田正武 熊俊俏 裴建華 林鶴鳴 劉 澤

(武漢工程大學電氣信息學院，武漢 430205)

從強噪聲背景下提取并檢測微弱信號，在無線通信、傳感器及機械設備檢測等領域應用廣泛[1，2]，具體的檢測方法也從傳統(tǒng)的相關檢測、頻譜分析發(fā)展到小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡、混沌振子、高階統(tǒng)計量及隨機共振等[3，4]。由于微弱特征信號(如有周期信號、脈沖信號、沖擊信號及非周期信號等)和噪聲(如白噪聲、高斯噪聲及窄帶噪聲等)的種類較多，不同特性的信號和噪聲的混合造成待測信號較為復雜，通常根據(jù)噪聲特征和微弱信號的特點選擇合適的檢測方法。

互相關檢測方法是根據(jù)接收信號的頻率，在接收端產(chǎn)生與待測信號頻率相同的參考信號，將參考信號與混有噪聲的被檢測信號進行相關處理，利用信號與噪聲的不同的相關特性提取信號。在互相關檢測方法中，需要了解被檢信號的頻率，確定參考信號的頻率，并調(diào)整參考信號的相位，使互相關值最大。傳統(tǒng)的互相關檢測方法，往往假定被檢測信號的頻率，參考信號采用方波進行互相關[5]，而在理論分析時，將方波分解為基波和諧波，通過濾波濾除諧波成分的影響，因此傳統(tǒng)的互相關檢測存在一定的缺陷，如缺乏頻率自動檢測與跟蹤能力、方波的諧波成分對互相關的影響，特別是頻率較低的信號檢測，受諧波的影響更大。為此，筆者提出了一種基于鎖相環(huán)和直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthnesizer，DDS)技術的微弱信號檢測方案，利用鎖相技術提取被檢信號的頻率，并以該頻率為參考，通過DDS技術選擇合適的波形進行相關處理，確定被檢測微弱信號的幅度與相位，從而獲得微弱信號的重建。

1 鎖定檢測放大器的工作原理與電路①

基于鎖相環(huán)和DDS技術的微弱信號檢測系統(tǒng)如圖1所示。低信噪比信號通過低噪放大器進行幅度放大，由鎖相環(huán)提取被檢信號的頻率，該頻率值通過控制器傳輸給DDS，DDS產(chǎn)生同頻率的本地參考信號，該信號與被檢信號進行互相關運算。由于互相關運算與兩者的相位差有關，因此控制器步進調(diào)整參考信號的相位使互相關值最大，此時DDS輸出的信號與被檢信號同頻同相，再經(jīng)放大器即可獲得所需信號的幅度。顯然，微弱信號檢測的靈敏度與檢測信號的帶寬取決于鎖相環(huán)的性能，被檢信號的相位恢復取決于DDS的相位控制精度。

圖1 微弱信號檢測系統(tǒng)框圖

1.1 鎖相環(huán)電路

鎖相環(huán)是一種相位反饋控制電路，通過相位的控制獲得頻率同步，因此鎖相環(huán)輸出的頻率與被檢信號的頻率同步，但保持穩(wěn)定的相位差。鎖相環(huán)主要由鑒相器、壓控振蕩器和環(huán)路濾波器構(gòu)成。筆者設計的微弱信號檢測系統(tǒng)選用模擬集成鎖相環(huán)LM565，其電路如圖2所示。

圖2 鎖相環(huán)電路

圖2中，9腳所外接定時電容由單片機控制，可以通過更換不同的電容來選擇不同的壓控振蕩器工作頻段。

1.2 DDS與頻率合成

圖1中的DDS提供微弱信號相關檢測用參考信號，這里選用AD9850(其內(nèi)部頻率控制字字長32位)和高性能的10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(工作時鐘180MHz)，采用的時鐘頻率為180MHz時，頻率分辨率為0.03Hz?？蓪敵稣也ㄐ盘柕南辔贿M行調(diào)整，具體電路如圖3所示。為濾除諧波和雜波的干擾，合成信號經(jīng)過五階橢圓低通濾波器濾波輸出。

圖3 DDS模塊電路

1.3 相關運算電路

相關運算由AD633乘法器和低通濾波積分電路組成[6]，如圖4所示。截止頻率10Hz，用以濾除噪聲及諧波干擾等，其中運算放大器選用低噪聲OP27。電位器RW用于調(diào)整電路漂移，電容C3=0.1μF，低通濾波用電阻R2=1MΩ，平衡電阻R3=1MΩ。

圖4 相關運算電路

相關運算的輸出為：

(1)

經(jīng)過濾波，得到：

(2)

對應的微弱信號幅度ui的計算式如下：

ui=20(u0-Z)/uREFcos(φ)

(3)

顯然，相關運算的值與輸入信號的幅度和相位差有關，單片機調(diào)整DDS產(chǎn)生的參考信號相位可以使相關值最大，從而獲得微弱信號的相位。

2 系統(tǒng)軟件

基于鎖相環(huán)和DDS技術的微弱信號檢測系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示。利用單片機89C51的定時器0與計數(shù)器1對鎖相環(huán)的壓控振蕩器輸出信號進行測頻，并將該頻率字賦予DDS，獲得與輸入信號同頻的正弦波，如果存在頻差，則采集的信號相關值發(fā)生周期性波動，可通過微調(diào)使兩者頻率相等。

圖5 系統(tǒng)軟件流程

當頻率微調(diào)相等時，通過調(diào)整參考信號的相位，使采集的相關值達到最大，此時DDS輸出的信號與被測信號同頻同相。采集相關值獲得被測信號的幅度。

3 測試

此次測試選用的DDS信號源為DG1022，可設置噪聲信號輸出；信號采集選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為TLC549，精度為8位；參考電壓由MC1403提供。

3.1 鎖相環(huán)頻率測量

當輸入信號幅值取1V且無噪聲輸入時，頻率測量數(shù)據(jù)見表1，通過鎖相環(huán)鎖定，所測的信號頻率偏小，誤差在±1Hz以內(nèi)。

表1 鎖相環(huán)頻率誤差 Hz

3.2 靈敏度與最小信噪比測量

在無噪聲條件下，輸入信號頻率為1.1kHz，當輸入信號幅度小于150mV時，鎖相環(huán)進入失鎖狀態(tài)，不能產(chǎn)生同頻方波。輸入信號幅值為300mV，頻率為1.1kHz，當噪聲幅值大于3.5V時鎖相環(huán)失鎖，當噪聲幅度小于3.5V時，能夠準確測頻顯示。

3.3 信號檢測的幅度特性測量

設定噪聲幅度為1V、頻率1kHz，改變信號幅度，相關值采樣，得到信號被測值，其特性曲線如圖6所示。

圖6 特性曲線

3.4 頻率特性測量

噪聲幅值仍設為1V，輸入信號取為1V，改變其輸入信號頻率，相關值采樣，得到信號被測值，其特性曲線如圖7所示。

圖7 幅頻特性曲線

由圖6、7可以看出，在低信噪比條件下，盡管幅頻曲線有一定起伏，但檢測系統(tǒng)具有較好的線性檢測特性。在測試過程中，由于參考信號的頻率與被測信號之間總存在頻率差，對檢測結(jié)果有一定影響，如DDS的預置頻率精度為0.01Hz，而頻率測量精度為0.10Hz。同時，相位控制的精度尚未達到最佳要求，如AD9851的相位調(diào)整精度只有4位，步進精度為11.25°，故所引起的誤差較大。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)采用鎖相環(huán)獲得微弱信號的頻率，并以此控制本地頻率合成信號的頻率作為參考信號，進行相關處理，通過調(diào)整DDS的相位，獲得最大相關值，從而使參考信號與被測信號同頻同相，得到了無噪聲干擾的再生信號。但在實際測試中發(fā)

現(xiàn)，盡管DDS合成信號的頻率精度很高，但與被測信號仍存在很小的頻差，導致乘法器輸出的信號幅度緩慢變化，此時采用積分-清零方式無法獲得相關值。為此，需要進一步微調(diào)DDS的工作頻率，使兩者頻差控制在較小的范圍內(nèi)，并根據(jù)連續(xù)采集的幅度模擬出相關值的大小。同時，若能控制DDS的輸出波形，并設置分辨率更高的相位控制，可進一步提高微弱信號檢測的性能。