[发明专利]一种自适应谐波分析系统及其分析方法

说明书

本发明公开了一种自适应谐波分析系统及其分析方法，采用可编程定时器作为信号采样的触发源，按照系统设置产生采样信号，触发采样电路对输入信号进行采样和AD转换，连续采样2^N次后对采样数据进行快速FFT分析。搜索分析结果数据中最大值，确定基波谱线位置，并估算基波信号的频率。根据基波谱线位置选择适当信号采样频率，并设定触发定时器输出的采样信号频率。当采样率处于合适范围时，累加FFT分析结果中除直流分量、基波分量及其谐波分量外所有谱线的幅值，得到频谱总能量泄漏。根据总能量泄漏，不断对采样率进行精细调节以实现能量泄漏最小的频谱分析。

技术领域

本发明属于给检测与信号分析技术领域，尤其涉及一种自适应谐波分析系统及其分析方法。

背景技术

信号的谐波分析是信号处理的重要内容，广泛应用于通信、电力等诸多领域。当前，信号在线谐波分析的基本方式是快速傅立叶变换(FFT)算法。该算法应用中有一个基本限制，输入输入数据的数量必须为2^N，因此在一定采样周期条件下，采样数据做对应的2^N次采样的时间窗口可能并非输入信号周期的整数倍，特别是输入信号的周期发生变化时，即便是精心调整后的采样系统也会与输入信号失配。利用这样的采样数据进行FFT必定会产生一定的频谱泄漏，造成谐波分析误差。

为了减小频谱泄漏，提高分析精度，常见的解决方法包括：利用一定的采样窗函数替代简单的矩形窗函数。通常可选的窗函数有汉宁窗、海明窗、凯赛窗等，针对不同的信号形式，合理选择窗函数的形式可在一定程度上改善频谱泄漏，提高分析精度，但并不能从根本上解决频谱泄漏的问题，性能改善的程度有限。

利用锁相环(PLL)的窄带跟踪能力获得与输入信号基波分量同频的基准信号，并做2^N/m倍频后作为采样触发信号，保证2^N次采样窗口的时间总是输入信号基波周期的m倍，以此获得最小的频谱泄漏。此方法可从根本上解决频谱泄漏的问题，但PLL结构较复杂，增加了系统成本。当输入信号频率发生变化时PLL的跟踪速度较低，频谱分析的动态误差较大，同时由于PLL频率跟踪范围的限制，输入信号频率变化范围较大时则无法保证采样窗口与被测信号的匹配。

发明内容

本发明根据现有技术中存在的问题，提出了一种自适应谐波分析系统及其分析方法，目的在于设计一种系统结构简单、易于实现的算法，根据输入信号FFT分析结果调整信号采样周期，实现同步采样并获得最小的频谱泄漏。

本发明所采用的技术方案如下：

一种自适应谐波分析系统，包括AD转换器，所述AD转换器的输出端连接数据缓冲区的输入端，所述数据缓冲区的输出端连接频谱分析单元，所述频谱分析单元输出信号的频谱，所述频谱分析单元的输出端分别连接基波频率估算单元和频谱泄漏估算单元的输入端，所述基波频率估算单元的输出端连接脉冲频率粗选单元的输入端，所述脉冲频率粗选单元的输出端连接可编程脉冲发生器的输入端；所述频谱泄漏估算单元的输出端连接脉冲频率细调单元的输入端，所述脉冲频率细调单元的输入端输出端连接可编程脉冲发生器的输入端，所述输入端连接可编程脉冲发生器的输出端连接AD转换器的输入端。

一种自适应谐波分析方法，过程如下：

对输入的模拟电压信号进行谐波分析获得电压信号的频谱，所述谐波分析采用快速傅立叶变换(FFT)算法；

根据频谱中基波谱线位置对信号采样率进行粗选，若经过粗选后基波谱线位置移到期望基波所处谱线位置时，则再根据频谱泄漏对信号采样率进行细调，脉冲频率细调单元对脉冲发生器进行编程设置，系统在调整后采样周期控制下完成新一轮信号采样、分析，然后根据分析结果再次进行采样周期的调节，以保证系统对信号的自适应同步采样能力。

进一步，所述粗选的方法为：根据频谱中基波所处谱线序号i选择信号采样频率：