正交式數(shù)字相敏檢波在PED 接收系統(tǒng)中的應(yīng)用

程德福，陳嘉儀，楊 巍，蔡珊珊

(吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長春130026)

正交式數(shù)字相敏檢波在PED 接收系統(tǒng)中的應(yīng)用

程德福，陳嘉儀，楊 巍，蔡珊珊

(吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長春130026)

鑒于井下復(fù)雜噪聲對信號檢測的不利影響，針對以無線應(yīng)急通信系統(tǒng)PED(Personal Emergency Device)為代表的井上井下超低頻通信接收設(shè)備，提出一種不需要外接同頻參考信號的數(shù)字相敏檢波優(yōu)化算法，并在PED模擬實驗系統(tǒng)中，驗證了接收部分應(yīng)用數(shù)字相敏檢波算法的效果。數(shù)字相敏檢波通過對待測信號進行若干周期采樣，并將采樣值與存儲于數(shù)組中相應(yīng)參考值進行乘累加并取平均，求其同相分量與正交分量的方式，完成對信號幅值的計算。實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)假定PED井下接收機的辨別能力是信號的相關(guān)性大于0.6時，系統(tǒng)能接收的最小信噪比為-58 dB，在一定程度上提高了接收有用信號的準(zhǔn)確度，有利于儀器小型化、便捷化的實現(xiàn)。

無線應(yīng)急通信系統(tǒng);數(shù)字相敏檢波;濾波;A/D轉(zhuǎn)換

0 引 言

礦難事件發(fā)生時，常規(guī)有線通信設(shè)施遭到破壞，井上人員無法與井下人員取得聯(lián)絡(luò)，更無法準(zhǔn)確了解被困人員的狀況和位置，因此，救援部署工作受到了很大的局限。目前，以大地為信道的通訊方式受到了人們的廣泛關(guān)注。以PED(Personal Emergency Device)為代表的井下無線應(yīng)急通信系統(tǒng)在此方面有廣闊的應(yīng)用，它可以在其他系統(tǒng)損壞時保證通訊暢通，相關(guān)人員可在極短的時間內(nèi)采取應(yīng)急措施，最大程度地減少傷亡;同時PED系統(tǒng)可與井下任何人員進行通訊，方便了生產(chǎn)調(diào)度和人員部署，從而生產(chǎn)效率得到了極大地提高［1，2］。但是，井下環(huán)境復(fù)雜，工頻諧波噪聲、隨機噪聲和尖峰噪聲等噪聲的存在使PED系統(tǒng)在接收處理信號方面困難重重，所以在復(fù)雜環(huán)境噪聲中采用合適的微弱信號檢測技術(shù)和方法將有用信號提取出來是數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。由于相敏檢波器可以鑒別調(diào)制信號相位并具有選頻能力，因此在接收器前端諧振接收基礎(chǔ)上，它可進一步提高Q值，減小帶寬，從測量信號中獲得固定頻率的有用信號。傳統(tǒng)模擬相敏檢波技術(shù)的鎖相放大器是利用雙發(fā)射極晶體管的開關(guān)特性實現(xiàn)的，雖然原理簡單易操作，但具有硬件不穩(wěn)定、有用和無用信號分離不徹底、測量結(jié)果不精確等缺點［3-10］。筆者提出了將數(shù)字相敏檢波應(yīng)用于PED接收系統(tǒng)的微弱信號數(shù)據(jù)處理，不僅使電路設(shè)計得以簡化，接收設(shè)備小巧便攜，而且在井下復(fù)雜環(huán)境中能顯著提高低信噪比。

1 PED系統(tǒng)原理與相敏檢波原理

1.1 PED系統(tǒng)組成

PED是由系統(tǒng)平臺、信號調(diào)制器、信號發(fā)射機、環(huán)狀天線及接收設(shè)備等部分組成的通訊系統(tǒng)。它以大地作為信道，并且信號可穿透巖層傳播進而實現(xiàn)通訊功能。圖1為PED系統(tǒng)的通訊示意圖。

由于大地趨膚效應(yīng)的存在，傳統(tǒng)的高頻通訊具有不可實現(xiàn)性，無線通訊頻率被局限在了超低頻段。由系統(tǒng)平臺發(fā)出的經(jīng)過調(diào)制的弱小信號在低頻發(fā)射機的作用下獲得較大的輸出功率，然后進入大型的環(huán)形天線。當(dāng)天線中有變化電流流過時就在其中心的周圍區(qū)域產(chǎn)生了電磁場，進而將信號發(fā)射出去。接收機包括便攜背帶式PED接收機和車載PED接收機，其中背帶式PED接收機與工作人員所用的帽燈相連，當(dāng)信息傳來時，帽燈將會明暗閃爍，蜂鳴器發(fā)出聲音，同時信息在接收機的顯示板上顯示。另一方面，由外部天線單元和內(nèi)部顯示接收單元組成的車載PED接收機與井下車輛相連，顯著提高井下作業(yè)效率，方便生產(chǎn)。

PED選用超低頻電磁波為信號載體，頻率范圍為300～800 Hz。因此，筆者選擇的相敏檢波器是以720 Hz信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號設(shè)計的。

圖1 PED系統(tǒng)的通訊示意圖Fig.1 Schematic diagram of PED system

1.2 正交相敏檢波器的原理

鑒于高Q值模擬濾波器實現(xiàn)有一定難度，功能相當(dāng)于高Q值窄帶帶通濾波器的相敏檢波器可以彌補傳統(tǒng)濾波器的這一缺點。其Q值可以達到108，因此，只有與參考信號同頻的信號才能通過，具有很好的選頻效果。相敏檢波器頻率的穩(wěn)定度可達到10-8，以確保中心頻率不漂移保持穩(wěn)定。理想相敏檢波濾波器的帶寬可達到無限窄，趨近于零，即濾波器可以做到單頻率檢測。若將其應(yīng)用于PED接收部分，可極大改善有用信號的信噪比。模擬相敏檢波器的原理如圖2所示。其中S(t)為待提取信號，R1(t)、R2(t)為標(biāo)準(zhǔn)正交參考信號，n(t)為噪聲，K為前級放大增益，X(t)為經(jīng)前級放大信號。超低頻穿巖后接收信號所摻雜的噪聲主要為50 Hz工頻干擾、2～10 Hz的地磁信號干擾、少量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射信號的諧波分量，以及器件帶來的高斯噪聲、熱噪聲等。

各信號可以表示為

圖2 模擬相敏檢波器原理圖Fig.2 Schematic diagram of analog circuit for phase sensitive detection

通過圖1相干性算法可得

則模擬相敏檢波器的幅值與相位可以求出

然而，模擬相敏檢波對器件的精度和外接標(biāo)準(zhǔn)正交參考信號穩(wěn)定性等條件要求較高。井下環(huán)境惡劣，存在溫度、濕度等多變因素，極易造成相敏檢波器中心頻點的漂移及熱噪聲的引入。加之前級硬件電路所帶來的直流偏量難以消除，將使有用信號的幅值和相位的計算產(chǎn)生難以預(yù)計的偏差。借此，擬采用數(shù)字相敏檢波的方法，達到簡化井下接收設(shè)備，提高弱信號檢測準(zhǔn)確度的目的。

1.3 數(shù)字相敏檢波器算法

不同于傳統(tǒng)模擬相敏檢波器對器件準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性的較高要求，數(shù)字相敏檢波只依靠模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)據(jù)處理芯片和相應(yīng)的軟件算法，即可在很大程度上減小實驗的隨機誤差，有利于對微弱信號的檢測及進一步處理。

PED接收部分硬件組成如圖3所示。

當(dāng)采用數(shù)字相敏檢波時，每周期對信號進行N次采樣，則式(1)可以表示為

圖3 PED接收部分硬件組成Fig.3 Hardware circuit components of PED receiving unit

設(shè)噪聲信號為

其中Ur1主要為50 Hz工頻干擾信號幅度，Ur2為2～10 Hz地磁噪聲干擾，N(l)為高斯噪聲。采用標(biāo)準(zhǔn)正交信號為

考慮到信號中的直流信號，計算出信號中的直流分量

則模擬信號中的式(3)可以寫成

從而可以求出信號的幅度和相位

圖4 采樣值與系統(tǒng)帶寬關(guān)系圖Fig.4 Diagram of the relation between sampling number and bandwidth

通過式(19)可以看出，利用正交信號作為標(biāo)準(zhǔn)參考信號不僅可以濾除頻帶外絕大多數(shù)的噪聲，還能求出輸入信號與標(biāo)準(zhǔn)參考信號的相位差。由文獻［11-13］可知數(shù)字相敏檢波(DPSD)算法的幅頻特性為

其中fc為參考頻率，N為采樣點數(shù)，K為增益，Δω為信號角頻率與標(biāo)準(zhǔn)參考角頻率的差。從式(20)可以看出，DSPD算法的幅頻特性不僅與輸入信號的頻率有關(guān)，還跟采樣點數(shù)有關(guān)。采樣點越多，對頻帶外噪聲的濾除效果也越好。同時從圖4可以看出，N值越大，通頻帶越窄，系統(tǒng)的選擇性也越好，更加有利于噪聲的濾除。

2 PED系統(tǒng)模擬實驗

由于PED應(yīng)急通訊系統(tǒng)主要應(yīng)用于大型礦井中，系統(tǒng)所需發(fā)射電流大，環(huán)形天線占地面積廣，驗證型實驗難以開展。因此，考慮搭建模擬PED系統(tǒng)進行相關(guān)實驗。

超低頻發(fā)射信號所選用的頻率在300～800 Hz的頻段內(nèi)。實驗采用半徑為8 m、周長為200 m的多匝線圈為發(fā)射線圈，在其中通入有效值5 A正弦的電流，以實體墻壁為穿越障礙物，通過短距離的穿巖傳輸模擬PED的工作過程。

為了盡可能降低輸入噪聲，系統(tǒng)采用諧振接收。但諧振接收頻帶較寬，Q值小，因此仍有較多噪聲存在。通過系統(tǒng)實驗，測得經(jīng)過諧振接收傳感器后的環(huán)境噪聲信號波形如圖5所示。輸出噪聲幅值最大值為22 mV，通過傅里葉變換得最大噪聲信號頻率為50 Hz。

圖5 諧振接收噪聲圖Fig.5 Diagram of noise after resonant filter

實驗選用720 Hz頻率信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號。根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知，采樣頻率必須大于信號頻率兩倍以上才能準(zhǔn)確恢復(fù)信號。根據(jù)圖5得知，采樣點數(shù)越多，則通帶越窄。當(dāng)N取8 000時，并依據(jù)信號傳輸?shù)臅r效性，要求對有用信號的采樣在200個周期內(nèi)完成。因此，要求AD轉(zhuǎn)換的速率應(yīng)該大于每秒采樣次數(shù)。同時，在參考電壓為2.5 V，并要求采樣誤差小于0.001%時，則要求AD轉(zhuǎn)換芯片的分辨率在18位以上?？紤]到上述兩個條件，選用高精度轉(zhuǎn)換芯片ADS1256作為信號的數(shù)據(jù)采集模塊。ADS1256的轉(zhuǎn)換速率為30 kbit/s，分辨率為24 bit，滿足實驗設(shè)計要求。由于本算法具有一定量的數(shù)學(xué)運算，因此要求控制芯片具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和運算速度。

控制芯片除了要進行數(shù)據(jù)處理，還需要完成端口操作、外圍控制等任務(wù)。DSP相對于單片機具有較快的運算速度以及較強的數(shù)據(jù)信號處理能力，但價格昂貴且操作復(fù)雜。而單片機在操作外圍端口時更加方便且相對簡單，價格便宜。高速單片機芯片可在一定程度上彌補其速度上的劣勢。因此，從多方面因素考慮，選用ARM內(nèi)核的72 Mbit工作頻率的STM32單片機作為處理器。

在STM32進行算法編輯時，為了抑制吉布斯效應(yīng)，利用單片機內(nèi)部的定時器嚴(yán)格設(shè)定采樣周期，保證對完整周期的采樣。在響應(yīng)定時中斷時，單片機將A/D采來的數(shù)據(jù)存入數(shù)組。在N次采樣后，由單片機對被測信號幅值及相位進行數(shù)值計算，作為井上發(fā)送信息判別的依據(jù)。流程圖如圖6所示。

N固定為8 000時，將幅值為0.5 V的不同頻率的正弦信號輸入數(shù)字相敏檢波，得到的輸出幅值曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，輸出的信號以參考頻率720 Hz為中心向兩側(cè)急速衰減，帶寬為4 Hz。數(shù)字鎖定放大器的頻帶非常窄，具有非常好的選頻作用，能有效濾除頻帶外的噪聲。且通帶外的衰減并不按線性衰減，出現(xiàn)了衰減的波峰與波谷段。因此在實際操作時應(yīng)該盡量將50 Hz倍頻點避開所對應(yīng)的波峰點。圖8是通過實驗?zāi)M井下PED接受環(huán)境中高頻噪聲、高工頻干擾所測得的實驗數(shù)據(jù)，是混雜不同幅值白噪聲、工頻噪聲信號通過DPSD后得到的測量值。從圖8中可以看出，輸入的工頻噪聲由于在通頻帶外，所以對輸入的信號幾乎沒有影響，而輸入的白噪聲對有效正弦信號影響也非常小。由于通帶內(nèi)仍有少量的噪聲信號，隨著輸入噪聲幅度的增大，輸出有效信號幅度基本不變，因此輸入噪聲并不影響對輸入信號的檢測。

圖6 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.6 Flow chart of date colection

圖7 DSPD濾波特性Fig.7 Diagram of filter characteristics

由圖9可以看出，當(dāng)輸入信號的信噪比逐漸減小時，輸出信號的信噪比也同時減小，但輸出信號的輸出信噪比在小于0后減小趨勢緩慢，信噪比保持在30 dB以上，同時輸出所測信號的相關(guān)性有所下降。當(dāng)以信號相關(guān)性大于0.6并能檢測到信號為標(biāo)準(zhǔn)時，系統(tǒng)能接受的最小信噪比為-58 dB，因此能對PED接收機信號中的噪聲有非常好的濾除作用。

圖8 噪聲抑制特性 Fig.8 Noise suppression characteristics

圖9 信噪關(guān)系圖Fig.9 Graph of SNR

3 結(jié) 語

通過PED模擬及測量的試驗數(shù)據(jù)可以得出，使用數(shù)字相敏檢波可以更加有效地抑制噪聲，改善信噪比，使測量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。與諧振接收及傳統(tǒng)的模擬相敏檢波相比，在復(fù)雜背景噪聲下運用數(shù)字相敏檢波技術(shù)更有利于微弱信號的提取，同時，軟件取代了硬件，簡化了電路設(shè)計，使儀器小巧化得以實現(xiàn)，降低了儀器成本。可知數(shù)字相敏檢波在PED接收信號檢測方面具有很好的應(yīng)用價值。

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(責(zé)任編輯:劉東亮)

Application of Orthogonal Digital Phase-Sensitive Detection for Receiving System of PED

CHENG Defu，CHEN Jiayi，YANGWei，CAIShanshan

(College of Instrumentation＆Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China)

In view of the adverse effects brought by the noise in mine on the signal detection，we put forward a digital phase-sensitive detection optimization algorithm which does not need external same frequency

ignal.And from the simulation experiment system of PED，effectiveness of digital phase-sensitive detection algorithm has been verified on the receiving part.The algorithm samples measue signalmany cycles，then the calculated value is got bymultiply-accumulating and averaging the number of sampling and reference valuewhich is stored in array.After calculating the cophase and orthogonal component，we get the result of signal amplitude. Supposing that the standard of receiving signal in PED receiving system is judged by signal dependency over 0.6 in the environment，the least SNR received by the system is-58 dB.Themethod can improve accuracy rating of receiving useful signal to some extent.Furthermore，the receiving instrument ismademoreminiaturizing and is convenient to the benefit of the algorithm.

personal emergency device(PED);phase-sensitive detection;filtering;A/D conversion

TN91

A

1671-5896(2015)04-0361-06

2015-04-08

國家級大學(xué)生創(chuàng)新實驗計劃基金資助項目(2014A65301)

程德福(1958— )，男，遼寧朝陽人，吉林大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事微弱信號檢測和智能儀器研究，(Tel)86-13500800255(E-mail)chengdefu@jlu.edu.cn;通訊作者:蔡珊珊(1994— )，女，福州人，吉林大學(xué)本科生，主要從事信號檢測和智能儀器研究，(Tel)86-18844193082(E-mail)292071586@qq.com。