CN103957007A - 低信噪比下任意波形的微弱信号检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低信噪比下任意波形的微弱信号检测方法及系统，其中系统包括：低噪放大器、锁相环、微处理器、数字频率合成器和运算模块，通过模拟锁相环工作锁定待检微弱信号的频率，利用微处理器测量该锁相环的输出频率，并根据该频率值控制直接数字合成电路产生同频信号，该信号作为相关检测所需的参考信号。运算模块采用乘法器和积分电路实现相关检测，通过步进调整参考信号的相位，使互相关值最大，获得与被测信号同频同相的再生信号，从而实现微弱信号的检测与放大。本发明在低信噪比条件下，具有较好的线性测量特性和较高的准确度，可实现任意波形的微弱信号自动检测和再生放大。

Description

低信噪比下任意波形的微弱信号检测方法及系统

技术领域

本发明涉及微弱信号检测，尤其涉及一种低信噪比下任意波形的微弱信号检测方法及系统。

背景技术

在强噪声背景下进行微弱信号检测,在现代无线通信、传感器与机械设备检测等领域应用广泛，常用的检测方法有相关检测、频谱分析等。对微弱信号而言，直接通过波形采集进行频谱分析是不合适的，同时，传统的相关运算采用的参考信号为方波波形，这仅仅适合固定频率的微弱信号检测，且由于方波信号存在丰富的谐波成分，对低频微弱信号的检测存在干扰；同时由于参考频率误差、参考信号相移误差，难以获取准确的被检信号参数，以及被检信号的重建输出。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中通过方波波形的参考信号难以获取准确的被检信号参数，无法进行被检信号的重建输出的缺陷，提供一种可实现任意波形的微弱信号自动检测和再生放大的微弱信号检测方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种低信噪比下任意波形的微弱信号检测方法，包括以下步骤：

将被测信号进行幅度放大，其中为微弱信号，n(t)为噪声；

提取微弱信号的频率，并通过数字频率合成器生成与该微弱信号相同波形、相同频率的参考信号

将被测信号与参考信号通过乘法器、积分-清零器进行相关运算，得到运算值其中K_xy为乘法器系数，NT₀为积分时间，Δω为被测信号与参考信号的频率差，为被测信号与参考信号的相位差；

根据获取的运算值控制数字频率合成器合成的参考信号的相位，使参考信号与被测信号的相位差获得最大的相关运算值，并获得微弱信号的幅度A＝2U₀/K_xyU_REF；

通过数字频率合成器输出与微弱信号同频同相的再生信号。

本发明还提供一种低信噪比下任意波形的微弱信号检测系统，包括：

低噪放大器，用于将被测信号进行幅度放大，其中为微弱信号，n(t)为噪声；

锁相环，与低噪放大器连接，用于提取微弱信号的频率，并输出与微弱信号同频的方波信号；

微处理器，与锁相环连接，用于获取方波信号的频率值，并控制数字频率合成器；

数字频率合成器，与微处理器连接，在其控制下生成与微弱信号相同波形、相同频率的参考信号

运算模块，与数字频率合成器相连，包括乘法器和积分-清零器，用于将将被测信号与参考信号通过乘法器、积分-清零器进行相关运算，得到运算值其中K_xy为乘法器系数，NT₀为积分时间，Δω为被测信号与参考信号的频率差，为被测信号与参考信号的相位差；

所述微处理器还用于根据获取的运算模块的运算值，控制数字频率合成器，使其生成的参考信号与被测信号的相位差通过运算模块获得最大的运算值，并获得微弱信号的幅度A＝2U₀/K_xyU_REF；

数字频率合成器还用于在微处理器的控制下输出与微弱信号同频同相的再生信号。

本发明所述的系统中，微处理器还用于根据外部设定频率对指定的频率信号进行检测。

本发明所述的系统中，所述数字频率合成器采用40比特的频率字宽、14比特相位字宽、10比特幅度控制字宽以及参考频率为70MHz的现场可编程器件实现。

本发明所述的系统中，所述微处理器为低功耗MSP430，内部包括高精度的模拟数字转换器，通过该模拟数字转换器获取运算单元的运算值。

本发明所述的系统中，所述锁相环包括鉴相器、压控振荡器和环路滤波器，在压控振荡器的输出端与鉴相器反馈输入端之间还设有分频电路。

本发明产生的有益效果是：本发明中采用锁相环锁定被测频率或直接指定被测频率，提高了检测效率，步进调整参考信号的相位，提高了检测精度；同时，相关运算的参考信号与被测信号波形一致，克服了传统检测中方波所带来的谐波干扰；通过控制直接数字频率合成单元获得与被测信号波形一致的参考信号，在相关运算中减小了波形带来的干扰，适合不同波形的微弱信号检测。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例低信噪比下任意波形的微弱信号检测方法流程图；

图2是本发明实施例低信噪比下任意波形的微弱信号检测系统结构示意图；

图3是本发明实施例锁相环的电路框图；

图4是本发明实施例数字频率合成器的内部电路框图；

图5是本发明实施例中运算模块的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例低信噪比下任意波形的微弱信号检测方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、将被测信号进行幅度放大，其中为微弱信号，n(t)为噪声；

S2、提取微弱信号的频率，并通过数字频率合成器生成与该微弱信号相同波形、相同频率的参考信号

S3、将被测信号与参考信号通过乘法器、积分-清零器进行相关运算，得到运算值其中K_xy为乘法器系数，NT₀为积分时间，Δω为被测信号与参考信号的频率差，为被测信号与参考信号的相位差；

S4、根据获取的运算值控制数字频率合成器合成的参考信号的相位，使参考信号与被测信号的相位差获得最大的相关运算值，并获得微弱信号的幅度A＝2U₀/K_xyU_REF；

S5、通过数字频率合成器输出与微弱信号同频同相的再生信号。

还可包括步骤S6、通过显示器显示该再生信号，即显示被测信号中微弱信号的幅度、频率和相位。

基于上述检测方法，本发明实施例低信噪比下任意波形的微弱信号检测系统，如图2所示，包括：

低噪放大器10，用于将被测信号进行幅度放大，其中为微弱信号，n(t)为噪声；

锁相环20，与低噪放大器10连接，用于提取微弱信号的频率，并输出与微弱信号同频的方波信号，两者频率相同，但是存在相位差；锁相环20将该方波信号输入至微处理器30。

微处理器30，与锁相环20连接，用于获取方波信号的频率值，并控制数字频率合成器60；

数字频率合成器60，与微处理器30连接，在其控制下生成与微弱信号相同波形、相同频率的参考信号

运算模块50，与数字频率合成器60相连，包括乘法器和积分-清零器，用于将将被测信号与参考信号通过乘法器、积分-清零器进行相关运算，得到运算值其中K_xy为乘法器系数，NT₀为积分时间，Δω为被测信号与参考信号的频率差，为被测信号与参考信号的相位差。

运算模块50由乘法器和积分-清零器组成，如图5所示。本发明的一个较佳实施例中，乘法器选用AD633，积分-清零器实现多周期的累积，积分时间和清零控制均由微处理器30控制，积分-清零器为低通滤波电路，截止频率为10Hz，滤除噪声、谐波干扰等，其中运算放大器选用低噪声OP27。显然，运算值与输入信号的幅度和相位差有关，通过单片机调整数字频率合成器产生的参考信号相位可以使相关值最大，从而获得微弱信号的相位。

通过锁相环20提取的信号频率与数字频率合成器60产生的参考信号频率等于被测信号中微弱信号频率，故频率差Δω＝0，但相位差是随机的，使得相关运算的值也是随机的。

锁相环20主要包括鉴相器、压控振荡器和环路滤波器，当被检信号频率较低时，可在压控振荡器的输出端与鉴相器反馈输入端之间接入分频电路。当被测信号频率较高时，可不接入分频电路，锁相环路锁定时，通过分频可扩展锁相环的工作频率范围，微处理器获得稳定的方波信号进行频率测量。

本发明实施例中选用模拟集成锁相环LM565，具体的电路如图3所示。LM565的工作频率范围为0.001Hz-500kHz，鉴频失真度低于0.2％，最大锁定范围为±60％。压控振荡器的中心频率由定时电阻RT(8端)和定时电容CT(9端)决定，考虑到扩大被检测信号的频率范围以及单片机的频率检测范围，这里在压控振荡器的输出端4与鉴相器反馈输入端5间插入100分频电路。环路滤波由7脚所接电容C₁、内部电阻R₁组成，适合宽带信号跟踪。当锁相环处于入锁状态时，此时输出稳定的同频方波信号，并将分频器前后的方波信号均输出至单片机，当检测信号频率较低时，如低于2kHz，利用100分频电路提高VCO的工作频率，提高锁相环的工作效率，此时单片机采集信号频率f_out2；若检测信号频率较高时，如高于200kHz，可直接将4脚输出与5脚相连接，此时单片机采集信号频率f_out1。锁相环20的固有频率为

$f_T=\frac{0.3}{R_T{C}_T}.$

图3中，9脚所外接定时电容由单片机控制，可更换不同的电容，选择不同的压控振荡器工作频段。

所述微处理器30还用于根据获取的运算模块50的运算值，控制数字频率合成器，使其生成的参考信号与被测信号的相位差通过运算模块50获得最大的运算值，并获得微弱信号的幅度A＝2U₀/K_xyU_REF；本发明实施例中微处理器30步进控制数字频率合成器60的相位控制字，以调整参考信号的相位，当获得最大的相关运算值时，停止调整参考信号的相位。数字频率合成器60在微处理器30的控制下输出与微弱信号同频同相的再生信号。

微处理器30还可根据外部设定频率对被检信号中的指定频率信号进行检测。

本发明实施例中，数字频率合成器60可以产生任意波形，以及高精度的频率和相位控制，可采用现场可编程器件实现，其中频率控制字宽40比特，相位控制字宽14比特，幅度控制字宽10比特，参考频率为70MHz，频率合成器输出的参考频率可达到20MHz，远高于目前的专用直接频率数字合成器芯片。其中数字频率合成器60的波形存储器中可存储常规或特殊波形数据，若增大参考频率，可进一步提高输出参考信号的频率。本发明实施例数字频率合成器60的内部电路框图如图4所示，图4中数字部分为FPGA实现，频率值Fr由微处理器预置，经过40位的全加器实现相位累加并寄存，再与预置的初始相位θr相加，获得波形存储器的寻址地址，通过该地址获得波形幅度值，经过数模转换器合成为指定波形，若为正弦波，则通过椭圆低通滤波器滤除高次谐波，获得检波用的参考信号。这里FPGA可选择EP1C3T100C8N，数字模拟转换器可选择10位高速DAC芯片THS5651，滤波器为椭圆低通滤波器结构。

本发明较佳实施例中，所述微处理器为低功耗MSP430，内部包括高精度的模拟数字转换器，通过该模拟数字转换器获取运算单元的运算值。

综上，本发明具有以下优点：

1、低成本；本发明采用通用器件实现，不需要高速的模拟数字转换器或高速信号处理器件；

2、高精度；本发明中采用锁相环锁定被测频率或直接指定被测频率，提高了检测效率，步进调整参考信号的相位，提高了检测精度；同时，相关运算的参考信号与被测信号波形一致，克服了传统检测中方波所带来的谐波干扰；

3、适应性更强；通过控制直接数字频率合成单元获得与被测信号波形一致的参考信号，在相关运算中减小了波形带来的干扰，适合不同波形的微弱信号检测。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种低信噪比下任意波形的微弱信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将被测信号进行幅度放大，其中为微弱信号，n(t)为噪声；

提取微弱信号的频率，并通过数字频率合成器生成与该微弱信号相同波形、相同频率的参考信号

将被测信号与参考信号通过乘法器、积分-清零器进行相关运算，得到运算值其中K_xy为乘法器系数，NT₀为积分时间，Δω为被测信号与参考信号的频率差，为被测信号与参考信号的相位差；

根据获取的运算值控制数字频率合成器合成的参考信号的相位，使参考信号与被测信号的相位差获得最大的相关运算值，并获得微弱信号的幅度A＝2U₀/K_xyU_REF；

通过数字频率合成器输出与微弱信号同频同相的再生信号。

2.一种低信噪比下任意波形的微弱信号检测系统，其特征在于，包括：

低噪放大器，用于将被测信号进行幅度放大，其中为微弱信号，n(t)为噪声；

锁相环，与低噪放大器连接，用于提取微弱信号的频率，并输出与微弱信号同频的方波信号；

微处理器，与锁相环连接，用于获取方波信号的频率值，并控制数字频率合成器；

数字频率合成器，与微处理器连接，在其控制下生成与微弱信号相同波形、相同频率的参考信号

运算模块，与数字频率合成器相连，包括乘法器和积分-清零器，用于将将被测信号与参考信号通过乘法器、积分-清零器进行相关运算，得到运算值其中K_xy为乘法器系数，NT₀为积分时间，Δω为被测信号与参考信号的频率差，为被测信号与参考信号的相位差；

所述微处理器还用于根据获取的运算模块的运算值，控制数字频率合成器，使其生成的参考信号与被测信号的相位差通过运算模块获得最大的运算值，并获得微弱信号的幅度A＝2U₀/K_xyU_REF；

数字频率合成器还用于在微处理器的控制下输出与微弱信号同频同相的再生信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，微处理器还用于根据外部设定频率对指定的频率信号进行检测。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数字频率合成器采用40比特的频率字宽、14比特相位字宽、10比特幅度控制字宽以及参考频率为70MHz的现场可编程器件实现。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述微处理器为低功耗MSP430，内部包括高精度的模拟数字转换器，通过该模拟数字转换器获取运算单元的运算值。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述锁相环包括鉴相器、压控振荡器和环路滤波器，在压控振荡器的输出端与鉴相器反馈输入端之间还设有分频电路。