基于幅度調(diào)制的樓宇安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

基金項(xiàng)目：2023年浙江省高等教育研究會(huì)；項(xiàng)目名稱：基于OBE的網(wǎng)通實(shí)踐平臺(tái)構(gòu)建和新工科人才培養(yǎng)研究；項(xiàng)目編號(hào)：KT2023051。

作者簡(jiǎn)介：陳宏（1974— ），女，浙江寧波人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士；研究方向：電子信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程應(yīng)用。

摘要：為了實(shí)現(xiàn)樓宇的安全管理，文章提出設(shè)計(jì)安全監(jiān)控系統(tǒng)，采用幅度調(diào)制解調(diào)的方法進(jìn)行無線通信。根據(jù)設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過探測(cè)模塊的采集實(shí)時(shí)信號(hào)，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)姆日{(diào)制波形和解調(diào)波形進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)傳輸可靠性高，性能穩(wěn)定，具有重要的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：幅度調(diào)制；安全監(jiān)控系統(tǒng)；可靠性；相干解調(diào)；包絡(luò)檢波

中圖分類號(hào)：TP311? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

在通信技術(shù)中，頻譜搬移常用于把低頻信號(hào)搬移到高頻，縮小天線的尺寸或者充分利用頻率資源。幅度調(diào)制（Amplitude Modulation，AM）是把信號(hào)的頻譜不失真地搬移到載波信號(hào)頻率的兩邊，獲得振幅具有攜帶調(diào)制信號(hào)內(nèi)容的調(diào)幅波信號(hào)。幅度調(diào)制是通信系統(tǒng)中的一種重要調(diào)制方式［1］。幅度調(diào)制是正弦型高頻載波的幅度隨調(diào)制信號(hào)幅度變化的一種調(diào)制方式，為全世界傳統(tǒng)模擬中波、短波廣播技術(shù)所采用［2］。在樓宇內(nèi)，可以利用調(diào)幅波頻帶寬以及對(duì)阻礙物穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線報(bào)警和無線安防，調(diào)幅還涉及圖像、語音信號(hào)［3］，電網(wǎng)電壓閃變測(cè)量［4］，對(duì)發(fā)射機(jī)功放的峰均比要求比較低，在電視技術(shù)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［5］。幅度調(diào)制的信號(hào)經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后，在接收端進(jìn)行解調(diào)，就可以獲得原來調(diào)制前的信號(hào)，采用相干解調(diào)的雙邊帶調(diào)制還可以節(jié)省載波功率，所以在無線電通信中，幅度調(diào)制和解調(diào)成為最早廣泛使用在各個(gè)領(lǐng)域的通信技術(shù)。

樓宇安全保衛(wèi)工作不僅要預(yù)警，還要及時(shí)處理突發(fā)情況，并且加強(qiáng)防范作用，僅靠視頻監(jiān)控還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要探測(cè)異常環(huán)境變化、監(jiān)測(cè)突發(fā)事件、采取措施保護(hù)安全，于是需要傳輸?shù)男盘?hào)就會(huì)多種多樣。無線信號(hào)在樓宇內(nèi)部傳輸時(shí)，如果采用頻率調(diào)制的方式，頻率調(diào)制的工作頻帶寬度遠(yuǎn)大于幅度調(diào)制信號(hào)的頻帶寬度，頻率調(diào)制占用頻帶資源就比幅度調(diào)制多，而且頻率調(diào)制的信號(hào)還常常會(huì)在樓宇受到干擾。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在樓宇內(nèi)部這樣的復(fù)雜環(huán)境中，采用幅度調(diào)制信號(hào)傳輸無線信號(hào)更穩(wěn)定，傳輸無線信號(hào)的距離更遠(yuǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)的樓宇安全監(jiān)控系統(tǒng)，采用幅度調(diào)制的方式，能夠可靠地?zé)o線傳輸樓宇內(nèi)部的信號(hào)，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)環(huán)境信息，獲得良好的監(jiān)控效果，實(shí)現(xiàn)樓宇的安全管理。

1? 安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在樓宇內(nèi)部的安全監(jiān)控非常重要，由于樓層多，房間多，只有采用智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控溫度、濕度、煙霧等方面的環(huán)境信息，才能在突發(fā)情況時(shí)及時(shí)準(zhǔn)確地判斷，使突發(fā)情況獲得第一時(shí)間處理，避免更大的人力、物力和財(cái)力的損失。在樓宇內(nèi)部的監(jiān)控可以利用各種傳感器及其外圍電路，在各個(gè)樓層分布設(shè)計(jì)的探測(cè)模塊，通過幅度調(diào)制后把探測(cè)器的突發(fā)信號(hào)傳給安全監(jiān)控系統(tǒng)中心，安全監(jiān)控系統(tǒng)中心通知相關(guān)部門和各個(gè)樓層安排解決問題。突發(fā)問題解決后，中心通知各個(gè)樓層突發(fā)問題已經(jīng)解決，通知報(bào)警的探測(cè)模塊及時(shí)熄滅報(bào)警燈，重新回到監(jiān)控狀態(tài)，繼續(xù)探測(cè)突發(fā)情況，如圖1所示。

安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包括監(jiān)控中心、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、探測(cè)端3個(gè)部分。在探測(cè)的信號(hào)中，有些是傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，有些是人為發(fā)現(xiàn)突發(fā)情況后，點(diǎn)擊按鈕獲得的信號(hào)，這些信號(hào)都是采用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)送到安全監(jiān)控系統(tǒng)中心，構(gòu)成安全監(jiān)控系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)連接，如圖2所示。

探測(cè)模塊和安全監(jiān)控系統(tǒng)中心之間的無線通信采用雙向通信的方式，信號(hào)被幅度調(diào)制后，經(jīng)過天線發(fā)送到接收端。接收端的天線收到幅度調(diào)制信號(hào)，就解調(diào)信號(hào)，然后獲得被傳輸?shù)男畔?。探測(cè)模塊可以根據(jù)樓層的需要增加數(shù)量或者減少數(shù)量。

2? 安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器電路設(shè)計(jì)

當(dāng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器探測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到溫度、濕度、煙霧等的突發(fā)變化，傳感器探測(cè)模塊的電路會(huì)把傳感器的信號(hào)放大，點(diǎn)亮報(bào)警燈，把傳感器監(jiān)測(cè)到的突發(fā)情況用幅度調(diào)制的方式通過天線發(fā)送給安全監(jiān)控中心。當(dāng)突發(fā)情況被解除后，安全監(jiān)控中心發(fā)送信號(hào)給安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器探測(cè)模塊。傳感器探測(cè)模塊天線接收到信號(hào)，通過幅度解調(diào)電路得到的復(fù)位信號(hào)，觸發(fā)繼電器關(guān)閉報(bào)警燈。傳感器探測(cè)模塊的電路如圖3所示。

2.2? 安全監(jiān)控系統(tǒng)按鍵電路設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控系統(tǒng)的按鍵被人觸碰，即提示有人身安全、自然災(zāi)害、緊急事件等突發(fā)情況。安全監(jiān)控系統(tǒng)的按鍵探測(cè)模塊電路會(huì)把按鍵的信號(hào)放大，點(diǎn)亮報(bào)警燈，把監(jiān)測(cè)到的突發(fā)情況信號(hào)用幅度調(diào)制的方式通過天線發(fā)送給安全監(jiān)控中心。當(dāng)突發(fā)情況被解除后，安全監(jiān)控中心發(fā)送信號(hào)給安全監(jiān)控系統(tǒng)的按鍵探測(cè)模塊，按鍵探測(cè)模塊的天線接收到信號(hào)，通過幅度解調(diào)信號(hào)，得到安全監(jiān)控中心的復(fù)位信號(hào)，按鍵探測(cè)模塊的電路觸發(fā)繼電器，關(guān)閉報(bào)警燈。按鍵探測(cè)模塊的電路如圖4所示。

2.3? 安全監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)傳輸電路設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)傳輸采用無線傳輸?shù)姆绞?，頻率調(diào)制的信號(hào)在樓宇內(nèi)部不能可靠傳輸，因此安全監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)傳輸采用幅度調(diào)制解調(diào)。在探測(cè)模塊的幅度調(diào)制電路中，設(shè)計(jì)電路是按照幅度調(diào)制的工作原理，采用數(shù)字電路中的乘法器實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制，如圖5所示。

其中，被調(diào)制信號(hào)是vΩ（t）=VΩmcosΩt，載波是vc（t）=Vcmcosωct，通過乘法器后的調(diào)幅波信號(hào)是vAM（t）=（Vcm+kvΩ（t））cosωct。

當(dāng)接收端收到幅度調(diào)幅波信號(hào)后，接收端解調(diào)信號(hào)，可以獲得被傳輸?shù)脑夹盘?hào)。解調(diào)的方式有包絡(luò)檢波和相干解調(diào)2種方式。用載波和調(diào)幅波進(jìn)行相乘進(jìn)行相干解調(diào)，采用數(shù)字電路中的乘法器實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，如圖6所示。

對(duì)調(diào)幅波信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)后，輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）所示，對(duì)這個(gè)輸出信號(hào)濾波，得到的低頻信號(hào)是如式（2）所示的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就是被幅度調(diào)制的信號(hào)，只是幅度與原來的信號(hào)不同，增加了原來的1/2載波幅度倍。

v0（t）=vcmcosωct·VAM（t）=VcmcosωctVcmcosωct+12maVcmcos（ωc+Ω）t+12maVcmcos（ωc-Ω）t（1）

vout（t）=12AVΩmVcmcosΩt（2）

調(diào)幅波的另一種解調(diào)方式包絡(luò)檢波是把調(diào)幅波信號(hào)的包絡(luò)中包含的調(diào)制信號(hào)，用包絡(luò)檢波電路，從調(diào)幅波信號(hào)中解調(diào)出來。包絡(luò)檢波電路由二極管和R、C低通濾波器構(gòu)成。低通濾波器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)該大于載波信號(hào)周期，小于調(diào)制信號(hào)周期，以濾除載波信號(hào)，讓調(diào)制信號(hào)通過。包絡(luò)檢波電路如圖7所示。

當(dāng)輸入信號(hào)大于電容兩端電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸入信號(hào)通過二極管對(duì)電容C充電。因?yàn)槎O管導(dǎo)通電阻很小，所以充電時(shí)間短，電容C上的電壓很快達(dá)到輸入信號(hào)的峰值。當(dāng)輸入信號(hào)小于電容兩端的電壓時(shí)，二極管截止，電容C通過電阻R放電，電阻R比二極管的導(dǎo)通電阻大很多，所以放電時(shí)間相對(duì)于充電時(shí)間而言較長(zhǎng)，因此電容C上面的電荷還遠(yuǎn)沒釋放完時(shí)，在輸入信號(hào)下一個(gè)正半周期的某一時(shí)刻又開始給電容C充電。因此，電容兩端電壓中的交變量是隨輸入信號(hào)的包絡(luò)變化而變化的，即隨著調(diào)制信號(hào)的變化而變化。

包絡(luò)檢波電路的電阻影響解調(diào)信號(hào)，電容C通過電阻R放電的速度過慢，使得電容器上的電壓變化跟不上信號(hào)包絡(luò)的下降速度，產(chǎn)生惰性失真。為了避免惰性失真，電容C通過電阻R放電的速度不能小于輸入信號(hào)包絡(luò)下降的速度。必須滿足的條件如式（3）所示［6］。

RC≤1-m2aΩma（3）

其中，ma表示載波受調(diào)制信號(hào)控制的程度，調(diào)制度ma=VΩm/Vcm，ma越大調(diào)制越強(qiáng)，ma小于1是調(diào)幅，等于1是等幅度調(diào)制，大于1是過調(diào)制，會(huì)造成失真。設(shè)置合適的調(diào)制度和電容，就可以避免惰性失真。

如果包絡(luò)檢波電路電流中的交流量大于直流量，電流出現(xiàn)負(fù)值，造成負(fù)峰切割失真。因?yàn)槎O管是單向?qū)щ姷?，電流不可能為?fù)值，只能為零，所以檢波輸出電壓的負(fù)峰值被削平，即產(chǎn)生負(fù)峰切割失真。實(shí)際電路的包絡(luò)檢波器后面接著電路，后面電路的輸入阻抗為RL，包絡(luò)檢波電路的直流負(fù)載為R，交流負(fù)載是R和RL的并聯(lián)，檢波器輸出的交流、直流電流幅度的比值過大，就會(huì)發(fā)生負(fù)峰切割失真，如圖8所示。

在電路設(shè)計(jì)時(shí)，如果選擇合適的電阻和電容，就可以避免負(fù)峰切割失真。考慮到兩種解調(diào)方式對(duì)信號(hào)可能造成的失真程度，把相干解調(diào)電路作為主要解調(diào)方式，包絡(luò)檢波作為備用方式。在包絡(luò)檢波電路中，設(shè)置合適的調(diào)制度和電路設(shè)計(jì)可以符合信號(hào)不失真的條件。

3? 安全監(jiān)控系統(tǒng)無線傳輸信號(hào)測(cè)量

測(cè)量安全監(jiān)控系統(tǒng)中無線信號(hào)傳輸?shù)恼{(diào)幅波和解調(diào)波，包括測(cè)量調(diào)幅波信號(hào)、相干解調(diào)信號(hào)、包絡(luò)檢波信號(hào)、包絡(luò)檢波信號(hào)失真波形。

3.1? 測(cè)量調(diào)幅波信號(hào)

測(cè)量調(diào)幅波信號(hào)時(shí)，輸入正弦波調(diào)制信號(hào)1 kHz、500 mVPP，輸入正弦波465 kHz、1 VPP作為載波，調(diào)制度ma=VΩm/Vcm，調(diào)制度小于1時(shí)，出現(xiàn)的調(diào)幅波如圖9中波形2所示。

調(diào)制度大于1時(shí)，出現(xiàn)的調(diào)幅波如圖10所示。圖10和圖9的波形不同，說明調(diào)制度影響調(diào)幅波的波形。

3.2? 測(cè)量相干解調(diào)信號(hào)波形

對(duì)圖9和10的調(diào)幅波進(jìn)行相干解調(diào)，得到圖11的（a）和（b），圖11（a）的解調(diào)波形2和原來信號(hào)波形1頻率相同，說明頻譜搬移的調(diào)幅波，解調(diào)后的頻譜研究搬移回到原來的頻率，波形還是正弦波，圖11（b）的解調(diào)波形2比原來信號(hào)波形1幅度略小。

3.3? 測(cè)量包絡(luò)檢波信號(hào)波形

用包絡(luò)檢波電路解調(diào)圖7的波形，調(diào)制度小于1的調(diào)幅波，在包絡(luò)檢波中得到的波形2解調(diào)信號(hào)和原來波形1的調(diào)制信號(hào)相同，如圖12所示。

調(diào)制度大于1的調(diào)幅波，在包絡(luò)檢波中得到的波形2解調(diào)信號(hào)與原來波形1的調(diào)制信號(hào)波形不同，如圖13所示。

圖13說明出現(xiàn)惰性失真時(shí)，經(jīng)過包絡(luò)檢波電路后的波形2沒有反映波形1的輸入信號(hào)的包絡(luò)變化。此外還可能出現(xiàn)負(fù)峰切割失真，波形如圖14所示。

調(diào)幅波的調(diào)制度不影響用相干解調(diào)電路得到調(diào)制信號(hào)，但是調(diào)幅波的調(diào)制度影響用包絡(luò)檢波得到的調(diào)制信號(hào)。包絡(luò)檢波電路的R和C取值會(huì)造成惰性失真，直流負(fù)載和交流負(fù)載的大小會(huì)造成負(fù)峰切割失真。選擇合適的調(diào)制度，選擇合適的解調(diào)電路電阻和電容，就能夠得到不失真的包絡(luò)檢波波形，如圖15所示。

4? 結(jié)語

樓宇安全是確保人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的重要條件。單純攝像不能及時(shí)解決突發(fā)情況，在安裝攝像頭進(jìn)行錄像的同時(shí)，還需要能夠報(bào)警的安全監(jiān)控系統(tǒng)，才能有效保護(hù)樓宇的安全。建筑物內(nèi)部或者建筑物群的無線信號(hào)傳輸常常會(huì)因?yàn)榻ㄖ锏淖钃踉斐尚盘?hào)干擾，幅度調(diào)制解調(diào)在建筑物周圍的信號(hào)傳輸不會(huì)受到頻段帶寬的限制而影響信號(hào)質(zhì)量。設(shè)計(jì)安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)樓宇的安全，研究采用多種探測(cè)模塊檢測(cè)各個(gè)物理量指標(biāo)，用幅度調(diào)制解調(diào)的方式無線傳輸突發(fā)信號(hào)，減少頻帶資源不足造成的信號(hào)干擾，可以快速、高效率地響應(yīng)和處理突發(fā)情況，避免和減少人力、物力和財(cái)產(chǎn)損失。實(shí)踐測(cè)量無線傳輸信號(hào)的結(jié)果證明，幅度調(diào)制解調(diào)的方式無線傳輸突發(fā)信號(hào)可靠性高，信號(hào)傳輸效果好，具有良好的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

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（編輯? 王雪芬）

Study of safety monitoring system in building based on amplitude modulation

Chen? Hong

（College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China）

Abstract： In order to manage safety in building，the safety monitoring system is designed and the wireless communication is realized by amplitude modulation and demodulation. The working flow and the wireless network of the safety monitoring system are designed，the on-time signal is collected by the checking module on site，the quality of the signal transmission is tested by the waveform of amplitude modulation and demodulation. The testing result shows that the signal of designed safety monitoring system can be transferred with high reliability， and the function is stable，which has the important practical value.

Key words： amplitude modulation; safety monitoring system; reliability; coherent demodulation; envelope demodulation