梁志國
(航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所 計量與校準(zhǔn)技術(shù)重點實驗室,北京100095)
四參數(shù)正弦曲線擬合在計量測試領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,它可以獲得擬合正弦波形的幅度、頻率、相位、直流分量四個參數(shù),還可以用于A/D有效位數(shù)的評價[1-11]。有關(guān)這些參數(shù)的擬合誤差,一直受到關(guān)注[12-17],但卻缺乏簡便易行的獲取方法。
相關(guān)研究中,以美國NIST的Deyst等人的最為著名[18],研究內(nèi)容主要涉及影響誤差的因素包括諧波、抖動、信噪比、初始相位、序列(周波數(shù)、序列長度)等,這些因素對幅度、頻率、初始相位、直流分量四個擬合參數(shù)的影響,分別通過經(jīng)驗公式和仿真曲線的方式予以表征,給出了這些因素產(chǎn)生影響的誤差界。后續(xù)的以正弦模型為基礎(chǔ)的擬合參數(shù)的不確定度評定,多以此研究工作為基礎(chǔ)[19-21]。該項工作需要先對正弦采樣序列分別進行諧波分析、抖動分析和噪聲分析,然后確定誤差界。關(guān)于抖動分析,除文獻[22]以外,未發(fā)現(xiàn)有其它理想的方式可進行全部四個參量的抖動分析。另外,由于采樣序列均有量化誤差存在,量化誤差對擬合參數(shù)的影響并未單獨提及。
與眾多誤差因素相比,量化誤差是起決定因素的主導(dǎo)分量。此時,其對正弦序列擬合參數(shù)誤差的影響狀況如何也是人們最為關(guān)注的,并不是簡單套用上述Deyst等人的工作結(jié)論就能圓滿解決的。
在工程實踐中,12位A/D的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛,本文將以12位A/D的量化為前提條件,通過仿真搜索,分別變化幅度、頻率、初始相位、直流分量、序列所含周波數(shù)、序列長度等測量條件,尋找出擬合正弦參數(shù)變化的誤差界,以便給12位A/D的采集測量場合四參數(shù)正弦擬合的誤差和不確定度評定提供參考和借鑒。并在已有測量誤差要求的前提下,通過選擇測量條件達到測量目的。
在正弦波數(shù)據(jù)采集中,被測波形的幅度、頻率、直流分量等參量,包括抖動、失真、諧波、噪聲等參量,是客觀存在的,很難被干預(yù)而變動。而測量條件,包括測量儀器系統(tǒng)的幅度量程、A/D位數(shù)、采樣速率、存儲深度、通頻帶、幅度測量誤差、線性度、采樣速率誤差等,則可通過自主選擇而變化。
在正弦波采樣測量中,采樣速率與信號頻率之比是每個周波的采樣點數(shù),可通過選擇采樣速率改變比值;當(dāng)其確定后,采樣序列長度決定了其所包含周波數(shù)的多少。
通過選取量程,改變被測信號幅度與量程的占比;通過選擇不同A/D位數(shù)的測量儀器和系統(tǒng),改變量化誤差的大小。最終,用于改變正弦波擬合參數(shù)的誤差界。
綜合考慮各方面因素,選出具有相互獨立性和系統(tǒng)完備性的左右量化誤差影響的測量條件包括:
①A/D位數(shù):用于確定量化水平及影響;②采樣序列包含周波數(shù):確定周波數(shù)的影響;③序列樣本點數(shù):確定存儲深度的影響;④信號幅度:確定幅度變動的影響;⑤初始相位:確定信號相位變化帶來的影響;⑥直流分量:確定直流分量變化帶來的影響。
經(jīng)過四參數(shù)正弦曲線擬合后,獲得的指標(biāo)特征參量包括:①有效位數(shù)誤差界,以Bit表述;②擬合幅度誤差界,以LSB表述;③擬合頻率誤差界,以相對誤差表述;④擬合相位誤差界,以度(°)表述;⑤擬合直流分量誤差界,以LSB表述。其中,LSB(least Bit)稱為最小量化階梯值,有時也稱為量化誤差值,由采集系統(tǒng)的量程和采用的A/D位數(shù)確定。
正弦參數(shù)擬合的誤差界,是在上述六項測量條件下,固定其中的五項,變化一項,搜索出該條件變化時,四參數(shù)正弦擬合所獲得的有效位數(shù)、幅度、頻率、相位、直流分量等五項指標(biāo)的誤差界。
為方便參數(shù)調(diào)控,不失一般性,設(shè)定包含六項測量條件的仿真實驗條件包括:
1)A/D位數(shù)
A/D位數(shù)的基本參量為12 bit。
2)采樣序列包含周波數(shù)
未特別說明時,采樣序列包含周波數(shù)為20個;作為主變化因素時,變化范圍為0.90~21.00個周波,0.01周波步進;作為輔助變化量時,變化范圍為2~20個周波,1周波步進。
3)序列樣本點數(shù)
未特別說明時,序列樣本點數(shù)為16000點;作為主變化因素時,變化范圍為100~16000點,1點步進;作為輔助變化量時,變化范圍為1000~16000點,1000點步進。
4)信號幅度
未特別說明時,幅度為(85.4494%×量程);作為主變化因素時,幅度宏觀變化范圍為量程的4.883%~100%,0.1 LSB步進;作為輔助變化量時,在(85.4494%×量程點)處,其微觀變化范圍為-0.5 LSB~0.5 LSB,0.1 LSB步進。
5)初始相位
未特別說明時,初始相位為0°;作為主變化因素時,變化范圍為-180°~180°,0.1°步進;作為輔助變化量時,變化范圍為-180°~180°,20°步進。
6)直流分量
未特別說明時,直流分量為0;作為主變化因素時,變化范圍為-2 LSB~2 LSB,0.01LSB步進;作為輔助變化量時,變化范圍為-0.5 LSB~0.5 LSB,0.1 LSB步進。
按照上述仿真實驗條件,分別以一種參量為主變化因素、另一種參量為輔助變化因素生成實際的仿真條件,考察各指標(biāo)要素的誤差變化情況。
3.2.1 幅度作為主變化因素
當(dāng)幅度作為主變化因素時,周波數(shù)作為輔助變化量,獲得如圖1所述的誤差變化曲線波形;相位作為輔助變化量,獲得如圖2所述的誤差變化曲線波形;直流分量作為輔助變化量,獲得如圖3所述的誤差變化曲線波形;數(shù)據(jù)點數(shù)作為輔助變化量,獲得如圖4所述的誤差變化曲線波形。
3.2.2 周波數(shù)作為主變化因素
當(dāng)周波數(shù)作為主變化因素時,幅度作為輔助變化量,獲得如圖5所述的誤差變化曲線波形;初始相位作為輔助變化量,獲得如圖6所述的誤差變化曲線波形;直流分量作為輔助變化量,獲得如圖7所述的誤差變化曲線波形;數(shù)據(jù)點數(shù)作為輔助變化量,獲得如圖8所述的誤差變化曲線波形。
圖1 幅度與周波數(shù)同時變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖2 幅度與相位同時變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖3 幅度與直流分量同時變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖4 幅度與數(shù)據(jù)點數(shù)同時變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖5 周波數(shù)與幅度同時變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖6 周波數(shù)與相位同時變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖7 周波數(shù)與直流分量變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖8 周波數(shù)與數(shù)據(jù)點數(shù)變化時的參數(shù)擬合誤差界
3.2.3 初始相位作為主變化因素
以初始相位作為主變化因素時,幅度作為輔助變化量,獲得如圖9所述的誤差變化曲線波形;周波數(shù)作為輔助變化量,獲得如圖10所述的誤差變化曲線波形;直流分量作為輔助變化量,獲得如圖11所述的誤差變化曲線波形;數(shù)據(jù)點數(shù)作為輔助變化量,獲得如圖12所述的誤差變化曲線波形。
3.2.4 直流分量作為主變化因素
以直流分量作為主變化因素時,幅度作為輔助變化量,獲得如圖13所述的誤差變化曲線波形;周波數(shù)作為輔助變化量,獲得如圖14所述的誤差變化曲線波形;初始相位幅度作為輔助變化量,獲得如圖15所述的誤差變化曲線波形;數(shù)據(jù)點數(shù)作為輔助變化量,獲得如圖16所述的誤差變化曲線波形。
3.2.5 數(shù)據(jù)點數(shù)作為主變化因素
以數(shù)據(jù)點數(shù)作為主變化因素時,幅度作為輔助變化量,獲得如圖17所述的誤差變化曲線波形;周波數(shù)作為輔助變化量,獲得如圖18所述的誤差變化曲線波形;初始相位作為輔助變化量,獲得如圖19所述的誤差變化曲線波形;直流分量作為輔助變化量,獲得如圖20所述的誤差變化曲線波形。
3.3.1 有效位數(shù)誤差界
從圖1(a)~圖20(a)可以看出:
1)數(shù)據(jù)點數(shù)是影響有效位數(shù)誤差界(誤差包絡(luò)線)的最重要因素,總體而言,當(dāng)數(shù)據(jù)點在1000點以下時,隨著數(shù)據(jù)點數(shù)的增大,可導(dǎo)致有效位數(shù)誤差界的單調(diào)變窄。當(dāng)數(shù)據(jù)點在1000點以上時,誤差帶比較平穩(wěn),此時,有效位數(shù)誤差界下界為-0.2 Bit,上界為0.5 Bit。
2)當(dāng)幅度在量程范圍內(nèi)大尺度變化時,在半量程以下,且數(shù)據(jù)點數(shù)較少時(例如幾千點以下),有效位數(shù)誤差界隨幅度增加呈緩慢下降趨勢;當(dāng)幅度量程比在50%以上時,誤差界趨于平穩(wěn),其誤差下界為-0.21 Bit,上界為0.25 Bit;若數(shù)據(jù)點數(shù)達到9000點以上,可以導(dǎo)致其誤差下界為-0.2 Bit,上界為0.2 Bit。幅度在LSB量值尺度的微觀進行變化時,有效位數(shù)誤差隨幅度變化呈局部周期性變化,幅度周期為1 LSB。
圖9 初始相位與幅度同時變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖10 初始相位與周波數(shù)變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖11 初始相位與直流分量變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖12 初始相位與數(shù)據(jù)點數(shù)變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖13 直流分量與幅度變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖14 直流分量與周波數(shù)變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖15 直流分量與相位變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖16 直流分量與數(shù)據(jù)點數(shù)變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖17 數(shù)據(jù)點數(shù)與幅度變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖18 數(shù)據(jù)點數(shù)與周波變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖19 數(shù)據(jù)點數(shù)與相位變化時的參數(shù)擬合誤差界
圖20 數(shù)據(jù)點數(shù)與直流分量變化時的參數(shù)擬合誤差界
3)有效位數(shù)誤差不隨周波數(shù)的變化而變化的趨勢,其誤差帶平穩(wěn),且存在個別跳動點,誤差帶下界為-0.08 Bit,上界為0.08 Bit。
4)初始相位因素對有效位數(shù)影響的誤差帶波動平穩(wěn),但是,幅度、周波數(shù)、直流分量等因素會影響誤差帶寬度和位置,其波動的誤差下界為-0.1 Bit,上界為0.2Bit。
5)直流分量在LSB量值尺度進行微觀變化時,有效位數(shù)誤差隨其變化呈周期性變化,幅度周期為1 LSB,其波動的誤差下界為-0.1 Bit,上界為0.085 Bit。在直流分量變化時,其它因素的變化對誤差界也有影響,按照影響由大到小,依次為幅度、數(shù)據(jù)個數(shù)、周波數(shù)、初始相位。
3.3.2 幅度誤差界
從圖1(b)~圖20(b)可以看出:
1)數(shù)據(jù)點數(shù)是影響幅度誤差界的重要因素,當(dāng)數(shù)據(jù)點在1000點以下時,隨著數(shù)據(jù)點數(shù)的增大,可導(dǎo)致幅度誤差界的單調(diào)變窄;當(dāng)數(shù)據(jù)點在1000點以上時,其誤差界趨于平穩(wěn),此時,誤差界下界約為-0.1 LSB,上界約為0.1 LSB。
2)在量程范圍內(nèi)大尺度變化時,幅度誤差界隨幅度增加呈平穩(wěn)趨勢,下界均為-0.2 LSB,上界為0.2 LSB,其它對其影響的因素按重要性排列依次為數(shù)據(jù)個數(shù)、直流分量、初始相位、周波數(shù)。幅度在LSB量值尺度的微觀進行變化時,幅度誤差隨幅度變化呈局部周期性變化,下界為-0.07 LSB,上界為0.06 LSB,變化周期為1 LSB,不同幅度將改變幅度誤差的量值。
3)周波變化給幅度誤差界帶來的影響比較平穩(wěn),下界約為-0.06 LSB,上界約為0.06 LSB,但不同的周波的誤差界差異可能較大。
4)初始相位因素的影響處于平穩(wěn)波動狀態(tài),不同初始相位的波動帶可能有明顯的寬窄和位置差異,下界為-0.08 LSB,上界為0.09 LSB。
5)幅度誤差界隨直流分量的變化呈周期變化,周期為1 LSB,下界為-0.07 LSB,上界為0.06 LSB。
3.3.3 頻率誤差界
從圖1(c)~圖20(c)可以看出:
1)數(shù)據(jù)點數(shù)與周波數(shù)的結(jié)合是影響頻率誤差界的最重要因素。數(shù)據(jù)點數(shù)的增大,可以導(dǎo)致頻率誤差界的變窄,但并非單調(diào)變窄。1000點以上的數(shù)據(jù)點數(shù),1/4量程以上的幅度,可以獲得頻率誤差界下界為-1.0×10-5,上界為1.0×10-5;更窄的誤差界需要更多的數(shù)據(jù)點數(shù)。
2)頻率誤差隨幅度增加呈衰減下降趨勢,但不是單調(diào)下降,主要由幅度、周波數(shù)的變化確定,半量程幅度以后,其頻率誤差下界為-1.8×10-6,上界為2.6×10-6。
3)周波數(shù)增大時,頻率誤差隨周波數(shù)增加呈震蕩衰減趨勢,但并不一直單調(diào)下降,其中,與初始相位結(jié)合的影響比其它因素顯著,4個周波以上時,頻率誤差下界為-1.5×10-5,上界為1.5×10-5。
4)初始相位、直流分量因素的影響可以忽略。
3.3.4 初始相位誤差界
從圖1(d)~圖20(d)可以看出:
1)數(shù)據(jù)點數(shù)與周波數(shù)的結(jié)合,是影響初始相位誤差界的最重要因素,數(shù)據(jù)點數(shù)的增大,可以導(dǎo)致初始相位誤差界的變窄,但并非單調(diào)變窄。1000點以上的數(shù)據(jù)點數(shù),其誤差界下界為-0.06°,上界為0.06°;更窄的誤差界需要更多的數(shù)據(jù)點數(shù)。
2)初始相位誤差隨幅度增加呈衰減下降趨勢,但不單調(diào)下降,主要由幅度、周波數(shù)的變化確定,下界為-0.018°,上界為0.014°;半量程以上的幅度,可以降為下界為-0.001°,上界為0.001°。
3)當(dāng)周波數(shù)變化時,初始相位誤差界比較平穩(wěn),下界為-0.001°,上界為0.001°;在數(shù)據(jù)個數(shù)較低時,會有較大跳變,下界為-0.0025°,上界為0.0025°。
4)初始相位誤差界,隨初始相位本身、直流分量等各種因素影響而變化的規(guī)律均為平穩(wěn)。下界為-0.002°,上界為0.002°;當(dāng)數(shù)據(jù)個數(shù)較少時,會有增加,可達下界為-0.005°,上界為0.005°。
3.3.5 直流分量誤差界
從圖1(e)~圖20(e)可以看出:
1)數(shù)據(jù)點數(shù)是影響直流分量誤差界的重要因素之一,在1000點以下,數(shù)據(jù)點數(shù)的增大,可以導(dǎo)致直流分量誤差界的變窄;1000點以上,其誤差界比較平穩(wěn),下界為-0.05 LSB,上界為0.05 LSB。
2)0值的直流分量誤差界隨幅度增加呈緩慢上升趨勢,主要由于幅度上升后,接近0值的直流分量與其相差懸殊,運算舍入誤差造成,下界為-0.014 LSB,上界為0.014 LSB;非0值的直流分量誤差界量值由幅度、直流分量組合變化確定,幅度大尺度變化時,誤差界比較平穩(wěn),下界為-0.08 LSB,上界為0.08 LSB;隨著直流分量的不同,誤差界寬度與位置呈較多的變化。
3)周波數(shù)為2及以上時,同一周波數(shù),直流分量誤差界隨幅度增加呈緩慢增加規(guī)律性變化;而不同周波數(shù)時,直流分量誤差界有顯著不同,并無單調(diào)趨勢;當(dāng)周波數(shù)為1時,幅度直流分量誤差界有顯著性增大,且誤差界變化的規(guī)律為隨幅度增加呈緩慢下降趨勢。
4)初始相位因素對直流分量誤差的影響可以忽略,下界為-0.005 LSB,上界為0.005 LSB。
5)直流分量在LSB尺度的微觀變化將導(dǎo)致其自身誤差較大變化,局部具有周期性特征,以1 LSB為周期,下界為-0.02 LSB,上界為0.02 LSB。
表1 正弦擬合參數(shù)的條件誤差界(12Bit A/D)
上述過程,是提取出幅度、周波數(shù)、相位、直流分量和數(shù)據(jù)點數(shù)作為變動參量,使用有效位數(shù)誤差、幅度誤差、頻率相對誤差、相位誤差和直流分量誤差作為正弦擬合結(jié)果的指標(biāo)參量。并以其中每一參量作為主變動因素,其它四項參量作為輔助變量的情況進行了二維搜索,揭示了雙變量組合變化情況下的各個指標(biāo)參量誤差界的變化情況,獲得了不同組合實驗條件下的誤差界測量曲線。結(jié)果表明:
1)擬合序列的數(shù)據(jù)點數(shù)仍然是最重要的測量條件,也是影響擬合結(jié)果的誤差界的主導(dǎo)條件,若想獲得更高準(zhǔn)確度的擬合結(jié)果,通常需要更多的數(shù)據(jù)點數(shù)。就本文所述的有20個周波的測量序列而言,8000點以上的數(shù)據(jù)點數(shù)可以獲得更良好的擬合結(jié)果。
對于隨機噪聲的影響而言,擬合序列的數(shù)據(jù)點數(shù)的增加,可以導(dǎo)致擬合結(jié)果誤差界的單調(diào)下降,而本文的實驗表明,對于量化誤差的影響而言,并未完全呈現(xiàn)出同樣的單調(diào)規(guī)律,具體原因需要將來進一步研究予以解決。
2)波形幅度是指其相對量程范圍的占比而言,實驗表明,相對于相鄰幅度,擬合頻率誤差和擬合相位誤差均較大,并且這樣的幅度規(guī)則出現(xiàn),原因不明,需要進一步研究予以解決。超過半量程以后幅度的信號波形,其擬合誤差界趨于平穩(wěn)。因此,測量活動應(yīng)盡量選擇半量程以上覆蓋率的幅值進行。
3)周波數(shù)的影響實際上體現(xiàn)的是采樣速率和信號頻率比的影響,實驗表明,只有頻率擬合誤差隨周波數(shù)的增加呈震蕩衰減趨勢,并且周波數(shù)越小,變化趨勢越顯著,在10個周波以后的變化趨勢趨于平穩(wěn)。某些周波點上,誤差界會有突然增大的現(xiàn)象,具體原因需要進一步研究。
若想獲得較小的擬合誤差,則應(yīng)適當(dāng)提高擬合序列周波數(shù),至少應(yīng)為2個周波以上;和多周波條件相比,2個以下的周波數(shù)將使得擬合誤差顯著升高。
對于頻率以外的其它參數(shù),非整數(shù)的周波數(shù)變化,會給誤差界帶來小幅波動;但誤差帶的總體趨勢平穩(wěn),隨周波數(shù)變動沒有明顯趨勢性變化。
4)初始相位的變化,對每一個參量擬合的影響都處于變化狀況,當(dāng)其它因素固定時,僅由初始相位變化導(dǎo)致的各個參數(shù)誤差帶波動平穩(wěn)。但其它因素變化后,由初始相位變化導(dǎo)致的各個參數(shù)誤差帶寬度和位置可以有較大變化。
其對于有效位數(shù)誤差帶的影響約為±0.1 Bit;對于幅度擬合誤差帶的影響約為±0.1 LSB;對于頻率擬合誤差帶的影響約為±1.0×10-6;對于初始相位擬合誤差帶的影響約為±0.0042°;對于直流分量擬合誤差帶的影響約為±0.01 LSB。
5)直流分量的變化,本文只關(guān)注到了LSB量值范圍的變化帶來的影響,在該尺度上,它的變化給每一個參量的誤差帶均帶來周期性影響,給其它參量誤差帶的影響均呈現(xiàn)明顯的對稱性,而給直流分量自己的誤差帶的影響則具有反稱性特征。
配合其它因素的變動,直流分量的微觀變化可對有效位數(shù)造成的誤差帶的影響約為±0.1 Bit;對于幅度擬合誤差帶的影響約為±0.1 LSB;對于頻率擬合誤差帶的影響約為±5.0×10-7;對于初始相位擬合誤差帶的影響約為±0.002°;對于直流分量擬合誤差帶的影響約為±0.05 LSB。
6)若在實際工作中,并不需要獲得全部上述5個參量,而僅僅需要其中某一個參量的高精度結(jié)果,例如有效位數(shù),則可以根據(jù)該參量的影響因素顯著程度,只注意調(diào)控和構(gòu)建所需要的影響量條件即可,其它可以自由選取,不必全盤考慮,將使得實驗設(shè)計更加容易些。
通過和4 Bit及8 Bit A/D量化的仿真數(shù)據(jù)相比,12 Bit量化的誤差界有著很多不同的特征。其中,最大特征是幅度變化和直流分量變化對誤差界的影響占比變?nèi)?,而初始相位變化對誤差界影響的占比增強,并且,誤差界的變化趨勢更趨平穩(wěn),誤差界的量值也有很大差異,尚無普適性規(guī)律,很難使用一個代替另外一個,需要分別搜索和應(yīng)用。
文章通過大量仿真實驗,對使用12 Bit A/D轉(zhuǎn)換器的測量系統(tǒng)所得的正弦測量序列,在波形擬合中獲得的幅度、頻率、初始相位、直流分量和有效位數(shù)5個參數(shù)的擬合誤差界進行了搜索研究,給出了誤差界隨波形幅度、周波數(shù)、初始相位、直流分量、數(shù)據(jù)點數(shù)等不同組合條件而變化的曲線,揭示出其變化規(guī)律。
例如,頻率擬合誤差界隨幅度宏觀上升變化而呈現(xiàn)出的總體下降趨勢;隨幅度和直流分量在LSB尺度的微觀變化呈現(xiàn)出的周期性變化規(guī)律;隨周波數(shù)、數(shù)據(jù)點數(shù)上升而呈現(xiàn)出的總體下降趨勢;并發(fā)現(xiàn)了誤差規(guī)律隨幅度、周波數(shù)、數(shù)據(jù)點數(shù)上升過程中的非單調(diào)現(xiàn)象;總結(jié)出了顯著影響量和非顯著影響量。對正弦擬合參量的不確定度評估和誤差界定具有重要意義和價值。另外,對于擬合參數(shù)誤差有明確要求的場合,可以通過構(gòu)筑相適應(yīng)的測量條件獲得預(yù)期結(jié)果。由于使用12 Bit A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)眾多,正弦擬合越來越成為高精度測量分析的重要手段,因而,本文獲得的結(jié)論將擁有良好的實際應(yīng)用前景。