正交式数字相敏检波在PED 接收系统中的应用

程德福，陈嘉仪，杨 巍，蔡珊珊

(吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130026)

正交式数字相敏检波在PED 接收系统中的应用

程德福，陈嘉仪，杨 巍，蔡珊珊

(吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130026)

鉴于井下复杂噪声对信号检测的不利影响，针对以无线应急通信系统PED(Personal Emergency Device)为代表的井上井下超低频通信接收设备，提出一种不需要外接同频参考信号的数字相敏检波优化算法，并在PED模拟实验系统中，验证了接收部分应用数字相敏检波算法的效果。数字相敏检波通过对待测信号进行若干周期采样，并将采样值与存储于数组中相应参考值进行乘累加并取平均，求其同相分量与正交分量的方式，完成对信号幅值的计算。实验数据表明，当假定PED井下接收机的辨别能力是信号的相关性大于0.6时，系统能接收的最小信噪比为-58 dB，在一定程度上提高了接收有用信号的准确度，有利于仪器小型化、便捷化的实现。

无线应急通信系统;数字相敏检波;滤波;A/D转换

0 引 言

矿难事件发生时，常规有线通信设施遭到破坏，井上人员无法与井下人员取得联络，更无法准确了解被困人员的状况和位置，因此，救援部署工作受到了很大的局限。目前，以大地为信道的通讯方式受到了人们的广泛关注。以PED(Personal Emergency Device)为代表的井下无线应急通信系统在此方面有广阔的应用，它可以在其他系统损坏时保证通讯畅通，相关人员可在极短的时间内采取应急措施，最大程度地减少伤亡;同时PED系统可与井下任何人员进行通讯，方便了生产调度和人员部署，从而生产效率得到了极大地提高［1，2］。但是，井下环境复杂，工频谐波噪声、随机噪声和尖峰噪声等噪声的存在使PED系统在接收处理信号方面困难重重，所以在复杂环境噪声中采用合适的微弱信号检测技术和方法将有用信号提取出来是数据处理的关键。由于相敏检波器可以鉴别调制信号相位并具有选频能力，因此在接收器前端谐振接收基础上，它可进一步提高Q值，减小带宽，从测量信号中获得固定频率的有用信号。传统模拟相敏检波技术的锁相放大器是利用双发射极晶体管的开关特性实现的，虽然原理简单易操作，但具有硬件不稳定、有用和无用信号分离不彻底、测量结果不精确等缺点［3-10］。笔者提出了将数字相敏检波应用于PED接收系统的微弱信号数据处理，不仅使电路设计得以简化，接收设备小巧便携，而且在井下复杂环境中能显著提高低信噪比。

1 PED系统原理与相敏检波原理

1.1 PED系统组成

PED是由系统平台、信号调制器、信号发射机、环状天线及接收设备等部分组成的通讯系统。它以大地作为信道，并且信号可穿透岩层传播进而实现通讯功能。图1为PED系统的通讯示意图。

由于大地趋肤效应的存在，传统的高频通讯具有不可实现性，无线通讯频率被局限在了超低频段。由系统平台发出的经过调制的弱小信号在低频发射机的作用下获得较大的输出功率，然后进入大型的环形天线。当天线中有变化电流流过时就在其中心的周围区域产生了电磁场，进而将信号发射出去。接收机包括便携背带式PED接收机和车载PED接收机，其中背带式PED接收机与工作人员所用的帽灯相连，当信息传来时，帽灯将会明暗闪烁，蜂鸣器发出声音，同时信息在接收机的显示板上显示。另一方面，由外部天线单元和内部显示接收单元组成的车载PED接收机与井下车辆相连，显著提高井下作业效率，方便生产。

PED选用超低频电磁波为信号载体，频率范围为300～800 Hz。因此，笔者选择的相敏检波器是以720 Hz信号作为标准信号设计的。

图1 PED系统的通讯示意图Fig.1 Schematic diagram of PED system

1.2 正交相敏检波器的原理

鉴于高Q值模拟滤波器实现有一定难度，功能相当于高Q值窄带带通滤波器的相敏检波器可以弥补传统滤波器的这一缺点。其Q值可以达到108，因此，只有与参考信号同频的信号才能通过，具有很好的选频效果。相敏检波器频率的稳定度可达到10-8，以确保中心频率不漂移保持稳定。理想相敏检波滤波器的带宽可达到无限窄，趋近于零，即滤波器可以做到单频率检测。若将其应用于PED接收部分，可极大改善有用信号的信噪比。模拟相敏检波器的原理如图2所示。其中S(t)为待提取信号，R1(t)、R2(t)为标准正交参考信号，n(t)为噪声，K为前级放大增益，X(t)为经前级放大信号。超低频穿岩后接收信号所掺杂的噪声主要为50 Hz工频干扰、2～10 Hz的地磁信号干扰、少量标准发射信号的谐波分量，以及器件带来的高斯噪声、热噪声等。

各信号可以表示为

图2 模拟相敏检波器原理图Fig.2 Schematic diagram of analog circuit for phase sensitive detection

通过图1相干性算法可得

则模拟相敏检波器的幅值与相位可以求出

然而，模拟相敏检波对器件的精度和外接标准正交参考信号稳定性等条件要求较高。井下环境恶劣，存在温度、湿度等多变因素，极易造成相敏检波器中心频点的漂移及热噪声的引入。加之前级硬件电路所带来的直流偏量难以消除，将使有用信号的幅值和相位的计算产生难以预计的偏差。借此，拟采用数字相敏检波的方法，达到简化井下接收设备，提高弱信号检测准确度的目的。

1.3 数字相敏检波器算法

不同于传统模拟相敏检波器对器件准确性以及稳定性的较高要求，数字相敏检波只依靠模数转换芯片，数据处理芯片和相应的软件算法，即可在很大程度上减小实验的随机误差，有利于对微弱信号的检测及进一步处理。

PED接收部分硬件组成如图3所示。

当采用数字相敏检波时，每周期对信号进行N次采样，则式(1)可以表示为

图3 PED接收部分硬件组成Fig.3 Hardware circuit components of PED receiving unit

设噪声信号为

其中Ur1主要为50 Hz工频干扰信号幅度，Ur2为2～10 Hz地磁噪声干扰，N(l)为高斯噪声。采用标准正交信号为

考虑到信号中的直流信号，计算出信号中的直流分量

则模拟信号中的式(3)可以写成

从而可以求出信号的幅度和相位

图4 采样值与系统带宽关系图Fig.4 Diagram of the relation between sampling number and bandwidth

通过式(19)可以看出，利用正交信号作为标准参考信号不仅可以滤除频带外绝大多数的噪声，还能求出输入信号与标准参考信号的相位差。由文献［11-13］可知数字相敏检波(DPSD)算法的幅频特性为

其中fc为参考频率，N为采样点数，K为增益，Δω为信号角频率与标准参考角频率的差。从式(20)可以看出，DSPD算法的幅频特性不仅与输入信号的频率有关，还跟采样点数有关。采样点越多，对频带外噪声的滤除效果也越好。同时从图4可以看出，N值越大，通频带越窄，系统的选择性也越好，更加有利于噪声的滤除。

2 PED系统模拟实验

由于PED应急通讯系统主要应用于大型矿井中，系统所需发射电流大，环形天线占地面积广，验证型实验难以开展。因此，考虑搭建模拟PED系统进行相关实验。

超低频发射信号所选用的频率在300～800 Hz的频段内。实验采用半径为8 m、周长为200 m的多匝线圈为发射线圈，在其中通入有效值5 A正弦的电流，以实体墙壁为穿越障碍物，通过短距离的穿岩传输模拟PED的工作过程。

为了尽可能降低输入噪声，系统采用谐振接收。但谐振接收频带较宽，Q值小，因此仍有较多噪声存在。通过系统实验，测得经过谐振接收传感器后的环境噪声信号波形如图5所示。输出噪声幅值最大值为22 mV，通过傅里叶变换得最大噪声信号频率为50 Hz。

图5 谐振接收噪声图Fig.5 Diagram of noise after resonant filter

实验选用720 Hz频率信号作为标准信号。根据奈奎斯特采样定理可知，采样频率必须大于信号频率两倍以上才能准确恢复信号。根据图5得知，采样点数越多，则通带越窄。当N取8 000时，并依据信号传输的时效性，要求对有用信号的采样在200个周期内完成。因此，要求AD转换的速率应该大于每秒采样次数。同时，在参考电压为2.5 V，并要求采样误差小于0.001%时，则要求AD转换芯片的分辨率在18位以上。考虑到上述两个条件，选用高精度转换芯片ADS1256作为信号的数据采集模块。ADS1256的转换速率为30 kbit/s，分辨率为24 bit，满足实验设计要求。由于本算法具有一定量的数学运算，因此要求控制芯片具有较强的数据处理能力和运算速度。

控制芯片除了要进行数据处理，还需要完成端口操作、外围控制等任务。DSP相对于单片机具有较快的运算速度以及较强的数据信号处理能力，但价格昂贵且操作复杂。而单片机在操作外围端口时更加方便且相对简单，价格便宜。高速单片机芯片可在一定程度上弥补其速度上的劣势。因此，从多方面因素考虑，选用ARM内核的72 Mbit工作频率的STM32单片机作为处理器。

在STM32进行算法编辑时，为了抑制吉布斯效应，利用单片机内部的定时器严格设定采样周期，保证对完整周期的采样。在响应定时中断时，单片机将A/D采来的数据存入数组。在N次采样后，由单片机对被测信号幅值及相位进行数值计算，作为井上发送信息判别的依据。流程图如图6所示。

N固定为8 000时，将幅值为0.5 V的不同频率的正弦信号输入数字相敏检波，得到的输出幅值曲线如图7所示。从图7中可以看出，输出的信号以参考频率720 Hz为中心向两侧急速衰减，带宽为4 Hz。数字锁定放大器的频带非常窄，具有非常好的选频作用，能有效滤除频带外的噪声。且通带外的衰减并不按线性衰减，出现了衰减的波峰与波谷段。因此在实际操作时应该尽量将50 Hz倍频点避开所对应的波峰点。图8是通过实验模拟井下PED接受环境中高频噪声、高工频干扰所测得的实验数据，是混杂不同幅值白噪声、工频噪声信号通过DPSD后得到的测量值。从图8中可以看出，输入的工频噪声由于在通频带外，所以对输入的信号几乎没有影响，而输入的白噪声对有效正弦信号影响也非常小。由于通带内仍有少量的噪声信号，随着输入噪声幅度的增大，输出有效信号幅度基本不变，因此输入噪声并不影响对输入信号的检测。

图6 数据采集流程图Fig.6 Flow chart of date colection

图7 DSPD滤波特性Fig.7 Diagram of filter characteristics

由图9可以看出，当输入信号的信噪比逐渐减小时，输出信号的信噪比也同时减小，但输出信号的输出信噪比在小于0后减小趋势缓慢，信噪比保持在30 dB以上，同时输出所测信号的相关性有所下降。当以信号相关性大于0.6并能检测到信号为标准时，系统能接受的最小信噪比为-58 dB，因此能对PED接收机信号中的噪声有非常好的滤除作用。

图8 噪声抑制特性 Fig.8 Noise suppression characteristics

图9 信噪关系图Fig.9 Graph of SNR

3 结 语

通过PED模拟及测量的试验数据可以得出，使用数字相敏检波可以更加有效地抑制噪声，改善信噪比，使测量数据更准确。与谐振接收及传统的模拟相敏检波相比，在复杂背景噪声下运用数字相敏检波技术更有利于微弱信号的提取，同时，软件取代了硬件，简化了电路设计，使仪器小巧化得以实现，降低了仪器成本。可知数字相敏检波在PED接收信号检测方面具有很好的应用价值。

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(责任编辑:刘东亮)

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

国家级大学生创新实验计划基金资助项目(2014A65301)

程德福(1958— )，男，辽宁朝阳人，吉林大学教授，博士生导师，主要从事微弱信号检测和智能仪器研究，(Tel)86-13500800255(E-mail)chengdefu@jlu.edu.cn;通讯作者:蔡珊珊(1994— )，女，福州人，吉林大学本科生，主要从事信号检测和智能仪器研究，(Tel)86-18844193082(E-mail)292071586@qq.com。