KR102318967B1 - Signal processing system for a measuring displacement amount and a improving displacement data error and Drive method of the Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 계측 제어 기술에 관한 것으로, 특히 계측 센서로부터 획득된 측정데이터의 누적오차를 FFT 및 1,2 차에 걸쳐 실행하는 LPF를 통해 보정함으로써, 양질의 측정데이터가 출력단 및 수신측 통신 단말기에서 깨끗하게 전달받을 수 있도록 신호 처리해 주는 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템및 그 구동방법에 관한 것이다.The present invention relates to measurement and control technology, and in particular, by correcting the accumulated error of measurement data obtained from measurement sensors through FFT and LPF that is executed over the 1st and 2nd orders, high-quality measurement data is transmitted from the output terminal and the receiving-side communication terminal. It relates to a signal processing system for measuring the amount of displacement and improving the error of displacement data that processes signals so that they can be transmitted cleanly, and a driving method thereof.
무선 통신의 고속화 및 대용량화에 따라, 증폭기 특히, 전력 증폭기의 정밀한 선형성에 대한 요구가 증가하고 있지만, 전력 증폭기에서, 입력 전력은 선형성과 효율에 대하여 상충관계(trade-off relation)에 있다. 즉, 입력 신호가 작은 경우에는, 선형성 및 효율이 높고, 입력 신호가 큰 경우에는, 선형성 및 효율이 낮게 된다. 따라서, 입력 신호가 큰 경우에도 높은 선형성 및 높은 효율을 달성하도록 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 기술들이 제안되어 있다.Demand for precise linearity of amplifiers, particularly power amplifiers, is increasing along with high-speed and large-capacity wireless communication. However, in power amplifiers, input power has a trade-off relation between linearity and efficiency. That is, when the input signal is small, the linearity and efficiency are high, and when the input signal is large, the linearity and the efficiency are low. Accordingly, techniques for compensating for nonlinearity of a power amplifier have been proposed to achieve high linearity and high efficiency even when an input signal is large.
종래의 전력 증폭기의 비선형성을 보상하기 위한 기술은 부귀환 방법, 피드 포워드 방법, 아날로그 신호단에서 비선형성을 보상하는 아날로그 사전 왜곡 방법과 같은 기술들이 알려져 있다. 디지털 신호 처리를 이용하여 전력 증폭기의 특성을 추정하고 디지털 신호에 미리 역 왜곡을 부여하는 디지털 사전 왜곡 방법이 주목받고 있다.Techniques for compensating for nonlinearity of a conventional power amplifier are known techniques such as a negative feedback method, a feedforward method, and an analog pre-distortion method for compensating for nonlinearity at an analog signal stage. A digital pre-distortion method of estimating the characteristics of a power amplifier using digital signal processing and applying inverse distortion to a digital signal in advance is attracting attention.
전력 증폭기의 동작 상태는 주변 환경 및 증폭되는 신호의 특성에 <5> 따라 변화하기 때문에, 이러한 변화에 따라, 전력 증폭기의 선형성을 확보하기 위하여, 진폭 특성 및 위상 특성을 보상하는데 사용되는 보상값 또는 보상 계수를 업데이트해야 한다. 그러나, 보상값 또는 보상 계수의 업데이트는 전력 소비를 수반하므로, 전력 증폭기의 선형성과 저소비 전력화를 실현하는 기술이 요구된다.Since the operating state of the power amplifier changes according to the surrounding environment and the characteristics of the amplified signal, a compensation value used to compensate the amplitude characteristic and the phase characteristic in order to secure the linearity of the power amplifier or The compensation factor needs to be updated. However, since updating the compensation value or compensation coefficient involves power consumption, a technique for realizing linearity and low power consumption of the power amplifier is required.
종래부터 발진기 등의 신호원의 주파수 안정도를 검사하기 위해서 위상 잡음을 측정하는 방법이 알려져 있다. 또한 통신기기에 사용하는 발진기 등의 높은 주파수 안정도가 요구되는 발진기의 위상 잡음을 측정하는 방법으로서는, 직교 위상 검파법이 일반적으로 사용되고 있다. 직교 위상 검파법에서는, 검사 대상의 발진기의 출력과 이 발진기보다도 저잡음인 기준 발진기(전압 제어 발진기)의 출력을 믹서에 공급한다. 이때, PLL 회로의 제어 전압을 제어하여 검사 대상의 발진기와 기준 발진기의 위상차가 90도로 조정된다. 그리고, 발진기와 기준 발진기의 잡음 성분의 합이 로우 패스 필터(LPF)를 통해 FFT 애널라이저에 공급되고, 검사 대상의 발진기의 위상 잡음을 측정한다. 또한, FFT 애널라이저로 해석한 결과, 즉, 발진기의 위상 잡음 특성을 퍼스널 컴퓨터(PC)의 표시 화면에 표시시키는 것이다.Conventionally, a method of measuring phase noise is known in order to check the frequency stability of a signal source such as an oscillator. In addition, as a method of measuring the phase noise of an oscillator that requires high frequency stability, such as an oscillator used in a communication device, the quadrature phase detection method is generally used. In the quadrature phase detection method, the output of the oscillator to be inspected and the output of the reference oscillator (voltage controlled oscillator), which is lower in noise than the oscillator, are supplied to the mixer. At this time, the phase difference between the test target oscillator and the reference oscillator is adjusted to 90 degrees by controlling the control voltage of the PLL circuit. Then, the sum of the noise components of the oscillator and the reference oscillator is supplied to the FFT analyzer through a low-pass filter (LPF), and the phase noise of the oscillator to be inspected is measured. Further, the result of analysis by the FFT analyzer, that is, the phase noise characteristic of the oscillator is displayed on the display screen of the personal computer (PC).
또한, 일반적으로, 고장신호 진단시스템은 전해 커패시터의 ESR 값이 열화가 진행되면서 정상 값 대비 약 2배 이상일 경우에 이상(abnormal) 징후의 시작으로 판단하는 고장판별 기법이 대부부능 차지한다. Afroz M Imam은 DC/DC 컨버터의 모델에서 커패시터의 맥동성분 전압/전류 신호를 특정의 스위칭 주파수 영역대에 대한 대역통과 필터(이하 ‘BPF’라 칭함)의 신호처리를 거친 후 주파수분석(FFT)하여 커패시터 ESR을 추정하는 연산을 수행하는 기법을 제안하였으나 이는 BPF의 구현 및 온라인처리가 매우 힘들다는 단점을 지니게 된다.Also, in general, in the fault signal diagnosis system, when the ESR value of the electrolytic capacitor is about twice or more than the normal value as the deterioration progresses, the fault determination technique for judging the start of an abnormal symptom is largely ineffective. Afroz M Imam performs frequency analysis (FFT) on the pulsating component voltage/current signal of the capacitor in the model of the DC/DC converter after signal processing with a bandpass filter (hereinafter referred to as 'BPF') for a specific switching frequency range. Thus, a technique for estimating capacitor ESR has been proposed, but this has the disadvantage that it is very difficult to implement and process the BPF on-line.
각각 커패시터의 맥동 전압/전류 신호를 각각 BPF에 통과 후 RLS (recursive least squares) 신호처리 및 RMS 연산 처리하여 이의 커패시터 ESR을 추정하는 방식을 제안하였다.After passing each capacitor's pulsating voltage/current signal through the BPF, a method of estimating the capacitor ESR by RLS (recursive least squares) signal processing and RMS operation processing was proposed.
그러나, ESR 값 추정 기법은 커패시터에 대한 맥동 전류 및 전압 신호를 BPF에 통과시킨 후 이를 적절히 신호처리하는 방법을 사용하였다. 이 방식은 정확한 BPF의 중심주파수를 정하기 위하여 진단하고자 하는 각각의 전력변환장치마다 특정의 스위칭 주파수를 미리 인지하여야하는 어려움이 발생한다. 또한, 이 방법은 필터의 계수 설정 및 온도특성의 고려 등 구현에도 많은 문제점이 나타나게 된다.However, in the ESR value estimation method, the pulsating current and voltage signals for the capacitor are passed through the BPF and then the signal is processed appropriately. In this method, it is difficult to recognize in advance a specific switching frequency for each power converter to be diagnosed in order to determine the correct center frequency of the BPF. In addition, this method has many problems in implementation, such as setting the coefficients of the filter and considering the temperature characteristics.
본 발명의 제 1 목적은 계측 센서로부터 획득된 측정데이터의 누적오차를 FFT 및 1,2 차에 걸쳐 실행하는 LPF를 통해 보정함으로써, 양질의 측정데이터가 출력단 및 수신측 통신 단말기에서 깨끗하게 전달받을 수 있도록 신호 처리해 주기 위함이다.A first object of the present invention is to correct the accumulated error of the measurement data obtained from the measurement sensor through the FFT and the LPF that is executed over the 1st and 2nd order, so that high-quality measurement data can be transmitted cleanly from the output terminal and the receiving-side communication terminal. This is for signal processing.
본 발명의 제 2 목적은 유지관리 구조물에 설치된 적어도 하나의 계측 센서로부터 계측된 부위별 변위패턴을 동시에 확인 가능하며, 적어도 하나의 계측 센서의 계측 변위 데이터에 존재하는 고주파 및 적분 계산에 따른 오차를 개선하는 보정기법을 적용하여 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선을 위한 최적 시스템을 제공하기 위함이다. A second object of the present invention is to simultaneously check the displacement pattern for each part measured from at least one measurement sensor installed in a maintenance structure, and to eliminate errors due to high frequency and integral calculation existing in the measurement displacement data of at least one measurement sensor. This is to provide an optimal system for measuring displacement amount and improving displacement data error by applying an improved correction technique.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명은 다음과 같은 구성을 포함한다.The present invention for achieving the above object includes the following configuration.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템은, 교량이나 철도, 댐, 도로, 대형 구조물을 포함하는 유지관리 구조물에 설치된 적어도 하나의 계측 센서로부터 유무선 통신망을 통해 획득된 아날로그 신호이면서 변위량인 계측 변위 데이터를 실시간으로 누적 체크하는 누적변위 데이터 측정부; 상기 누적변위 데이터 측정부의 ON-OFF 동작전원을 제어하며, 상기 계측 변위 데이터를 디지털 신호인 계측 이산 데이터로 변환하는 A/D 변환부; 상기 계측 이산 데이터가 시간영역에서 벗어나 주파수 영역에서 해석되도록 FFT(Fast Fourier Transform)함에 따라 계측 FFT 데이터를 생성시키는 고속 퓨리에 변환부; 상기 계측 FFT 데이터 내 포함된 제 1 고주파 성분을 제 1 LPF 필터로 제거함을 통해 제 1 계측 LPF 데이터를 생성시키는 제 1 디지털 저역통과 필터부; 상기 제 1 계측 LPF 데이터 내 포함된 RMS 노이즈를 제거해 제 1 계측 LPF 클리어 데이터를 생성시키는 노이즈 제거부; 상기 RMS 노이즈 제거 동작시, 상기 제 1 계측 LPF 클리어 데이터 내 자동 발생된 제 2 고주파 성분을 제 2 LPF 필터로 제거함에 따라 상기 제 2 계측 LPF 데이터를 생성시키는 제 2 디지털 저역통과 필터부; 상기 제 2 계측 LPF 데이터를 D/A 변환하여 아날로그 신호인 제 2 최종 계측 데이터를 생성시키는 D/A 변환부; 및 제 2 계측 LPF 데이터 내 기생하는 누화 잡음(Crosstalk noise)을 제거한 제 1 최종 계측 데이터를 유무선 통신망을 통해 외부로 출력시키는 계측데이터 출력부를 포함한다.That is, the signal processing system for measuring displacement amount and improving displacement data error according to an embodiment of the present invention is from at least one measurement sensor installed in a bridge, railway, dam, road, or maintenance structure including a large structure through a wired/wireless communication network. a cumulative displacement data measuring unit for accumulating and checking the acquired analog signal and measured displacement data, which is a displacement amount, in real time; an A/D converter for controlling ON-OFF operation power of the cumulative displacement data measuring unit and converting the measured displacement data into measured discrete data that is a digital signal; a fast Fourier transform unit for generating measured FFT data by performing FFT (Fast Fourier Transform) so that the measured discrete data is analyzed in the frequency domain out of the time domain; a first digital low-pass filter unit for generating first measured LPF data by removing a first high frequency component included in the measured FFT data with a first LPF filter; a noise removing unit removing RMS noise included in the first measured LPF data to generate first measured LPF clear data; a second digital low-pass filter unit configured to generate the second measured LPF data by removing a second high frequency component automatically generated in the first measured LPF clear data with a second LPF filter during the RMS noise removal operation; a D/A converter for D/A-converting the second measured LPF data to generate second final measured data that is an analog signal; and a measurement data output unit for outputting first final measurement data obtained by removing parasitic crosstalk noise in the second measurement LPF data to the outside through a wired/wireless communication network.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템의 구동방법은, 누적변위 데이터 측정부가 교량이나 철도, 댐, 도로, 대형 구조물을 포함하는 유지관리 구조물에 설치된 적어도 하나의 계측 센서로부터 유무선 통신망을 통해 획득된 아날로그 신호이면서 변위량인 계측 변위 데이터를 실시간으로 누적 체크하는 단계; A/D 변환부가 상기 누적변위 데이터 측정부의 ON-OFF 동작전원을 제어하며, 상기 계측 변위 데이터를 디지털 신호인 계측 이산 데이터로 변환하는 단계; 고속 퓨리에 변환부가 상기 계측 이산 데이터가 시간영역에서 벗어나 주파수 영역에서 해석되도록 FFT(Fast Fourier Transform)함에 따라 계측 FFT 데이터를 생성시키는 단계; 제 1 디지털 저역통과 필터부가 상기 계측 FFT 데이터 내 포함된 제 1 고주파 성분을 제 1 LPF 필터로 제거함을 통해 제 1 계측 LPF 데이터를 생성시키는 단계; 노이즈 제거부가 상기 제 1 계측 LPF 데이터 내 포함된 RMS 노이즈를 제거해 제 1 계측 LPF 클리어 데이터를 생성시키는 단계; 상기 RMS 노이즈 제거 동작시, 제 2 디지털 저역통과 필터부가 상기 제 1 계측 LPF 클리어 데이터 내 자동 발생된 제 2 고주파 성분을 제 2 LPF 필터로 제거함에 따라 상기 제 2 계측 LPF 데이터를 생성시키는 단계; D/A 변환부가 상기 제 2 계측 LPF 데이터를 D/A 변환하여 아날로그 신호인 제 2 최종 계측 데이터를 생성시키는 단계; 및 계측데이터 출력부가 제 2 계측 LPF 데이터 내 기생하는 누화 잡음(Crosstalk noise)을 제거한 제 1 최종 계측 데이터를 유무선 통신망을 통해 외부로 출력시키는 단계를 포함한다.In addition, the driving method of the signal processing system for measuring the displacement amount and improving the displacement data error according to the embodiment of the present invention includes at least one accumulated displacement data measurement unit installed in a bridge, railway, dam, road, or maintenance structure including a large structure. Accumulating and checking in real time measurement displacement data, which is an analog signal and displacement amount, obtained from a measurement sensor of An A/D conversion unit controlling ON-OFF operation power of the cumulative displacement data measuring unit, and converting the measured displacement data into measured discrete data that is a digital signal; generating, by a fast Fourier transform unit, FFT (Fast Fourier Transform) data so that the measured discrete data is analyzed in the frequency domain out of the time domain; generating first measured LPF data by a first digital low-pass filter unit removing a first high frequency component included in the measured FFT data with a first LPF filter; generating first measured LPF clear data by a noise removing unit removing RMS noise included in the first measured LPF data; generating the second measured LPF data by a second digital low-pass filter unit removing a second high frequency component automatically generated in the first measured LPF clear data with a second LPF filter during the RMS noise removal operation; D/A conversion unit D/A converting the second measurement LPF data to generate second final measurement data that is an analog signal; and outputting, by the measurement data output unit, the first final measurement data obtained by removing parasitic crosstalk noise in the second measurement LPF data to the outside through a wired/wireless communication network.
본 발명의 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템 및 그 구동방법은 계측 센서로부터 획득된 측정데이터의 누적오차를 FFT 및 1,2 차에 걸쳐 실행하는 LPF를 통해 보정함으로써, 양질의 측정데이터가 출력단 및 수신측 통신 단말기에서 깨끗하게 전달받을 수 있도록 신호 처리하는 제 1 효과를 준다.The signal processing system for measuring the displacement amount and improving the displacement data error of the present invention and the driving method thereof correct the accumulated error of the measurement data obtained from the measurement sensor through the FFT and the LPF that is executed over the first and second orders, thereby providing high-quality measured data Gives the first effect of signal processing so that the output terminal and the receiving-side communication terminal can receive the signal cleanly.
본 발명은 유지관리 구조물에 설치된 적어도 하나의 계측 센서로부터 계측된 부위별 변위패턴을 동시에 확인 가능하며, 적어도 하나의 계측 센서의 계측 변위 데이터에 존재하는 고주파 및 적분 계산에 따른 오차를 개선하는 보정기법을 적용하여 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선을 위한 최적 시스템을 제공하는 제 2 효과를 준다.The present invention can simultaneously check the displacement pattern for each part measured from at least one measurement sensor installed in a maintenance structure, and a correction technique for improving the error due to the high frequency and integral calculation existing in the measurement displacement data of at least one measurement sensor is applied to give the second effect of providing an optimal system for measuring displacement and improving displacement data error.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템 중 노이즈 제거부의 RMS 제거로 생성된 제 1 계측 LPF 클리어 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템 중 기울기 보정부에 의해 누적오차가 제거된 제 1 계측 클리어 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템의 구동방법을 나타낸 순서도이다.1 is a diagram illustrating a signal processing system for measuring displacement amount and improving displacement data error according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a signal processing system for measuring a displacement amount and improving displacement data error according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph illustrating first measured LPF clear data generated by RMS removal of a noise removing unit in a signal processing system for measuring displacement and improving displacement data error according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the first measurement clear data from which the accumulated error is removed by the slope correction unit in the signal processing system for measuring the displacement amount and improving the displacement data error according to the embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a method of driving a signal processing system for measuring a displacement amount and improving a displacement data error according to an embodiment of the present invention.
[실시예][Example]
이하, 본 발명의 실시예에 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a signal processing system for measuring displacement amount and improving displacement data error according to an embodiment of the present invention.
도 1를 참조하면, 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템(2000)은 계측 센서(100)로부터 획득된 측정데이터의 누적오차를 FFT 및 1,2 차에 걸쳐 실행하는 LPF를 통해 보정함으로써, 양질의 측정데이터가 출력단 및 수신측 통신 단말기(관리자용 포함, 1100)에서 깨끗하게 전달받을 수 있도록 신호 처리하는 시스템으로, 적어도 하나의 계측센서(100), 누적변위 데이터 측정부(200), A/D 변환부(250), 고속 퓨리에 변환부(300), 제 1 디지털 저역통과 필터부(350), 노이즈 제거부(400), 제 2 디지털 저역통과 필터부(450), D/A 변환부(500) 및 계측데이터 출력부(550)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the
본 발명의 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 장치(1000)는 누적변위 데이터 측정부(200), A/D 변환부(250), 고속 퓨리에 변환부(300), 제 1 디지털 저역통과 필터부(350), 노이즈 제거부(400), 제 2 디지털 저역통과 필터부(450), D/A 변환부(500) 및 계측데이터 출력부(550)를 포함하는 장치라 할 것이다.The
먼저, 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 장치(1000)의 누적변위 데이터 측정부(200)는 교량이나 철도, 댐, 도로, 대형 구조물을 포함하는 유지관리 구조물(50)에 설치된 적어도 하나의 계측 센서(100)로부터 유무선 통신망을 통해 획득된 아날로그 신호이면서 변위량인 계측 변위 데이터를 실시간으로 누적 체크한다.First, the cumulative displacement
여기서, 적어도 하나의 계측 센서(100)는 가속도계, 속도계, 위성항법계, 변형률계, 신축이음계, 길이변위계, 풍향풍속계를 포함함에 유의한다.Here, it is noted that the at least one
또한, 적어도 하나의 계측 센서(100)는 유무선 통신망 중 어느 하나인 CAN 통신망을 통해 계측 변위 데이터를 송출하기 전에, 누적변위 데이터 측정부(200)로부터 타임 싱크를 받아와 자체 RTC(Real Time Clock)를 맞춰 비동기화 상태에서 동기화 상태로 클럭 주기를 일치시킨다.In addition, at least one
이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 적어도 하나의 계측 센서(100)는 계측 변위 데이터의 생성 타임과 누적 변위 데이터 측정부(200)로 수신된 계측 변위 데이터의 수신타임이 동기화되어 계측 변위 데이터의 측정시간 오차가 제거된다.Through this, the at least one
A/D 변환부(250)는 누적변위 데이터 측정부(200)의 ON-OFF 동작전원을 제어하며, [수학식 1]에서 알 수 있는 바와 같이 계측 변위 데이터를 디지털 신호인 계측 이산 데이터로 변환한다.The A/
단, : 계측 변위 데이터step, : Measurement displacement data
: 계측 이산 데이터 : Measurement discrete data
고속 퓨리에 변환부(300)는 계측 이산 데이터가 시간영역에서 벗어나 주파수 영역에서 해석되도록 [수학식 2]에서도 알 수 있듯이, FFT(Fast Fourier Transform) 중 DTFT(Discrete-Time Fourier Transform)로 주파수 변환을 실시함에 따라, 계측 FFT 데이터를 생성시킨다.The fast
일반적으로, FFT(Fast Fourier Transform)를 하는 이유는 모든 아날로그 신호를 A/D(Analog to Digital)변환기를 통하면 시간영역의 신호를 주파수 영역에서 해석할 수 있는데 아날로그 신호를 주파수 영역에서 분석해 보면 특정 주파수에서 고유의 크기를 가진 신호들이 여러개로 분리될 수 있다.In general, the reason for FFT (Fast Fourier Transform) is that all analog signals can be analyzed in the frequency domain by using an A/D (Analog to Digital) converter. Signals having intrinsic magnitudes in frequency may be divided into several.
FFT 실행에 관한 간단한 예를 들어보면, 연립주택 3층에서 사는 김씨네 아주 오래된 세탁기는 덜거덕거리며 나는 소리가 아주 장난이 아니다. 이러한 현상을 가속도계(일종의 진동센서)를 이용하여 세탁기에 부착, 진동신호를 받고 이러한 신호는 가속도계를 통해 전기적인 신호로 발생하여 FFT 분석기를 통해 주파수 분석을 했다. 그랬더니 1kHz 영역에서 0.5g(진동의 크기값), 2kHz 영역에서는 5g, 3kHz영역에서는 1g가 나왔다.To give a simple example of implementing FFT, Mr. Kim, who lives on the third floor of a townhouse, has a very old washing machine that rattles and makes a very unpleasant noise. This phenomenon was attached to the washing machine using an accelerometer (a kind of vibration sensor), received a vibration signal, and this signal was generated as an electrical signal through the accelerometer, and frequency analysis was performed through an FFT analyzer. Then, 0.5g (the magnitude of vibration) in the 1kHz region, 5g in the 2kHz region, and 1g in the 3kHz region came out.
그럼, 2kHz영역에서 가장 높은 진동이 발생한다는 것을 알 수 있으며 2kHz 고유진동수를 가지는 세탁기의 부품을 찾아내면 이 부품이 곧 세탁기 진동의 주원인으로 찾을 수 있는 것이다.Then, it can be seen that the highest vibration occurs in the 2kHz region, and if a washing machine part having a natural frequency of 2kHz is found, this part can be found as the main cause of the washing machine vibration.
단, step,
: 계측 FFT 데이터 : Measurement FFT data
FFT 중 DTFT(Discrete-Time Fourier Transform)로 실시됨Performed with DTFT (Discrete-Time Fourier Transform) during FFT
제 1 디지털 저역통과 필터부(350)는 계측 FFT 데이터 내 포함된 제 1 고주파 성분을 제 1 LPF 필터로 제거함을 통해 [수학식 3]에서도 볼 수 있듯이, 제 1 계측 LPF 데이터를 생성시킨다.The first digital low-
단, step,
: 제 1 계측 LPF 데이터 : 1st measurement LPF data
본 발명의 실시예에 따른 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템(2000)은 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 1 계측 LPF 데이터가 노이즈 제거부(400)에 전달되는 지연시간을 단축시키고 위상변이를 미발생시키는 FIR 필터(370)를 더 포함한다.As can be seen from FIG. 2 , the
FIR 필터(370)는 제 1 디지털 저역통과 필터부(350)와 노이즈 제거부(400) 간에 설치된다고 할 것이다.It will be said that the
계속해서, 본 발명의 노이즈 제거부(400)는 FIR 필터(370)를 거쳐 지연시간 없이 그림 3에서 처럼, 바로 전달된 제 1 계측 LPF 데이터 내 포함된 RMS 노이즈를 신속히 제거함으로써, 제 1 계측 LPF 클리어 데이터를 생성시킨다.Subsequently, the
즉, 노이즈 제거부(400)는 제 1 계측 LPF 데이터로부터 인지되는 신호 대 잡음비(Vs/VnRMS or SNR (signal-to-noise ratio)) 중 실효값(root mean square)으로 표시되는 RMS 노이즈(VnRMS)를 신호의 세기(S)보다 1 내지 20배 작아지도록 설정하여 제 1 계측 LPF 데이터 내 함유된 RMS 노이즈(VnRMS)를 감산케 하여 제 1 계측 LPF 클리어 데이터를 생성시킨다.<수학식 4 참조>That is, the
단, Vs : 의 세기, VnRMS : RMS 노이즈However, Vs: Intensity of, Vn RMS : RMS noise
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템(2000)은 RMS 노이즈 제거 후, 제 2 고주파 성분 제거 전에 제 1 계측 LPF 클리어 데이터(Yn)를 대상으로 기울기 보정을 실시함에 따라, 기울기의 경사가 0.01 내지 0.5로 보정되도록 누적오차를 제거하는 기울기 보정부(420)를 더 포함하는 시스템을 구성한다 할 것이다.In addition, the
기울기 보정부(420)는 그림 4와, [수학식 5]에서 알 수 있듯이, 제 1 계측 LPF 클리어 데이터(Yn)를 직선의 방정식으로부터 유도된 기울기 보정 방정식에 반영해 누적오차가 제거(달리말해, 1차 고주파 필터링시 연산되는 적분으로 발생된 기울기값 제거)된 제 1 계측 LPF 클리어 데이터(Zn)를 생성시키고, 제 2 디지털 저역통과 필터부에 전달한다.As can be seen from Figure 4 and [Equation 5], the
; 직선의 방정식으로부터 유도된 ; derived from the equation of a straight line
누적오차 제거를 위한 기울기 보정 방정식Slope Correction Equation to Eliminate Cumulative Errors
단, step,
Yn : n번째 제 1 계측 LPF 클리어 데이터Y n : nth first measurement LPF clear data
Zn : 누적오차가 제거된 n번째 제 1 계측 LPF 클리어 데이터Z n : nth first measurement LPF clear data from which accumulated error is removed
여기서, n번째 제 1 계측 클리어 데이터(Zn)는 하기 제 2 디지털 저역통과 필터부(450)에 입력된 후, 제 2 LPF 필터에 의해 내부에 잔존하는 제 2 고주파 성분이 제거됨에 따라 제 2 계측 LPF 데이터로 생성됨에 유의한다.Here, the n-th first measurement clear data Zn is input to the following second digital low-
즉, RMS 노이즈 제거 동작 이후에, 제 2 디지털 저역통과 필터부(450)는 제 1 계측 LPF 클리어 데이터 내 자동 발생된 제 2 고주파 성분을 제 2 LPF 필터로 제거함에 따라 [수학식 6]과 같이, 제 2 계측 LPF 데이터를 생성시킨다.That is, after the RMS noise removal operation, the second digital low-
: 제 2 계측 LPF 데이터 : Second measurement LPF data
또한, D/A 변환부(500)는 [수학식 7]에서 보여지는 바와 같이, 제 2 계측 LPF 데이터를 D/A 변환하여 아날로그 신호인 제 2 최종 계측 데이터를 생성시킨다.In addition, as shown in [Equation 7], the D/A conversion unit 500 D/A-converts the second measured LPF data to generate second final measured data that is an analog signal.
D/A 변환부(500)는 적어도 하나의 계측 센서(100) 및 계측데이터 출력부(550)와 연결된 모뎀의 구동전원을 인가해 주는 역할도 수행한다.The D/
단, : 제 2 최종 계측 데이터step, : 2nd final measurement data
계측데이터 출력부(550)는 제 2 계측 LPF 데이터 내 기생하는 누화 잡음(Crosstalk noise)을 제거한 제 1 최종 계측 데이터를 유무선 통신망<주로, 유선 : 485 시리얼, 무선 : CAN 및 LORA 통신 프로토콜 방식을 채택 사용>을 통해 외부로 출력시킨다.The measurement
여기서, 누화 잡음이란 신호 전송로 사이의 에너지 교차(Coupling)에 의해 발생되는 불필요한 간섭현상을 일컫는다 할 것이다.Here, the crosstalk noise refers to an unnecessary interference phenomenon generated by energy coupling between signal transmission paths.
또한, 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템(200)의 제어부(600)는 계측 변위 데이터와 제 1, 2 최종 계측 데이터 간의 오차분을 분/시/일/월년/별로 누적 체킹하고 오차분의 평균치보다 작은 오차값이 반복 혹은 주기적인 패턴으로 발생될 시, 시스템 하자 발생에 대한 전수검사 명령신호를 생성시켜 관리자 통신 단말기(1100)에 즉시 전달한다.In addition, the
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템의 구동방법을 나타낸 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a method of driving a signal processing system for measuring a displacement amount and improving a displacement data error according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템의 구동방법은 계측 센서로부터 획득된 측정데이터의 누적오차를 FFT 및 1,2 차에 걸쳐 실행하는 LPF를 통해 보정함으로써, 양질의 측정데이터가 출력단 및 수신측 통신 단말기에서 깨끗하게 전달받을 수 있도록 신호 처리하는 방법이다.Referring to FIG. 5 , the driving method of the signal processing system for measuring the displacement amount and improving the displacement data error corrects the accumulated error of the measurement data obtained from the measurement sensor through the FFT and the LPF that is executed over the 1st and 2nd order, so that high quality It is a signal processing method so that the measurement data can be clearly transmitted from the output terminal and the receiving terminal.
먼저, 누적변위 데이터 측정부는 교량이나 철도, 댐, 도로, 대형 구조물을 포함하는 유지관리 구조물에 설치된 적어도 하나의 계측 센서로부터 유무선 통신망을 통해 획득된 아날로그 신호이면서 변위량인 계측 변위 데이터를 실시간으로 누적 체크한다(S100).First, the cumulative displacement data measurement unit checks the measured displacement data, which is an analog signal and displacement amount, obtained through a wired/wireless communication network from at least one measurement sensor installed in a bridge, railway, dam, road, or maintenance structure including a large structure, in real time. do (S100).
A/D 변환부는 누적변위 데이터 측정부의 ON-OFF 동작전원을 제어하며, 계측 변위 데이터를 디지털 신호인 계측 이산 데이터로 변환한다(S200).The A/D conversion unit controls the ON-OFF operation power of the cumulative displacement data measuring unit, and converts the measured displacement data into measured discrete data that is a digital signal (S200).
고속 퓨리에 변환부는 계측 이산 데이터가 시간영역에서 벗어나 주파수 영역에서 해석되도록 FFT(Fast Fourier Transform)함에 따라 계측 FFT 데이터를 생성시킨다(S300).The fast Fourier transform unit generates the measured FFT data by performing FFT (Fast Fourier Transform) so that the measured discrete data is analyzed in the frequency domain out of the time domain (S300).
제 1 디지털 저역통과 필터부는 계측 FFT 데이터 내 포함된 제 1 고주파 성분을 제 1 LPF 필터로 제거함을 통해 제 1 계측 LPF 데이터를 생성시킨다(400).The first digital low-pass filter unit generates the first measured LPF data by removing the first high-frequency component included in the measured FFT data with the first LPF filter ( 400 ).
노이즈 제거부는 제 1 계측 LPF 데이터 내 포함된 RMS 노이즈를 제거해 제 1 계측 LPF 클리어 데이터를 생성시킨다(500).The noise removing unit removes RMS noise included in the first measured LPF data to generate first measured LPF clear data ( 500 ).
RMS 노이즈 제거 동작 이후, 제 2 디지털 저역통과 필터부는 제 1 계측 LPF 클리어 데이터 내 자동 발생된 제 2 고주파 성분을 제 2 LPF 필터로 제거함에 따라 제 2 계측 LPF 데이터를 생성시킨다(600).After the RMS noise removal operation, the second digital low-pass filter unit generates second measured LPF data by removing the second high frequency component automatically generated in the first measured LPF clear data with the second LPF filter ( 600 ).
D/A 변환부는 제 2 계측 LPF 데이터를 D/A 변환하여 아날로그 신호인 제 2 최종 계측 데이터를 생성시킨다(700).The D/A conversion unit D/A converts the second measured LPF data to generate second final measured data that is an analog signal ( 700 ).
계측데이터 출력부는 제 2 계측 LPF 데이터 내 기생하는 누화 잡음(Crosstalk noise)을 제거한 제 1 최종 계측 데이터를 유무선 통신망을 통해 외부로 출력시킨다(800).The measurement data output unit outputs the first final measurement data from which crosstalk noise is removed from the second measurement LPF data to the outside through a wired/wireless communication network ( 800 ).
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.The present invention is not limited to the described embodiments, and it is apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, it should be said that such variations or modifications fall within the scope of the claims of the present invention.
2000 : 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템
1000 : 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 장치
100 : 계측 센서
200 : 누적변위 데이터 측정부 250 : A/D 변환부
300 : 고속 퓨리에 변환부 350 : 제 1 디지털 저역통과 필터부
370 : FIR 필터 420 : 기울기 보정부
400 : 노이즈 제거부 450 : 제 2 디지털 저역통과 필터부
500 : D/A 변환부 550 : 계측데이터 출력부
1100 : 관리자 통신 단말기2000 : Signal processing system for measuring displacement and improving displacement data error
1000: Signal processing device for measuring displacement and improving displacement data error
100: measurement sensor
200: cumulative displacement data measurement unit 250: A/D conversion unit
300: fast Fourier transform unit 350: first digital low-pass filter unit
370: FIR filter 420: tilt correction unit
400: noise removing unit 450: second digital low-pass filter unit
500: D/A conversion unit 550: measurement data output unit
1100: manager communication terminal
Claims (8)
상기 누적변위 데이터 측정부의 ON-OFF 동작전원을 제어하며, 상기 계측 변위 데이터를 디지털 신호인 계측 이산 데이터로 변환하는 A/D 변환부;
상기 계측 이산 데이터가 시간영역에서 벗어나 주파수 영역에서 해석되도록 FFT(Fast Fourier Transform)함에 따라 계측 FFT 데이터를 생성시키는 고속 퓨리에 변환부;
상기 계측 FFT 데이터 내 포함된 제 1 고주파 성분을 제 1 LPF 필터로 제거함을 통해 제 1 계측 LPF 데이터를 생성시키는 제 1 디지털 저역통과 필터부;
상기 제 1 계측 LPF 데이터 내 포함된 RMS 노이즈를 제거해 제 1 계측 LPF 클리어 데이터를 생성시키는 노이즈 제거부;
상기 RMS 노이즈 제거 동작 이후, 상기 제 1 계측 LPF 클리어 데이터 내 자동 발생된 제 2 고주파 성분을 제 2 LPF 필터로 제거함에 따라 제 2 계측 LPF 데이터를 생성시키는 제 2 디지털 저역통과 필터부;
상기 제 2 계측 LPF 데이터를 D/A 변환하여 아날로그 신호인 제 2 최종 계측 데이터를 생성시키는 D/A 변환부; 및
상기 제 2 계측 LPF 데이터 내 기생하는 누화 잡음(Crosstalk noise)을 제거한 제 1 최종 계측 데이터를 유무선 통신망을 통해 외부로 출력시키는 계측데이터 출력부를 포함하는 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템.
A cumulative displacement data measurement unit for accumulating and checking in real time the measured displacement data, which is an analog signal and displacement amount, obtained from at least one measurement sensor installed on a bridge, railway, dam, road, or maintenance structure including a large structure through a wired/wireless communication network;
an A/D converter for controlling ON-OFF operation power of the cumulative displacement data measuring unit and converting the measured displacement data into measured discrete data that is a digital signal;
a fast Fourier transform unit for generating measured FFT data by performing FFT (Fast Fourier Transform) so that the measured discrete data is analyzed in the frequency domain out of the time domain;
a first digital low-pass filter unit for generating first measured LPF data by removing a first high frequency component included in the measured FFT data with a first LPF filter;
a noise removing unit removing RMS noise included in the first measured LPF data to generate first measured LPF clear data;
a second digital low-pass filter unit configured to generate second measured LPF data by removing a second high frequency component automatically generated in the first measured LPF clear data after the RMS noise removal operation with a second LPF filter;
a D/A converter for D/A-converting the second measured LPF data to generate second final measured data that is an analog signal; and
Displacement measurement and displacement data error improvement signal processing system including a measurement data output unit for outputting the first final measurement data from which the parasitic crosstalk noise in the second measurement LPF data is removed to the outside through a wired/wireless communication network.
가속도계, 속도계, 위성항법계, 변형률계, 신축이음계, 길이변위계, 풍향풍속계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템.
According to claim 1, wherein the measurement sensor,
A signal processing system for measuring displacement and improving displacement data error, characterized in that it includes an accelerometer, a speedometer, a satellite navigation system, a strain gauge, an expansion joint, a length displacement gauge, and a wind direction anemometer.
상기 RMS 노이즈 제거 후, 상기 제 2 고주파 성분 제거 전에,
상기 제 1 계측 클리어 데이터(Yn)를 대상으로 기울기 보정을 실시함에 따라, 상기 기울기의 경사가 0.01 내지 0.5로 보정되도록 누적오차를 제거하는 기울기 보정부를 더 포함하며,
상기 기울기 보정부는 상기 제 1 계측 클리어 데이터(Yn)를 직선의 방정식으로부터 유도된 기울기 보정 방정식에 반영해 상기 누적오차가 제거된 제 1 계측 클리어 데이터(Zn)를 생성시킨 후 상기 제 2 디지털 저역통과 필터부에 전달하는 것을 특징으로 하는 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템.
The method of claim 1,
After removing the RMS noise, before removing the second high frequency component,
The first measurement clear data (Yn) further comprises a slope correction unit for removing the accumulated error so that the slope of the slope is corrected to 0.01 to 0.5 as the slope is corrected for the target,
The slope correction unit reflects the first measurement clear data Yn to a slope correction equation derived from the equation of a straight line to generate the first measurement clear data Zn from which the accumulated error is removed, and then the second digital low-pass Signal processing system for measuring displacement amount and improving displacement data error, characterized in that it is transmitted to the filter unit.
상기 제 1 계측 LPF 데이터가 상기 노이즈 제거부에 전달되는 지연시간을 단축시키고 위상변이를 미발생시키는 FIR 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템.
The method of claim 1,
The signal processing system for measuring the amount of displacement and improving the error of the displacement data according to claim 1, further comprising an FIR filter that shortens a delay time at which the first measured LPF data is transmitted to the noise removing unit and does not generate a phase shift.
상기 제 1 계측 LPF 데이터로부터 인지되는 신호 대 잡음비(Vs/VnRMS or SNR (signal-to-noise ratio)) 중 실효값(root mean square)으로 표시되는 RMS 노이즈(VnRMS)를 신호의 세기(S)보다 1 내지 20배 작아지도록 설정하여 상기 제 1 계측 LPF 데이터 내 함유된 RMS 노이즈(VnRMS)를 감산케 하는 것을 특징으로 하는 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템.
The method of claim 1, wherein the noise removing unit,
RMS noise (Vn RMS ) expressed as a root mean square among the signal-to-noise ratio (Vs/Vn RMS or SNR (signal-to-noise ratio)) recognized from the first measured LPF data is calculated as the signal strength ( S) by setting it to be 1 to 20 times smaller than the first measured LPF data, and the RMS noise (Vn RMS ) contained in the first measured LPF data is subtracted.
상기 계측 변위 데이터와 상기 제 1, 2 최종 계측 데이터 간의 오차분을 분/시/일/월년/별로 누적 체킹하고 상기 오차분의 평균치보다 작은 오차값이 반복 혹은 주기적인 패턴으로 발생될 시, 시스템 하자 발생에 대한 전수검사 명령신호를 생성시켜 관리자 통신 단말기에 즉시 전달하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템.
The method of claim 1,
When the error amount between the measured displacement data and the first and second final measured data is accumulated by minutes/hours/days/months/years and an error value smaller than the average value of the error is generated in a repeated or periodic pattern, the system Displacement measurement and displacement data error improvement signal processing system, characterized in that it further comprises a control unit that generates a complete inspection command signal for the occurrence of a defect and immediately transmits it to the manager communication terminal.
상기 적어도 하나의 계측 센서는 유무선 통신망 중 어느 하나인 CAN 통신망을 통해 상기 계측 변위 데이터를 송출하기 전에 상기 누적변위 데이터 측정부로부터 타임 싱크를 받아와 자체 RTC(Real Time Clock)를 맞춰 비동기화 상태에서 동기화 상태로 클럭 주기를 일치시킴으로써,
상기 적어도 하나의 계측 센서에 의해 계측된 상기 계측 변위 데이터의 생성 타임과 상기 누적 변위 데이터 측정부로 수신된 상기 계측 변위 데이터의 수신타임이 동기화되어 상기 계측 변위 데이터의 측정시간 오차가 제거되는 것을 특징으로 하는 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템.
The method of claim 1,
The at least one measurement sensor receives a time sync from the cumulative displacement data measurement unit before transmitting the measurement displacement data through a CAN communication network, which is one of the wired and wireless communication networks, and sets its own RTC (Real Time Clock) in an unsynchronized state. By synchronizing the clock period to a state of synchronization,
The generation time of the measurement displacement data measured by the at least one measurement sensor and the reception time of the measurement displacement data received by the cumulative displacement data measurement unit are synchronized, so that the measurement time error of the measurement displacement data is eliminated. A signal processing system for measuring displacement and improving displacement data error.
A/D 변환부가 상기 누적변위 데이터 측정부의 ON-OFF 동작전원을 제어하며, 상기 계측 변위 데이터를 디지털 신호인 계측 이산 데이터로 변환하는 단계;
고속 퓨리에 변환부가 상기 계측 이산 데이터가 시간영역에서 벗어나 주파수 영역에서 해석되도록 FFT(Fast Fourier Transform)함에 따라 계측 FFT 데이터를 생성시키는 단계;
제 1 디지털 저역통과 필터부가 상기 계측 FFT 데이터 내 포함된 제 1 고주파 성분을 제 1 LPF 필터로 제거함을 통해 제 1 계측 LPF 데이터를 생성시키는 단계;
노이즈 제거부가 상기 제 1 계측 LPF 데이터 내 포함된 RMS 노이즈를 제거해 제 1 계측 LPF 클리어 데이터를 생성시키는 단계;
상기 RMS 노이즈 제거 동작 이후, 제 2 디지털 저역통과 필터부가 상기 제 1 계측 LPF 클리어 데이터 내 자동 발생된 제 2 고주파 성분을 제 2 LPF 필터로 제거함에 따라 제 2 계측 LPF 데이터를 생성시키는 단계;
D/A 변환부가 상기 제 2 계측 LPF 데이터를 D/A 변환하여 아날로그 신호인 제 2 최종 계측 데이터를 생성시키는 단계; 및
계측데이터 출력부가 상기 제 2 계측 LPF 데이터 내 기생하는 누화 잡음(Crosstalk noise)을 제거한 제 1 최종 계측 데이터를 유무선 통신망을 통해 외부로 출력시키는 단계를 포함하는 변위량 계측 및 변위 데이터 오차 개선용 신호처리 시스템의 구동방법.A step of cumulatively checking, in real time, the measured displacement data, which is an analog signal and displacement, obtained through a wired/wireless communication network from at least one measurement sensor installed in a maintenance structure including a bridge, railway, dam, road, or large structure by the cumulative displacement data measurement unit ;
An A/D conversion unit controlling ON-OFF operation power of the cumulative displacement data measuring unit, and converting the measured displacement data into measured discrete data that is a digital signal;
generating, by a fast Fourier transform unit, FFT (Fast Fourier Transform) data so that the measured discrete data is analyzed in the frequency domain out of the time domain;
generating first measured LPF data by a first digital low-pass filter unit removing a first high frequency component included in the measured FFT data with a first LPF filter;
generating first measured LPF clear data by a noise removing unit removing RMS noise included in the first measured LPF data;
after the RMS noise removal operation, a second digital low-pass filter unit removes a second high frequency component automatically generated in the first measured LPF clear data with a second LPF filter to generate second measured LPF data;
D/A conversion unit D/A converting the second measurement LPF data to generate second final measurement data that is an analog signal; and
Displacement measurement and displacement data error improvement signal processing system comprising the step of outputting, by a measurement data output unit, first final measurement data from which crosstalk noise is removed in the second measurement LPF data to the outside through a wired/wireless communication network driving method.
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