WO2016147426A1 - 交流信号解析装置、交流信号解析方法及び記録媒体 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、第1実施形態に係る信号解析装置1の構成を示す図である。
信号解析装置1は、測定対象である1入力の交流信号と、内部で発生する基準信号と、に基づいて、当該交流信号の瞬間的な周波数である瞬時周波数、振幅、及び基準信号との位相差である絶対位相角(cosφ又はsinφ)をそれぞれ測定する。信号解析装置1は、例えばPMU(Phasor Measurement Unit)装置に用いられる。
コンピュータ4は、デジタル化された交流信号の瞬時周波数を測定する瞬時周波数測定部11と、上記のデジタル化された交流信号を遅延させる遅延器12と、上記のデジタル化された交流信号に基づく直交信号I1,Q1を生成する直交信号生成部13と、を備えている。
図3は、信号解析装置1による信号解析ルーチンを示すフローチャートである。
ステップS1では、図1に示すA/D変換器3は、測定対象の交流信号をA/D変換して、デジタル化された時系列信号である交流信号を図2に示す瞬時周波数測定部11及び遅延器12へ出力する。以下、サンプルnにおける時系列信号(交流信号)をxnとする。
f=(fs/2π)arcsin[(1/2)(3-r)1/2]・・・(1)
Ls1=xnxn-xn-1xn+1 ・・・(3)
Ls3=xn-1xn+1-xn-2xn+2 ・・・(4)
Ω=arcsin[(1/2)(3-r)1/2] ・・・(5)
In=xn-1 ・・・(6)
Qn=(xn-2-xn)・a1 ・・・(7)
但し、係数a1は、式(8)の通りである。
a1=1/[2cos(KΩ-π/2)] ・・・(8)
sinφ=(Iref・Q1-I1・Qref)/Amp1・・(10)
cosφ=(I1・Iref+Q1・Qref)/Amp1・・(11)
(ステップS2:瞬時周波数fの測定)
瞬時周波数fは、瞬時周波数測定部11で測定される。
図4は、瞬時周波数測定部11の詳細な構成示すブロック図である。瞬時周波数測定部11は、遅延器31,32,33,34と、リサージュ外積演算器35,36と、移動平均化器37,38と、除算器39と、逆正弦関数演算器40と、を備えている。
リサージュ外積演算器36は、遅延器31の入出力xn+2,xn+1、及び遅延器34の入出力xn-1,xn-2を用いて、上述した式(4)に従って、リサージュ外積Ls3を演算する。
逆正弦関数演算器40は、除算器39の演算値を用いて、上述した式(1)に従って、瞬時周波数f[k]を演算する。さらに、逆正弦関数演算器36は、式(5)に従って、正規化角周波数Ωを演算する。
瞬時周波数fは、リサージュ図の軌跡に着目して、以下の手順により導出される。最初に、リサージュ図の軌跡における瞬時面積からリサージュ外積と位相差・振幅との関係式が導かれ、次に、この関係式を段数の異なる2つの遅延段に適応して2つの連立方程式を得て、最後に、連立方程式を解くことにより瞬時周波数fが求められる。
瞬時面積ΔSは、P1(x1,y1)、P2(x2,y2)の外積の1/2として計算できる。位相差が一定の信号によるリサージュ図の軌跡では、瞬時面積ΔSは一定になる性質をもつ。
2点P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、及び原点Oにより作られる微小三角形の面積ΔSは、式(12)のようになる。
ΔS=1/2(x1・y2-x2・y1) ・・・(12)
2・ΔS=Ls(xk・yk)=xk-1・yk-xk・yk-1・・・(13)
xn=Asin(Ωn) ・・・(14)
yn=Bsin(Ωn-φ) ・・・(15)
x1=Asin(Ω(n-1)) ・・・(16)
y1=Bsin(Ω(n-1)-φ) ・・・(17)
x2=Asin(Ωn) ・・・(18)
y2=Bsin(Ωn-φ) ・・・(19)
P1=(x1,y1) ・・・(20)
P2=(x2,y2) ・・・(21)
ΔS=(1/2)・(P1×P2)
=(1/2)・(x1・y2-x2・y1) ・・・(22)
なお、式(22)は、式(13)でk=2としたものと等価である。
sinXsinY=
(1/2)・[cos(X-Y)-cos(X+Y)]・・(23)
ΔS=(1/2)・(x1・y2-x2・y1)
=(1/2)AB・[sin(Ω(n-1))・sin(Ωn-φ)
-sin(Ωn)・sin(Ω(n-1)-φ)]
=(1/4)AB・[cos(-Ω+φ)-cos(Ω+φ)]
・・・(24)
cosX-cosY=
-2sin((x+y)/2)・sin((x-y)/2)
・・・(25)
ΔS=(1/4)AB・[cos(-Ω+φ)-cos(Ω+φ)]
=-(1/2)AB[sin(φ)・sin(-Ω)]
=(1/2)AB[sin(φ)・sin(Ω)] ・・・(26)
sinφ=Ls(x,y)/(ABsinΩ) ・・・(27)
式(27)は、振幅A及びBと周波数Ωが既知であれば、式(22)のリサージュ外積を用いて位相差sinφが求められることを示している。また、式(27)は、振幅A及びB、位相差φ、Ls、周波数Ωの関係式を表している。
文献「遅延器による位相差を利用する瞬時周波数測定方法の提案」(西江ら、電子情報通信学会技術報告、EA-2013-93、2013)によると、遅延段数Kの遅延器の両端の位相はφ=KΩで表される。この導出式は式(28)の通りである。
=sin(ωt+KΩ) ・・・(28)
時間項にKΔTを加えると、位相差項がKΩとして現れる。ΔTは1サンプル当たりの遅延時間であり、ΔT=1/fsである。式(28)によると、K段の遅延は、結果的にφ=KΩの関係の位相差(遅れ)となる。
sinφ1=sinKΩ =Ls1/(A2sinΩ) ・・・(29)
sinφ3=sin3KΩ =Ls3/(A2sinΩ) ・・・(30)
(sin3KΩ)/(sinKΩ)=Ls3/Ls1 ・・・(31)
sin3KΩ=3sin KΩ-4sin3KΩ ・・・(32)
(sin3KΩ)/(sinKΩ)
=(3sin KΩ-4sin3KΩ)/(sinKΩ)
= 3-4sin2KΩ ・・・(33)
cos KΩ=(1/2)(Ls4/Ls2) ・・・(34)
sin2KΩ=(1/4)(3-Ls3/Ls1) ・・・(35)
Ω=(1/K)arccos[(1/2)(Ls4/Ls2)]
・・・(36)
Ω=(1/K)arcsin[(1/2)・(3-Ls3/Ls1)1/2]
・・・(37)
図6は、直交信号生成部13の詳細構成を示すブロック図である。直交信号生成部13は、入力された交流信号に直交する信号を生成し、入力された交流信号及び生成した信号を直交信号I1,Q1として出力する。
遅延器51は、入力された交流信号に対して遅延段数Kに応じた遅延処理を施して、遅延処理済みの信号を直交信号I1として出力すると共に、遅延器52へ出力する。遅延器52は、遅延器51からの信号に対して遅延段数Kに応じた遅延処理を施して、遅延処理済みの信号を加算器53へ出力する。加算器53は、遅延器52からの信号を加算信号、遅延器51に入力される信号を減算信号として、2信号の加算処理を行い、加算値を係数乗算器55へ出力する。
a1=(1/[2cos(KΩ-π/2)] ・・・(38)
入力される交流信号xnをX軸上に配置すると、入力信号xn-1,xn,xn+1の各ベクトルは、図7のようになる。xn-1,xn+1の両ベクトルは、共に原点を通ると共に、ベクトルxnに対して対称に配置されている。また、ベクトル(-xn+1)は、ベクトルxn+1を原点に対して180度回転したものである。
図2に示す基準信号発生器16は、初期設定された基準周波数パラメータ及び位相パラメータに基づいて、余弦波及び正弦波の基準信号である直交基準信号Iref,Qrefを発生する。なお、直交基準信号Iref,Qrefの振幅は常に1である。
ベクトル演算器17は、直交信号生成部13から出力された直交信号I1,Q1と、基準信号発生器16から出力された直交基準信号Iref,Qrefと、に基づいて、交流信号の振幅Amp1、及び位相差φに相当するcosφ、sinφを演算する。
Amp1=(I12+Q12)1/2 ・・(39)
sinφ=(Iref・Q1-I1・Qref)/Amp1・・(40)
cosφ=(I1・Iref+Q1・Qref)/Amp1・・(41)
式(39)~(41)は、次のように導き出される。
ここで、位相差を測定しようとする2つの信号x(t)及びy(t)を考える。2つの信号x(t)及びy(t)は、直交信号とし、複素数で表示される。
x(t)=a(t)+j・b(t) ・・・(42)
y(t)=c(t)+j・d(t) ・・・(43)
dot=ac+bd ・・・(44)
cross=ad-bc ・・・(45)
cross=AxAy・sinφ ・・・(47)
Ax=(a2+b2)1/2 ・・・(48)
Ay=(c2+d2)1/2 ・・・(49)
式(46)及び(47)から、cos及びsinは、内積dot・外積crossを振幅積AxAyで割ることで求められる。振幅は式(48)及び式(49)を使用する。
cosφ=(ac+bd)/[(a2+b2)1/2(c2+d2)1/2]
・・・(50)
sinφ=(ad-bc)/[(a2+b2)1/2(c2+d2)1/2]
・・・(51)
ステップS6では、同期平均化器18,19,20,21は、入力された各信号についてそれぞれ平均化処理を実行する。以下では、同期平均化器18の平均化処理について説明するが、同期平均化器19,20,21についても同様である。
上述した実施形態では、信号解析装置は、1入力の交流信号を測定したが、2入力の交流信号を測定することも可能である。具体的には、信号解析装置は、2入力のそれぞれの交流信号を測定するために、図2に示すコンピュータ4の機能構成部を2組備えていればよい。このとき、図1に示すA/D変換器3は、チャンネルCH1及びCH2に入力される2入力の交流信号をA/D変換して、それぞれの交流信号をコンピュータ4の各組に出力すればよい。また、各組のコンピュータ4内で発生する直交基準信号の基準周波数は、図1に示す入力部2の操作情報により設定可能である。
第2実施形態に係る信号解析装置は、図4に示す瞬時周波数測定部11の代わりに、図9に示す瞬時周波数測定部11Aを備えたものであり、それ以外の要素は第1実施形態と同様に構成されている。
除算器90は、Ls4/Ls2を演算して、演算値を逆余弦関数演算器91へ出力する。
f=(fs/2πK)cos-1[(1/2)(Ls4/Ls2)](54)
Ω=(1/K)cos-1[(1/2)(Ls4/Ls2)]・・・(55)
瞬時周波数fは、第1実施形態と同様に導出される。最初に、リサージュ図の軌跡における瞬時面積からリサージュ外積と位相差・振幅との関係式が導かれ、次に、この関係式を段数の異なる2つの遅延段に適応して2つの連立方程式が得られ、最後に、連立方程式を解くことにより瞬時周波数fが求められる。
但し、リサージュ外積と位相差・振幅との関係式である式(59)、遅延段数Kと位相差の関係式である式(60)は、第1実施形態と同じである。このため、第2実施形態では、連立方程式の求め方から説明する。
sinφ1=sinKΩ=Ls2/(A2sinΩ) ・・・(56)
sinφ2=sin2KΩ=Ls4/(A2sinΩ) ・・・(57)
(sin2KΩ)/(sinKΩ)=Ls4/Ls2 ・・・(58)
(sin2KΩ)/(sinKΩ)
=(2cosKΩsinKΩ)/(sinKΩ)
=2cosKΩ ・・・(59)
cosKΩ=(1/2)(Ls4/Ls2) ・・・(60)
Ω=(1/K)arccos[(1/2)(Ls4/Ls2)] (61)
第3実施形態に係る信号解析装置は、2入力の交流信号を測定対象として、それぞれの瞬時周波数f1,f2及び振幅Amp1,Amp2、及び位相差(cosφ又はsinφ)を測定する。第3実施形態に係る信号解析装置は、図2に示すコンピュータ4に代えて、図10に示すコンピュータ4Aを備えたものである。
コンピュータ4Aは、図2に示した構成から、基準周波数制御部14、パラメータ制御部15、基準信号発生器16を除外し、それらの代わりに、瞬時周波数測定部11A、遅延器12A、直交信号生成部13A、同期平均化器22,23を備えている。
Amp2=(I22+Q22)1/2 ・・・(62)
図1に示したA/D変換器3には、サンプリングクロックを生成するための水晶発振子が搭載される。水晶発振子の精度は、一般的に、ppmオーダーである。OCXOクラスでも10ppbオーダーである。
(2) 離散化された値をみると、サンプリング周波数と同一のサンプル数おきに、パルスが記録される。もしADCの実際のサンプリング周波数が低い場合、離散化された値が示す、1秒のインターバルは長くなる
(3) 同インターバルが1カウントずれるとサンプリング周波数は1/44100 = 22.6 ppm の誤差である
(4) この測定を例えば1000秒間行う。1000秒で1カウントなら、サンプリング周波数の誤差は0.0226 ppm となる。
(5) 以上のようにして推定されたサンプリング周波数の誤差を計算で使用されるサンプリング周波数に加味・補正を加えることで計測値の精度を高めることができる。
2 入力部
3 A/D変換器
4 コンピュータ
11,11A 瞬時周波数測定部
12,12A 遅延器
13,13A 直交信号生成部
14 基準周波数制御部
15 パラメータ制御部
16 基準信号発生器
17 ベクトル演算器
18,19,20,21,22,23 同期平均化器
Claims (8)
- 第1遅延器、第2遅延器、第3遅延器、第4遅延器を少なくとも含んだ複数の遅延器が直列に接続され、入力側から順に、前記第1遅延器、前記第2遅延器、前記第3遅延器、前記第4遅延器がそれぞれ配置され、直列に接続された複数の遅延器上の所定の点に対して、前記第2遅延器及び前記第3遅延器が対称に配置されていると共に、前記第1遅延器及び前記第4遅延器が対称に配置され、測定対象の交流信号の時系列信号が前記複数の遅延器を順次経由して出力する信号遅延部と、
前記第2遅延器の出力値と前記第3遅延器の入力値との積と、前記第2遅延器の入力値と前記第3遅延器の出力値との積と、の差分に基づいて、前記交流信号の第1微小時間におけるリサージュ図の軌跡によって囲まれる微小面積に相当する第1外積値を演算する第1外積演算部と、
前記第1遅延器の出力値と前記第4遅延器の入力値との積と、前記第1遅延器の入力値と前記第4遅延器の出力値との積と、の差分に基づいて、前記交流信号の第2微小時間におけるリサージュ図の軌跡によって囲まれる微小面積に相当する第2外積値を演算する第2外積演算部と、
前記交流信号の微小時間におけるリサージュ図の軌跡によって求められる微小面積に相当する外積値が前記微小時間に相当する位相差と前記交流信号の周波数との積に比例する関係に対して、前記第1外積演算部により演算された前記第1外積値と、前記第2外積演算部により演算された前記第2外積値と、を適用することにより、前記交流信号の周波数を演算する周波数演算部と、
を備えた信号解析装置。 - 前記信号遅延部は、連続して直列に接続された前記第1遅延器、前記第2遅延器、前記第3遅延器、前記第4遅延器を有する
請求項1に記載の信号解析装置。 - 前記信号遅延部は、連続して直列に接続された前記第1遅延器、前記第2遅延器、1つの遅延器、前記第3遅延器、前記第4遅延器を有する
請求項1に記載の信号解析装置。 - 前記信号遅延部に入力される前記交流信号と、前記周波数演算部により演算された周波数と、を用いて、前記交流信号に基づく直交信号を生成する直交信号生成部と、
直交基準信号を発生する基準信号発生部と、
前記信号遅延部に入力される前記交流信号と、前記直交信号生成部により生成された前記直交信号と、前記基準信号発生部により発生された前記直交基準信号と、を用いて、前記交流信号の振幅、及び前記直交基準信号に対する前記交流信号の位相差、の少なくとも1つを演算する演算部と、
を更に備えた請求項1に記載の交流信号解析装置。 - 前記直交信号生成部は、入力される前記交流信号を遅延させて直交信号として出力する第1遅延素子と、前記第1遅延素子で遅延された交流信号を遅延させる第2遅延素子と、前記第2遅延素子から出力された交流信号を加算信号とし前記入力される前記交流信号を減算信号として2信号の加算処理を行う加算器と、前記周波数演算部により演算された周波数に応じた係数を演算する係数演算器と、前記加算器から出力された交流信号を、前記係数演算器により演算された係数に応じて増幅して直交信号として出力する増幅部と、を有する
請求項4記載の交流信号解析装置。 - デジタル信号処理を用いて、2組の遅延器の両端の位相差を利用する瞬時周波数測定法により求めた瞬時周波数と、前記瞬時周波数から求められる係数による線形合成手段による直交信号処理法により作成される直交信号と、前記直交信号と基準直交信号のベクトル積及び/又は絶対値によるベクトル演算法により、信号の振幅、位相角及び/又は瞬時周波数を求めることを特徴とする信号解析方法。
- コンピュータを、
第1遅延器、第2遅延器、第3遅延器、第4遅延器を少なくとも含んだ複数の遅延器が直列に接続され、入力側から順に、前記第1遅延器、前記第2遅延器、前記第3遅延器、前記第4遅延器がそれぞれ配置され、直列に接続された複数の遅延器上の所定の点に対して、前記第2遅延器及び前記第3遅延器が対称に配置されていると共に、前記第1遅延器及び前記第4遅延器が対称に配置され、測定対象の交流信号の時系列信号が前記複数の遅延器を順次経由して出力する信号遅延部と、
前記第2遅延器の出力値と前記第3遅延器の入力値との積と、前記第2遅延器の入力値と前記第3遅延器の出力値との積と、の差分に基づいて、前記交流信号の第1微小時間におけるリサージュ図の軌跡によって囲まれる微小面積に相当する第1外積値を演算する第1外積演算部と、
前記第1遅延器の出力値と前記第4遅延器の入力値との積と、前記第1遅延器の入力値と前記第4遅延器の出力値との積と、の差分に基づいて、前記交流信号の第2微小時間におけるリサージュ図の軌跡によって囲まれる微小面積に相当する第2外積値を演算する第2外積演算部と、
前記交流信号の微小時間におけるリサージュ図の軌跡によって求められる微小面積に相当する外積値が前記微小時間に相当する位相差と前記交流信号の周波数との積に比例する関係に対して、前記第1外積演算部により演算された前記第1外積値と、前記第2外積演算部により演算された前記第2外積値と、を適用することにより、前記交流信号の周波数を演算する周波数演算部と、
して機能させるためのプログラムが記録された記録媒体。 - 前記コンピュータを、
前記信号遅延部に入力される前記交流信号と、前記周波数演算部により演算された周波数と、を用いて、前記交流信号に基づく直交信号を生成する直交信号生成部と、
直交基準信号を発生する基準信号発生部と、
前記信号遅延部に入力される前記交流信号と、前記直交信号生成部により生成された前記直交信号と、前記基準信号発生部により発生された前記直交基準信号と、を用いて、前記交流信号の振幅、及び前記直交基準信号に対する前記交流信号の位相差、の少なくとも1つを演算する演算部と、
として更に機能させるためのプログラムが記録された請求項7に記載の記録媒体。
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