基于數字相關的微弱信號檢測系統的設計

汪彥君 程小輝 桂林理工大學信息科學與工程學院

鎖相放大器主要用于檢測正弦信號的幅值及相位，是民用和軍事領域中最為常用的微弱信號檢測設備。其依據信號噪聲的互相關性，選定一個與被測信號同頻率的參考信號，根據噪聲與此參考信號不具有相關性，而淹沒于強噪聲中的微弱信號與參考信號具有極高相關性的特點，將混有強噪聲的被測信號與參考信號相乘并作平均，所得結果即可反映被測信號的有效值。

相關解調器基于互相關檢測的原理，是鎖相放大器的主要組成部分，又稱相敏檢波器。其主要工作過程如下：首先對低頻微弱周期信號進行調制，再將其通過選頻放大器，然后與相同頻率的參考信號作乘法運算，對運算結果進行低通濾波以濾除高頻諧波分量，剩下的直流分量經過放大后所得的輸出信號電壓能體現出被測信號的電壓有效值。經過數字相關運算，本系統極大地抑制了噪聲，實現了從強噪聲中提取有用微弱信號的目的。

1 系統方案

本系統用于檢測已知頻率微弱信號的幅值，先由軟件生成相位為0°和移相90°后的參考信號，再將混有強噪聲的微弱信號分別與上述兩個參考信號作數字相關運算處理，即可得到一個與被測信號幅值成正比的值，再將此值乘以系數（值由測試結果確定）后即可得到被測信號的實際電壓。本系統的設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

參考信號Q和I由軟件產生，這樣可避免信號調理電路、A/D轉換帶來的噪聲混入及轉換誤差，提高了運算的精度。

2 電路設計

本系統為實現實時、高精度的數據采集及處理，采用DSP作為中央處理器，其具有較豐富的內部資源和I/O端口，可進行速度快、精度高的運算，滿足了數字相關算法對本系統的要求。A/D轉換芯片的選取應能滿足系統要求的采樣速率及采樣精度，故本系統選用AD公司的AD7655，其1Msps的采樣速率和16位的采樣精度已滿足系統要求，使測量達到一定的理論精度。為盡量不引入額外的噪聲，前級信號調理電路的運放選用了OPA27，其具有低噪聲低溫漂的特性，同時對信號調理部分的電路設計進行簡化，使其僅具有信號放大和阻抗匹配的功能，而其它方面則由程序代為實現。

下位機通過RS232與上位機通訊，將采集到并進行數字相關運算后的結果傳送給上位機進行處理并顯示。

3 算法設計

數字相關算法的步驟如下[3]：

通道1的參考信號不移相直接相關，有：

4 實際數據測試

用1KHz正弦波分別與2KHz、3KHz正弦波進行疊加，測量疊加后的信號，采集速率為80KHz，設置5個不同的信號幅值進行測試，結果如表1、表2所示。

表1 1KHz正弦波與2KHz正弦波疊加的測量值

表2 1KHz正弦波與3KHz正弦波疊加的測量值

5 結論

實際數據測試結果存在一定的誤差，原因主要有兩方面：一是試驗用參考信號是由程序生成，而被測信號是由信號發生器發生，兩者的頻率無法做到完全匹配，會影響測量精度，可見在數字相關算法中，被測信號頻率與參考信號頻率的匹配程度是影響系統檢測精度的一項重要指標。二是數字相關算法的輸入信號是模擬信號經過A/D轉換器后輸出的數字信號，在轉換過程中也存在著一定的舍入誤差，這同樣會影響到系統的檢測精度。

[1]朱衛華，陳權，劉國穩.數字鎖相放大器優化設計與仿真研究. 儀表技術，2017 (2)：18-21

[2]姚國生，孫志斌，李培剛，吳杰濤. 基于微弱交流信號檢測的鎖相放大系統設計，工業控制計算機，2017，30 (1)：134-135

[3]漆淼，郭建強.基于互相關函數的微弱信號檢測儀的研究. 微型機與應用，2013，32 (9)：14-17