RU2363005C1 - Method of spectral analysis of polyharmonic signals and device to this end - Google Patents
Method of spectral analysis of polyharmonic signals and device to this end Download PDFInfo
- Publication number
- RU2363005C1 RU2363005C1 RU2008102384/28A RU2008102384A RU2363005C1 RU 2363005 C1 RU2363005 C1 RU 2363005C1 RU 2008102384/28 A RU2008102384/28 A RU 2008102384/28A RU 2008102384 A RU2008102384 A RU 2008102384A RU 2363005 C1 RU2363005 C1 RU 2363005C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- discrete
- analog
- harmonic
- additional
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 title claims description 15
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 53
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 22
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000006870 function Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 24
- 238000011835 investigation Methods 0.000 claims description 19
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract description 24
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при дискретном гармоническом анализе полигармонических сигналов, в том числе характеризующихся быстрыми колебаниями основной частоты, например при измерении параметров электрических сетей с резкопеременной нагрузкой, исследовании виброакустических процессов в электромеханических агрегатах и т.п.The invention relates to measuring technique and can be used for discrete harmonic analysis of polyharmonic signals, including those characterized by rapid oscillations of the fundamental frequency, for example, when measuring the parameters of electrical networks with a rapidly changing load, the study of vibro-acoustic processes in electromechanical units, etc.
Из уровня техники известен классический способ цифрового спектрального анализа сигналов ([1] - Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. В 2-х томах, М., Мир, 1983, т.2, стр.84-94), заключающийся в дискретизации сигнала путем аналого-цифрового преобразования и умножении последовательности дискретных отсчетов на временное окно для получения выборки дискретных отсчетов. Для уменьшения влияния конечности выборки на точность спектрального анализа, так называемого "эффекта окна", выборка умножается на плавно изменяющуюся функцию, обращающуюся в нуль за пределами окна (весовую функцию). Далее расчет спектральных составляющих спектра сигнала проводится методом дискретного преобразования Фурье.The classical technique for digital spectral analysis of signals is known from the prior art ([1] - Max J. Methods and techniques for processing signals in physical measurements. In 2 volumes, M., Mir, 1983, vol. 2, pp. 84-94) which consists in sampling the signal by analog-to-digital conversion and multiplying the sequence of discrete samples by a time window to obtain a sample of discrete samples. To reduce the influence of the finiteness of the sample on the accuracy of the spectral analysis, the so-called "window effect", the sample is multiplied by a smoothly changing function that vanishes outside the window (weight function). Further, the calculation of the spectral components of the signal spectrum is carried out by the discrete Fourier transform method.
Также известно устройство ([1], т.2, стр.87, рис.19.8) для реализации данного способа, содержащее низкочастотный фильтр, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, арифметическое устройство и усреднитель. Вход низкочастотного фильтра предназначен для поступления исследуемого сигнала, а выход соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен ко входу блока памяти. С памятью связано арифметическое устройство. Выход блока памяти соединен со входом усреднителя, выход которого является информационным выходом устройства.It is also known a device ([1], t.2, p. 87, Fig. 19.8) for implementing this method, comprising a low-pass filter, an analog-to-digital converter, a memory unit, an arithmetic device and an averager. The input of the low-pass filter is intended for the input of the signal under study, and the output is connected to the input of an analog-to-digital converter, the output of which is connected to the input of the memory unit. An arithmetic device is associated with the memory. The output of the memory block is connected to the input of the averager, the output of which is the information output of the device.
Недостатком данных способа и устройства является то, что точность расчета спектральных составляющих полигармонического сигнала напрямую зависит от того, сколько периодов исследуемого сигнала попало во временное окно и в выборку дискретных отсчетов. Если исследуемый физический процесс носит стационарный характер и исследуемые сигналы имеют соответственно постоянную частоту основной (первой) гармоники, то достаточно подобрать ширину временного окна в зависимости от требуемой точности расчета спектра ([1], т.2, стр.90, рис.19.9) и умножить выборку дискретных отсчетов на соответствующую весовую функцию для коррекции "эффекта окна". Но если частота основной гармоники сигнала быстро изменяется по неизвестному заранее закону (колеблется), то точность расчета спектральных составляющих исследуемого сигнала резко снижается. Также при таком способе невозможно рассчитывать спектральные составляющие для каждого периода сигнала, поскольку для анализа берутся сразу несколько периодов, но результат расчета получается один для всех периодов сигнала. Помимо этого, уже полученная измерительная информация дополнительно усредняется за несколько циклов измерения, что делает невозможным получение достоверных спектров для полигармонических сигналов при быстрых колебаниях основной частоты.The disadvantage of the data of the method and device is that the accuracy of the calculation of the spectral components of the polyharmonic signal directly depends on how many periods of the studied signal fell into the time window and the sample of discrete samples. If the investigated physical process is stationary and the studied signals have a correspondingly constant frequency of the main (first) harmonic, then it is enough to choose the width of the time window depending on the required accuracy of the spectrum calculation ([1], t.2, p.90, Fig.19.9) and multiply the sample of discrete samples by the corresponding weight function to correct the "window effect". But if the frequency of the fundamental harmonic of the signal changes rapidly according to an unknown law (oscillates), then the accuracy of the calculation of the spectral components of the signal under study decreases sharply. Also, with this method, it is impossible to calculate the spectral components for each signal period, since several periods are taken for analysis at once, but the calculation result is one for all signal periods. In addition, the measurement information already obtained is additionally averaged over several measurement cycles, which makes it impossible to obtain reliable spectra for polyharmonic signals with fast oscillations of the fundamental frequency.
Также известен способ цифрового спектрального анализа ([2] - НПП "ЭНЕРГОТЕХНИКА". Измерители показателей качества электрической энергии «PECУPC-UF2», Руководство по эксплуатации, 2005, п.4.5, [on-line] [найдено 18.12.2007] http://www.entp.ru/documentation/uf2_re.pdf), принятый в качестве прототипа, при котором для учета изменения частоты сигнала предварительно измеряется частота основной (первой) гармоники сигнала. Затем частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя подстраивается таким образом, чтобы получить определенное число дискретных отсчетов за период измеренного значения основной частоты сигнала. Далее получают дискретные отсчеты сигнала путем аналого-цифрового преобразования и производят дискретный гармонический анализ с помощью дискретного преобразования Фурье.Also known is a method of digital spectral analysis ([2] - NPP ENERGOTECHNIKA. Electric energy quality meters "PECУPC-UF2", Operation Manual, 2005, p.4.5, [on-line] [found on 12/18/2007] http: //www.entp.ru/documentation/uf2_re.pdf), adopted as a prototype, in which the frequency of the main (first) harmonic of the signal is preliminarily measured to account for changes in the frequency of the signal. Then, the sampling frequency of the analog-to-digital Converter is adjusted in such a way as to obtain a certain number of discrete samples for the period of the measured value of the fundamental frequency of the signal. Then, discrete samples of the signal are obtained by analog-to-digital conversion and discrete harmonic analysis is performed using the discrete Fourier transform.
Также известно устройство ([2], п.п.4.1-4.11, рис.А1) для реализации данного способа, содержащее первичный измерительный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство. Измеряемая физическая величина подается на вход первичного измерительного преобразователя. С его выхода исследуемый сигнал подается на вход аналого-цифрового преобразователя, с выхода которого измерительная информация поступает на вход вычислительного устройства, выход которого предназначен для выдачи спектральных составляющих исследуемого сигнала.Also known is a device ([2], items 4.1-4.11, Fig. A1) for implementing this method, comprising a primary measuring transducer, an analog-to-digital converter and a computing device. The measured physical quantity is fed to the input of the primary measuring transducer. From its output, the signal under investigation is fed to the input of an analog-to-digital converter, from the output of which the measuring information is fed to the input of a computing device, the output of which is designed to provide spectral components of the signal under study.
Недостатком данных способа и устройства является снижение точности расчета спектра в том случае, когда колебание основной частоты измеряемого сигнала происходит во время получения дискретных отсчетов. Это происходит из-за того, что аналого-цифровой преобразователь уже настроен на то значение периода основной частоты сигнала, которое имело место до возникновения колебания частоты, и возникшее изменение частоты никак не может быть учтено. Как следствие, возникает несовпадение интервала времени анализа сигнала и фактического периода его основной частоты. Кроме того, при работе устройства-прототипа нельзя обеспечить возможность расчета спектра каждого периода сигнала, что может требоваться, например, при исследовании переходных и пусковых режимов работы различного оборудования. Это происходит из-за того, что в данных способе и устройстве после предварительного измерения мгновенной частоты основной гармоники сигнала требуется определенное время на подстройку частоты дискретизации аналого-цифрового преобразователя, и за это время неизбежно происходит потеря информации об отдельных участках сигнала.The disadvantage of the data of the method and device is the decrease in the accuracy of the calculation of the spectrum in the case when the oscillation of the fundamental frequency of the measured signal occurs during the acquisition of discrete samples. This is due to the fact that the analog-to-digital converter is already tuned to the value of the period of the main frequency of the signal, which took place before the occurrence of frequency fluctuations, and the resulting change in frequency cannot be taken into account. As a result, there is a mismatch in the analysis time interval of the signal and the actual period of its fundamental frequency. In addition, during the operation of the prototype device, it is impossible to provide the possibility of calculating the spectrum of each signal period, which may be required, for example, when studying transient and starting modes of operation of various equipment. This is due to the fact that in this method and device, after preliminary measurement of the instantaneous frequency of the fundamental harmonic of the signal, a certain time is required to fine-tune the sampling frequency of the analog-to-digital converter, and during this time information about individual signal sections is inevitably lost.
Задачей данного изобретения является повышение точности определения спектральных составляющих полигармонических сигналов при быстрых колебаниях основной частоты и обеспечение при этом возможности расчета спектральных составляющих для каждого периода сигнала.The objective of the invention is to increase the accuracy of determining the spectral components of polyharmonic signals with rapid fluctuations of the fundamental frequency, while ensuring the possibility of calculating the spectral components for each signal period.
Указанная задача решается за счет того, что в способе спектрального анализа полигармонического сигнала, заключающемся в получении последовательности дискретных отсчетов исследуемого сигнала путем аналого-цифрового преобразования и проведении дискретного гармонического анализа исследуемого сигнала с помощью дискретного преобразования Фурье, из исследуемого сигнала выделяют его основную гармонику, формируют из нее дополнительный сигнал, интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования задают постоянным и получают последовательность дискретных отсчетов дополнительного сигнала путем его аналого-цифрового преобразования одновременно с исследуемым сигналом, далее на основании полученной последовательности дискретных отсчетов дополнительного сигнала вычисляют период частоты основной гармоники исследуемого сигнала, на основании которого определяют число интервалов дискретизации исследуемого сигнала, наиболее соответствующее величине периода частоты основной гармоники исследуемого сигнала, затем из последовательности дискретных отсчетов исследуемого сигнала производят выборку дискретных отсчетов длиной, равной числу интервалов дискретизации исследуемого сигнала, далее вычисляют корректирующий коэффициент по формуле:This problem is solved due to the fact that in the method of spectral analysis of a polyharmonic signal, which consists in obtaining a sequence of discrete samples of the studied signal by analog-to-digital conversion and conducting discrete harmonic analysis of the studied signal using the discrete Fourier transform, the main harmonic is extracted from the studied signal, form from it an additional signal, the sampling interval of the analog-to-digital conversion is set constant and receive the reliability of the discrete samples of the additional signal by analog-to-digital conversion simultaneously with the signal under investigation, then, on the basis of the obtained sequence of discrete samples of the additional signal, the frequency period of the fundamental harmonic of the signal under study is calculated, based on which the number of sampling intervals of the signal under investigation is determined, which is most consistent with the value of the period of the fundamental frequency investigated signal, then from a sequence of discrete samples of the signal, a sampling of discrete samples with a length equal to the number of sampling intervals of the studied signal is made, then the correction coefficient is calculated by the formula:
R=(NΔt)/Т,R = (NΔt) / T,
где R - корректирующий коэффициент;where R is a correction factor;
N - число интервалов дискретизации исследуемого сигнала;N is the number of sampling intervals of the investigated signal;
Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования, с;Δt is the sampling interval of the analog-to-digital conversion, s;
Т - период частоты основной гармоники исследуемого сигнала, с,T is the period of the fundamental frequency of the investigated signal, s,
и дискретный гармонический анализ проводят над полученной выборкой дискретных отсчетов исследуемого сигнала, при этом аргументы всех тригонометрических функций, входящих в формулы для вычисления косинусных и синусных коэффициентов ряда Фурье, умножают на корректирующий коэффициент, а в устройстве для реализации данного способа, содержащем первичный измерительный преобразователь со входом для поступления измеряемой физической величины и выходом для выдачи исследуемого сигнала, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом первичного измерительного преобразователя, и вычислительное устройство, вход которого сообщен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход предназначен для выдачи спектральных составляющих исследуемого сигнала, введен блок выделения основной гармоники исследуемого сигнала со входом, соединенным с выходом первичного измерительного преобразователя, и выходом, а аналого-цифровой преобразователь выполнен с дополнительным входом, соединенным с выходом блока выделения основной гармоники исследуемого сигнала.and discrete harmonic analysis is carried out on the obtained sample of discrete samples of the signal under investigation, while the arguments of all trigonometric functions included in the formulas for calculating the cosine and sine coefficients of the Fourier series are multiplied by a correction factor, and in the device for implementing this method containing a primary measuring transducer with an input for receiving a measured physical quantity and an output for issuing a test signal, an analog-to-digital converter, the input of which is connected connected to the output of the primary measuring transducer, and the computing device, the input of which is communicated with the output of the analog-to-digital converter, and the output is intended for issuing the spectral components of the signal under investigation, a block for extracting the main harmonic of the studied signal with an input connected to the output of the primary measuring transducer and an output and the analog-to-digital converter is made with an additional input connected to the output of the main harmonic extraction unit of the signal under study.
Известно, что при проведении спектрального анализа неизбежно возникают погрешности определения спектра, что является отражением общефизического принципа, согласно которому "невозможно одновременно определить частоту и время" ([1], т.2, стр.87). При цифровом спектральном анализе полигармонических сигналов, частота которых быстро колеблется, возникают дополнительные погрешности из-за невозможности учесть это изменение частоты, т.к. колебания частоты носят в общем случае случайный характер. Сущность заявленного изобретения состоит в компенсации влияния колебаний частоты на точность расчета путем определения основной частоты сигнала одновременно с получением его дискретных отсчетов. Это, во-первых, позволяет повысить точность расчета спектральных составляющих сигналов независимо от колебаний частоты основной гармоники за счет последующей коррекции расчета на основе данных измерения той мгновенной частоты сигнала, которую он имел именно во время дискретизации, и, во-вторых, обеспечить возможность расчета спектра каждого периода сигнала, так как становится возможным выбирать интервал времени анализа сигнала равным фактическому периоду его основной частоты и не требуется проводить усреднение результатов измерений.It is known that when conducting spectral analysis, inevitably there are errors in determining the spectrum, which is a reflection of the general physical principle, according to which "it is impossible to simultaneously determine the frequency and time" ([1], v.2, p. 87). In the digital spectral analysis of polyharmonic signals, the frequency of which fluctuates rapidly, additional errors arise due to the inability to take into account this change in frequency, because frequency fluctuations are generally random. The essence of the claimed invention is to compensate for the influence of frequency fluctuations on the accuracy of the calculation by determining the fundamental frequency of the signal while receiving its discrete samples. This, firstly, allows to increase the accuracy of the calculation of the spectral components of the signals regardless of the fundamental harmonic frequency fluctuations due to the subsequent correction of the calculation based on the measurement data of the instantaneous frequency of the signal that it had during sampling, and secondly, to provide the possibility of calculation spectrum of each signal period, since it becomes possible to choose a signal analysis time interval equal to the actual period of its fundamental frequency and it is not necessary to average the measurement results .
Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 показана функциональная схема устройства для реализации способа спектрального анализа полигармонического сигнала;Figure 1 shows a functional diagram of a device for implementing the method of spectral analysis of a polyharmonic signal;
на фиг.2 - эпюры мгновенных значений исследуемого и дополнительного сигналов;figure 2 - plot of instantaneous values of the investigated and additional signals;
на фиг.3 - схема расчета периода частоты основной гармоники исследуемого сигнала;figure 3 - diagram of the calculation of the period of the frequency of the fundamental harmonic of the investigated signal;
на фиг.4 - спектр амплитуд сигнала для примера расчета.figure 4 is a spectrum of signal amplitudes for an example of calculation.
Устройство для реализации способа спектрального анализа полигармонических сигналов содержит первичный измерительный преобразователь 1, блок 2 выделения основной гармоники исследуемого сигнала, аналого-цифровой преобразователь 3 и вычислительное устройство 4. Вход первичного измерительного преобразователя 1 предназначен для поступления измеряемой физической величины, а его выход предназначен для выдачи исследуемого сигнала и сообщен со входом аналого-цифрового преобразователя 3 и со входом блока 2. Выход блока 2 сообщен с дополнительным входом аналого-цифрового преобразователя 3, выход которого сообщен со входом вычислительного устройства 4, выход которого предназначен для выдачи спектральных составляющих исследуемого сигнала.A device for implementing the method of spectral analysis of polyharmonic signals contains a primary measuring transducer 1, a unit 2 for extracting the fundamental harmonic of the signal under study, an analog-to-digital converter 3 and a
Способ спектрального анализа полигармонических сигналов заключается в следующем.The method of spectral analysis of polyharmonic signals is as follows.
Измеряемая физическая величина Ψ(t), являющаяся функцией времени t, подается на вход первичного измерительного преобразователя 1, выполняющего все операции по преобразованию физической величины Ψ(t) в исследуемый сигнал x(t). С выхода первичного измерительного преобразователя 1 исследуемый сигнал x(t) подается на вход аналого-цифрового преобразователя 3 и параллельно - на вход блока 2, который выделяет из исследуемого сигнала x(t) основную гармонику и формирует из нее на своем выходе дополнительный сигнал s(t). Далее дополнительный сигнал s(t) подается на дополнительный вход аналого-цифрового преобразователя 3, где подвергается дискретизации одновременно с исследуемым сигналом x(t). Интервал дискретизации аналого-цифрового преобразователя 3 задается постоянным независимо от основной частоты исследуемого сигнала x(t).The measured physical quantity Ψ (t), which is a function of time t, is fed to the input of the primary measuring transducer 1, which performs all operations to convert the physical quantity Ψ (t) into the signal x (t) under study. From the output of the primary measuring transducer 1, the studied signal x (t) is fed to the input of the analog-to-digital converter 3 and in parallel to the input of block 2, which extracts the main harmonic from the studied signal x (t) and forms an additional signal s ( t). Next, an additional signal s (t) is supplied to the additional input of the analog-to-digital converter 3, where it is sampled simultaneously with the signal x (t) under study. The sampling interval of the analog-to-digital Converter 3 is set constant regardless of the fundamental frequency of the investigated signal x (t).
В результате дискретизации с выхода аналого-цифрового преобразователя 3 выдается единый цифровой поток данных, содержащий две согласованные по времени дискретные последовательности: дискретную последовательность h[t] исследуемого сигнала и дискретную последовательность d[t] дополнительного сигнала. Понятие "согласованные по времени" означает, что, во-первых, период Т частоты основной гармоники исследуемого сигнала и период Тдоп частоты основной гармоники дополнительного сигнала равны и, во-вторых, дискретная последовательность дополнительного сигнала смещена относительно дискретной последовательности исследуемого сигнала на время τ, необходимое для обработки исследуемого сигнала x(t) в блоке 2. Время τ является постоянным и точно учитывается в дальнейших расчетах.As a result of sampling, the output of the analog-to-digital converter 3 produces a single digital data stream containing two time-coordinated discrete sequences: a discrete sequence h [t] of the signal under investigation and a discrete sequence d [t] of the additional signal. The term "time-aligned" means that, firstly, frequency period T of the fundamental harmonic of the signal and the period T ext fundamental frequency auxiliary signal are equal and, secondly, a discrete sequence of the additional signal is shifted relative to a discrete sequence of the signal at time τ necessary for processing the signal x (t) under study in block 2. The time τ is constant and is accurately taken into account in further calculations.
Далее дискретная последовательность h[t] исследуемого сигнала и дискретная последовательность d[t] дополнительного сигнала поступают на вход вычислительного устройства 4, где определяется период Тдоп и число N интервалов дискретизации исследуемого сигнала, наиболее соответствующее величине периода Т. Для этого на основании полученной дискретной последовательности d[t] дополнительного сигнала определяются моменты перехода дополнительного сигнала s(t) через нулевое значение в одном и том же направлении. Эти моменты времени на фиг.2 обозначены точками А и В. Значение дискретного отсчета в дискретной последовательности d[t] для этих моментов должно стать равным нулю или изменить свой знак одинаковым образом: с плюса на минус, или наоборот. Подробно процедура определения моментов времени А и В поясняется схемой на фиг.3, на которой изображены ось времени t и совмещенная с ней числовая ось m, а также отмечены моменты времени А и В. По оси ординат откладываются значения дискретных отсчетов дискретной последовательности d[t] дополнительного сигнала. Поскольку при дискретизации сигналов и дискретном гармоническом анализе требуется переход от времени t к его дискретным значениям, и наоборот, то через отдельные значения m: m1, m2, m3, m4 - на фиг.3 одновременно обозначены как моменты физического времени, так и порядковые номера дискретных отсчетов в дискретной последовательности d[t] дополнительного сигнала, которые соответствуют этим моментам и для которых были получены дискретные отсчеты d[m1], d[m2], d[m3], d[m4].Next, the discrete sequence h [t] of the signal under investigation and the discrete sequence d [t] of the additional signal are fed to the input of
Интервал между смежными моментами времени, например между моментами времени m1 и m2, является интервалом дискретизации Δt аналого-цифрового преобразования. Тогда для определения значения времени t, которому соответствует то или иное значение m, достаточно умножить число интервалов дискретизации Δt на разницу между этим значением m и значением m, соответствующим первому дискретному отсчету в выборке дискретных отсчетов, которая будет произведена далее.The interval between adjacent points in time, for example between time moments m 1 and m 2 , is the sampling interval Δt of the analog-to-digital conversion. Then, to determine the value of time t to which one or another value of m corresponds, it suffices to multiply the number of sampling intervals Δt by the difference between this value m and the value m corresponding to the first discrete sample in the sample of discrete samples, which will be performed later.
Поскольку дополнительный сигнал s(t) содержит только основную гармонику и имеет гладкую форму без выбросов и помех, то участки сигнала между дискретными отсчетами d[m1] и d[m2] и между дискретными отсчетами d[m3] и d[m4] могут быть представлены кусочно-линейной интерполяцией. Момент времени m1 - это момент времени, в который был получен дискретный отсчет d[m1] с порядковым номером m1 и который предшествует пересечению оси времени t линией, интерполирующей дополнительный сигнал s(t) в точке А. Следующий дискретный отсчет d[m2] получен в момент времени m2 после пересечения оси времени t линией, интерполирующей дополнительный сигнал s(t) в точке А. Момент времени m3 - это момент времени, который предшествует пересечению оси времени линией, интерполирующей дополнительный сигнал s(t) в точке В, и в который был получен дискретный отсчетSince the additional signal s (t) contains only the fundamental harmonic and has a smooth shape without outliers and interference, the signal sections between the discrete samples d [m 1 ] and d [m 2 ] and between the discrete samples d [m 3 ] and d [m 4 ] can be represented by piecewise linear interpolation. The time moment m 1 is the time moment at which a discrete sample d [m 1 ] with serial number m 1 was obtained and which precedes the intersection of the time axis t with a line interpolating the additional signal s (t) at point A. The next discrete sample d [ m 2 ] obtained at time m 2 after crossing the time axis t with a line interpolating the additional signal s (t) at point A. Time moment m 3 is the time moment that precedes the intersection of the time axis with a line interpolating the additional signal s (t) at point B, and at which it was obtained discrete th countdown
d[m3] с порядковым номером m3. Следующий дискретный отсчет d[m4] получен в момент времени m4 после пересечения оси времени t сигналом s(t) в точке В.d [m 3 ] with serial number m 3 . The next discrete sample d [m 4 ] was obtained at time m 4 after crossing the time axis t with signal s (t) at point B.
На фиг.3 показаны две линии, необходимые для определения периода Тдоп: линия между дискретными отсчетами d[m1] и d[m2] пересекает ось времени t в точке А, а линия между дискретными отсчетами d[m3] и d[m4] пересекает ось времени t в точке В. Период Тдоп частоты основной гармоники дополнительного сигнала определяется по формуле:Figure 3 shows two lines necessary to determine the period T add : the line between the discrete samples d [m 1 ] and d [m 2 ] intersects the time axis t at point A, and the line between the discrete samples d [m 3 ] and d [m 4 ] crosses the time axis t at point B. The period T extra frequencies of the fundamental of the additional signal is determined by the formula:
Тдоп=t1+t2+t3,T add = t 1 + t 2 + t 3 ,
где t1 - часть интервала дискретизации Δt между моментом времени А и моментом времени m2, с;where t 1 - part of the sampling interval Δt between time A and time m 2 , s;
t2 - часть интервала дискретизации Δt между моментом времени m3 и моментом времени В, с;t 2 - part of the sampling interval Δt between time moment m 3 and time point B, s;
t3 - сумма целых интервалов дискретизации Δt между моментами времени m2 и m3, с.t 3 is the sum of whole sampling intervals Δt between time instants m 2 and m 3 , s.
При этом часть t1 интервала дискретизации Δt находится из условия подобия треугольников, образованных пересечением оси времени t, линии, интерполирующей дополнительный сигнал s(t) и проходящей через точку А, и вертикальными линиями, проходящими через моменты времени m1 и m2, и определяется по формуле:Moreover, part t 1 of the sampling interval Δt is found from the similarity condition of triangles formed by the intersection of the time axis t, the line interpolating the additional signal s (t) and passing through point A, and the vertical lines passing through time instants m 1 and m 2 , and determined by the formula:
t1=Δt(|d[m2]|/(|d[m2]|+|d[m1]|)),t 1 = Δt (| d [m 2 ] | / (| d [m 2 ] | + | d [m 1 ] |)),
где Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования, с;where Δt is the sampling interval of the analog-to-digital conversion, s;
|d[m1]| - модуль дискретного отсчета, полученного в момент времени m1;| d [m 1 ] | - module discrete readings obtained at time m 1 ;
|d[m2]| - модуль дискретного отсчета, полученного в момент времени m2.| d [m 2 ] | - module discrete readings obtained at time m 2 .
Часть t2 интервала дискретизации Δt находится из условия подобия треугольников, образованных пересечением оси времени t, линией, интерполирующей дополнительный сигнал s(t) и проходящей через точку В, и вертикальными линиями, проходящими через моменты времени m3 и m4, и определяется по формуле:Part t 2 of the sampling interval Δt is found from the similarity condition of triangles formed by the intersection of the time axis t, a line interpolating an additional signal s (t) and passing through point B, and vertical lines passing through time instants m 3 and m 4 , and is determined by the formula:
t2=Δt(|d[m3]|/(|d[m4]|+|d[m3]|)),t 2 = Δt (| d [m 3 ] | / (| d [m 4 ] | + | d [m 3 ] |)),
где Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования, с;where Δt is the sampling interval of the analog-to-digital conversion, s;
|d[m3]| - модуль дискретного отсчета, полученного в момент времени m3;| d [m 3 ] | - module discrete readings obtained at time m 3 ;
|d[m4]| - модуль дискретного отсчета, полученного в момент времени m4.| d [m 4 ] | - module discrete readings obtained at time m 4 .
Сумма целых интервалов t3 определяется по формуле:The sum of the whole intervals t 3 is determined by the formula:
t3=Δt(m3-m2),t 3 = Δt (m 3 -m 2 ),
где Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования, с;where Δt is the sampling interval of the analog-to-digital conversion, s;
m2 - номер дискретного отсчета в дискретной последовательности d[t] дополнительного сигнала, полученного в момент времени m2;m 2 is the number of a discrete count in a discrete sequence d [t] of an additional signal received at time m 2 ;
m3 - номер дискретного отсчета в дискретной последовательности d[t] дополнительного сигнала, полученного в момент времени m3.m 3 is the number of the discrete count in the discrete sequence d [t] of the additional signal received at time moment m 3 .
Далее определяют число N интервалов дискретизации исследуемого сигнала, наиболее соответствующее величине периода Т, по формуле:Next, determine the number N of sampling intervals of the investigated signal, the most appropriate value of the period T, according to the formula:
N=(T/Δt),N = (T / Δt),
где T - период частоты основной гармоники исследуемого сигнала, с;where T is the period of the fundamental frequency of the investigated signal, s;
Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования, с.Δt is the sampling interval of the analog-to-digital conversion, s.
Для дальнейшего использования полученное число N округляют стандартным арифметическим округлением. Произведение числа N на интервал дискретизации Δt составляет интервал времени анализа исследуемого сигнала, при этом за счет процедуры округления максимальное несовпадение интервала времени анализа сигнала и периода его основной частоты не может превысить половину интервала дискретизации Δt. При этом число N получается произвольным, что требует отказа от использования алгоритма быстрого преобразования Фурье, так как для реализации данного алгоритма количество интервалов дискретизации должно являться степенью числа 2. Поскольку ни алгоритм быстрого преобразования Фурье, ни другие известные алгоритмы быстрых преобразований не влияют на точность расчетов, а позволяют лишь сократить объем вычислений, то за счет отказа от ограничений в выборе значений числа N достигается более полное совпадение интервала времени анализа сигнала и фактического периода его основной частоты. При этом задача сокращения объема вычислений не является актуальной для заявляемого изобретения.For further use, the resulting number N is rounded off by standard arithmetic rounding. The product of the number N by the sampling interval Δt is the analysis time interval of the studied signal, and due to the rounding procedure, the maximum discrepancy between the signal analysis time interval and the period of its fundamental frequency cannot exceed half the sampling interval Δt. In this case, the number N is arbitrary, which requires the use of the fast Fourier transform algorithm, since for the implementation of this algorithm the number of sampling intervals should be a power of 2. Since neither the fast Fourier transform algorithm nor other known fast transform algorithms affect the accuracy of calculations , and they allow one to only reduce the amount of computation, then due to the rejection of restrictions on the choice of values of the number N, a more complete coincidence of the signal analysis time interval is achieved a and its actual period of the fundamental frequency. In this case, the task of reducing the amount of computation is not relevant for the claimed invention.
После определения числа N из дискретной последовательности h[t] исследуемого сигнала производят выборку дискретных отсчетов. Для этого сначала определяют номер NА дискретного отсчета в дискретной последовательности d[t] дополнительного сигнала, соответствующий моменту времени на числовой оси m, наиболее близко расположенному к моменту времени А. Далее производят учет запаздывания дополнительного сигнала s(t) относительно исходного сигнала x(t) на время τ. Поскольку время τ является постоянной величиной, то дискретная последовательность d[t] дополнительного сигнала также запаздывает относительно дискретной последовательности h[t] исследуемого сигнала на число Nτ дискретных отсчетов, которое является постоянным и определяется по формуле:After determining the number N from the discrete sequence h [t] of the investigated signal, discrete samples are sampled. To do this, first determine the number N A of the discrete sample in the discrete sequence d [t] of the additional signal, corresponding to the time on the numerical axis m closest to the time A. Then, the delay of the additional signal s (t) relative to the original signal x ( t) for the time τ. Since time τ is a constant value, the discrete sequence d [t] of the additional signal is also delayed relative to the discrete sequence h [t] of the signal under study by the number N τ of discrete samples, which is constant and is determined by the formula:
Nτ=τ/Δt,N τ = τ / Δt,
где Nτ - число дискретных отсчетов, на которое дискретная последовательность d[t] дополнительного сигнала запаздывает относительно дискретной последовательности h[t] исследуемого сигнала;where N τ is the number of discrete samples by which the discrete sequence d [t] of the additional signal is delayed relative to the discrete sequence h [t] of the signal under study;
τ - время, необходимое для обработки исследуемого сигнала x(t) в блоке 2, с;τ is the time required to process the studied signal x (t) in block 2, s;
Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования, с.Δt is the sampling interval of the analog-to-digital conversion, s.
Для дальнейшего использования полученное число Nτ округляют также стандартным арифметическим округлением. Затем определяют номер N0 дискретного отсчета в дискретной последовательности h[t] исследуемого сигнала, соответствующий началу периода Т, по формуле:For further use, the resulting number N τ is also rounded off by standard arithmetic rounding. Then determine the number N 0 of the discrete count in the discrete sequence h [t] of the investigated signal, corresponding to the beginning of the period T, by the formula:
N0=NA-Nτ,N 0 = N A -N τ ,
где NА - номер дискретного отсчета в дискретной последовательности d[t] дополнительного сигнала, соответствующий моменту времени на числовой оси m, наиболее близко расположенному к моменту времени А;where N A is the number of the discrete count in the discrete sequence d [t] of the additional signal corresponding to the time on the numerical axis m closest to the time A;
Nτ - число дискретных отсчетов, на которое дискретная последовательность d[t] дополнительного сигнала запаздывает относительно дискретной последовательности h[t] исследуемого сигнала.N τ is the number of discrete samples by which the discrete sequence d [t] of the additional signal is delayed relative to the discrete sequence h [t] of the signal under study.
Выборка дискретных отсчетов для проведения дискретного гармонического анализа производится из дискретной последовательности h[t] исследуемого сигнала начиная с отсчета с номером N0 и длиной, равной числу N.A sample of discrete samples for discrete harmonic analysis is made from a discrete sequence h [t] of the signal under investigation starting from a sample with the number N 0 and a length equal to the number N.
Далее проводят дискретный гармонический анализ, для чего полученную выборку дискретных отсчетов обрабатывают в соответствии с классическими формулами преобразования Фурье без использования алгоритмов быстрых преобразований. Известно, что при вычислении косинусных и синусных коэффициентов ряда Фурье для сигналов, представленных дискретными отсчетами, интегралы, входящие в формулы преобразования Фурье, вычисляются методом прямоугольников, т.е. вычисляются суммы площадей сигнала между смежными дискретными отсчетами. Из-за колебания частоты исследуемого сигнала возникает разница между каждой смежной площадью, рассчитанной при заданном фактическом интервале дискретизации, и той площадью, которая должна была получиться при точном совпадении интервала времени анализа с периодом Т частоты сигнала. Как было показано выше, за счет того что в данном способе спектрального анализа число N интервалов дискретизации определяется наиболее соответствующим величине периода частоты основной гармоники исследуемого сигнала, это несовпадение не может превысить половину интервала дискретизации Δt. Для дополнительной компенсации этого несовпадения способом, заявляемым в изобретении, вводится корректирующий коэффициент R, вычисляемый по формуле:Next, a discrete harmonic analysis is carried out, for which the resulting sample of discrete samples is processed in accordance with the classical Fourier transform formulas without using fast transformation algorithms. It is known that when calculating the cosine and sine coefficients of the Fourier series for signals represented by discrete samples, the integrals included in the Fourier transform formulas are calculated by the rectangle method, i.e. the sum of the areas of the signal between adjacent discrete samples is calculated. Due to the frequency fluctuation of the signal under study, a difference arises between each adjacent area calculated for a given actual sampling interval and that area that should have been obtained with the exact coincidence of the analysis time interval with the signal frequency period T. As shown above, due to the fact that in this method of spectral analysis the number N of sampling intervals is determined by the most appropriate value of the frequency period of the fundamental harmonic of the signal under study, this discrepancy cannot exceed half the sampling interval Δt. To further compensate for this mismatch, the method claimed in the invention introduces a correction factor R, calculated by the formula:
R=(NΔt)/T,R = (NΔt) / T,
где N - число интервалов дискретизации исследуемого сигнала;where N is the number of sampling intervals of the investigated signal;
Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования, с;Δt is the sampling interval of the analog-to-digital conversion, s;
Т - период частоты основной гармоники исследуемого сигнала, с.T is the period of the fundamental frequency of the investigated signal, s.
Далее, в процессе проведения дискретного преобразования Фурье, на этот корректирующий коэффициент R умножаются аргументы всех тригонометрических функций, входящих в формулы для вычисления косинусных и синусных коэффициентов ряда Фурье:Further, in the process of conducting the discrete Fourier transform, the arguments of all trigonometric functions included in the formulas for calculating the cosine and sine coefficients of the Fourier series are multiplied by this correction coefficient R:
, ,
, ,
где k - номер гармоники;where k is the number of harmonics;
Аk - косинусный коэффициент ряда Фурье для k-ой гармоники;And k is the cosine coefficient of the Fourier series for the k-th harmonic;
Bk - синусный коэффициент ряда Фурье для k-ой гармоники;B k is the sine coefficient of the Fourier series for the k-th harmonic;
N - число интервалов дискретизации исследуемого сигнала;N is the number of sampling intervals of the investigated signal;
N0 - номер дискретного отсчета в дискретной последовательности h[t] исследуемого сигнала, соответствующий началу периода Т;N 0 is the number of the discrete reference in the discrete sequence h [t] of the signal under investigation, corresponding to the beginning of period T;
[i+N0] - текущий порядковый номер отсчета в дискретной выборке h[t] исследуемого сигнала при суммировании;[i + N 0 ] is the current serial number of the sample in the discrete sample h [t] of the signal under study during summation;
h[i+N0] - дискретный отсчет исследуемого сигнала для момента времени [i+N0];h [i + N 0 ] - discrete sample of the studied signal for the time [i + N 0 ];
R - корректирующий коэффициент.R is the correction factor.
Спектральные составляющие находятся по формулам:The spectral components are found by the formulas:
, ,
φk=arctg(Аk/Вk),φ k = arctan (A k / B k ),
где Мk - амплитуда k-й гармоники;where M k is the amplitude of the k-th harmonic;
φk - фазовый угол k-й гармоники.φ k is the phase angle of the kth harmonic.
Предлагаемый способ спектрального анализа полигармонических сигналов и устройство для его реализации обеспечивают также возможность расчета спектра каждого периода исследуемого сигнала без пропусков участков исследуемого сигнала за счет того, что дискретная последовательность исследуемого сигнала поступает на вход вычислительного устройства 4 непрерывно и одновременно на вход вычислительного устройства 4 поступает вся информация, необходимая для определения периода частоты основной гармоники исследуемого сигнала. При этом не требуется дополнительного времени для определения этого периода и, как следствие, не происходит пропусков участков исследуемого сигнала.The proposed method for the spectral analysis of polyharmonic signals and a device for its implementation also provide the ability to calculate the spectrum of each period of the signal under study without gaps in the sections of the signal under study due to the fact that the discrete sequence of the signal under investigation is fed to the input of
В качестве примера реализации заявляемого изобретения приведен расчет спектральных составляющих полигармонического сигнала при условии возникновения колебания частоты основной гармоники сигнала. Для этого расчет произведен для двух смежных периодов сигнала с различной частотой основной гармоники сигнала. Прочие условия: спектральный состав сигнала и параметры аналого-цифрового преобразования - одинаковы для обоих периодов сигнала, что необходимо для обеспечения сопоставимости результатов расчетов, произведенных для двух периодов сигнала. Частота основной гармоники первого периода измеряемой физической величины Ψ(t) равна 50,08 Гц. Частота основной гармоники второго периода измеряемой физической величины Ψ(t) равна 49,93 Гц, что эквивалентно быстрому снижению основной частоты процесса (возникновению колебания частоты) на 0,15 Гц. На выходе первичного преобразователя 1 после преобразования измеряемой физической величины Ψ(t) получен полигармонический исследуемый сигнал x(t). Амплитуды гармоник заданы в относительных единицах (отн. ед.). Сигнал x(t) описывается, например, следующей функцией времени:As an example of the implementation of the claimed invention, the calculation of the spectral components of the polyharmonic signal is provided, provided that the frequency oscillation of the fundamental harmonic of the signal occurs. For this, the calculation was made for two adjacent periods of the signal with different frequencies of the main harmonic of the signal. Other conditions: the spectral composition of the signal and the parameters of the analog-to-digital conversion are the same for both periods of the signal, which is necessary to ensure comparability of the results of calculations made for two periods of the signal. The fundamental frequency of the first period of the measured physical quantity Ψ (t) is 50.08 Hz. The fundamental frequency of the second period of the measured physical quantity Ψ (t) is 49.93 Hz, which is equivalent to a rapid decrease in the fundamental frequency of the process (occurrence of frequency fluctuations) by 0.15 Hz. At the output of the primary transducer 1, after converting the measured physical quantity Ψ (t), a polyharmonic signal x (t) was obtained. The amplitudes of harmonics are given in relative units (rel. Units). The signal x (t) is described, for example, by the following function of time:
, ,
где x(t) - исследуемый сигнал;where x (t) is the signal under investigation;
t - время, с;t is the time, s;
k - номер гармоники;k is the number of harmonics;
Mk - амплитуда k-й гармоники, отн. ед.;M k is the amplitude of the k-th harmonic, rel. units;
f1 - частота основной (первой) гармоники, Гц;f 1 - frequency of the main (first) harmonic, Hz;
φk - фазовый угол k-й гармоники, градус.φ k is the phase angle of the kth harmonic, degree.
Амплитуды и фазовые углы гармоник приведены в таблице 1. Амплитуда основной гармоники равна 100 отн. ед.: это позволяет получить результаты расчета спектра амплитуд, численно равные процентам.The amplitudes and phase angles of the harmonics are given in table 1. The amplitude of the fundamental harmonic is 100 rel. units: this allows you to get the results of calculating the amplitude spectrum, numerically equal to percent.
На выходе блока 2 выделяется основная гармоника исследуемого сигнала и формируется дополнительный сигнал s(t), содержащий только основную гармонику исследуемого сигнала x(t). Сигнал s(t) описывается следующей функцией времени:At the output of block 2, the main harmonic of the signal under study is selected and an additional signal s (t) is formed, containing only the main harmonic of the signal under study x (t). The signal s (t) is described by the following function of time:
s(t)=Mssin(2πf1 (t-τ)+(φ1),s (t) = M s sin (2πf 1 (t-τ) + (φ 1 ),
где s(t) - дополнительный сигнал;where s (t) is an additional signal;
Ms - амплитуда дополнительного сигнала, отн. ед.;M s - the amplitude of the additional signal, rel. units;
f1 - частота основной (первой) гармоники, Гц;f 1 - frequency of the main (first) harmonic, Hz;
t - время, с;t is the time, s;
τ - время, необходимое для обработки исследуемого сигнала x(t) в блоке 2, с;τ is the time required to process the studied signal x (t) in block 2, s;
φ1 - фазовый угол основной гармоники, градус.φ 1 - phase angle of the fundamental harmonic, degrees.
Амплитуда дополнительного сигнала Ms равна 100. Динамический диапазон аналого-цифрового преобразования равен от -110 до +110 отн. ед. Интервал дискретизации Δt аналого-цифрового преобразования равен 3,9·10-5 с. Время τ равно 0,001 с. Последовательность дискретных отсчетов h[t] для исследуемого сигнала x(t) и последовательность дискретных отсчетов d[t] для дополнительного сигнала s(t) в примере получены расчетным путем. Для этого вычислены точные аналитические значения функций x(t) и s(t) для моментов времени t, отстоящих друг от друга на величину Δt. Полученные точные значения функций x(t) и s(t) преобразуют в целые числа в соответствии с порядком работы аналого-цифрового преобразователя, для чего каждое значение функций x(t) и s(t) делят на величину динамического диапазона, равного 110, умножают на 215 и округляют стандартным арифметическим округлением. Точность такого преобразования значений функций x(t) и s(t) в целые числа соответствует точности 16-битного аналого-цифрового преобразования.The amplitude of the additional signal M s is 100. The dynamic range of the analog-to-digital conversion is from -110 to +110 rel. units The sampling interval Δt of the analog-to-digital conversion is 3.9 · 10 -5 s. The time τ is 0.001 s. The sequence of discrete samples h [t] for the studied signal x (t) and the sequence of discrete samples d [t] for the additional signal s (t) in the example were obtained by calculation. For this, the exact analytical values of the functions x (t) and s (t) were calculated for the time instants t separated by Δt. The obtained exact values of the functions x (t) and s (t) are converted to integers in accordance with the order of operation of the analog-to-digital converter, for which each value of the functions x (t) and s (t) is divided by the value of the dynamic range equal to 110, multiply by 2 15 and round off with standard arithmetic rounding. The accuracy of such a conversion of the values of the functions x (t) and s (t) to integers corresponds to the accuracy of a 16-bit analog-to-digital conversion.
Величина периода Т частоты основной гармоники для первого периода сигнала определена в соответствии с приведенной выше методикой расчета по схеме на фиг.3 и равна 0,019968 с. Величина периода Т частоты основной гармоники для второго периода сигнала определена аналогичным образом и равна 0,020028 с. При данных параметрах сигналов число N интервалов дискретизации равно 512 для первого периода сигнала и число N равно 514 для второго периода сигнала. Интервал времени анализа для первого периода сигнала включает 512 интервалов дискретизациии и равен 0,019968 с. Интервал времени анализа для второго периода сигнала включает 514 интервалов дискретизациии и равен 0,020046 с. При этом разница между интервалом времени анализа для второго периода сигнала и периодом его основной частоты равна 1,8·10-5 с, что составляет 46,154% от Δt и близко к максимально возможному для заявляемого способа спектрального анализа значению некратности интервала времени анализа сигнала периоду его основной частоты. Корректирующий коэффициент для первого периода сигнала равен R=(512·3,9·10-5)/0,019968=1,0. Корректирующий коэффициент для второго периода сигнала равен R=(514·3,9·10-5)/0,020028=1,000899.The magnitude of the period T of the frequency of the fundamental harmonic for the first period of the signal is determined in accordance with the above calculation method according to the scheme in figure 3 and is equal to 0.019968 s. The magnitude of the period T of the frequency of the fundamental harmonic for the second period of the signal is determined in a similar way and is equal to 0.020028 s. With these signal parameters, the number N of sampling intervals is 512 for the first signal period and the number N is 514 for the second signal period. The analysis time interval for the first signal period includes 512 sampling intervals and is equal to 0.019968 s. The analysis time interval for the second signal period includes 514 sampling intervals and is equal to 0.020046 s. The difference between the analysis time interval for the second signal period and the period of its main frequency is 1.8 · 10 -5 s, which is 46.154% of Δt and is close to the maximum possible value of the signal analysis time interval for the proposed method of spectral analysis for its period fundamental frequency. The correction factor for the first signal period is R = (512 · 3.9 · 10 -5 ) /0.019968 = 1.0. The correction factor for the second signal period is R = (514 · 3.9 · 10 -5 ) / 0.020028 = 1.000899.
Затем рассчитывают спектральные составляющие Мk и φk методом дискретного преобразования Фурье, при проведении которого аргументы всех тригонометрических функций, входящих в формулы для вычисления косинусных коэффициентов Аk и синусных коэффициентов Вk ряда Фурье, умножают на корректирующий коэффициент R.Then, the spectral components M k and φ k are calculated by the method of the discrete Fourier transform, during which the arguments of all the trigonometric functions included in the formulas for calculating the cosine coefficients A k and the sine coefficients B k of the Fourier series are multiplied by the correction coefficient R.
Результаты расчета спектральных составляющих сигнала x(t) приведены в таблице 2.The calculation results of the spectral components of the signal x (t) are shown in table 2.
ника kGarmo
nick k
В таблице 2 приведены также результаты, полученные при расчете спектра сигнала x(t) по прототипу при тех же исходных данных, что и по заявляемому способу. Согласно прототипу, число N интервалов дискретизации для расчета для первого и второго периодов сигнала одинаково и равно 512, а интервал дискретизации Δt аналого-цифрового преобразования для второго периода сигнала определен таким образом, чтобы за предыдущий (первый) период основной частоты производилось 512 измерений мгновенных значений исследуемого сигнала. Для значения основной частоты первого периода, равного 50,08 Гц, интервал дискретизации Δt равен 3,9·10-5 с, как и для способа, заявляемого в изобретении, что позволяет корректно сравнить результаты расчета по прототипу и по заявляемому способу. На фиг.4 показан полученный по данному способу спектр амплитуд Мk для второго периода сигнала с частотой основной гармоники, равной 49,93 Гц.Table 2 also shows the results obtained when calculating the spectrum of the signal x (t) according to the prototype with the same initial data as in the present method. According to the prototype, the number N of sampling intervals for calculation for the first and second signal periods is the same and equal to 512, and the sampling interval Δt of the analog-to-digital conversion for the second signal period is determined so that 512 measurements of instantaneous values are made for the previous (first) period of the fundamental frequency the investigated signal. For the value of the fundamental frequency of the first period equal to 50.08 Hz, the sampling interval Δt is 3.9 · 10 -5 s, as well as for the method claimed in the invention, which allows one to correctly compare the calculation results of the prototype and the claimed method. Figure 4 shows the amplitude spectrum M k obtained by this method for the second period of the signal with a fundamental frequency of 49.93 Hz.
Как видно из таблицы 2, максимальная абсолютная погрешность определения амплитуды гармоник сигнала x(t) равна 0,035, что составляет 0,07%, и погрешность определения фазового угла 0,07 градуса. Для прототипа максимальная абсолютная погрешность определения амплитуды гармоник сигнала x(t) равна 0,2524, что составляет 5,048%, и погрешность определения фазового угла 5,75 градуса. Это свидетельствует о том, что заявленные способ и устройство для его реализации позволяют повысить точность определения спектральных составляющих полигармонических сигналов при быстрых колебаниях основной частоты. Кроме того, как видно из спектра амплитуд на фиг.4, полученных способом, заявляемым в изобретении, данный спектр практически не содержит гармоник, которых не было в исследуемом сигнале x(t), что свидетельствует об отсутствии проявления известных эффектов (эффекта Гиббса и др.), вызванных влиянием конечности выборки и снижающих точность спектрального анализа.As can be seen from table 2, the maximum absolute error in determining the amplitude of the harmonics of the signal x (t) is 0.035, which is 0.07%, and the error in determining the phase angle is 0.07 degrees. For the prototype, the maximum absolute error in determining the harmonic amplitude of the signal x (t) is 0.2524, which is 5.048%, and the error in determining the phase angle is 5.75 degrees. This indicates that the claimed method and device for its implementation can improve the accuracy of the determination of the spectral components of polyharmonic signals with rapid fluctuations of the fundamental frequency. In addition, as can be seen from the amplitude spectrum in figure 4, obtained by the method claimed in the invention, this spectrum practically does not contain harmonics that were not in the studied signal x (t), which indicates the absence of manifestation of known effects (Gibbs effect, etc. .) caused by the influence of the finiteness of the sample and reducing the accuracy of the spectral analysis.
При этом из примера реализации видно, что вся информация, необходимая и достаточная для точного расчета спектральных составляющих полигармонического сигнала, получена одновременно с проведением аналого-цифрового преобразования за время, равное величине периода частоты основной гармоники сигнала. Это обеспечивает возможность расчета спектральных составляющих для каждого периода сигнала.Moreover, it can be seen from the implementation example that all the information necessary and sufficient for the exact calculation of the spectral components of the polyharmonic signal is obtained simultaneously with the analog-to-digital conversion for a time equal to the magnitude of the frequency period of the fundamental signal harmonic. This makes it possible to calculate the spectral components for each signal period.
Claims (2)
R=(NΔt)/T,
где R - корректирующий коэффициент;
N - число интервалов дискретизации исследуемого сигнала;
Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования, с;
Т - период частоты основной гармоники исследуемого сигнала, с,
и дискретный гармонический анализ проводят над полученной выборкой дискретных отсчетов исследуемого сигнала, при этом аргументы всех тригонометрических функций, входящих в формулы для вычисления косинусных и синусных коэффициентов ряда Фурье, умножают на корректирующий коэффициент.1. The method of spectral analysis of polyharmonic signals, which consists in obtaining a sequence of discrete samples of the signal under investigation by analog-to-digital conversion and performing discrete harmonic analysis of the signal under investigation using the discrete Fourier transform, characterized in that its main harmonic is extracted from the signal under investigation, and an additional harmonic is formed from it the signal, the sampling interval of the analog-to-digital conversion is set constant and a sequence of discrete counts of the additional signal by analog-to-digital conversion simultaneously with the signal under investigation, then, based on the obtained sequence of discrete samples of the additional signal, the frequency period of the fundamental harmonic of the signal under investigation is calculated, based on which the number of sampling intervals of the signal under investigation is determined, which is most consistent with the value of the frequency period of the fundamental harmonic of the signal under investigation , then from a sequence of discrete samples of the investigated signal produce a sample of discrete samples with a length equal to the number of sampling intervals of the studied signal, then the correction coefficient is calculated by the formula:
R = (NΔt) / T,
where R is a correction factor;
N is the number of sampling intervals of the investigated signal;
Δt is the sampling interval of the analog-to-digital conversion, s;
T is the period of the fundamental frequency of the investigated signal, s,
and discrete harmonic analysis is carried out on the obtained sample of discrete samples of the signal under study, while the arguments of all trigonometric functions included in the formulas for calculating the cosine and sine coefficients of the Fourier series are multiplied by a correction coefficient.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008102384/28A RU2363005C1 (en) | 2008-01-25 | 2008-01-25 | Method of spectral analysis of polyharmonic signals and device to this end |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008102384/28A RU2363005C1 (en) | 2008-01-25 | 2008-01-25 | Method of spectral analysis of polyharmonic signals and device to this end |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2363005C1 true RU2363005C1 (en) | 2009-07-27 |
Family
ID=41048518
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008102384/28A RU2363005C1 (en) | 2008-01-25 | 2008-01-25 | Method of spectral analysis of polyharmonic signals and device to this end |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2363005C1 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2611102C1 (en) * | 2015-12-14 | 2017-02-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Method for spectral analysis of polyharmonic signals |
CN111781421A (en) * | 2019-04-05 | 2020-10-16 | 苏州建丞节能科技有限公司 | A method for harmonic analysis of power system and its operating device |
CN114624513A (en) * | 2022-01-27 | 2022-06-14 | 清华大学 | Anti-harmonic interference phase detection method and device for periodic signal |
CN115267329A (en) * | 2022-07-29 | 2022-11-01 | 西京学院 | A Harmonic Analysis Method Based on Multi-cycle Equivalent Sampling |
CN118465415A (en) * | 2024-07-10 | 2024-08-09 | 青岛悠进电装有限公司 | Multi-wire current mutual interference detection system for wire harness assembly production |
WO2025031008A1 (en) * | 2023-08-09 | 2025-02-13 | 北京辰安科技股份有限公司 | Harmonic signal processing method and system for laser gas sensor |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU911362A1 (en) * | 1980-06-03 | 1982-03-07 | Красноярский Политехнический Институт | Spectrum analyzer |
RU2090898C1 (en) * | 1993-08-18 | 1997-09-20 | Борис Георгиевич Келехсаев | Method of spectral analysis of signals |
-
2008
- 2008-01-25 RU RU2008102384/28A patent/RU2363005C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU911362A1 (en) * | 1980-06-03 | 1982-03-07 | Красноярский Политехнический Институт | Spectrum analyzer |
RU2090898C1 (en) * | 1993-08-18 | 1997-09-20 | Борис Георгиевич Келехсаев | Method of spectral analysis of signals |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
HПП "ЭНЕРГОТЕХНИКА". Измерители показателей качества электрической энергии «РЕСУРС-UF2». Руководство по эксплуатации. 2005, п.4.5, пп.4.1-4.11, рис.А1), [on-line] [найдено 18.12.2007]. найдено из Интернет: <URL:http://www.entp.ru/documentation/uf2_re.pdf>. * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2611102C1 (en) * | 2015-12-14 | 2017-02-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Method for spectral analysis of polyharmonic signals |
CN111781421A (en) * | 2019-04-05 | 2020-10-16 | 苏州建丞节能科技有限公司 | A method for harmonic analysis of power system and its operating device |
CN114624513A (en) * | 2022-01-27 | 2022-06-14 | 清华大学 | Anti-harmonic interference phase detection method and device for periodic signal |
CN115267329A (en) * | 2022-07-29 | 2022-11-01 | 西京学院 | A Harmonic Analysis Method Based on Multi-cycle Equivalent Sampling |
WO2025031008A1 (en) * | 2023-08-09 | 2025-02-13 | 北京辰安科技股份有限公司 | Harmonic signal processing method and system for laser gas sensor |
CN118465415A (en) * | 2024-07-10 | 2024-08-09 | 青岛悠进电装有限公司 | Multi-wire current mutual interference detection system for wire harness assembly production |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zygarlicki et al. | A reduced Prony's method in power-quality analysis—parameters selection | |
RU2363005C1 (en) | Method of spectral analysis of polyharmonic signals and device to this end | |
CN101806832B (en) | Measuring method for frequencies of low-frequency signals | |
CN104237622B (en) | The method of sampling and wideband voltage/calibration of power device based on software based frequency tracking | |
CN109633262A (en) | Three phase harmonic electric energy gauging method, device based on composite window multiline FFT | |
CN100353169C (en) | Method for testing electronic component and its instrument | |
CN101915874A (en) | Harmonic wave detection method based on Fourier transformation | |
CN102435844A (en) | Frequency-independent sinusoidal signal phasor calculation method | |
CN101701983A (en) | Interharmonic Detection Method of Power System Based on MUSIC Spectrum Estimation and HBF Neural Network | |
Minda et al. | A review of interpolation methods used for frequency estimation | |
CN103983849A (en) | Real-time high-accuracy power harmonic analysis method | |
CN103969508A (en) | Real-time high-precision power harmonic analysis method and device | |
CN104749547A (en) | Novel on-site power meter calibration instrument | |
US20070226602A1 (en) | Measuring device and method for measuring relative phase shifts of digital signals | |
Salor | Spectral correction-based method for interharmonics analysis of power signals with fundamental frequency deviation | |
CN106291102B (en) | A frequency standard comparison device and method | |
CN109239463B (en) | Dielectric loss measurement method based on linear correction algorithm | |
CN113820646A (en) | A kind of electronic transformer calibration method and system | |
US9759751B1 (en) | Line cycle correlated spectral analysis for power measurement systems | |
CN109633243A (en) | A kind of accurate extracting method of beam current signal peak amplitude based on leggy sampling | |
Yang et al. | A Hilbert transform based method for dynamic phase difference measurement | |
Kharinov et al. | A Technique for Measuring the Frequency of Electrical Power Network Based on Spectral Analysis with Application of Henning Window | |
JP2006234402A (en) | Power line measuring device | |
JP4225651B2 (en) | Phase error correction method for circuit element measuring instrument | |
JPH11287830A (en) | Method and apparatus for detecting phase component of sine wave signal |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 21-2009 FOR TAG: (73) |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110126 |