淺談自動(dòng)微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

偶曉飛　蔣琛

引言：微弱周期信號(hào)檢測(cè)被非常廣泛地應(yīng)用于地震、通信、雷達(dá)、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。一般情況下，弱信號(hào)檢測(cè)需要用戶使用特殊的檢測(cè)設(shè)備并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。而基于LabWindows平臺(tái)開發(fā)出來的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)高頻近場(chǎng)信號(hào)而無需用戶干預(yù)。

微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是一種采用物理、電子、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息理論的方法，對(duì)噪音的規(guī)律和原因進(jìn)行分析，研究信號(hào)的特點(diǎn)和相關(guān)性，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的方法。其目的是從強(qiáng)噪聲中獲得微弱信號(hào)，或使用先進(jìn)的技術(shù)和方法，提高被檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)噪聲比（SNR）。

弱信號(hào)的快速檢測(cè)被廣泛應(yīng)用于地震、通信、雷達(dá)、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法如使用相敏檢波器（PSD）的方法，探測(cè)高頻近場(chǎng)的微弱信號(hào)的能力是很有限的。由于近場(chǎng)信號(hào)隨距離的平方或立方衰減，所以通常我們使用特殊的天線和檢測(cè)設(shè)備，如使用頻譜分析儀直接測(cè)量，或使用特定的接收器和解調(diào)模塊進(jìn)行信號(hào)解調(diào)和分析。然而，這些方法要求測(cè)試人員熟悉檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)并且熟練地操作測(cè)試設(shè)備。

LabVIEW被廣泛應(yīng)用于虛擬儀器的設(shè)計(jì)和開發(fā)。但是，在專業(yè)測(cè)試領(lǐng)域例如微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域，并沒有綜合應(yīng)用的先例。

這種基于通用測(cè)試設(shè)備和LabWindows控制軟件的高頻近場(chǎng)微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，只要通過簡單的設(shè)置，就可以自動(dòng)檢測(cè)高頻近場(chǎng)信號(hào)，并且在整個(gè)測(cè)試過程中不需要人為干預(yù)。整個(gè)系統(tǒng)包括三個(gè)部分：前端是一個(gè)定制天線，便攜且易于安裝；中端是一個(gè)開關(guān)陣列用于選擇和定位檢測(cè)位置，后端是檢測(cè)控制設(shè)備。檢測(cè)軟件基于LabWindows獲得通用測(cè)試設(shè)備的測(cè)試數(shù)據(jù)，使我們可以直接通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行一些信號(hào)處理運(yùn)算。整個(gè)系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，借助一個(gè)PDA平臺(tái)，可以在多系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大檢測(cè)范圍。通過實(shí)際測(cè)試，該檢測(cè)系統(tǒng)可有效地檢測(cè)到目標(biāo)電子設(shè)備散發(fā)出來的微弱信號(hào)。

本文首先介紹了高頻近場(chǎng)弱信號(hào)的特點(diǎn)，然后剖析了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)； 最后，使用Lab VIEW開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)從某些電子設(shè)備 檢測(cè)到微弱信號(hào)輻射。

一、高頻率近場(chǎng)弱信號(hào)檢測(cè)

在檢測(cè)信號(hào)之前，我們應(yīng)先了解信號(hào)的特征，比如輻射信號(hào)源的屬性、信號(hào)的輻射特性等。

1.高頻近場(chǎng)弱信號(hào)的輻射特征

任何電子設(shè)備的電磁輻射和輻射強(qiáng)度都與信號(hào)頻率和PCB布線情況有關(guān)。

信號(hào)的共同特點(diǎn)：

1）是一個(gè)頻率約為20兆赫的周期信號(hào)；

2）信號(hào)強(qiáng)度不高，受空間電磁干擾影響。

2.高頻近場(chǎng)微弱信號(hào)的輻射源屬性

以屬于VHF頻段的24MHz信號(hào)為例，波長為約12.5米。但與波長相比，天線與設(shè)備之間的距離是一個(gè)很短的長度，所以天線的周圍區(qū)域具有近場(chǎng)性質(zhì)。

3.高頻近場(chǎng)微弱信號(hào)檢測(cè)的難點(diǎn)

1.3.1檢測(cè)信號(hào)易被干擾

在日常生活環(huán)境中即使一些微小的電磁波也會(huì)對(duì)信號(hào)檢測(cè)產(chǎn)生干擾。

1.3.2接收天線小型化

為了移動(dòng)、安裝方便，天線應(yīng)盡量小型化。由于頻率為24MHz，所以天線的尺寸為3米，即波長的1/4。

二、微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

基于上述分析，我們可以將微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)模塊描繪如下：

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前端為有源天線，負(fù)責(zé)接收、放大信號(hào)，必須具有良好的靈敏度和方向性。

中端為開關(guān)陣列，負(fù)責(zé)檢測(cè)位置的選擇，實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)與定位。

后端則是與處理模塊連接的通用測(cè)試設(shè)備。

2.模塊

2.2.1有源天線

電子設(shè)備的輻射電場(chǎng)信號(hào)是弱信號(hào)，因此必須通過增加天線的面積，提高信號(hào)接收強(qiáng)度和產(chǎn)生天線中軸對(duì)稱接收效果以提高電容耦合能力。

2.2.2開關(guān)陣列

開關(guān)陣列由計(jì)算機(jī)芯片控制，芯片具有控制8個(gè)信號(hào)輸入、輸出的能力。該芯片的特點(diǎn)是低插入損耗和高開關(guān)速度。

2.2.3處理模塊

后端使用FSP13頻譜分析儀作為測(cè)試設(shè)備。該設(shè)備有豐富的外部接口如RS232、GPIB、LAN，使我們可以由GPIB總線進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集。

該檢測(cè)系統(tǒng)的主要控制軟件是基于LabWindows開發(fā)，PDA子系統(tǒng)是由Visual Studio開發(fā)。

3.控制軟件的功能

控制軟件是這個(gè)系統(tǒng)的后端。主要功能是檢測(cè)位置開關(guān)、完成微弱信號(hào)探測(cè)和定位、協(xié)調(diào)信號(hào)接收、并提供一個(gè)友好的界面給用戶。

4.軟件結(jié)構(gòu)

該軟件由五個(gè)部分組成：人工檢測(cè)子系統(tǒng)、PDA子系統(tǒng)、設(shè)備連接子系統(tǒng)、系統(tǒng)設(shè)置、自動(dòng)檢測(cè)子系統(tǒng)。

5.性能測(cè)試

2.5.1前端信號(hào)接收

通過實(shí)驗(yàn)天線靈敏度達(dá)到-30dBuV/ M。

2.5.2后端處理

可以通過設(shè)置檢測(cè)閾值來調(diào)整系統(tǒng)的靈敏度。

6.檢測(cè)流程

2.6.1接收天線的位置檢測(cè)；

2.6.2掃描背景噪聲并保存；

2.6.3選擇檢測(cè)位置，然后設(shè)置檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；

2.6.4開始檢測(cè)。后端處理模塊開始接收檢測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些數(shù)字處理算法，以盡量減少干擾。當(dāng)有一個(gè)信號(hào)超越噪聲則記錄頻點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)值將遞增；

2.6.5如果檢測(cè)值超出閾值，系統(tǒng)會(huì)立即通知測(cè)試儀定位檢測(cè)位置。

三、小結(jié)

本文介紹了高頻近場(chǎng)的自動(dòng)微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可以有效運(yùn)作，并具有如下特點(diǎn)：

該系統(tǒng)可以從目標(biāo)設(shè)備周圍檢測(cè)和定位到高頻近場(chǎng)弱信號(hào)；

整個(gè)檢測(cè)過程自動(dòng)完成，不需要用戶干預(yù)。

檢測(cè)系統(tǒng)可以通過改變接收天線擴(kuò)大檢測(cè)信號(hào)的頻率范圍；

可以在后端對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些信號(hào)處理算法，以使系統(tǒng)性能得到提高。

參考文獻(xiàn)

[1]江國舟.江超.微弱信號(hào)檢測(cè)的基本原理與方法研究.湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，21.

[2]Rohde and Schwarz“The Principle of Spectral Analysis”Germany，2004.

[3]于麗霞.王福明.微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)綜述.信息技術(shù)，2007（2）：115-116.

（作者單位：1.江蘇省廣電有線信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司南通分公司；2.江蘇省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院）

作者簡介

第一作者：偶曉飛（1980年）男，工程師，從事廣電工程設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)管理工作多年。

第二作者：蔣 ?。?979年）女，工程師，從事電力基建工作多年。