一种信号补偿校准方法及系统与流程

本发明涉及一种信号补偿校准方法及系统，属于信号处理技术领域。

背景技术：

近年来，随着光电子技术、微电子技术及光纤通信技术的发展，电子式互感器得到快速发展，并有不少产品在变电站现场获得应用。电力系统中的电子式互感器在输出模拟小信号的过程中，极易受到其他高频电磁信号的干扰，这就很容易造成系统因收到错误信号而产生误动。目前的小信号电压采集装置是将接收到的电子式互感器输出的电压模拟量，经过调理、滤波之后，转换成数字信号，通过合并单元和交换机把数字信号送至过程层网络，供数字化保护测控装置使用。由于此模拟量为弱电信号，同时受安装地点的限制，极易受到变电站现场恶劣的高频电磁环境干扰，而目前的补偿校准是直接对接收到信号滤波，以滤除干扰，由于高频电磁信号的干扰很负载，很难直接通过滤波器完全将干扰信号滤掉，导致补偿校准结果不理想，影响后续信号的进一步处理，甚至导致对信号的误判。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种信号补偿校准方法及系统，以解决目前信号校准补偿结果不理想的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种信号补偿校准方法，该补偿校准方法包括以下步骤：

1)将原始信号分成两路，分别为第一路信号和第二路信号；

2)将第二路信号进行高通滤波，并对高通滤波后的信号进行采样，得到第二采样信号，并按照与第二采样信号相同的采样频率对第一路信号进行采样，得到第一采样信号；

3)根据高通滤波前后的相位变化量和第一路信号的采样频率对第一采样信号进行相位补偿，使两路采样信号的相位相等；

4)将相位补偿的后第一采样信号与第二采样信号进行求差处理，并根据差值确定补偿校准后的信号。

本发明首先将接收到的信号分成两路，第一路信号直接进行采样，得到第一采样信号，对第二路信号进行高通滤波后采样，得到第二采样信号，第二采样信号中滤除了正常信号，只保留有干扰信号；然后对第一采样信号进行相位补偿，使两路采样信号的相位相等；最后将相位补偿的后第一采样信号与第二采样信号进行求差处理，并根据差值确定补偿校准后的信号。通过上述过程，本发明能够滤除幅值最高的高频噪声，因此可以大幅度提高信号的采样精度。

进一步地，为保证第二采样信号的精准性，该方法还包括对经过高通滤波后和采样之前的第二路信号进行放大处理，并在求差处理前对第二采样信号进行幅值补偿处理，使其与放大处理前的第二路信号的幅值相等。

进一步地，为方便后续对噪声信号的分析，该方法还包括对第二采样信号进行时频变换，实现噪声信号的提取。

进一步地，为提高采样的可靠性，该方法还包括在对第二路信号进行采样前进行过压保护，在第一路信号采样前进行过压保护。

进一步地，本发明还给出了具体的相位补偿大小，相位补偿时对第一采样信号进行平移的采样点数n为：

其中δθ为第二路信号高通滤波前后的相位变化量，fadc为第一采样信号和第二采样信号的采样频率，f为第二采样信号中幅值最大的频率。

进一步地，为方便实现信号的放大，所述的放大处理采用pga电路实现。

进一步地，为方便对信号的后续处理，所述步骤4)是将得到的所述差值进行时频变换得到补偿校准后的信号。

本发明还提供了一种信号补偿校准系统，该补偿校准系统包括高通滤波电路、第一采样电路、第二采样电路、相位补偿模块和求差模块；

所述第一采样电路的输入端用于连接原始信号，用于对原始采集信号进行再次采样，得到第一采样信号，且第一采样电路的采集频率与第二采样电路的采集频率相等；

所述高通滤波电路输入端用于连接原始采集信号，用于对原始采集信号进行高通滤波；

所述第二采样电路输入端与高通滤波的输出端相连，用于对高通滤波后的信号进行再次采样，得到第二采样信号；

所述相位补偿模块用于根据经过高通滤波电路前后的信号相位变化量、第一采样电路的采样频率对第一采样信号进行相位补偿，使第二采样信号和相位补偿后的第一采样信号的相位相等；

所述的求差模块用于对第二采样信号和相位补偿后的第一采样信号进行求差运算，由求差运算结果确定补偿校准后的原始信号。

本发明首先将接收到的信号分成两路，通过第一采样电路对第一路信号直接进行采样，得到第一采样信号，通过高通滤波电路和第二采样电路对第二路信号进行高通滤波后采样，得到第二采样信号，第二采样信号中滤除了正常信号，只保留有干扰信号；然后利用信号补偿模块对第一采样信号进行相位补偿，使两路采样信号的相位相等；最后将相位补偿的后第一采样信号与第二采样信号进行求差处理，并根据差值确定补偿校准后的信号。通过上述过程，本发明能够滤除幅值最高的高频噪声，因此可以大幅度提高信号的采样精度。

进一步地，所述相位补偿模块在相位补偿时对第一采样信号进行平移的采样点数n为：

其中δθ为第二路信号高通滤波前后的相位变化量，fadc为第一采样信号和第二采样信号的采样频率，f为第二采样信号中幅值最大的频率。

进一步地，该系统还包括放大电路和幅值补偿模块，所述放大电路设置在高通滤波电路和第二采样电路之间，用于对经过高通滤波电路后和第二采样电路之前的信号进行放大处理，所述幅值补偿模块设置在第二采样电路和求差模块之间，用于对求差处理前的第二采样信号进行幅值补偿，使之与放大电路处理前的信号幅值相等。

附图说明

图1是本发明信号补偿校准的原理示意图；

图2是本发明信号补偿校准过程中采用过压保护电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

补偿校准方法的实施例

本发明的信号补偿校准方法主是针对高频电磁环境下的小信号模拟量，由于该环境下的小信号模拟量容易受到高频电磁干扰时，因此，需要对该小信号模拟量进行补偿校准，本发明的补偿校准方法是通过将接收到的信号分成两路，第一路信号直接进行采样，得到第一采样信号，对第二路信号进行高通滤波后采样，得到第二采样信号，第二采样信号中滤除了正常信号，只保留有干扰信号；然后对第一采样信号进行相位补偿，使两路采样信号的相位相等；最后将相位补偿的后第一采样信号与第二采样信号进行求差处理，并根据差值确定补偿校准后的信号。具体过程如图1所示，下面以小信号电压采集装置接收到的信号为例对本发明的补偿校准过程进行详细说明。

1.将接收到的模拟量信号分成第一路信号和第二路信号，在分成两路信号前，可先对接收到的模拟量信号进行调理，具体是通过调理电路实现，目的是使接收到的模拟信号的峰值满足后续采样芯片的输入范围。

2.将第二路信号进行高通滤波，并对高通滤波后的信号进行采样，得到第二采样信号，并按照与第二采样信号相同的采样频率对第一路信号进行采样，得到第一采样信号。

对本实施例而言，采用高通滤波电路实现对第二采样信号的高通滤波，目的是把低频信号(正常模拟量小信号)阻隔，只让高频信号(电磁干扰信号)正常通过，由于滤波后信号主要为电磁干扰信号，其幅值相对较小，若直接进行采样，可能会导致采样结果不准，因此，根据需要可对经过高通滤波后的第一路信号进行放大，对放大后的信号进行采样，得到第二采样信号。其中信号放大采用可编程增益放大电路(pga)实现，也可采用其他放大电路，如比较器等电路，信号采样采用adc采样电路实现(如图1中的adc2采样电路)，可编程增益放大电路由fpga内部设置的放大控制模块控制，可根据第二采样信号的大小灵活配置pga电路的放大倍数，adc采样电路由fpga内部的采样控制模块控制(如图1中的adc采样控制模块2)。

对第一路信号可直接进行采样，得到第一采样信号，同样采用adc采样电路(如图1中的adc1采样电路)，且采样率与第二路信号采样时的采样率相同，采样控制命令同步。为了保证这两个adc采样电路的安全性，需对进入这两个adc采样电路的两路信号均进行过压保护，可通过过压保护电路1和过压保护电路2来实现，具体电路如图2所示，包括限流电阻、钳位二极管和tvs管，以将模拟量的电压幅值限制到adc采样电路允许的模拟量输入范围内，起到保护adc采样电路的目的。为方便后续处理，可将得到的第一采样信号和第二采样信号分别存入fpga内部的adc1采样缓冲区和adc2采样缓冲区。

3.根据高通滤波前后的相位变化量和第一路信号的采样频率对第一采样信号进行相位补偿，使两路采样信号的相位相等。

fpga内部的adc1采样缓冲区中存入第一采样信号是正常的模拟小信号与高频噪声的叠加值；fpga内部的adc2采样缓冲区中存入第二采样信号仅仅是高频噪声的采样值；虽然两个采样电路的采样控制命令是同步的，但是第二采样信号是经过高通滤波的，而高通滤波会导致信号发生相位改变，因此第一采样信号和第二采样信号的采样值并不同步，需要进行相位补偿。

本实施例采用相位补偿模块对第一采样信号进行相位补偿，并将相位补偿后的信号放入adc1重采样数据缓冲区。相位补偿模块在进行相位补偿时需要知道第二采样信号最大幅值对应的频率、高通滤波前后的相位变化量和第一采样信号的采样频率。其中，第二采样信号最大幅值对应的频率可通过对第二采样进行时频变化得到，例如，快速傅立叶变换fft，将第二采样信号变换到频率，即可确定其最大幅值对应的频率，记为频率f；高通滤波前后的相位变化量可根据高通滤波电路传递函数确定。根据上述结果，相位补偿模块在相位补偿时对第一采样信号进行平移的采样点数n为：

其中δθ为第二路信号高通滤波前后的相位变化量，fadc为第一采样信号和第二采样信号的采样频率，f为第二采样信号中幅值最大的频率。

4.将相位补偿的后第一采样信号与第二采样信号进行求差处理，并根据差值确定补偿校准后的信号。

由于第二采样信号是经过pga电路放大后得到的，在进行求差处理前，需对第二采样信号进行幅值补偿，将第二采样信号的幅值恢复到放大前的幅值，幅值补偿可由fpga内部设置的幅值补偿模块实现，将幅值补偿后的第二采样信号放入到adc2原始采样缓冲区。对相位补偿后的第一采样信号和幅值补偿后的第二采样信号进行求差运算，即将adc1重采样数据缓冲区中的采样值和adc2原始采样缓冲区中的采样值送入求差模块，得到的信号即为滤除高频噪声后的模拟小信号采样值，也可根据需求，求差结果进行快速傅立叶变换，将变换结果作为补偿校准后信号。同时，由于adc2采样缓冲区中的数据属于高频噪声范畴，而且是把噪声幅值放大后的采样值，因此方便了后级处理器进行噪声提取和分析。

通过上述过程，本发明能够滤除幅值最大的高频噪声，因此能够大幅度提高小信号模拟量的采样精度，为后续信号的分析提供可靠的保障。

补偿校准系统的实施例

本发明的信号补偿校准系统包括高通滤波电路、第一采样电路、第二采样电路、相位补偿模块和求差模块；第一采样电路的输入端用于连接原始信号，用于对原始采集信号进行再次采样，得到第一采样信号，且第一采样电路的采集频率与第二采样电路的采集频率相等；高通滤波电路输入端用于连接原始采集信号，用于对原始采集信号进行高通滤波；第二采样电路输入端与高通滤波的输出端相连，用于对高通滤波后的信号进行再次采样，得到第二采样信号；相位补偿模块用于根据经过高通滤波电路前后的信号相位变化量、第一采样电路的采样频率对第一采样信号进行相位补偿，使第二采样信号和相位补偿后的第一采样信号的相位相等；求差模块用于对第二采样信号和相位补偿后的第一采样信号进行求差运算，由求差运算结果确定补偿校准后的原始信号。其中相位补偿模块、求差模块以及两个采样电路的控制均由fpga实现，该信号补偿校准系统的工作过程已在方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。