iq算法论文 篇1
谐波检测算法是谐波检测的核心环节,谐波检测算法正向智能化、多功能实用化发展,谐波检测效果向高精度、高速度和实时性好的方向发展,现有方法中检测精度高则速度慢,检测速度快则精度低或实时性不好。故必须研究新的谐波特性辨识方法和数学方法,以满足高精度测量的要求。本文的目的是通过ip-iq算法研究,获得一个时滞性小,去噪声能力强,精度高的谐波检测算法。
2 ip-iq检测算法分析
根据H.Akagi的瞬时功率理论。假设三相电网电压对称无畸变,三相电路各相电压的瞬时值分别为ea、eb、ec,幅值为E,各相电流的瞬时值分别为ia、ib、ic通过三相至两相的坐标变换,把它们变换到α-β两相正交的坐标系中,即:
定义三相瞬时无功功率q(瞬时有功功率p)为电压矢量e的模和三相电路瞬时无功电流iq(三相电路瞬时有功电流ip)的乘积。即:
再通过α-β坐标abc坐标的变换,即可得到对应的三相电网电流分量:
综合式(2.2)和式(2.3),可得:
这样可以得到结论:变换前后功率不变且电压和电流取同一变换矩阵的情况下,变换矩阵的逆与其转置相等。虽然,H.Akagi的瞬时功率理论的ip-iq算法是在假设电网为对称正弦波的条件下推导出来的,实际上,当电网电压出现不对称或发生畸变的情况下,采取一定的措施,ip-iq算法同样可准确地测出不同的电流分量。
3 ip-iq算法的实现
实际电网中的三相电压通常不对称且有畸变,ip-iq检测法其原理如图1所示。
为了保证检测的精度,选用高性能的四象限模拟乘法器芯片。由于ip-iq法畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现,因而检测结果不受电压波形畸变的影响。
在实际的工程应用中,按预定的采样频率,对正弦和余弦函数建表,存储在微处理器的程序存储器中,在新的采样时刻到来之前,计算准备好要用到的正余弦值。查表法显著的优点是数据采样和PWM脉宽生成的时基相同,不存在非同步问题,而且外部硬件电路简单、可靠性高、计算速度快。
4 ip-iq算法的仿真
根据ip-iq算法实现的原理,建立Matlab/Simulink仿真模型如图2所示。
在图2所示的仿真模型中,低通滤波器LPF的截止频率设计为30Hz。有功直流分量ip-。和无功直流分量iq-经过变换可以得到三相基波电流iaf、ibf、icf,它们分别与被检测电流相减即可以得到三相谐波电流iah、ibh、ich。
在图2的仿真模型中,三相基波iaf、ibf、icf是由有功和无功直流分量iq-、ip-共同转换计算得来的,因此谐波电流即包含了有功分量也包含了无功分量,最后的输出只有谐波电流。如果要检测谐波电流和基波无功电流,则可以在模型中将无功直流分量断开,只由有功直流分量进行计算。计算出的iaf、ibf、icf只含有有功分量,与被检测的三相电流相减后得到iah、ibh、ich,即为包含谐波电流和基波无功电流。
5 仿真结果及结论
模型接入容性负载中,电网频率选择50Hz,每个周期采样256个点,得到的仿真结果如图3、图4、图5所示。
由仿真可以看出,将ip-iq算法和广义3/2变换变换相结合可以准确检测出三相电流的基波正序有功、正序无功、负序、零序分量,动态时间大约是0.02秒。
摘要：随着电力电子技术的发展,电网中的谐波污染越来越严重,已成为电网中的“公害”,对电网谐波进行检测与研究是限制、消除谐波危害的前提。本文在分析了国内外谐波检测技术的现状和发展方向的基础上,研究了电力谐波的基础理论和检测算法。重点对ip-iq检测算法的理论和实现进行了详细的探讨,并用Matlab/Simulink软件对此检测算法进行了仿真分析。
关键词：谐波检测,ip-iq算法
参考文献
[1]杨泽斌,谭轮龙.电力系统谐波电流实时检测方法的研究[J].电测与仪表,2006(10):19-21.
[2]吴勇,万淑芸.谐波和无功电流检测的Matlab仿真研究[J].2005(5):28-35.
iq算法论文 篇2
矢量信号源在通信领域占据越来越重要的地位, 它能够产生任意波形信号、IQ基带信号、丰富的调制信号以及第三、第四代移动通信标准信号。目前市场上的矢量信号源输出频率高, 调制带宽宽, 产生信号多样化, 但价格也十分昂贵。国内研究专用矢量信号源较多, 如文献[1]实现了专用TDD-LTE矢量信号源的研制。在矢量信号源中, 关键技术之一是IQ调制技术。IQ调制器可采用专用调制芯片或专用DDS芯片实现, 也可以采用可编程逻辑器件编程实现。文献[2]采用FPGA和DDS技术实现MQAM调制器, 系统集成度高, 芯片占用面积小, 产生的信号也具有抗干扰性强的特点。但是该方法需DDS模块产生载波信号, 还需要调用乘法器模块, 且易产生IQ幅度不平衡, 相位不正交等误差。文献[3]采用CORDIC算法完成数字调制, 有效节省硬件资源和功能损耗, 且能够达到载波高精度的要求。
本文采用文献[4]中的改进型CORDIC (Coordinated Rotation Digital Computer, 坐标旋转数字计算) 算法实现IQ调制器, 同步完成载波发生器与信号调制, 可直接得到调制信号, 无需ROM存储波表, 无需调用内置乘法器, 且能够实现多种调制。改进型CORDIC算法采用改进算法结构的方式提高并行计算速度, 采用并行流水线的方式降低算法运行时间, 进一步节约了硬件资源, 而且提高程序运行速度。
1 硬件电路设计
IQ调制器由数字和模拟两部分电路组成。数字电路包括FPGA模块和控制器模块;模拟电路由滤波器、放大器、输出阻抗匹配以及输出保护电路构成。其结构如图1所示。
由图1可以看到, FPGA模块的设计包括D/A电路扩展、JTAG接口以及时钟。该模块主要完成IQ调制功能, 产生各种调制信号;滤波电路是滤除D/A转换带来的高频成分, 滤波后的信号经过电压和功率放大提高带负载能力, 匹配与保护电路完成输出阻抗匹配及防电压过载保护;控制器模块的设计包括键盘和显示, 与FPGA模块接口以及与RS 232接口。MCU完成用户接口, 接收用户输入的命令和参数, 使FPGA模块完成相应的功能和指标。
1.1 FPGA模块设计
FPGA模块的设计包括芯片的选择, 外围电路设计 (电源、JTAG及时钟) , 以及D/A扩展电路设计。
根据程序仿真结果, 程序需求1 200左右逻辑单元, 考虑将来改进和扩展需要, 这里选择EP1C6Q240C8N;时钟选择20 MHz有源晶振, 由FPGA芯片内部锁相环倍频到100 MHz, 作为系统时钟;芯片供电采用2个LM317将5 V电源电压变换到3.3 V和1.5 V;JTAG和AS接口共享一个10针下载口 (通过跳线转换) ;存储芯片采用EPCS1SI8N。
由于D/A转换存在量化误差以及在转换过程中的非线性误差, 为了减少此类误差, 一般选取位数尽量宽的D/A, 考虑到性价比, 这里选取12位D/A。本模块输出最高频率为25 MHz, 选择TI公司的THS5661。它是12位D/A, 数据转换速率为125 MSPS, SFDR (无杂散动态范围) 在40 MHz时是60 d Bc。由于该D/A芯片是电流输出, 所以要经过运算放大器实现电流到电压的转换, 其电路如图2所示。
图中:Cfb电容可以滤除输出电流的台阶;Rfb为反馈电阻。该电路输出电压最高为1.25 V。参考THS5661芯片手册完成与FPGA芯片管脚互连, 其中模式选择管脚 (MODE) 接高电平, 即采用二进制补码的形式输入。
1.2 滤波器、功率放大器和输出电路设计
(1) 滤波器设计
因为D/A转换之后的信号含有大量高频成分, 需要滤波电路对信号进行滤波, 以得到较好的频谱特性。由于信号输出的最高频率为25 MHz, 取截止频率为35 MHz, 阻带截止频率为75 MHz, 通带内衰减不高于1 d B, 阻带内衰减不低于40 d B。根据这些要求, 选择通带内幅度特性起伏最小的巴特沃斯滤波器。通过查表确定采用8阶巴特沃斯低通滤波器, 同时得到电路的各元件值。
(2) 功率放大器设计
根据设计要求, 信号源输出最大功率为11.5 d Bm (6 Vpp) 。D/A转换后输出信号电平为1.25 Vpp, 再经过滤波器 (衰减1 d B, 约1.1 V) , 所以需要对电压和电流进行放大 (增益G=6) , 这里采用两级放大的方式, 第一级是电压放大;第二级是功率放大电路。电压放大选用AD8009芯片, 其单位带宽增益为1 GHz, 在75 MHz时增益平稳度为0.1 d B。功率放大选用THS6022, 它是电流反馈性运算放大器, 同时具有高速, 低畸变, 宽供电范围等特点, 在50Ω负载供电电压为±15 V, RF为1 kΩ时, 输出电流可达250 m A (大于120 m A即可满足设计要求) [5]。
(3) 输出电路设计
输出电路包括阻抗匹配和输出保护两部分。输出阻抗为50Ω, 这里通过并联多个匹配电阻方式实现。为了防止电源反接或过高的电压接入端口, 在输出端采用二极管钳位保护电路。
1.3 控制器电路
控制电路由单片机、键盘、LCD显示、与FPGA接口和RS 232接口四部分组成。其中, 单片机选择AT89C52, 键盘选择4×4十六位键盘 (10个数字键, 6个功能键) , LCD选择BM240128A, 采用点阵图形和菜单的方式设计界面, 与PC机的接口采用标准异步串口通过MAX232实现。主要功能包括码元设定、调制选择和调制参数等。
2 软件设计
软件设计包括基带信号发生器和基于改进型CORDIC算法的IQ调制。其中, 基带信号发生器主要是m序列的产生和基带调制;基于CORDIC算法的IQ调制包括相位累加器, 象限映射控制器, 前端处理, 后端处理, 以及改进型CORDIC算法模块。IQ调制器软件实现的原理框图如图3所示。
图中, m序列发生器产生PN码作为调制器的基带信号;基带调制模块用于产生各种调制方式的基带I, Q信号;IQ模块中, 相位累加器运算位数是32位, 用于控制载波频率, 保证频率分辨率为 (1/232) fclk。同时, 为了减少计算量, 截取高16位的相位值送入到改进型CORDIC算法模块。其中, 高3位的数据用于象限映射控制信号, 分别输入到前端处理和后端处理模块。输入信号有频率字、时钟, 输出信号有两路, 作为载波发生器时可以同时输出严格正交的正弦信号, 作为调制器时Xout输出的就是已调信号。
2.1 基带信号发生器的设计
IQ调制的两路基带信号可以是基带信号发生器内部产生, 也可以从外部输入, 由控制器决定。内部基带信号采用广泛适用的PN码序列, 有PN5, PN7, PN9, PN11等多种选择。以PN9为例, 它是周期为29-1的m序列, 其特征多项式为f (x) =1+x4+x9。根据特征多项式, 确定其反馈系数 (C0, C4, C9) , 进而得到该序列码。
基带调制是根据不同的调制方式将基带信号调制成相应的基带I, Q信号。可实现的调制方式有多种QPSK (OQPSK, DQPSK, π/4 QPSK) 调制、MSK调制和QAM (16QAM和64QAM) 调制, 为了实现调制器的通用性, 将MASK, MFSK, MPSK也加入到其中[6]。
下面以QPSK, 16QAM和64QAM为例, 采用星座图映射的方式实现基带调制[7,8,9]。对输入的数据序列进行串/并转换, 第奇数位输出到I路, 第偶数位输出到Q路。为了减少误码率, 星座图映射采用格雷码的方式。对于QPSK信号, 映射成四个星座符号;对于OQPSK, DQPSK, π/4 QPSK, 则需要进行在QPSK调制的基础上进行编码或逻辑映射处理;同理, 16QAM调制映射成16种星座符号;64QAM调制映射成64种星座符号。下面以表格的形式给出本设计中QPSK, 16QAM和64QAM的星座图映射, 如表1~表3所示。
另外, MASK, MFSK, MPSK较正交调制实现要简单。MASK调制相当于QAM中的幅度调制, 不需要相位调制, 不进行串/并转换, 直接调制载波幅度;对于MFSK直接控制载波发生器的频率字;以及MPSK调制用基带信号控制载波的初始相位信息。这些都可以在改进型CORDIC模块中实现。对于实现较为复杂的MSK, 需要用到两次乘法, 所以要多次调用CORDIC算法模块。
2.2 基于CORDIC算法的IQ调制
IQ调制采用CORDIC算法实现, 它的优点是取代传统方法中的载波发生器和乘法器, 节省了大量的资源, 提高了运算精度以及程序运行的最大速度。
CORDIC算法含有旋转和向量两种运算模式, 其中, 旋转模式完成三角函数值的计算原理如下[10]:
为了用数字方法实现上述公式, 将θ写成如下形式:
式中:δi=±1, θi=tan-1 (2-i) 。
对式 (1) 进行恒等变换 (提取因子cosθi, 并用2-i替代tanθi) , 可得CORDIC算法的迭代公式如下:
式 (1) 中, 初值取X=1, Y=0时, 由X路Y路计算得到的就是载波信号cosθ, sinθ。根据IQ调制表达式sk (t) =Xkcosωt+Yk (-sinωt) 可知, CORDIC实现三角函数数值X路的计算过程正是IQ调制的过程。其中, 算法的初值X, Y对应两路基带信号, 由调制方式确定。
设计中星座图映射后的电平值与CORDIC算法模块的初值映射关系如表4所示。
本设计采用改进型的CORDIC算法, 较传统的CORDIC算法, 提高了运算速度。改进算法的实现采用多级旋转并行计算旋转方向, 采用并行流水线的方式进行旋转迭代, 提高了程序的最大运行速度。改进型CORDIC结构的原理图如图4所示。
如图4所示, 采用三级旋转结构。第一级有5次迭代, 其旋转方向预存入一个小的ROM表;第二级有4次迭代, 其旋转方向采用估计的方式进行预测;第三级在误差范围允许内, 用6×6 b的乘法代替迭代运算。最终实现两路正弦信号的输出。
程序按照图3的原理结构图, 采用VHDL语言和原理图结合的方式, 在QuartusⅡ编译环境下, 采用模块化的思想实现。图5是IQ调制器实现顶层原理图, 主要有m序列产生, 星座图映射, 相位累加器, 象限映射控制器, 前端处理, 后端处理以及CORDIC算法的计算模块。
图5中, 输入信号有频率控制字fcw, 基带信号产生时钟clkbase, IQ调制模块运行时钟clk, 以及复位信号;输出有xout和yout, 其中xout为调制信号输出。
2.3 控制器程序设计
控制器程序包括主程序和执行程序。主程序完成系统自检和初始化, 并通过显示器显示启动界面和主界面。执行程序通过键盘完成相应功能和参数的选择和设定。主程序流程图如图6所示。
主界面由菜单区、方式选择区/参数设置区和状态显示三部分构成, 如图7所示。
3 仿真与验证
本文通过Modelsim仿真、Matlab性能分析以及实际测试来验证设计的正确性和优越性。
3.1 Modelsim仿真及Matlab分析
IQ调制器可以产生多种调制信号, 限于篇幅, 给出64QAM的仿真图。根据QuartusⅡ时序分析得到设计支持的最大系统时钟为100 MHz, 仿真采用系统时钟为20 MHz, 频率字为226, 即载波频率为312.5 k Hz, 基带信号频率即PN码产生时钟为78.125 k Hz。得到Modelsim仿真图如图8所示。其中, 图8 (a) 是图8 (b) 的放大图, 可以直观地看到幅度和相位的跳变。图中信号从上至下依次是系统时钟, 基带信号时钟, IQ两路基带信号, 调制信号以及PN9序列, 可以明显地看出结果的正确性。
另外, 由该方式产生的载波具有很高的SFDR。这里取时钟clk为100 MHz, 频率字任取为220 (32位) , 输出频率为24.4 k Hz。图9是用Matlab对仿真数据进行FFT变换得到的载波频谱图, 可以直观地看出SFDR的值。
由图9可以看出, 此时SFDR为-78 d B。由于DDS中存在相位截断误差和幅度量化误差, 对于相位截断为16位, 幅度量化为13位的输出信号, 其理论值为-80.02 d B。SFDR接近理论值。由此可表明本方法产生的信号性能良好。
3.2 实际验证
将程序下载到硬件电路中进行验证, 得到实际产生的64QAM调制图形, 为了方便观察, 设置载波频率为3.05 k Hz, 基带信号时钟为1 k Hz。测试结果如图10所示。图10 (a) 显示调制信号具有良好的波形。从示波器参数中可以看到载波频率都为3.05 k Hz左右, 与理论值相符。
4 结语
本文实现了一种新型的矢量信号源IQ调制器, 给出了硬件电路结构和软件设计方法以及仿真和测试结果。该调制器采用星座图调制和CORDIC算法, 实现多种调制方式, 还能产生严格正交的载波信号用于其他电路。使用在矢量信号源中, 减少了资源的占用, 提高了程序的运行速度, 节约成本。仿真和测试结果验证了设计的正确性。将该矢量信号源应用于实验环境, 可以满足大量通信技术方面的实验需要, 具有一定的实用意义。
参考文献
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[4]聂伟, 饶金玲.基于改进型CORDIC算法和FPGA的DDS实现[J].电子技术应用, 2013, 39 (12) :45-48.
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[6]聂伟, 王昭辉, 汤作伟.基于FPGA的数字调制器的实现[J].实验技术与管理, 2007, 24 (9) :89-92.
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[10]VOLDER J E.The CORDIC trigonometric computing technique[J].IRE Transactions on Electronic Computers, 1959 (3) :330-334.
iq算法论文 篇3
2009年4月我院引进了美国GE Innova 3100-IQ数字平板血管造影机, 该设备采用全新的数字化技术, 造影安全快捷、图像清晰、诊断准确迅速、图像处理功能强大, 具有数字摄影、模拟透视、数字透视、采集图像自动存储、动态播放、多角度投照采集、图像后处理、心脏分析等多种功能。
1 故障一
1.1 故障现象
平板探测器不能升降。随着微电子学与计算机的发展, 医学影像技术进入了全新的数字医学影像时代[1]。该机的数字化平板探测器采用超高速平板技术, 是读出速度最快的平板探测器[2]。它采用尺寸为31 cm×31 cm、像素大小为200μm、空间分辨率为2.5 lp/mm的数字化平板探测器[3], 结合高效的循环制冷温控技术, 集成化程度高, 成像质量清晰。其中该平板的升降系统最为重要, 因手术中会频繁地使用, 故发生故障也在所难免。
进入操作系统的service, 查看错误信息Error log, 报错“Error 1050130, Lift Failuer, FRT Lift AXIS POT ENCODER Failuer (升降失败, 平板升降电动机编码器故障) ”。查看C2柜里的机架控制线路板部分并重新启动。
1.2 故障分析
检查机柜中控制平板运动的MCB、PIB板, 正常;检查升降的电位器 (POT) 和电动机 (包括电动机上的ENCODER编码器) , 均工作正常;测量电位器到控制线路板上的连接数据线和电动机到控制线路板上的连接数据线, 均处于导通状态;检查刹车, 发现其两端的电压始终在24 VDC, 而在要求平板升降时未发生变动, 因此断定应该是刹车没有松开, 平板无法升降。由于POWER REST BORAD上的电源连接插头J101已经松脱 (如图1所示) , 导致刹车得不到控制信号 (控制刹车的信号是低电平有效) , 所以始终没有松开, 即使已经给平板升降的控制信号, 但是平板仍旧无法动作, 而反馈回路中的POT和EN-CODER检测不到变化, 所以就出现了这2个部件的报错。
1.3 故障处理
经过对POWER REST BORAD和刹车控制信号线路的认真排查, 仔细连接好各信号线插头后, 重点对J101排插重新连接, 故障排除, 平板的升降运动得到恢复, 设备整机运转正常。
1.4 维修心得
数字化心血管机设备功能强大、线路复杂, 必须熟悉机器的结构原理, 定期了解和检查各部件的供电电源情况, 特别是该机线路接插件很多, 对机房的温度、湿度、清洁度等环境因素要经常检查, 防止接插件及线路在恶劣的环境中引起氧化、接触不良、元器件性能下降等问题。在维修时多注意接插件的连接是否良好, 少走弯路, 节省维修时间, 确保设备在良好的工作状态下运行。
2 故障二
2.1 故障现象
系统启动不正常, 开始自检进度条出现一串报错“process down:OSAgent”“Process Gserv timeout after start process”“process lpserver timeout”, 最后图像显示器上报错“Boot fail, reset system.Xray not available” (如图2所示) , 不能进行正常曝光。
进入service界面中查看错误日志, 出现“2800006、2800066、5000020、2810011、2810012”代码。根据出现代码, 问题可分2类: (1) 通信硬件问题:2800006、5000020、2810012; (2) 软件问题:280066、2810011。
根据故障代码提示逐步进行测试。
2.2 故障分析
主机DL系统IP:165.100.10.1, 连接有2个IP地址: (1) 内网IP:165.100.10.2 (165.100.10.2是RTAC的IP地址, RTAC是一个辅助计算机系统, 具有控制曝光及采集和转化图像信号的功能, 并将信号实时地传输给主计算机DL) ping165.100.10.2报错“hardware error”。 (2) DICOM IP:157.163.200.1 (图像存储服务器PACS) , ping157.163.200.1报错“hardware error”。查看主机的网络连接, 发现显示Internal Network及Dicom Network未连接, 内网和DICOM网卡均为断开状态。检查内网和DICOM网络的HUB (路由器) , 均工作正常;检查连接DL到HUB的2根网线, 也均正常。主机DL系统CPU板上2个网口指示灯 (双网卡是集成在CPU板上的) 及HUB上该连接的2路指示灯都没有亮。关机, 重新插拔CPU板, 网口指示灯仍旧不亮;刷新CPU板上的BIOS, 故障依旧;重新安装系统软件, 故障依旧。由此, 可判断是CPU板上控制网络部分线路损坏 (如图3所示) 。
2.3 故障处理
由于此故障分析为单一的网络故障, 其他功能正常, 而厂家只有DL主机, 无单独为CPU板备件, DL主机价格又非常昂贵, 决定尝试替代法排除网络故障。查看DL主机CPU板上网卡芯片为Broadcom5704, 并且主板上有多余PCI插槽, 从计算机市场上购买了一块Broadcom PCI-X Gigabit Ethernet新双口千兆服务器网卡, 插到主板上闲置的PCI插槽里 (如图4所示) , 安装驱动, 重新设置IP地址, Inter Network:165.100.10.1;Dicom Network:157.163.200.1, 并ping内网IP和DICOM IP, 显示连接正常, 机器重启后一切恢复正常, 故障排除。
2.4 维修心得
从此次故障可以看出, 厂方为争取利益最大化及管理制度程式化, 并未授权厂方售后提供全部计算机备件。为此, 院方工程师就显得尤为重要, 既要协调好双方的服务质量, 又要尽力为院方节约资金, 才能保证设备的正常运转。
参考文献
[1]张云萍, 卢峰.平板探测器全数字血管再赢系统的技术发展[J].中华现代影像学杂志, 2009, 6 (6) :349-351.
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