RU2133041C1 - Method determining spectrum of electric signals - Google Patents

Method determining spectrum of electric signals Download PDF

Info

Publication number
RU2133041C1
RU2133041C1 RU97118176A RU97118176A RU2133041C1 RU 2133041 C1 RU2133041 C1 RU 2133041C1 RU 97118176 A RU97118176 A RU 97118176A RU 97118176 A RU97118176 A RU 97118176A RU 2133041 C1 RU2133041 C1 RU 2133041C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
function
spectrum
polynomial
interpolating
Prior art date
Application number
RU97118176A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
С.П. Новицкий
А.В. Филатов
Original Assignee
Новосибирский государственный технический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Новосибирский государственный технический университет filed Critical Новосибирский государственный технический университет
Priority to RU97118176A priority Critical patent/RU2133041C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2133041C1 publication Critical patent/RU2133041C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology, spectral analysis of electric signals. SUBSTANCE: method determining spectrum of electric signal y(t) lies in generation of digital reading y[k] of signal after equal time intervals Δt, in formation of interpolating functions between neighboring readings of signal, in determination of approximation function approximating signal and in finding of Fourier image of this function, in making function of signal y(t) of type of
Figure 00000008
in which interpolation time function presents polynomial 0≤t<Δt in first discretization interval
Figure 00000009
, in next interval it is presented by difference of polynomials interpolating analyzed and preceding sections of function of signal as
Figure 00000010
,
Figure 00000011
,
Figure 00000012
, where ak,i is sum of weight coefficients at ti. In last discretization interval linear polynomial is used after which spectral coefficients are computed by formula

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в электро- и радиоизмерительных устройствах, информационно-вычислительных и других (например, навигационных) системах для определения спектра электрических сигналов. The present invention relates to measuring equipment and can be used in electrical and radio measuring devices, information and computing and other (eg, navigation) systems for determining the spectrum of electrical signals.

Известен способ определения спектра электрического сигнала, заключающийся в дискретизации сигнала через равные интервалы времени, с частотой дискретизации, не менее удвоенной верхней частоты сигнала, и непосредственной обработке полученных после дискретизации отсчетов по методу быстрого преобразования Фурье (БПФ) [1]. There is a method of determining the spectrum of an electrical signal, which consists in sampling the signal at regular intervals, with a sampling frequency of at least twice the upper frequency of the signal, and directly processing the samples obtained after sampling using the fast Fourier transform (FFT) method [1].

Однако указанный способ обладает низкой точностью определения спектральных составляющих анализируемого сигнала, особенно при частотах, близких к верхней частоте сигнала, что существенно сужает область рабочих частот. However, this method has low accuracy in determining the spectral components of the analyzed signal, especially at frequencies close to the upper frequency of the signal, which significantly narrows the range of operating frequencies.

Кроме того, известен способ определения спектра электрического сигнала [2], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, заключающийся в получении N+1 цифровых отсчетов y[k] (выборок) электрического сигнала y(t) через равный интервал времени Δt, формировании N кусочно-линейных интерполирующих функций между соседними отсчетами сигнала, получении приближенной функции сигнала и нахождении Фурье-образа этой функции. In addition, there is a known method for determining the spectrum of an electric signal [2], which is a prototype of the present invention, which consists in obtaining N + 1 digital samples y [k] (samples) of an electric signal y (t) at an equal time interval Δt, forming N piecewise linear interpolating functions between adjacent samples of the signal, obtaining the approximate function of the signal and finding the Fourier transform of this function.

Однако и этот способ обладает низкой точностью определения спектра анализируемого сигнала при частотах, близких, равных или превышающих значение половины частоты дискретизации сигнала. However, this method also has low accuracy in determining the spectrum of the analyzed signal at frequencies close to, equal to or greater than half the sampling frequency of the signal.

Задачей изобретения является создание способа определения спектра электрических сигналов с более высокой точностью измерения спектральных составляющих анализируемого сигнала, а также расширение рабочей области частот за частоту дискретизации сигнала. The objective of the invention is to provide a method for determining the spectrum of electrical signals with higher accuracy of measuring the spectral components of the analyzed signal, as well as expanding the working frequency range for the sampling frequency of the signal.

Это достигается тем, что в способе, заключающемся в получении цифровых отсчетов y[k] сигнала через равные промежутки времени Δt и формировании интерполирующих функций между соседними отсчетами сигнала, получении приближенной функции, аппроксимирующей сигнал, и нахождении Фурье-образа этой функции, составляется оценка функции (аппроксимирующая функция) сигнала y(t) вида

Figure 00000014
(1)
в которой на первом интервале дискретизации 0 ≤ t < Δt, т.е. при k = 0) интерполяционную временную функцию представляют полиномом L - степени (L≥3)
Figure 00000015

на последующих интервалах - разностью полиномов, интерполирующих анализируемый и предшествующий участки функции сигнала
Figure 00000016

где
Figure 00000017

ak,i - сумма весовых коэффициентов при ti,
Figure 00000018
(2)
на последнем интервале дискретизации ((N-1)Δt, NΔt) используют линейный полином (L = 1)
Figure 00000019

после чего спектральные коэффициенты рассчитывают по формуле
Figure 00000020
(3)
где n = 0, N-1 - порядковые номера дискретных частотных отсчетов.This is achieved by the fact that in the method consisting in obtaining digital samples y [k] of the signal at equal time intervals Δt and generating interpolating functions between adjacent samples of the signal, obtaining an approximate function approximating the signal, and finding the Fourier transform of this function, an estimate of the function (approximating function) of the signal y (t) of the form
Figure 00000014
(1)
in which, in the first sampling interval, 0 ≤ t <Δt, i.e. for k = 0) the interpolation time function is represented by a polynomial L - degrees (L≥3)
Figure 00000015

at subsequent intervals, the difference in polynomials interpolating the analyzed and previous sections of the signal function
Figure 00000016

Where
Figure 00000017

a k, i is the sum of the weights at t i ,
Figure 00000018
(2)
in the last sampling interval ((N-1) Δt, NΔt) use a linear polynomial (L = 1)
Figure 00000019

after which the spectral coefficients are calculated by the formula
Figure 00000020
(3)
where n = 0, N-1 - serial numbers of discrete frequency samples.

Способ поясняется чертежами, где: на фиг. 1 приведена одна из возможных структурных схем устройства, поясняющая способ определения спектра электрического сигнала; на фиг.2 - графики относительных погрешностей способов определения спектральных компонентов электрического сигнала; а - для прототипа, б - для предложенного способа (L = 3), в - для предложенного способа (L = 4). The method is illustrated by drawings, where: in FIG. 1 shows one of the possible structural diagrams of the device, explaining a method for determining the spectrum of an electrical signal; figure 2 - graphs of the relative errors of the methods for determining the spectral components of an electrical signal; a - for the prototype, b - for the proposed method (L = 3), c - for the proposed method (L = 4).

Устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные датчик электрического сигнала 1 (ДЭС), аналого-цифровой преобразователь 2 (АЦП), интерфейс связи 3 (ИС), электронно-вычислительную машину 4 (ЭВМ). The device (Fig. 1) contains a series-connected sensor of an electric signal 1 (DES), analog-to-digital converter 2 (ADC), communication interface 3 (IC), electronic computer 4 (computer).

Способ можно уяснить, рассмотрев работу устройства. Аналоговый электрический сигнал y(t), формируемый датчиком сигнала 1, поступает в аналого-цифровой преобразователь 2, с выхода которого код каждой k-ой дискретной выборки сигнала y(k) (где k = 0, ..., N-1) поступает через интерфейс связи 3 в электронно-вычислительную машину 4. The method can be understood by considering the operation of the device. The analog electrical signal y (t), generated by the signal sensor 1, enters the analog-to-digital converter 2, the output of which is the code of each k-th discrete sample of the signal y (k) (where k = 0, ..., N-1) enters through the communication interface 3 to the electronic computer 4.

При составлении оценки функции сигнала (1) предварительно на каждом k-ом временном интервале (т. е. [kΔt, (k+1)Δt]) функцию интерполируют полиномом Pk(t) L-й степени (здесь L≥3), при этом на первом этапе на каждом k-ом интервале для последовательности из L+1 выборок (y[k], y[k+1], ..., y[k+L]) строят L+1 функций времени

Figure 00000021

на втором этапе для каждого k-го интервала составляют интерполяционный полином
Figure 00000022

который путем объединения подобных членов при ti приводят к виду
Figure 00000023

где ak,i - сумма весовых коэффициентов при ti для (k, i) последовательностей; и на последнем интервале дискретизации ((N-1)Δt, NΔt) используют линейный полином
Figure 00000024

На третьем этапе составляют оценку функции сигнала y(t)
Figure 00000025

в которой на первом интервале дискретизации (0 ≤ t < Δt, т.е. при k = 0) интерполяционную временную функцию представляют полиномом L-й степени (L≥3)
Figure 00000026

на последующих интервалах - разностью полиномов, интерполирующих анализируемый и предшествующий участки функций сигнала
Figure 00000027

где
Figure 00000028

Затем в электронно-вычислительной машине 4 по полученным через интерфейс связи 3 дискретным выборкам сигнала y[k], в зависимости от заданной степени L полинома, вычисляются коэффициенты bk,i (используя выражение (2)), интерполяционной функции (1)). Так, значения коэффициентов bki, например, в случае интерполяции функции на интервале между отсчетами полиномом третьей степени (L = 3), вычисляют по выражениям:
Figure 00000029

Figure 00000030

Figure 00000031

Figure 00000032

При использовании при интерполяции полинома четвертой степени значения bk,i вычисляют по выражениям
Figure 00000033

Figure 00000034

Figure 00000035

Figure 00000036

Figure 00000037

После чего по формуле (3) вычисляют спектр электрического сигнала y(t).When compiling an estimate of the signal function (1) previously on each k-th time interval (ie, [kΔt, (k + 1) Δt]), the function is interpolated by the polynomial P k (t) of the L-th degree (here L≥3) , at the first stage, on each k-th interval for a sequence of L + 1 samples (y [k], y [k + 1], ..., y [k + L]), L + 1 time functions are constructed
Figure 00000021

at the second stage, for each kth interval, an interpolation polynomial
Figure 00000022

which by combining similar terms at t i lead to the form
Figure 00000023

where a k, i is the sum of weights at t i for (k, i) sequences; and in the last sampling interval ((N-1) Δt, NΔt) use a linear polynomial
Figure 00000024

At the third stage, an estimate of the signal function y (t)
Figure 00000025

in which, on the first sampling interval (0 ≤ t <Δt, i.e., for k = 0), the interpolation time function is represented by a polynomial of degree L (L≥3)
Figure 00000026

at subsequent intervals, the difference in polynomials interpolating the analyzed and previous sections of the signal functions
Figure 00000027

Where
Figure 00000028

Then, in the electronic computer 4, using the discrete samples of the signal y [k] obtained through the communication interface 3, depending on the given degree L of the polynomial, the coefficients b k, i (using expression (2)), interpolation function (1)) are calculated. So, the values of the coefficients b ki , for example, in the case of interpolation of a function in the interval between samples by a polynomial of the third degree (L = 3), are calculated by the expressions:
Figure 00000029

Figure 00000030

Figure 00000031

Figure 00000032

When using a fourth-degree polynomial for interpolation, the values of b k, i are calculated from the expressions
Figure 00000033

Figure 00000034

Figure 00000035

Figure 00000036

Figure 00000037

Then, using the formula (3), the spectrum of the electric signal y (t) is calculated.

Сравнение погрешностей определения спектра электрического сигнала предложенного способа и способа прототипа выполним на примере аналитического экспоненциально спадающего сигнала, часто встречающегося на практике

Figure 00000038

где c - масштабный множитель, τ - постоянная времени. Так, при τ = 0,1 мкс, интервале дискретизации Δt = 0,025 мкс и числе отсчетов N = 128 относительные погрешности расчета спектра d% для способов прототипа и предложенного в предлагаемом изобретении для L, равных 3 и 4, представлены соответственно на графиках фиг. 2а; фиг. 2б; фиг. 2в. Анализ приведенных на фиг. 2 относительных погрешностей показывает, что предложенный способ обеспечивает снижение погрешности определения амплитуды и фазы спектральных составляющих более чем на порядок, а также расширение области рабочих частот не менее чем в 4 раза.A comparison of the errors in determining the spectrum of the electrical signal of the proposed method and the prototype method is performed on the example of an analytical exponentially decaying signal, which is often found in practice
Figure 00000038

where c is the scale factor, τ is the time constant. So, at τ = 0.1 μs, the sampling interval Δt = 0.025 μs, and the number of samples N = 128, the relative errors in calculating the spectrum d% for the prototype methods and proposed in the present invention for L equal to 3 and 4 are presented, respectively, in the graphs of FIG. 2a; FIG. 2b; FIG. 2c. The analysis of FIG. 2 relative errors shows that the proposed method reduces the error in determining the amplitude and phase of the spectral components by more than an order of magnitude, as well as expanding the range of operating frequencies by at least 4 times.

Литература:
1. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. /Пер. с франц. -Т. 2. Основные принципы и классические методы. -М.: Мир, 1983. -312 с.
Literature:
1. Max J. Methods and techniques for processing signals in physical measurements. / Per. with french -T. 2. Basic principles and classical methods. -M.: Mir, 1983. -312 p.

2. Шютте. Новый алгоритм быстрого преобразования Фурье для анализа линейных систем - применение к релаксационной спектроскопии с молекулярным пучком //Приборы для научных исследований, N 3, 73, (1981). 2. Shute. A new fast Fourier transform algorithm for the analysis of linear systems - application to molecular-beam relaxation spectroscopy // Instruments for Scientific Research, N 3, 73, (1981).

Claims (1)

Способ определения спектра электрического сигнала y(t), заключающийся в получении цифровых отсчетов y[k] сигнала через равные интервалы времени Δt и формировании интерполирующих функций между соседними отсчетами сигнала, получении приближенной функции, аппроксимирующей сигнал, и нахождении Фурье-образа этой функции, отличающийся тем, что составляют оценку функции сигнала y(t) вида
Figure 00000039

в которой на первом интервале дискретизации (0 ≤ t < Δt, т.е. при k = о) интерполяционную временную функцию представляют полиномом
Figure 00000040

на последующих интервалах - разностью полиномов, интерполирующих анализируемый и предшествующий участки функции сигнала
Figure 00000041

где
Figure 00000042

ak,i - сумма весовых коэффициентов при ti,
Figure 00000043

на последнем интервале дискретизации ((N-1)Δt, NΔt) используют линейный полином (L = 1)
Figure 00000044

после чего спектральные коэффициенты рассчитывают по формуле
Figure 00000045

где n = 0, ..., N-1 - порядковые номера дискретных частотных отсчетов.
The method of determining the spectrum of the electric signal y (t), which consists in obtaining digital samples y [k] of the signal at equal time intervals Δt and generating interpolating functions between adjacent samples of the signal, obtaining an approximate function approximating the signal, and finding the Fourier transform of this function, which differs in that they constitute an estimate of the signal function y (t) of the form
Figure 00000039

in which the interpolation time function is represented by the polynomial in the first sampling interval (0 ≤ t <Δt, i.e., for k = о)
Figure 00000040

at subsequent intervals, the difference in polynomials interpolating the analyzed and previous sections of the signal function
Figure 00000041

Where
Figure 00000042

a k, i is the sum of the weights at t i ,
Figure 00000043

in the last sampling interval ((N-1) Δt, NΔt) use a linear polynomial (L = 1)
Figure 00000044

after which the spectral coefficients are calculated by the formula
Figure 00000045

where n = 0, ..., N-1 are the serial numbers of the discrete frequency samples.
RU97118176A 1997-10-30 1997-10-30 Method determining spectrum of electric signals RU2133041C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97118176A RU2133041C1 (en) 1997-10-30 1997-10-30 Method determining spectrum of electric signals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97118176A RU2133041C1 (en) 1997-10-30 1997-10-30 Method determining spectrum of electric signals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2133041C1 true RU2133041C1 (en) 1999-07-10

Family

ID=20198649

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU97118176A RU2133041C1 (en) 1997-10-30 1997-10-30 Method determining spectrum of electric signals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2133041C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2551400C1 (en) * 2014-02-07 2015-05-20 ООО предприятие "КОНТАКТ - 1" Method of harmonic analysis of periodic multifrequency signal against the noise background

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Шютте, Новый алгоритм быстрого преобразования Фурье для анализа линейных схем - применение к релаксационной спектроскопии с молекулярным пучком. Приборы для научных исследований, N 3.73 (1981). *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2551400C1 (en) * 2014-02-07 2015-05-20 ООО предприятие "КОНТАКТ - 1" Method of harmonic analysis of periodic multifrequency signal against the noise background

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4664837B2 (en) Voltage and other effective value calculation circuit and measuring instrument
EP0321963B1 (en) Impedance measuring apparatus
EP0648357B1 (en) High-speed processing apparatus and method, signal analyzing system, and measurement apparatus and method
RU2133041C1 (en) Method determining spectrum of electric signals
US6469492B1 (en) Precision RMS measurement
JP2000055949A (en) Method and apparatus for analyzing frequency
JP2000180484A (en) Apparatus for measuring harmonic wave
JPH10160507A (en) Peak detecting device
RU2363005C1 (en) Method of spectral analysis of polyharmonic signals and device to this end
JP2594333B2 (en) Vibration test equipment
US9759751B1 (en) Line cycle correlated spectral analysis for power measurement systems
RU2117306C1 (en) Method for detection of narrow-band signal frequency
JP3032916B2 (en) Chemical analysis method
JP2000284008A (en) Frequency measuring method and device
JPH11287830A (en) Detection method and device of phase component of sign wave signal
RU2142141C1 (en) Method determining transfer function of measurement system
RU2104495C1 (en) Process of measurement of physical quantities
JP3284146B2 (en) Waveform data calculation device
RU2099720C1 (en) Digital spectrum analyzer
CN110068728B (en) Method and device for determining pulse modulation signal phase spectrum and computer equipment
Michaeli et al. Fast testing of ADC using unified error model
SU611210A1 (en) Signal processing device
SU746537A1 (en) Device for digital processing of signals
SU734589A1 (en) Device for digital processing of linearly frequency-modulated signals
JPH0798336A (en) Sampling type measuring device