプリング周波数算出部4”、データ変換部5’、FFT処理部6’、および、演算部7’は、それぞれFFT処理部2、周波数推定部3、リサンプリング周波数算出部4、データ変換部5、FFT処理部6、および、演算部7と同様の機能ブロックである。FFT処理部2’は、サンプリング部1から入力されるサンプリングデータxiに対して高速フーリエ変換処理を行い、変換結果Xk’を周波数推定部3”に出力する。周波数推定部3”は、変換結果Xk’のうち高調波成分に対応する周波数帯域のものだけを用いて高調波周波数に対する補正量Δk’を算出し、リサンプリング周波数算出部4”に出力する。リサンプリング周波数算出部4”は、周波数推定部3”より入力される補正量Δk’に基づいて、リサンプリング周波数fr’を算出する。データ変換部5’はリサンプリング周波数fr’に基づいて変換したリサンプリングデータrn’を出力し、FFT処理部6’はリサンプリングデータrn’に対して高速フーリエ変換処理を行いって変換結果Rk’を出力し、演算部7’は変換結果Rk’に基づいて高調波成分の振幅および位相を演算する。 The FFT processing unit 2 ′, the frequency estimation unit 3 ″, the resampling frequency calculation unit 4 ″, the data conversion unit 5 ′, the FFT processing unit 6 ′, and the calculation unit 7 ′ are respectively the FFT processing unit 2 and the frequency estimation unit 3 These are functional blocks similar to the resampling frequency calculation unit 4, the data conversion unit 5, the FFT processing unit 6, and the calculation unit 7. The FFT processing unit 2 ′ performs a fast Fourier transform process on the sampling data x i input from the sampling unit 1, and outputs the transformation result X k ′ to the frequency estimation unit 3 ″. A correction amount Δk ′ for the harmonic frequency is calculated using only the conversion result X k ′ in the frequency band corresponding to the harmonic component, and is output to the resampling frequency calculation unit 4 ″. "the frequency estimation unit 3 '' on the basis of the resampling frequency f r 'correction amount Δk inputted from calculated. resampled data data converter 5' is the resampling frequency f r 'was converted on the basis of r n ′ is output, the FFT processing unit 6 ′ performs fast Fourier transform processing on the resampling data r n ′ and outputs a conversion result R k ′, and the calculation unit 7 ′ outputs the conversion result R k ′. Base Computing the amplitude and phase of the harmonic components Te.

なお、FFT処理部2の前段にローパスフィルタを設け、基本周波数成分のみを通過させるようにし、FFT処理部2’の前段にバンドパスフィルタを設け、高調波成分のみを通過させるようにしてもよい。   Note that a low-pass filter may be provided before the FFT processing unit 2 so as to pass only the fundamental frequency component, and a band-pass filter may be provided before the FFT processing unit 2 ′ so as to pass only the harmonic component. .

基本波成分の他に複数の高調波成分(例えば、第3高調波と第5高調波など)の処理を行う場合は、図10に示す破線で囲った構成を必要な数だけ設ければよい。   When processing a plurality of harmonic components (for example, third and fifth harmonics) in addition to the fundamental wave component, a necessary number of configurations surrounded by a broken line shown in FIG. 10 may be provided. .

本発明に係る周波数解析装置、当該周波数解析装置を用いた信号処理装置、および、当該信号処理装置を用いた高周波測定装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る周波数解析装置、当該周波数解析装置を用いた信号処理装置、および、当該信号処理装置を用いた高周波測定装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。   The frequency analysis device according to the present invention, the signal processing device using the frequency analysis device, and the high-frequency measurement device using the signal processing device are not limited to the above-described embodiments. The specific configuration of each part of the frequency analysis device according to the present invention, the signal processing device using the frequency analysis device, and the high-frequency measurement device using the signal processing device can be varied in design in various ways.

A,A1,A2,A3 電圧信号処理装置
1 サンプリング部
2 FFT処理部
3,3’,3” 周波数推定部
4,4’,4” リサンプリング周波数算出部
5,5’ データ変換部
6,6’ FFT処理部
7,7’ 演算部
8 周波数検出部
B 電流信号処理装置
C 高周波検出装置
D 演算装置
E 伝送線路
A, A1, A2, A3 Voltage signal processing device 1 Sampling unit 2 FFT processing unit 3, 3 ′, 3 ″ frequency estimation unit 4, 4 ′, 4 ″ resampling frequency calculation unit 5, 5 ′ data conversion unit 6, 6 'FFT processing unit 7, 7' calculation unit 8 frequency detection unit B current signal processing unit C high frequency detection unit D calculation unit E transmission line

Claims (12)

入力されるアナログ信号に対してサンプリングを行って、サンプリングデータを生成するサンプリング手段と、
前記サンプリングデータを、対象とする周波数に対応したサンプリングデータであるリサンプリングデータに変換するデータ変換手段と、
前記リサンプリングデータに対して高速フーリエ変換処理を行って周波数毎の変換結果を出力するFFT処理手段と、
を備えていることを特徴とする周波数解析装置。
Sampling means for sampling the input analog signal and generating sampling data;
Data conversion means for converting the sampling data into resampling data that is sampling data corresponding to a target frequency;
FFT processing means for performing a fast Fourier transform process on the resampling data and outputting a conversion result for each frequency;
A frequency analysis apparatus comprising:
前記対象とする周波数に対応したサンプリング周波数であるリサンプリング周波数を算出するリサンプリング周波数算出手段をさらに備え、
前記データ変換手段は、前記サンプリング手段のサンプリング周波数および前記リサンプリング周波数に基づいて変換を行う、
請求項1に記載の周波数解析装置。
Re-sampling frequency calculating means for calculating a resampling frequency that is a sampling frequency corresponding to the target frequency;
The data conversion means performs conversion based on the sampling frequency of the sampling means and the resampling frequency.
The frequency analysis apparatus according to claim 1.
前記データ変換手段は、前記サンプリング周波数をfs、前記リサンプリング周波数をfrとした場合、下記式に基づいて、前記サンプリングデータxi(i=0,1,…,N−1)を前記リサンプリングデータrn(n=0,1,…,N−1)に変換する、
請求項2に記載の周波数解析装置。
Said data conversion means, the sampling frequency f s, if the resampling frequency is f r, on the basis of the following equation, the sampling data x i (i = 0,1, ... , N-1) the Converted into resampling data r n (n = 0, 1,..., N−1),
The frequency analysis apparatus according to claim 2.
前記サンプリングデータに対して高速フーリエ変換処理を行って周波数毎の変換結果を出力する第2のFFT処理手段と、
前記第2のFFT処理手段が出力する周波数毎の変換結果に基づいて、前記対象とする周波数を推定する周波数推定手段と、
をさらに備えている、
請求項1ないし3のいずれかに記載の周波数解析装置。
A second FFT processing means for performing a fast Fourier transform process on the sampling data and outputting a conversion result for each frequency;
Frequency estimation means for estimating the target frequency based on a conversion result for each frequency output by the second FFT processing means;
Further equipped with,
The frequency analysis apparatus according to claim 1.
前記周波数推定手段は、
前記第2のFFT処理手段が出力する変換結果の大きさであるスペクトルパワーが最大値になる場合の周波数である近似周波数を検出する検出手段と、
前記近似周波数に周波数分解能を加算した周波数についてのスペクトルパワーと、前記近似周波数から前記周波数分解能を減算した周波数についてのスペクトルパワーとを比較する比較手段と、
前記最大値に対する、前記比較手段によって大きいと判定された方のスペクトルパワーの比率を算出する比率算出手段と、
を備えており、
前記比率算出手段によって算出された比率に基づいて、前記対象とする周波数を推定する、
請求項4に記載の周波数解析装置。
The frequency estimation means includes
Detecting means for detecting an approximate frequency that is a frequency when the spectrum power, which is the magnitude of the conversion result output by the second FFT processing means, reaches a maximum value;
Comparison means for comparing the spectrum power for the frequency obtained by adding frequency resolution to the approximate frequency and the spectrum power for the frequency obtained by subtracting the frequency resolution from the approximate frequency;
A ratio calculating means for calculating a ratio of the spectrum power determined to be larger by the comparing means with respect to the maximum value;
With
Estimating the target frequency based on the ratio calculated by the ratio calculating means;
The frequency analysis apparatus according to claim 4.
前記周波数推定手段は、
前記近似周波数からの補正量と前記比率との対応関係をあらかじめ記憶している記憶手段をさらに備え、
前記比較手段によって、周波数分解能を加算した周波数のスペクトルパワーの方が大きいと判定された場合は、前記比率に対応する補正量に前記周波数分解能を乗算して前記近似周波数に加算した周波数を、前記対象とする周波数として推定し、
前記比較手段によって、周波数分解能を減算した周波数のスペクトルパワーの方が大きいと判定された場合は、前記比率に対応する補正量に前記周波数分解能を乗算して前記近似周波数から減算した周波数を、前記対象とする周波数として推定する、
請求項5に記載の周波数解析装置。
The frequency estimation means includes
Storage means for storing in advance the correspondence between the correction amount from the approximate frequency and the ratio;
If it is determined by the comparison means that the spectrum power of the frequency obtained by adding the frequency resolution is larger, the frequency obtained by multiplying the correction amount corresponding to the ratio by the frequency resolution and adding the frequency to the approximate frequency, Estimate as the target frequency,
When the comparison means determines that the spectrum power of the frequency obtained by subtracting the frequency resolution is larger, the frequency obtained by multiplying the correction amount corresponding to the ratio by the frequency resolution and subtracting the frequency from the approximate frequency, Estimate as the target frequency,
The frequency analysis apparatus according to claim 5.
前記周波数推定手段は、
前記第2のFFT処理手段が出力する変換結果の大きさであるスペクトルパワーが最大値saになる場合の周波数である近似周波数を検出する検出手段と、
前記近似周波数に周波数分解能を加算した周波数についてのスペクトルパワーsa+1と、前記近似周波数から前記周波数分解能を減算した周波数についてのスペクトルパワーsa-1とを比較する比較手段と、
を備え、
前記比較手段によって、sa+1≧sa-1と判定された場合は、
によって算出されたΔkに前記周波数分解能を乗算して前記近似周波数に加算した周波数を、前記対象とする周波数として推定し、
前記比較手段によって、sa+1<sa-1と判定された場合は、
によって算出されたΔkに前記周波数分解能を乗算して前記近似周波数から減算した周波数を、前記対象とする周波数として推定する、
請求項4に記載の周波数解析装置。
The frequency estimation means includes
Detecting means for detecting an approximate frequency that is a frequency when the spectrum power, which is the magnitude of the conversion result output by the second FFT processing means, reaches a maximum value sa;
A comparison means for comparing a spectral power s a + 1 for a frequency obtained by adding a frequency resolution to the approximate frequency and a spectral power s a-1 for a frequency obtained by subtracting the frequency resolution from the approximate frequency;
With
When the comparison means determines that s a + 1 ≧ s a-1 ,
A frequency obtained by multiplying Δk calculated by the frequency resolution and adding to the approximate frequency is estimated as the target frequency,
When the comparison means determines that s a + 1 <s a-1 ,
A frequency obtained by multiplying Δk calculated by the frequency resolution and subtracting from the approximate frequency is estimated as the target frequency.
The frequency analysis apparatus according to claim 4.
前記対象とする周波数を検出する周波数検出手段をさらに備えている、
請求項1ないし3のいずれかに記載の周波数解析装置。
A frequency detection means for detecting the target frequency;
The frequency analysis apparatus according to claim 1.
前記対象とする周波数は、前記アナログ信号の基本波成分の周波数である、請求項1ないし8のいずれかに記載の周波数解析装置。   The frequency analysis device according to claim 1, wherein the target frequency is a frequency of a fundamental wave component of the analog signal. 複数の対象とする周波数毎に、前記データ変換手段およびFFT処理手段を備えている、
請求項1ないし8のいずれかに記載の周波数解析装置。
For each of a plurality of target frequencies, the data conversion means and the FFT processing means are provided.
The frequency analysis apparatus according to claim 1.
請求項1ないし10のいずれかに記載の周波数解析装置と、
前記FFT処理手段が出力する、前記対象とする周波数についての変換結果に基づいて、前記アナログ信号の対象とする周波数成分の振幅および位相を演算する演算手段と、
を備えていることを特徴とする信号処理装置。
A frequency analysis device according to any one of claims 1 to 10,
An arithmetic means for calculating the amplitude and phase of the target frequency component of the analog signal based on the conversion result for the target frequency output by the FFT processing means;
A signal processing apparatus comprising:
高周波電力が伝送される伝送線路に配置されて、高周波電圧信号および高周波電流信号を検出する高周波検出装置と、
請求項11に記載の信号処理装置であって、前記高周波電圧信号の前記対象とする周波数成分の振幅および位相を演算する電圧信号処理装置と、
請求項11に記載の信号処理装置であって、前記高周波電流信号の前記対象とする周波数成分の振幅および位相を演算する電流信号処理装置と、
前記電圧信号処理装置が出力した前記高周波電圧信号の前記対象とする周波数成分の振幅および位相と、前記電流信号処理装置が出力した前記高周波電流信号の前記対象とする周波数成分の振幅および位相とから、各種高周波パラメータを演算する演算装置と、
を備えていることを特徴とする高周波測定装置。
A high-frequency detector arranged on a transmission line through which high-frequency power is transmitted to detect a high-frequency voltage signal and a high-frequency current signal;
The signal processing device according to claim 11, wherein the voltage signal processing device calculates the amplitude and phase of the target frequency component of the high-frequency voltage signal;
The signal processing device according to claim 11, wherein the current signal processing device calculates the amplitude and phase of the target frequency component of the high-frequency current signal;
From the amplitude and phase of the target frequency component of the high-frequency voltage signal output from the voltage signal processing device and the amplitude and phase of the target frequency component of the high-frequency current signal output from the current signal processing device An arithmetic device for calculating various high-frequency parameters;
A high-frequency measuring device comprising:
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