基于隨機(jī)共振的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)研究

張皖哲　徐之欣　王潤(rùn)濤　張文涵

摘 要：該文通過(guò)研究經(jīng)典的雙穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振模型，設(shè)計(jì)了基于隨機(jī)共振的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由AD5252隨機(jī)共振模塊、模數(shù)變換模塊、電壓極性變換模塊、STM32單片機(jī)等構(gòu)成，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。經(jīng)過(guò)一系列測(cè)試，該文所述的系統(tǒng)能夠非常好地對(duì)單獨(dú)100 Hz以?xún)?nèi)的微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：隨機(jī)共振 ARM微控制器 微弱信號(hào)檢測(cè) AD5252

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（c）-0021-02

信號(hào)檢測(cè)在雷達(dá)、石油測(cè)井、地震勘探、衛(wèi)星通訊范圍有普遍的利用。在測(cè)量精密信號(hào)中，信號(hào)往往伴隨著噪聲，較準(zhǔn)確地提取噪聲干擾下的微弱信號(hào)，是極為重要的。傳統(tǒng)的濾波器主要基于噪聲抑制原理，即通過(guò)衰減或抑制噪聲分量，保留有用的頻率分量來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。然而，當(dāng)有用信號(hào)頻帶和噪聲頻帶重疊時(shí)，抑制噪聲會(huì)同時(shí)衰減有用信號(hào)，從而使得信噪比降低或波形失真。使用基于隨機(jī)共振的方法檢測(cè)微弱信號(hào)時(shí)，噪聲不會(huì)減弱信號(hào)還能在一定情況時(shí)提高輸出信噪比[1]，這是傳統(tǒng)的檢測(cè)方法不能比擬的。該文通過(guò)研究經(jīng)典雙穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)采用STM32單片機(jī)，通過(guò)控制數(shù)字電位器改變系統(tǒng)參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于隨機(jī)共振的微弱信號(hào)檢測(cè)的系統(tǒng)。

1 經(jīng)典雙穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振模型

雙穩(wěn)系統(tǒng)中的響應(yīng)幅值均值是關(guān)于噪聲強(qiáng)度的函數(shù)。隨機(jī)共振的輸出幅值隨著的增加而非單調(diào)變化，首先隨著D的增加而增加，達(dá)到最大值后隨著的增加而減小。雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振響應(yīng)幅值隨噪聲強(qiáng)度變化曲線和機(jī)電系統(tǒng)中的共振曲線十分相似，因此這種現(xiàn)象被命名為“隨機(jī)共振”[2]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該文采用STM32單片機(jī)，通過(guò)改變AD5252的編碼還有電阻阻值的比值來(lái)使系統(tǒng)參數(shù)、發(fā)生變化，使系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)共振來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整雙穩(wěn)系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)由 AD5252隨機(jī)共振模塊、模數(shù)變換模塊、電壓極性變換模塊、STM32單片機(jī)等構(gòu)成。隨機(jī)共振電路的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該文為了進(jìn)行采樣分析而使用的微控制器為STM32F103。STM32F103內(nèi)核為Cortex-M3，由ST公司出產(chǎn)，是高性能、低成本、低功耗的單片機(jī)，內(nèi)置兩個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，時(shí)鐘頻率72 MHz，運(yùn)算能力強(qiáng)，處理速度快。

3.2 隨機(jī)共振電路設(shè)計(jì)

AD5252是一款有雙通道的數(shù)字電位器，具有256位分辨率，它可以達(dá)到與電位計(jì)相同的功能，通過(guò)微控制器的控制實(shí)現(xiàn)功能。單電源5 V供電，3～5 V的邏輯電平控制，在該設(shè)計(jì)中通過(guò)單片機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振。

3.3 電壓極性轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

要對(duì)隨機(jī)共振模塊輸出的雙極性信號(hào)進(jìn)行電壓極性的變換，使雙極性變?yōu)?～5 V的單極性信號(hào)，因?yàn)镾TM32只能采集0～5 V之間的信號(hào)。系統(tǒng)中AD5252及LM324都需要5 V供電，變換電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.4 噪聲源的設(shè)計(jì)

測(cè)試隨機(jī)共振電路性能時(shí)，需要模擬實(shí)際工作中的背景噪聲，這個(gè)噪聲需要能夠改變?cè)肼晱?qiáng)度，該文利用 AT89C52單片機(jī)制作一個(gè)滿(mǎn)足要求的噪聲源[3-4]。

噪聲源的硬件電路由單片機(jī)模塊、D/A轉(zhuǎn)換電路、形狀調(diào)整電路組成，噪聲源硬件框圖如圖3所示。

單片機(jī)模塊產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)，D/A轉(zhuǎn)換電路將單片機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)變成噪聲電壓，再經(jīng)形狀調(diào)整模塊對(duì)其幅度等參數(shù)調(diào)節(jié)最后輸出。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 噪聲強(qiáng)度確定，信號(hào)變化時(shí)的測(cè)試

在高斯白噪聲帶寬為20 kHz、能量幅值為1.8 V，信號(hào)為f=10 Hz、50 Hz、100 Hz，能量幅值為0.2 V的周期正弦信號(hào)下進(jìn)行測(cè)試，AD5252編碼范圍為0～127，用16進(jìn)制表示為0x00～0x7F。系統(tǒng)中兩片AD5252分別控制系統(tǒng)參數(shù)、，在=0.5的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究不同的參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)共振的情況。

測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在噪聲是能量幅值為1.8 V、帶寬為20 kHz時(shí)，系統(tǒng)對(duì)單獨(dú)100 Hz以?xún)?nèi)的微弱周期信號(hào)能很好的進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)的頻率越低時(shí)檢測(cè)效果越好，當(dāng)頻率超過(guò)100 Hz后，系統(tǒng)的提取信號(hào)能力就會(huì)慢慢下降。

4.2 信號(hào)確定，噪聲強(qiáng)度變化時(shí)的測(cè)試

當(dāng)信號(hào)頻率為10 Hz，幅值為0.2 V的正弦信號(hào)下，高斯白噪聲帶寬為20 kHz、V分別為1.8 V、3.0 V、5.0 V時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，在=0.5的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究不同的參數(shù)b對(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)共振的情況。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，給定信號(hào)為10 Hz、幅值0.2 V的正弦，在噪聲的強(qiáng)度小于5 V的時(shí)候，系統(tǒng)能夠?qū)为?dú)100 Hz以?xún)?nèi)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)很好地隨機(jī)共振檢測(cè)，噪聲強(qiáng)度越低時(shí)檢測(cè)效果越好，當(dāng)強(qiáng)度超過(guò)5 V時(shí)，系統(tǒng)提取信號(hào)的能力會(huì)變差。

5 結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)經(jīng)典隨機(jī)共振模型進(jìn)行了理論研究，在此研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)的隨機(jī)共振微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，包含AD5252隨機(jī)共振模塊、數(shù)模變換模塊、電壓極性變換模塊等，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試。

但是系統(tǒng)還存在一些需要改進(jìn)的地方，該文檢測(cè)微弱信號(hào)的系統(tǒng)只在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試，大家還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工程對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 樊養(yǎng)余，李利品，黨瑞榮.基于隨機(jī)共振的任意大頻率微弱信號(hào)檢測(cè)方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34（3）：566-572.

[2] 陸思良.基于隨機(jī)共振的微弱信號(hào)檢測(cè)[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015.

[3] 李相臣.基于自適應(yīng)隨機(jī)共振的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].杭州：中國(guó)計(jì)量學(xué)院，2013.

[4] 邵菊花.微弱信號(hào)檢測(cè)的隨機(jī)共振方法與應(yīng)用研究[J].成都：電子科技大學(xué)，2008.