Introduction of the Low-Entropy Signal Concept

  • Nikolay V. KOROVKIN
  • St. S. GRITSUTENKO
Keywords: digital processing of signals, fast Fourier transform, digital-to-analog and analog-to-digital converters, Gaussian noise, quantization noise, modeling accuracy

Abstract

The article introduces the concept of a low-entropy signal as a time dependence that has a small variability coefficient. A high-entropy radio signal and a low-entropy electrical signal are compared. It is determined as a result of modeling that the variability coefficient of the electrical signal is 100 or more times smaller than the radio signal variability coefficient; therefore, this indicator is selected as a criterion for discrimination of electrical and radio signals. A conclusion is drawn about the need to improve the mathematical techniques for digital processing of signals for analyzing the currents and voltages in electric power systems. It is also shown that low entropy of an electrical signal can be used for improving the accuracy of instrumentation and control equipment. The effect of quantization noise degeneration into a set of harmonic components in modeling the analog-to-digital conversion of currents and voltages in measurement devices is considered. A procedure for compensating this effect by adding white Gaussian noise prior to carry out the quantization operation is proposed. A procedure that allows better accuracy of instrumentation and control equipment to be obtained by using the low entropy of an electric signal is presented. The analog-to-digital converter circuit diagram is given, and the gain in the conversion accuracy is estimated.

Author Biographies

Nikolay V. KOROVKIN

(Peter the Great S.Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg, Russia) — Professor of Higher School of High Voltage Energy, Dr. Sci. (Eng.)

St. S. GRITSUTENKO

(Omsk State Transport University, Omsk, Russia) — Associate Professor of Information Security Dept., Cand. Sci. (Eng.)

References

1. Грицутенко С.С. Изоморфизм плотных и дискретных пространств Гильберта в цифровой обработке сигнала. — Ом­ский научный вестник, 2009, № 3(83), с. 19—22.
2. ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009). Напряжения стан­дартные. Введ. 2014-09-14. М.: Стандартинформ, 2014, 28 с.
3. Su Taixin, et al. Power harmonic and interharmonic detection method in renewable power based on Nuttall double-window all-phase FFT algorithm. — IET Renewable Power Generation, 12.8 (2018), 953—961.
4. Raichura, Maulik B., et al. Identification of Inrush and Fault Conditions in Power Transformer using Harmonic Distortion Computation. 1st Intern. Conf. on Energy, Systems and Information Processing (ICESIP), IEEE, 2019.
5. Вернер М. Основы кодирования. М.: Техносфера, 2004, 288 с.
6. Колмогоров А.Н., Прохоров Ю.В. Теория информации и теория алгоритмов. М.: Наука, 1987, 304 с.
7. Системный оператор Единой энергетической системы: Частота [Электрон. ресурс] http://so-ups.ru/?id=ees_freq (дата обращения 16.04.2018).
8. ГОСТ 32145-2013 (ГОСТ Р 53333-2008). Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнит­ная. Контроль качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 2014-01-01. М.: Стандартинформ, 2014, 28 с.
9. Бутырин П.А. Расщепление и аналитическое решение же­стких уравнений электрических цепей. - Электричество, 2018, № 9, с. 49-51.
10. Бутырин П.А., Зайцева Н.Н. Аналитическое определение чувствительности показателей качества электроэнергии к изме­нению параметров линейных электрических цепей. - Изв. РАН. Энергетика, 2014, № 2, с. 167-169.
11. Бутырин П.А. и др. Физическое моделирование поличас- тотного фильтрокомпенсирующего устройства на основе катко- на. - Изв. РАН Энергетика, 2017, № 5, с. 67-74.
12. Бутырин П.А. и др. Математическое и физическое моде­лирование фильтрокомпенсирующего устройства на основе каткона. - Электричество, 2014, № 11, с. 58-62.
13. Бутырин П.А., Шакирзянов Ф.Н. Моделирование зна­ний по теоретической электротехнике.—Электричество, 2013, № 9, с. 61-62.
14. Бутырин П.А. и др. Идентификация математической мо­дели фильтрокомпенсирующего устройства на основе каткона с учетом нелинейной характеристики магнитопровода. - Элек­тричество, 2017, № 10, с. 55-60.
15. Бутырин П.А. и др. Моделирование переходных процес­сов в катушке-конденсаторе при импульсном воздействии. - Изв. РАН Энергетика, 2019, № 1, с. 109-122.
16. Бутырин П.А. и др. Алгоритм определения параметров каткона - элемента оптимизации режимов электрических сетей. — Изв. РАН, Энергетика, 2015, № 2, с. 69-75.
17. Грицутенко С.С. Проблемы изоморфизма плотного и дискретного пространств Гильберта. М.: Учебно-метод. центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2012, 184 с.
18. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники: Учебник для ву­зов. Том 1, 4-е изд. СПб.: Питер, 2003, 463 с.
19. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Дрофа, 2006, 719.
20. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: Учебное пос. для вузов. М.: Радио и связь, 1990, 256 с.
21. Robert M. Gray, David L. Neuhoff, Quantization, IEEE Transactions on Information Theory, vol. IT-44, Oct. 1998, No. 6, pp. 2325-2383.
22. Hodgson, Jay (2010). Understanding Records, p.56. ISBN 978-1-4411-5607-5. Adapted from Franz, David (2004). Recording and Producing in the Home Studio, p. 38—9. Berkley Press.
23. Грицутенко С.С. Повышение достоверности измерения показателей качества электрической энергии в системе тягово­го электроснабжения: дисс.... канд. техн. наук: 05.22.07. Омск, 2007, 154 с.
24. Грицутенко С.С., Коровкин Н.В. Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики.— Мате­риалы Международ. научного семинара им. Ю.Н. Руденко. Чолпон-Ата., 2017, с. 586—595.
25. Грицутенко С.С. Квантование синусоидальных сигналов. — Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, 2010, № 4(48), с. 173—176.
26. Бибердорф Э. А., Грицутенко С С., Фирсанов К.А. Метод расширения динамического диапазона при аналого-цифровом преобразовании. — Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии, 2010, № 2(90), 200—202.
27. Грицутенко С.С. К вопросу об измерении параметров дискретизированного сигнала. - Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общетехническая, 2010, вып. 3, с. 103—107.
28. Quantization for Maximal Preservation of Information. S. Gritsutenko, K. Firsanov, R. Dinis. LASTED SPPRA’2013, Innsbruck, Austria, Feb., 2013.
29. Грицутенко С.С. Теорема об оптимальном квантовании. —Труды Российского научно-технического общества радиотех­ники, электроники и связи им. А.С. Попова. Сер. Цифровая обработка сигналов и ее применение, 2011, вып. XIII-1, с. 22—24.
30. Бибердорф Э.А., Грицутенко С.С. Оценка разрядности ЦАП для OFDMA-модуляции: Сборник трудов. М.: ИППМ РАН, 2010, с. 472—477.
#
1. Gritsutenko S.S. Omskiy nauchnyy vestnik — in Russ. (Omsk Scientific Bulletin), 2009, № 3 (83), pp. 19—22.
2. GOST 29322-2014 (IEC 60038:2009). Napryazheniya standartnyye. Vved. 2014—09—14. (The voltages are standard. Enter. 2014-09-14). M.: Standartinform, 2014, 28 p.
3. Su, Taixin, et al. Power harmonic and interharmonic detection method in renewable power based on Nuttall double-window all-phase FFT algorithm. — IET Renewable Power Generation, 12.8 (2018), 953—961.
4. Raichura, Maulik B., et al. Identification of Inrush and Fault Conditions in Power Transformer using Harmonic Distortion Computation. 1st Intern. Conf. on Energy, Systems and Information Processing (ICESIP), IEEE, 2019.
5. Verner M. Osnovy kodirovaniya (Coding Basics). M.: Tekhnosfera, 2004, 288 p.
6. Kolmogorov A.N., Prokhorov Yu.V. Teoriya informatsii i teoriya algoritmov (Information theory and the theory of algorithms). M.: Nauka, 1987, 304 p.
7. Sistemnyy operator Yedinoy energeticheskoy sistemy: Chastota (System operator of the Unified Energy System: Frequency [Electron. resource] http://so-ups.m/?id=ees_freq (Date of appeal 04/16/2018).
8. GOST 32145-2013 (GOST R 53333-2008). Elektricheskaya energiya. Sovmestimost’ tekhnicheskikh sredstv elektromagnitnaya. Kontrol’ kachestva elektricheskoy energii v sistemakh elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya. Vved. 2014—01—01 (Electric Energy. Electromagnetic compatibility of technical means. Electricity quality control in general-purpose power supply systems. Enter. 2014-01-01). M.: Standartinform, 2014, 28 p.
9. Butyrin P.A. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2018, No. 9, pp. 49-51.
10. Butyrin P.A., Zaytseva N.N. Izv. RAN. Energetika — in Russ. (News of Russian Academy of Sciences. Power Engineering), 2014, No. 2, pp. 167-169.
11. Butyrin P.A. i dr. Izv. RAN Energetika — in Russ. (News of Russion Academy of Sciences), 2017, No. 5, pp. 67-74.
12. Butyrin P.A. i dr. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2014, No. 11, pp. 58-62.
13. Butyrin P.A. Shakirzyanov F.N. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2013, No. 9, pp. 61-62.
14. Butyrin P.A. i dr. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2017, No. 10, pp. 55-60.
15. Butyrin P.A. i dr. Izv. RAN Energetika — in Russ (News of Russian Academy of Sciences. Power Engineering), 2019, No. 1, pp. 109-122.
16. Butyrin P.A. i dr. Izv. RAN, Energetika (News of Russian Academy of Sciences. Power Engineering), 2015, No. 2, pp. 69-75.
17. Gritsutenko S.S. Problemy izomorfizma plotnogo i diskretnogo prostranstv Gil’berta (Isomorphism problems for dense and discrete Hilbert spaces. Educational method. center for education in railway transport). Uchebno-metod. tsentr po obrazovaniyu na zheleznodorozhnom transporte, 2012, 184 p.
18. Demirchyan K.S., Neyman L.R., Korovkin N.V., Chechurin V.L. Teoreticheskiye osnovy elektrotekhniki: Uchebnik dlya vuzov. Tom 1, 4-ye izd. (Theoretical foundations of electrical engineering: In 3 volumes. Textbook for universities. Vol. 1, 4th ed.). SPb.: Piter, 2003, 463 p.
19. Gonorovskiy I.S. Radiotekhnicheskiye tsepi i signaly (Radio engineering circuits and signals). M.: Drofa, 2006, 719.
20. Gol’denberg L.M., Matyushkin B.D. Tsifrovaya obrabotka signalov : Uchebnoye pos. dlya vuzov (Digital signal processing: Textbook. for universities). M.: Radio i svyaz’, 1990, 256 p.
21. Robert M. Gray, David L. Neuhoff, Quantization IEEE Transactions on Information Theory, Oct. 1998, vol. IT-44, No. 6, pp. 2325-2383.
22. Hodgson, Jay (2010). Understanding Records, p.56. ISBN 978-1-4411-5607-5. Adapted from Franz, David (2004). Recording and Producing in the Home Studio, pp. 38—9. Berkley Press.
23. Gritsutenko S.S. Povysheniye dostovernosti izmereniya pokazate-ley kachestva elektricheskoy energii v sisteme tyagovogo elektrosnabzheniya: diss.... kand. tekhn. nauk: 05.22.07(Increasing the reliability of measuring the quality indicators of electrical energy in the traction power supply system: diss.... Cand. tech. Sciences: 05.22.07.). Omsk, 2007, 154 p.
24. Gritsutenko S.S., Korovkin N.V. Metodicheskiye voprosy issledovaniya nadezhnosti bol’shikh sistem energetiki.— Materialy Mezhdunaro. nauchnogo seminara im. Yu.N. Rudenko (Methodical issues of research of reliability of large power systems. scientific seminar them. Yu.N. Rudenko). Cholpon-Ata., 2017, pp. 586—595.
25. Gritsutenko S.S. Vestnik IzhGTUim. M.T. Kalashnikova — in Russ (Bulletin of the IzhGTU named M.T. Kalashnikov), 2010, No. 4(48),pp. 173—176.
26. Biberdorf E.A., Gritsutenko S.S., Firsanov K.A. Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Pribory, mashiny i tekhnologii — in Russ. (Omsk Scientific Bulletin. Series Devices, machines and technologies), 2010, No. 2(90), 200—202.
27. Gritsutenko S.S. Voprosy radioelektroniki. Seriya obshchetekhnicheskaya (Questions of Radioelectronics. Ser. General Technical), 2010, iss. 3, pp. 103—107.
28. Gritsutenko S., Firsanov K., Dinis R. Quantization for Maximal Preservation of Information. — LASTED SPPRA’2013, Innsbruck, Austria, Feb., 2013.
29. Gritsutenko S.S. Trudy Rossiyskogo nauchno-tekhnicheskogo obshchestva radiotekhniki, elektroniki i sye primeneniye — in Russ. (Proc. of Russian Scientiiiiiific-Technical Society of Radiotechnics, Electronics and Communication named A.S. Popov. Ser. Figure Treat and Its Use), 2011, iss. XIII-1, pp. 22—24.
30. Biberdorf E.A., Gritsutenko S.S. Otsenka razryadnosti TSAP dlya OFDMA-modulyatsii. Sbornik trudov (Estimation of the digit capacity of the DAC for OFDMA modulation. Collection of works). M.: IPPM RAN, M.: 2010, pp. 472—477.
Published
2020-05-05
Section
Article