33、电力线电磁辐射中的自然时间戳技术解析

电力线电磁辐射中的自然时间戳技术解析

1. 数据采集与存储

MCU（微控制器单元）将测量数据流式传输到RPi（树莓派）进行UTC时间戳标记。带有时间戳的交流周期长度测量数据会进一步流式传输到服务器进行长期存储。交流周期长度测量数据可轻松转换为电力线频率（ENF）测量数据。我们的ENF捕获设备测量ENF的分辨率为0.3 mHz。通过分布在城市中的多个数据库节点进行测量，发现整个城市记录的ENF几乎相同，平均误差为0.1 mHz。因此，在城市范围内进行实验时，单个ENF数据库节点就足够了。

2. ENF提取算法

2.1 提取方法选择

采用时域方法检测近似正弦的电磁辐射（EMR）信号的过零点。该方法基于一秒内的EMR测量数据，在估计ENF值时可达到几mHz的精度。另一种频域方法是对EMR测量数据应用快速傅里叶变换（FFT），然后将主频率作为ENF。但FFT需要x秒的数据才能生成分辨率为1/x Hz的ENF估计值，要达到1 mHz的分辨率，需要超过16分钟的EMR数据，因此无法跟踪对自然时间戳至关重要的亚秒级时间分辨率下的ENF波动。

2.2 滑动窗口计算ENF

利用检测到的过零点，使用滑动窗口方法计算ENF轨迹。对于由K个交流周期组成的每个窗口，ENF测量值计算为 ( f = \frac{K}{\sum_{i = 1}^{K}t_i} )，其中 ( t_i ) 是第i个交流周期的持续时间，由RPi或Z1本地时钟计时。窗口每次滑动一个交流周期。较大的K值可通过平均减少f的噪声，但也会降低对ENF变化的敏感度。

2.3 过零检测挑战与解决方案

EMR信号通常包含高频和低频噪声