01
一 种 高精 度加 窗插值FFT谐 波 分析方 法
汪 立 ,刘 翠琳
(武汉 大 学 电气工程 学院 ,湖 北 武 汉 430072)
摘 要 :非 同步采样和 非整数周期截断造成的频谱泄漏会影响谐波测量结果 的准确性。提 出了一种高精度加 窗
FFr插值谐波分析方法。介 绍了一种余弦组合窗函数,讨论 了该余弦组合 窗的特性 ,并首次将该 窗函数运用在谐
波分析 中,利用 曲线拟合 函数求 出实用的双谱 线插值修正公式。试验分析表 明.相 比其他加 窗插值 算法,本文算
法在 频率、幅值 和相位 的计算 中具有更高的精度 ,实用价值更 高。
关键词 :谐波分析;快速傅里叶变换 ;频谱泄露;窗 函数
中图分类号 :TM714
文献标志码 :A
文章编号 :1673—7598(2013)05—0001—04
An Accurate M ethod for Interpolated FFT Harm onic
Analysis Based on a New W indow
W ANG Li.LIU Cui—lin
(School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China)
Abstract:The harmonic measurement accuracy would be effeeted by frequency leakage resulted from unsynchronized sampling and
non—integral period truncation. An accurate method for power harmonic analysis based on new window double-spectrum -line
interpolation fast Fourier transfoxm (FFT)is proposed,the applicable rectification formulas of the double-spectrum-line interpolation
is obtained by using polynomial curve fit functions. The test shows that the new method has higher calculation accuracy and is more
practical in the ealculation of frequency,amplitude and phase.
K ey words:harmonic analysis;FFT;spectrum leakage;window function
0 引言
旁 瓣 特性 ,有利 于 降低频 谱 泄露 。在此 基 础上 提 出基
于这种窗函数的高精度谐波分析方法 ,利用曲线拟
别
摊
合 方法 推 导 出简洁 的修 正公式 。对含 21次谐波 的复
— ~
电力系 统 中的频率 是 变化 的 .但是 数字 化变 电
站中的采样频率要求恒定不变。非 同步采样造成 了
信号处理时频谱泄漏和栅栏效应。插值算法可对短
杂信号进行仿谐波分析 ,试验结果表明:在非同步采
样和非整周期截断的条件下 ,本文算法能显著提高
基波频率 、各次谐波幅值和相位的计算精度 ,提高信
范 围 的泄 漏 进 行 修 正….加 窗 可 抑 制 长 范 围 泄 漏 引
号 分析 准确 性 ,适 合 于高 精度 谐波 分析 o1。
起 的 误 差 ,目前 广 泛 运 用 的加 窗插 值 FFT算 法 可
以有 效地 提 高计算精 度 一个好 的窗 函数 可 以有效
1 一种 新 的 窗 函数
提 高谐 波分 析精 度 【51。现 有 研 究 运 用 Hanning窗【31、
Blackman—Harris窗 l、Nuttall窗 、Rife—VincentI8 窗 等
进行插值 FFT分析方法提高了谐波测量 的频率 、幅
值和相位的精度。但以上方法均存在修正公式复杂 、
计算量大 、计算精度低等缺点 。本文根据文献[5]提
组合余弦窗通用表达式如式 (1)所示 :
K
(n):∑(一) b~cos 2'rrin
,n=O,1…Ⅳ-1 (1)
(n)= (一) — , ,…Ⅳ-1 ()
1 b
0
式 中:.j}为窗 函数 的项数 ;bi为窗 函数系数 ;Ⅳ为离散
出 的窗 函数 的原 理公 式推 导 出一 种新 的 窗 函数 表达
采样 点数 。
式 ,讨论 了该 窗 的频谱 特性 ,发现 该 函数具 有优 良的
本文 推 导 出一种 新 的窗 函数 ,在 此命 名 为 H窗 。
基金项 目:国家 自然科学基金资助 (51007065)
b0=0.2867;bI=0.4468;b2=O.2070;
该窗是一个六项组合余弦窗 ,窗函数的各项系数是 :
特 别 推 荐 lTm Blm 1_Ul JI》z
b=;=0.0530;b4=0.0063;b5=O.0002;
(2)
图1是H窗函数的时域图和频谱图。
时 I'li]/s
时 间/s
图 1 H窗 函 数 及 其 归一 化 对 数 频 谱
文献【4—8】共同指 出为降低频谱泄漏 ,应选择旁
瓣峰值 电平小且旁瓣渐近衰减速率大 的窗函数 对
信 号进 行 处 理 。 由表 1可知 本 文 的窗 函数 旁 瓣 峰值
电平最低且旁瓣衰减较快。
0=arg[X( ·A/)]+'rr/2-arg[W(2~(k -ko)/Ⅳ)】(6)
幅值的修正公式 :
A = I[W(2,rr(k -ko)/Ⅳ)]
(7)
由 于0≤ 。一k ≤1,为 简 化运 算 ,引人 参 数 a=k。一
ki:0.5,参数 =丝 ,则有 :
y2+y~
l W(2rr(-a+0.5)/N)-W(2"rr(-a-O.5)ix)f,Q、
f W(2'rr( +0.5),Ⅳ)+ (21T(一0c .5)/Ⅳ)l
当臌 大时 ,式 (1O)可 以简化 为 :
c~=g- (卢)
(9)
采用 多项 式逼 近方法 计算该 式 。通过 控 制多项
式逼 近 的次数 ,可 以有效 控制 逼近 的精度 和计 算量 。
为 了克 服单峰 谱线 修正算 法 易受 到频谱 泄漏 和 噪声
干扰影响的缺点 ,次强谱线的信息也可 以用于幅值
表 1 窗 的旁 瓣 特 性 比较
修 正 。具体 做法 是 :直接 对k 和 2根谱 线 幅值进 行
2 H窗 函数双 谱线插值算法
设一 个频 率 为 ,幅值 为A,初 相位 为0的单一频
率信号X(t)在经过采样率为 的模数变换后得到如
式 (4)的离散信号 :
(2)
若所加窗函数的时域形式为w(n)。其连续频谱
(凡);,4 sin(2"rrnfo + )
为W(2~r ,则加窗后并忽略负频点处的旁瓣影响 ,
在正频 点 附近 的连续 频谱 函数 可 以表 达 为 :
(J5--(a12j)[ei0W(2w(厂 )/fs)】
(3)
对式 (5)进 行 离 散 抽 样 ,即可 得 到 离 散 傅 立 叶
变换 表达 式为 :
( .△ :可A×[eJ~W(
)】 (4)
q
j s
式 中 :离散 频 率 间隔△ fIN,Ⅳ是数 据截 断长 度 。峰
值 频率 .厂0=后。一 厂彳艮难正好位于离散谱线频点上 ,也
即 。一般不是整数。设峰值点左右两侧 的谱线分别
为 第k。和 条 ,这 2条 谱 线也 应是 峰 值 点 附近 幅 值最
大和次最大的谱线 。显然地 ,kl
03
一
m
田
m
C
一
乙
》
Z
仿真实验首先将输入信号 ( )分别用Blackman—
ha~is窗 、Nuttall窗 、H窗进行处理 ,处 理后波形 如图2。
米 样 点 数 ~
图 2 加 窗后 信 号 图
采用 FFrr运算得到离散频谱 ,再按照加窗双谱
线插值修正公式计算 出基波 的频率 、幅值 、相位 及
各次 谐 波 的频率 、幅值 和 相位 。Nuttall窗 采用 文献 f4】
提 供 的修 正公 式 ,Blackman—ha s窗采 用 文献 【6]提
供 的修 正公 式 ,H窗采用 本文 的修正公 式 。仿 真试 验
的结果见表3和表4,幅值 和相位的误差 比较见 图3
晰波 次数 /次
图3 谐 波 幅 值 相 对 误 差 比较
旨波 次 数 /次
图4 谐 波 相 位 相对 误 差 比较
和 图4。
出的B1ackman—Harris窗插值修正公式计算精度高出
采用本文的H窗插值:算法对2 1次复杂谐波信号
O 1 2 3 4 5 6 7 8
叭∞叭 ∞ ∞
0 0 O 0 O O O O O
叫咖咖脚咖 即哪叫
分 析 的频 率计算 相对 误差仅 为4.6~10 。,比文献 f6]提
卧B B B B B
5个 数 量 级 ,比文 献 [1l】提 出 Nuttall窗插 值 修 正 公
式 计算精 度 高 出3个 数量级 。基 波 幅值计算 相对 误差
表2 谐 波信 号的基波及谐波参数
。 ,.. 一 0
蠹 ◆0。0磐 l T文 砖 _ 0 0 特 别 推 荐
(下转第13页)
1 3
…
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— 。 “十 “+ ”+ ”+ ”+ “+ ”+ “+ ”+ “+ … + “+ ”+ ”+ ”+
十 一—+一-—· 一—+一-—— 一--+一”—-●一一+ *+ 一+ -+ 一+ -十 -+ -+ 一+ -+
(上接 第3页 )
为2~1 0-7,基 波相位计 算相对 误差 为3x 1 0 ,各 次谐 波
的幅值 和相位的计算精度普遍高于Blackman窗和4
项Nuttall窗。在相同计算量的条件下 ,本文算法具有
更高精度 ,实现了高次谐波信号参数 的高准确度分
析 4]。
4 结论
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54.
谐 波 分 析 方 法 与Nuttall窗 Blackman—harris窗相 比具
有更高的计算精度 ,更高的工程实用价值。
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收稿 日期 :2012—04—05
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作者简介 :汪 立 (1989~ ),男 ,硕士研究生 ,湖北广水 ,主要研究电
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m
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