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研究生:許峯豪
研究生(外文):Feng-Hao Hsu
論文名稱:基於心臟收縮陣列之小波-Hilbert轉換整合及其FPGA應用電力品質訊號監測
論文名稱(外文):Systolic Array-Based Wavelet and Hilbert Transform Computations with Application to Electric Power Quality Signal Monitoring
指導教授:黃世杰黃世杰引用關係
指導教授(外文):Shyh-Jier Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:電機工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:137
中文關鍵詞:Hilbert轉換小波轉換心臟收縮陣列
外文關鍵詞:systolic arraywavelet transformhilbert transform
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電力品質監測之研究已躍為當今供電產業與高科技工業之發展重點,若能有效掌握各種電力品質污染源,並即時提出因應對策,將可大幅減少電費支出,且有助於機器運轉壽命之延續。故本文之研究主旨即在於提出一個具有高度計算能力之時頻辨識方法,整合小波轉換與Hilbert轉換於電力訊號之時頻分析,同時提出相對應之VLSI架構,並輔以心臟收縮陣列架構予以設計,期能透過場規劃邏輯陣列將其硬體電路實現,並結合類比數位轉換模組,完整創新建構電力品質監測系統;又為驗證本研究方法之實用性,本文分別應用所提演算法及硬體電路評估驗證電壓中斷、電壓驟降驟昇、諧波及電容切換暫態等電力品質訊號之監測效能,測試結果輔以佐證本文所提方法確具良好之時頻定位能力,且應有助於電力訊號之分析與檢測。
Electric power quality monitoring has emerged to be a critical issue from perspectives of power producers and high-tech industries. By grasping the polluted source as well as adopting efficient strategies, electricity cost can be significantly reduced, while the life of equipment will become longer. In view of this importance, a novel method with high-efficiency time-frequency computation is proposed in this thesis, in which the wavelet transform is integrated with Hilbert transform such that the monitoring performance is significantly improved. Meanwhile, a systolic array-based design of field programmable gate array (FPGA) is also employed to reach the hardware realization, where the analog-to-digital circuit is combined such that a platform of electric power quality monitoring is overall realized. In order to assess the performance of this prototype, signals including voltage interruption, voltage sag, voltage swell, voltage harmonics, and capacitor-switching transients are all tested. Software simulations and experimental results help support the proposed method for the application considered.
目 錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究方法 3
1.3 論文架構 4
第二章 相關理論及問題描述 5
2.1 Hilbert轉換 5
2.2 Hilbert-Huang轉換演算法 8
2.3 小波轉換 11
2.4 多重解析度分析 12
2.5 快速小波轉換 13
2.6 分析運算流程 15
第三章 軟體模擬及分析 17
3.1 測試1:正常電壓訊號 19
3.2 測試2:電壓中斷訊號(Voltage Interruption) 21
3.3 測試3:電壓驟降(Voltage Sag) 23
3.4 測試4:電壓驟昇(Voltage Swell) 25
3.5 測試5:諧波(Harmonics) 27
3.6 測試6:電容切換暫態(Capacitor-Switching Transients) 29
第四章 硬體之規劃與設計 31
4.1 類比轉數位模組 31
4.1.1 類比數位轉換之邏輯控制 36
4.1.2 類比數位轉換之模組驗證 39
4.2 數字系統 41
4.3 陣列式之硬體架構設計 45
4.3.1 資料計算之相依性 47
4.3.2 小波轉換之硬體設計 50
4.3.2.1 小波轉換之模擬驗證 64
4.3.2.2 小波轉換模組之組態 68
4.3.3 Hilbert轉換之硬體設計 70
4.3.3.1 Hilbert轉換模組之模擬驗證 89
4.3.3.2 Hilbert轉換模組之組態 92
4.4 傳送模組 93
4.4.1 傳送模組之模擬驗證 97
4.4.2 傳送模組之組態 98
4.5 系統架構 100
第五章 硬體測試與分析 104
5.1 正常電壓訊號 105
5.2 測試1:電壓中斷(Voltage Interruption) 109
5.3 測試2:電壓驟降(Voltage Sag) 112
5.4 測試3:電壓驟昇(Voltage Swell) 116
5.5 測試4:諧波(Harmonics) 120
5.6 測試5:電容切換暫態(Capacitor-Switching Transients) 124
第六章 結論與未來研究方向 130
6.1 結論 130
6.2 未來研究方向 131
參考文獻 132
作者簡介 137
表目錄
表3.1 電力品質之特性及分類 18
表4.1 AD976A之腳位及功能描述 34
表4.2 轉換時序參數之組合 36
表4.3 AD976A之控制轉換與擷取時序設定 38
表4.4 定點數表示法其轉換結果 42
表4.5 小波轉換之DG映射至SFG I 57
表4.6 小波轉換之DG映射至SFG II 59
表4.7 DG映射至心臟收縮陣列 60
表4.8 小波轉換之心臟收縮陣列各PE運算排程表 63
表4.9 DB-10小波濾波器組之濾波係數 65
表4.10 小波轉換運算結果y(0)之算術比對 66
表4.11 x+(i, j)與x-(i, j)對照表 76
表4.12 Hilbert轉換之DG映射至SFG I 81
表4.13 Hilbert轉換之DG映射至SFG II 83
表4.14 Hilbert轉換之心臟收縮陣列各PE運算排程表 86
表4.15 Hilbert轉換運算結果y(0) ~ y(3)之算術比對表 90
表4.16 UART傳送器之腳位特性 94
表4.17 UART傳送器之使用元件 95
表5.1 電容切換暫態波形之游標點數對應時間設定表 124
圖目錄
圖2.1 (a) 含有6Hz與20Hz頻率成份的正弦波訊號 7
圖2.1 (b) 瞬時頻率 7
圖2.1 (c) 瞬時振幅 7
圖2.2 快速小波轉換分解示意圖 14
圖2.3 小波轉換之頻帶分離特性圖 16
圖2.4 分析運算流程圖 16
圖3.1 濾波係數之頻率增益響應圖(a)高通濾波係數 17
圖3.1 濾波係數之頻率增益響應圖(b)低通濾波係數 17
圖3.2 正常電壓訊號 19
圖3.3 正常電壓訊號及其小波轉換分解結果 20
圖3.4 正常電壓訊號之Hilbert頻譜分析結果 20
圖3.5 電壓中斷訊號 21
圖3.6 電壓中斷訊號及其小波轉換分解結果 22
圖3.7 電壓中斷訊號之Hilbert頻譜分析結果 22
圖3.8 電壓驟降訊號 23
圖3.9 電壓驟降訊號及其小波轉換分解結果 24
圖3.10 電壓驟降訊號之Hilbert頻譜分析結果 24
圖3.11 電壓驟昇訊號 25
圖3.12 電壓驟昇訊號及其小波轉換分解結果 26
圖3.13 電壓驟昇訊號之Hilbert頻譜分析結果 26
圖3.14 電壓諧波訊號 27
圖3.15 電壓諧波訊號及其小波轉換分解結果 28
圖3.16 電壓諧波訊號之Hilbert頻譜分析結果 28
圖3.17 電容切換暫態造成之振盪暫態 29
圖3.18 電容切換暫態訊號 29
圖3.19 電容切換暫態訊號及其小波轉換分解結果 30
圖3.20 電容切換暫態訊號之Hilbert頻譜分析結果 30
圖4.1 腳位組態 32
圖4.2 輸入輸出轉換特性 33
圖4.3 AD976A外部電路圖 35
圖4.4 AD976A之控制轉換與擷取時序圖 38
圖4.5 AD976A實際量測之邏輯分析圖 39
圖4.6 定點數表示法 42
圖4.7 數字系統轉換圖 44
圖4.8 心臟收縮陣列示意圖 45
圖4.9 矩陣相乘之相依特性圖(a)全體性 (b)區域性 48
圖4.10 DB2之小波轉換之計算相依特性圖(全體性) 54
圖4.11 DB2之小波轉換之計算相依特性圖(區域性) 55
圖4.12 處理單元內部動作 56
圖4.13 小波轉換之SFG I (a) SFG (b) PE 58
圖4.14 小波轉換之SFG II (a) SFG (b) PE 59
圖4.15 小波轉換之心臟收縮陣列 61
圖4.16 小波轉換之運算排程時間示意圖( ) 62
圖4.17 小波轉換之測試訊號 66
圖4.18 小波轉換模組之模擬波形 67
圖4.19 小波轉換模組之組態圖 69
圖4.20 小波轉換之位元長度轉換圖 69
圖4.21 Hilbert轉換基於快速傅立葉轉換之硬體實現方法 70
圖4.22 矩陣運算之旋轉特性圖 75
圖4.23 Hilbert轉換之計算相依特性圖(全體性) 77
圖4.24 Hilbert轉換之計算相依特性圖(區域性) 80
圖4.25 Hilbert轉換之SFG I 81
圖4.26 Hilbert轉換之SFG II 83
圖4.27 Hilbert轉換之偶數引數之輸出運算排程時間示意圖 85
圖4.28 Hilbert轉換之心臟收縮陣列 87
圖4.29 Hilbert轉換之完整輸出運算排程時間示意圖 88
圖4.30 小波轉換模組之模擬波形 91
圖4.31 Hilbert轉換模組組態 92
圖4.32 UART之資料型態 93
圖4.33 UART傳送器之功能方塊圖 94
圖4.34 18bits之UART傳送器之硬體電路接線圖 96
圖4.35 36bits之UART傳送器之硬體電路接線圖 96
圖4.36 UART傳送器之模擬波形 98
圖4.37 傳送模組之組態 98
圖4.38 電腦端之UART Receiver 99
圖4.39 實測環境圖 101
圖4.40 硬體電路連接圖 102
圖4.41 系統晶片合成結果圖 103
圖4.42 系統晶片工作時脈 103
圖5.1 實際正常電壓波形 105
圖5.2 正常電壓訊號及其小波轉換分解 106
圖5.3 正常電壓訊號之小波轉換各分量之Hilbert轉換 107
圖5.4 正常電壓訊號之頻譜分析結果 108
圖5.5 頭尾資料連續之正常電壓訊號之頻譜分析結果 108
圖5.6 實際電壓驟昇波形 109
圖5.7 電壓中斷訊號及其小波轉換分解 110
圖5.8 電壓中斷之小波轉換各分量之Hilbert轉換 111
圖5.9 電壓中斷訊號之頻譜分析結果 111
圖5.10 實際電壓驟昇波形 113
圖5.11 電壓驟降訊號及其小波轉換分解 114
圖5.12 電壓驟降之小波轉換各分量之Hilbert轉換 115
圖5.13 電壓驟降訊號之Hilbert頻譜分析結果 115
圖5.14 實際電壓驟昇波形 116
圖5.15 電壓驟昇訊號及其小波轉換分解 117
圖5.16 電壓驟昇之小波轉換各分量之Hilbert轉換 118
圖5.17 電壓驟昇訊號測試結果之Hilbert頻譜分析結果 119
圖5.18 實際諧波干擾波形 120
圖5.19 諧波干擾訊號及其小波轉換分解 121
圖5.20 諧波干擾訊號之小波轉換頻帶分離圖 122
圖5.21 諧波干擾訊號之小波轉換各分量之Hilbert轉換 123
圖5.22 諧波干擾訊號之Hilbert頻譜分析結果 123
圖5.23 模擬匯流排之振盪暫態電壓 125
圖5.24 模擬電容器切換造成之低頻振盪暫態 126
圖5.25 電容切換暫態之部分波形放大圖 126
圖5.26 實際電容切換暫態波形 127
圖5.27 電容切換暫態訊號及其小波轉換分解 128
圖5.28 電容切換暫態訊號之小波轉換各分量之Hilbert轉換 129
圖5.29 電容切換暫態訊號之Hilbert頻譜分析結果 129
參考文獻
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