[發明專利]一種自適應諧波分析系統及其分析方法

有效

• 申請號: 201910071816.6
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109725200B
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 秦云;楊夢琪;駱英;徐桂東
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01R23/16
• 分類號: G01R23/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種自適應諧波分析系統及其分析方法，采用可編程定時器作為信號采樣的觸發源，按照系統設置產生采樣信號，觸發采樣電路對輸入信號進行采樣和AD轉換，連續采樣2^N次后對采樣數據進行快速FFT分析。搜索分析結果數據中最大值，確定基波譜線位置，并估算基波信號的頻率。根據基波譜線位置選擇適當信號采樣頻率，并設定觸發定時器輸出的采樣信號頻率。當采樣率處于合適范圍時，累加FFT分析結果中除直流分量、基波分量及其諧波分量外所有譜線的幅值，得到頻譜總能量泄漏。根據總能量泄漏，不斷對采樣率進行精細調節以實現能量泄漏最小的頻譜分析。

技術領域

本發明屬于給檢測與信號分析技術領域，尤其涉及一種自適應諧波分析系統及其分析方法。

背景技術

信號的諧波分析是信號處理的重要內容，廣泛應用于通信、電力等諸多領域。當前，信號在線諧波分析的基本方式是快速傅立葉變換(FFT)算法。該算法應用中有一個基本限制，輸入輸入數據的數量必須為2^N，因此在一定采樣周期條件下，采樣數據做對應的2^N次采樣的時間窗口可能并非輸入信號周期的整數倍，特別是輸入信號的周期發生變化時，即便是精心調整后的采樣系統也會與輸入信號失配。利用這樣的采樣數據進行FFT必定會產生一定的頻譜泄漏，造成諧波分析誤差。

為了減小頻譜泄漏，提高分析精度，常見的解決方法包括：利用一定的采樣窗函數替代簡單的矩形窗函數。通常可選的窗函數有漢寧窗、海明窗、凱賽窗等，針對不同的信號形式，合理選擇窗函數的形式可在一定程度上改善頻譜泄漏，提高分析精度，但并不能從根本上解決頻譜泄漏的問題，性能改善的程度有限。

利用鎖相環(PLL)的窄帶跟蹤能力獲得與輸入信號基波分量同頻的基準信號，并做2^N/m倍頻后作為采樣觸發信號，保證2^N次采樣窗口的時間總是輸入信號基波周期的m倍，以此獲得最小的頻譜泄漏。此方法可從根本上解決頻譜泄漏的問題，但PLL結構較復雜，增加了系統成本。當輸入信號頻率發生變化時PLL的跟蹤速度較低，頻譜分析的動態誤差較大，同時由于PLL頻率跟蹤范圍的限制，輸入信號頻率變化范圍較大時則無法保證采樣窗口與被測信號的匹配。

發明內容

本發明根據現有技術中存在的問題，提出了一種自適應諧波分析系統及其分析方法，目的在于設計一種系統結構簡單、易于實現的算法，根據輸入信號FFT分析結果調整信號采樣周期，實現同步采樣并獲得最小的頻譜泄漏。

本發明所采用的技術方案如下：

一種自適應諧波分析系統，包括AD轉換器，所述AD轉換器的輸出端連接數據緩沖區的輸入端，所述數據緩沖區的輸出端連接頻譜分析單元，所述頻譜分析單元輸出信號的頻譜，所述頻譜分析單元的輸出端分別連接基波頻率估算單元和頻譜泄漏估算單元的輸入端，所述基波頻率估算單元的輸出端連接脈沖頻率粗選單元的輸入端，所述脈沖頻率粗選單元的輸出端連接可編程脈沖發生器的輸入端；所述頻譜泄漏估算單元的輸出端連接脈沖頻率細調單元的輸入端，所述脈沖頻率細調單元的輸入端輸出端連接可編程脈沖發生器的輸入端，所述輸入端連接可編程脈沖發生器的輸出端連接AD轉換器的輸入端。

一種自適應諧波分析方法，過程如下：

對輸入的模擬電壓信號進行諧波分析獲得電壓信號的頻譜，所述諧波分析采用快速傅立葉變換(FFT)算法；

根據頻譜中基波譜線位置對信號采樣率進行粗選，若經過粗選后基波譜線位置移到期望基波所處譜線位置時，則再根據頻譜泄漏對信號采樣率進行細調，脈沖頻率細調單元對脈沖發生器進行編程設置，系統在調整后采樣周期控制下完成新一輪信號采樣、分析，然后根據分析結果再次進行采樣周期的調節，以保證系統對信號的自適應同步采樣能力。

進一步，所述粗選的方法為：根據頻譜中基波所處譜線序號i選擇信號采樣頻率：