張皖哲　徐之欣　王潤濤　張文涵

摘 要：該文通過研究經(jīng)典的雙穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振模型，設(shè)計了基于隨機(jī)共振的微弱信號檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)由AD5252隨機(jī)共振模塊、模數(shù)變換模塊、電壓極性變換模塊、STM32單片機(jī)等構(gòu)成，同時在實驗室中對該系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試。經(jīng)過一系列測試，該文所述的系統(tǒng)能夠非常好地對單獨100 Hz以內(nèi)的微弱信號進(jìn)行檢測。

關(guān)鍵詞：隨機(jī)共振 ARM微控制器 微弱信號檢測 AD5252

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（c）-0021-02

信號檢測在雷達(dá)、石油測井、地震勘探、衛(wèi)星通訊范圍有普遍的利用。在測量精密信號中，信號往往伴隨著噪聲，較準(zhǔn)確地提取噪聲干擾下的微弱信號，是極為重要的。傳統(tǒng)的濾波器主要基于噪聲抑制原理，即通過衰減或抑制噪聲分量，保留有用的頻率分量來實現(xiàn)信號濾波。然而，當(dāng)有用信號頻帶和噪聲頻帶重疊時，抑制噪聲會同時衰減有用信號，從而使得信噪比降低或波形失真。使用基于隨機(jī)共振的方法檢測微弱信號時，噪聲不會減弱信號還能在一定情況時提高輸出信噪比[1]，這是傳統(tǒng)的檢測方法不能比擬的。該文通過研究經(jīng)典雙穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振模型，設(shè)計了一個采用STM32單片機(jī)，通過控制數(shù)字電位器改變系統(tǒng)參數(shù)，來實現(xiàn)一個基于隨機(jī)共振的微弱信號檢測的系統(tǒng)。

1 經(jīng)典雙穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振模型

雙穩(wěn)系統(tǒng)中的響應(yīng)幅值均值是關(guān)于噪聲強(qiáng)度的函數(shù)。隨機(jī)共振的輸出幅值隨著的增加而非單調(diào)變化，首先隨著D的增加而增加，達(dá)到最大值后隨著的增加而減小。雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振響應(yīng)幅值隨噪聲強(qiáng)度變化曲線和機(jī)電系統(tǒng)中的共振曲線十分相似，因此這種現(xiàn)象被命名為“隨機(jī)共振”[2]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

該文采用STM32單片機(jī)，通過改變AD5252的編碼還有電阻阻值的比值來使系統(tǒng)參數(shù)、發(fā)生變化，使系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)共振來實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整雙穩(wěn)系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)由 AD5252隨機(jī)共振模塊、模數(shù)變換模塊、電壓極性變換模塊、STM32單片機(jī)等構(gòu)成。隨機(jī)共振電路的系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

該文為了進(jìn)行采樣分析而使用的微控制器為STM32F103。STM32F103內(nèi)核為Cortex-M3，由ST公司出產(chǎn)，是高性能、低成本、低功耗的單片機(jī)，內(nèi)置兩個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，時鐘頻率72 MHz，運算能力強(qiáng)，處理速度快。

3.2 隨機(jī)共振電路設(shè)計

AD5252是一款有雙通道的數(shù)字電位器，具有256位分辨率，它可以達(dá)到與電位計相同的功能，通過微控制器的控制實現(xiàn)功能。單電源5 V供電，3～5 V的邏輯電平控制，在該設(shè)計中通過單片機(jī)控制來實現(xiàn)隨機(jī)共振。

3.3 電壓極性轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

要對隨機(jī)共振模塊輸出的雙極性信號進(jìn)行電壓極性的變換，使雙極性變?yōu)?～5 V的單極性信號，因為STM32只能采集0～5 V之間的信號。系統(tǒng)中AD5252及LM324都需要5 V供電，變換電路設(shè)計如圖2所示。

3.4 噪聲源的設(shè)計

測試隨機(jī)共振電路性能時，需要模擬實際工作中的背景噪聲，這個噪聲需要能夠改變噪聲強(qiáng)度，該文利用 AT89C52單片機(jī)制作一個滿足要求的噪聲源[3-4]。

噪聲源的硬件電路由單片機(jī)模塊、D/A轉(zhuǎn)換電路、形狀調(diào)整電路組成，噪聲源硬件框圖如圖3所示。

單片機(jī)模塊產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)，D/A轉(zhuǎn)換電路將單片機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)變成噪聲電壓，再經(jīng)形狀調(diào)整模塊對其幅度等參數(shù)調(diào)節(jié)最后輸出。

4 系統(tǒng)實驗測試

4.1 噪聲強(qiáng)度確定，信號變化時的測試

在高斯白噪聲帶寬為20 kHz、能量幅值為1.8 V，信號為f=10 Hz、50 Hz、100 Hz，能量幅值為0.2 V的周期正弦信號下進(jìn)行測試，AD5252編碼范圍為0～127，用16進(jìn)制表示為0x00～0x7F。系統(tǒng)中兩片AD5252分別控制系統(tǒng)參數(shù)、，在=0.5的情況下進(jìn)行實驗，研究不同的參數(shù)對于系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)共振的情況。

測試過程中發(fā)現(xiàn)，在噪聲是能量幅值為1.8 V、帶寬為20 kHz時，系統(tǒng)對單獨100 Hz以內(nèi)的微弱周期信號能很好的進(jìn)行檢測，信號的頻率越低時檢測效果越好，當(dāng)頻率超過100 Hz后，系統(tǒng)的提取信號能力就會慢慢下降。

4.2 信號確定，噪聲強(qiáng)度變化時的測試

當(dāng)信號頻率為10 Hz，幅值為0.2 V的正弦信號下，高斯白噪聲帶寬為20 kHz、V分別為1.8 V、3.0 V、5.0 V時對系統(tǒng)進(jìn)行測試，在=0.5的情況下進(jìn)行實驗，研究不同的參數(shù)b對于系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)共振的情況。

實驗中發(fā)現(xiàn)，給定信號為10 Hz、幅值0.2 V的正弦，在噪聲的強(qiáng)度小于5 V的時候，系統(tǒng)能夠?qū)为?00 Hz以內(nèi)的信號實現(xiàn)很好地隨機(jī)共振檢測，噪聲強(qiáng)度越低時檢測效果越好，當(dāng)強(qiáng)度超過5 V時，系統(tǒng)提取信號的能力會變差。

5 結(jié)語

該文針對經(jīng)典隨機(jī)共振模型進(jìn)行了理論研究，在此研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于STM32單片機(jī)的隨機(jī)共振微弱信號檢測系統(tǒng)，包含AD5252隨機(jī)共振模塊、數(shù)模變換模塊、電壓極性變換模塊等，并在實驗室中進(jìn)行了測試。

但是系統(tǒng)還存在一些需要改進(jìn)的地方，該文檢測微弱信號的系統(tǒng)只在實驗室中進(jìn)行了測試，大家還應(yīng)該根據(jù)實際工程對電路進(jìn)行改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 樊養(yǎng)余，李利品，黨瑞榮.基于隨機(jī)共振的任意大頻率微弱信號檢測方法研究[J].儀器儀表學(xué)報，2013，34（3）：566-572.

[2] 陸思良.基于隨機(jī)共振的微弱信號檢測[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015.

[3] 李相臣.基于自適應(yīng)隨機(jī)共振的微弱信號檢測系統(tǒng)研究[J].杭州：中國計量學(xué)院，2013.

[4] 邵菊花.微弱信號檢測的隨機(jī)共振方法與應(yīng)用研究[J].成都：電子科技大學(xué)，2008.