甚低頻接收機的開發與應用

劉卿 顧旭東 倪彬彬

摘 要： 甚低頻（VLF）信號被廣泛應用于地球空間環境地基監測、全球航海通信與導航等領域。該系統在傳統甚低頻接收天線的基礎上，進行了天線小型化的改進，通過阻抗匹配，改善了系統靈敏度。該系統包括磁環天線，低噪聲模擬前端，數據采集與傳輸模塊以及同步模塊。磁環天線采用羅德施瓦茨公司生產的HZ?10型磁環天線。模擬前端分為基于差分結構的低噪放大器和巴特沃斯濾波器兩部分，在帶寬1～50 kHz內增益高達80 dB。數據采集和傳輸模塊采用基于FPGA和USB 2.0 總線的方法。在武漢（30.54°N， 114.37°E）測得寬帶甚低頻波譜結果初步驗證了該地基甚低頻接收系統的有效性和可行性。對人工甚低頻MSK調制信號進行幅度解調處理，得到其幅值的日變化曲線圖。

關鍵詞： 空間探測； 磁環天線； 甚低頻接收機； 阻抗匹配； 數據處理； 幅值日變化

中圖分類號： TN857?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0001?04

Development and application of VLF receiver

LIU Qing， GU Xudong， NI Binbin

（School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： Very low frequency （VLF） signals are widely used in the ground base monitoring of geospace environment， global marine communication， navigation and other fields. The antenna miniaturization improvement is conducted for the system on the basis of the traditional VLF receiving antenna， and the system sensitivity is improved by means of impedance matching. The system consists of magnetic loop antenna， low?noise analog front?end， data acquisition and transmission module， and synchronization module. The HZ?10 magnetic loop antenna produced by ROHDE & SCHWARZ is used as the magnetic loop antenna. The analog front?end includes a low?noise amplifier based on difference structure and a Butterworth filter， and its gains can reach 80 dB within a bandwidth of 1～50 kHz. The method based on FPGA and USB 2.0 bus is adopted in the data acquisition and transmission module. The bandwidth VLF spectrum results measured in Wuhan （30.54 °N， 114.37 °E） preliminarily verified the validity and feasibility of the VLF receiving system of the ground base. Amplitude demodulation processing was performed for artificial VLF MSK modulated signals， and the diurnal variation curve of the amplitude was obtained.

Keywords： space exploration； magnetic loop antenna； VLF receiver； impedance matching； data processing； amplitude diurnal variation

0 引 言

遍布全球各地的人工臺站是提供航海通信與導航服務的通信平臺，它們工作頻率均在10～60 kHz之間，即極低頻（ELF：300 Hz～3 kHz）和甚低頻（VLF：3～30 kHz）頻段。同時，閃電輻射的大部分甚低頻波在由地面與電離層低高度區域構成的EIWG波導（地球?電離層波導）中反射傳播。以臺站信號和天電信號為主要觀測對象，甚低頻接收機被廣泛地應用于太陽活動監測、地球空間地基遙感、全球航海通信與導航系統等領域。

區別于傳統的自發自收式雷達接收機系統，甚低頻接收機是無源被動接收裝置，無法通過一般雷達接收機信號檢測的手段來提取信號。我國于20世紀七八十年代開發了早期哨聲接收機，主要應用于自然界信號觀測，但接收信號十分微弱且容易受到背景電磁波干擾。甚低頻接收機受限于模擬和數字電路技術，系統靈敏度較低。為減少人工臺站信號干擾，這些接收機帶寬均低于20 kHz，后來逐漸銷聲匿跡。國外最新的甚低頻接收機系統是經斯坦福大學甚低頻課題組研制的AWESOME接收機[1?2]，已被廣泛地應用于近地空間環境進行監測等研究。ELF/VLF哨聲全球監測網絡近年來迅猛發展，尤其是在高緯度和中緯度地區。但ELF/VLF臺站信號研究在中國相對落后。因此，開發一種新型基于現代技術的數字ELF/VLF接收系統具有重要意義，其滿足對赤道和低緯度ELF/VLF信號進行全面監測的需求。

1 系統設計與實現

甚低頻接收系統主要由磁環天線、低噪聲模擬前端和數字接收機三部分組成，實現框圖如圖1所示。其中磁環天線采用了羅德施瓦茨公司生產的HZ?10型天線，其工作帶寬為5 Hz～10 MHz，靈敏度低于[8.0×10-11 T·Hz12]。低噪模擬前端主要實現天線阻抗匹配與信號放大、濾波，模擬前端通過屏蔽鐵盒密封，置于天線底部，通過多芯電纜與室內數字接收機相連，完成信號傳輸與供電。數字接收機包括基于USB 2.0總線的數據采集與傳輸模塊、高精度GPS同步模塊兩部分，通過FPGA完成時序控制。ELF/VLF信號首先由磁環天線接收，然后通過模擬前端放大和濾波，最后通過數字接收機完成數據采集與傳輸到計算機，實現進一步的處理和分析。考慮本文研究甚低頻波兩個主要來源：人工甚低頻臺與雷電輻射[3]。本系統帶寬設置為1～50 kHz，在滿足系統需求的同時可以很好地抑制50 Hz工頻干擾及其諧波分量。

1.1 磁環天線

在甚低頻接收機系統中，一般采用對磁場敏感的磁環天線作為接收天線，相對于電場天線其具有更優異的靈敏度和頻率響應。本文使用羅德施瓦茨公司生產的HZ?10型磁環天線。其主要參數如下：適用頻帶5 Hz～10 MHz；直流電阻10 [Ω]；電感415 [μH]；直徑13 cm；匝數36；重量260 g。根據法拉第電磁感應定律，磁場強度為[B]的入射波穿過截面積為[A]、匝數為[N]的環天線，感應電壓為：

[Va=jwNABw] （1）

1.2 低噪放大器設計

由于磁環天線阻抗很低，需要設計一個具有低輸入阻抗的模擬前端放大器電路與天線直流電阻[Ra]進行匹配[4]。圖2為單路信號甚低頻接收機系統模擬前端實現框圖。除了磁環天線外，模擬前端包括匝數比1∶4.5匹配變壓器、基于分立NPN晶體管的共基極差分放大器、高增益儀表放大器、帶通濾波器及驅動器。天線接收的信號干擾嚴重且十分微弱，前端模擬電路總增益約為80 dB對微弱信號進行幅度調理，以滿足后端數據采樣動態范圍[5]。

本系統采用分立晶體管元件設計一個具有輸入阻抗低、低噪聲特性的共基極差分放大器，其通過控制共基極晶體管靜態工作點控制放大器輸入電阻、增益等參量。同時，采用噪儀表放大器提升電路增益。如圖3所示，為了滿足共基極差分放大器兩個晶體管的對稱性，采用ADI公司生產的雙通道NPN匹配晶體管對芯片MAT12。由于其近乎完美的對稱性，能更好地提高共模抑制比。根據前面阻抗匹配分析，放大器輸入電阻[Rin=196 Ω]。對共基極放大器混合[π]型等效電路分析可知，放大器輸入電阻可表示為：

[Rin=rbe1+β≈re+rbb′β=VTIEQ+rbb′β] （2）

式中：[β]稱為共發射極交流電流傳輸系數；[rbb′]為三極管基區體電阻；[re]為發射極正偏、電流為[IEQ]時正向的動態電阻。對于MAT12，輸入電阻近似表示為：

[Rin≈26 mVIEQ] （3）

顯然，放大器輸入電阻只和基極靜態電流相關，通過控制靜態工作點，得到所需輸入電阻。根據圖3電路：基極靜態電壓[VBQ]通過電阻R9和R14控制；調整R15控制發射極靜態電流[IEQ]；R7，R8確定集電極靜態電壓[VCQ]。以單個三極管放大電路為例，靜態工作點相關參量之間關系如下：

[VCQ=VCC-IEQ·R7VEQ=-VCC+2·IEQ·R15VBQ=VBEQ-VEQ ICQ≈IEQ ] （4）

若放大器總輸入電阻為196 Ω，則單個共基極電路輸入電阻為98 Ω，那么根據式（3）可知單個晶體管[IEQ≈ICQ≈265 μA]。三極管放大電路應滿足發射極正偏、集電極反偏，才能保證三極管工作在放大區[4]。為兼顧工作點穩定、增益以及工作點設置等因素[6]，一般選取[3 V

為了滿足放大器高增益要求，采用超低噪聲儀表放大器AD8429，它具有[1 nVHz]的超低輸入噪聲性能，在小信號1.2 MHz帶寬范圍內可提供高達100 dB增益。同時將差分信號轉成單端信號，提供共模抑制比。帶通濾波器設計通頻帶為1～50 kHz，以抑制帶外噪聲，同時防止數據采集出現頻率混疊效應[7]。最后采用單端轉雙端的音頻驅動電路，極大地提高了信號傳輸的可靠性和抗干擾能力。將模擬前端封裝在一個密閉屏蔽鐵盒內，通過多芯平衡電纜與室內數據采集和處理平臺進行通信，完成信號傳輸和電源供電。

1.3 數字接收機

信號經前端電路放大和濾波，由該模塊進行采集，完成模擬?數字轉化，送至FPGA數據處理模塊。該模塊基于通用串行總線（USB）和高性能FPGA設計。被采樣的信號的帶寬為1～50 kHz，幅度為±2.5 V。根據奈奎斯特采樣定理，采樣速率[8]應高于信號最高頻率的2倍。此外，前端電路提供80 dB以上無雜散動態范圍（SFDR），抗混疊濾波器提供至少90 dB的阻帶抑制。結合上述要求，該甚低頻系統采用250 KSPS的采樣率，從而可以減少頻帶內的量化噪聲，同時減輕抗混疊濾波器設計的難度。此外，ADC具有90 dB SFDR，其電壓閾值匹配前端電路。選用兼容SPI的16位串行ADC芯片AD7685，它具有低功耗和低噪音等特點，并且在20 kHz提供93.5 dB信納比。FPGA是時序控制中心。計算機軟件通過USB發送操作命令后，FPGA會生成觸發信號接收指令。隊列（FIFO）模塊將數據以同步方式送到一個USB CY7C68013A芯片的內部寄存器。這些數據隨后打包并發送至上位機。模塊架構見圖4。

精確的采樣時鐘和時間同步對數據采集和時序控制至關重要。本系統采用標準的GPS接收卡（M12M + TIMING ONCORE），它提供了協調世界時（UTC），接收機位置的經緯度值和1 s脈沖（1 PPS）定時信號。本地壓控晶振產生10 MHz的時鐘由標準的1 PPS校準。該過程由FPGA控制16位數/模轉換器（DAC）輸出直流電壓校正壓控晶振（OCXO）的頻率來完成。這是一個循環比較過程：在每個1 PPS的上升沿，FPGA中的計數器模塊查詢晶振的時鐘，并把結果與所需頻率的周期數（10 MHz）進行比較，之后反饋回路用DAC調整偏移，以滿足頻率精度要求。計時和同步模塊的另一個重要輸出是觸發脈沖。該模塊比較實時時間與下載到FPGA中的時間，以確保它們是同步的，并給出一個使能標志脈沖。

2 觀測結果分析

由于接收信號強度很弱，為避免傳輸過程的損耗，將模擬前端緊接磁環天線放置，再由長距離饋線傳至上位機。武漢大學電離層實驗室已建立湖北武漢、湖北隨州、四川樂山三個觀測站點，經過長時間觀測，積累了大量相關數據。

2.1 寬頻帶觀測

該系統目標頻帶為1～50 kHz，采用250 KSPS過采樣。上位機程序以10 s時長打包原始數據。在Matlab數據處理階段，將每包數據分割為1 250個數據段，每段2 048點，對其做快速傅里葉變換（FFT），則頻率分辨率為122 Hz。

圖5為武漢站2017年3月20日接收的寬頻帶10 s數據，橫坐標為時間，縱坐標代表頻率，范圍0～50 kHz，顏色條代表信號強度。

圖中：水平線代表不同的甚低頻臺站信號，如JJI（22.2 kHz），以最小頻移鍵控（MSK）或頻移鍵控（FSK）方式調制[9]，既可用來進行全球通信定位，又能通過幅值，相位的變化，顯示電離層D層的變化情況；豎線代表由閃電脈沖輻射的“天電”（sferics）信號。作為激發源，其輻射的電磁波頻帶很寬，其聲頻部分主要以兩種方式傳播：一是以地面?電離層波導多次反射，稱為吱聲；另一部分在一定條件下，其能量穿透電離層進入磁層，由于與帶電粒子相互作用，近似地沿地磁場磁力線傳播，稱為哨聲[10]。

2.2 幅值日變化

圖6為2017年3月22日觀測到的JJI臺站信號幅值的日變化曲線圖，其與根據長波傳播能力理論（LWPC）相符。幅值日變化具有以下特點：

1） 夜間存在明顯擾動。一方面由于D層的消失，VLF信號反射區域不穩定；另一方面夜間多模信號相對白天對電離層變化更敏感，相互間存在更劇烈的串擾[12]。

2） 顯著地日出、日落效應。發生于晨昏線位于傳播路徑中點的時刻。天波總吸收的變化正比于電離層吸收系數β與D層反射高度的變化Δh之積。日出前出現的幅值快速跌落，主要是β快速增大所致，期間D層剛開始弱電離，反射高度仍接近夜間值且變化不大，電子濃度快速增加導致天波總吸收的增大，于是幅值跌落。之后出現“谷”，則是光解趨于穩定，β達到最大值的標志。接著幅度回升主要是D層反射高度明顯下降，Δh減小所致。同理日落前后的幅值跌落主要是Δh增大所致，而幅度的回升則主要由于β逐漸減小。圖中垂直尖峰為隨機干擾，多天觀測數據無明顯規律。

3 結 語

作為電離層觀測的重要工具，甚低頻電磁波的觀測研究在我國尚未成型。本文設計了一種高靈敏度，低噪聲干擾的甚低頻接收機系統，包含磁環天線，模擬低噪聲前端電路，數據采集處理模塊和同步模塊。其設計帶寬為1～50 kHz，帶寬內增益高達80 dB。經過布站觀測及數據分析，得到的結果和相關文獻結論基本契合，證明該系統具有良好的實用性、穩定性。大量原始數據的積累填補了我國在該探測領域的空白，且有待深層次地挖掘分析。

參考文獻

[1] COHEN M B， INAN U S， PASCHAL E W. Sensitive broadband ELF/VLF radio reception with the AWESOME instrument [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2009， 48（1）： 3?17.

[2] CARPENTER D L. The early history of very low frequency （VLF） radio research at Stanford [EB/OL]. [2014?08?01]. http：//vlf.stanford.edu/sites/default/files/publications/DonVLFHistory_0_0.pdf.

[3] MARIN L， CASTILLO J P， LEE K S H. Broad?band analysis of VLF/LF aircraft wire antennas [J]. IEEE transactions on electromagnetic compatibility， 1978， 20（1）： 141?145.

[4] CHAKRABORTY S， PALIT S， RAY S， et al. Modeling of the lower ionospheric response and VLF signal modulation during a total solar eclipse using ionospheric chemistry and LWPC [J]. Astrophysics & space science， 2016， 361（2）： 1?15.

[5] ?ULI? D M， SRE?KOVI? V A， MIHAJLOV A A. A study of VLF signals variations associated with the changes of ionization level in the D?region in consequence of solar conditions [J]. Advances in space research， 2016， 57（4）： 1029?1043.

[6] CHEN Y， YANG G， NI B， et al. Development of ground?based ELF/VLF receiver system in Wuhan and its first results [J]. Advances in space research， 2016， 57（9）： 1871?1880.

[7] 曾鶴瓊，胡駿，楊祖芳，等.采用前端變壓器的射頻電磁波能量收集器設計[J].電子器件，2016，39（4）：978?983.

ZENG Heqiong， HU Jun， YANG Zufang， et al. RF electromagnetic energy collector using front?end transformers [J]. Chinese journal of electron devices， 2016， 39（4）： 978?983.

[8] YAN Y L， LIU C， WU H N， et al. Non?foster matching network design for VLF receive loop antenna [J]. IEICE electronics express， 2016， 13（12）： 1?10.

[9] CHEN Y P， NI Binbin， GU Xudong， et al. First observations of low latitude whistlers using WHU ELF/VLF receiver system [J]. Science China： technological sciences， 2017， 60（1）： 166?174.

[10] BOUDERBA Y， NAITAMOR S， TRIBECHE M. Study of the solar flares effect on VLF radio signal propagating along NRKALG path using LWPC code [J]. Journal of geophysical research： space physics， 2016， 121（7）： 6799?6807.

[11] CHAKRABORTY S， PALIT S， RAY S， et al. Modeling of the lower ionospheric response and VLF signal modulation during a total solar eclipse using ionospheric chemistry and LWPC [J]. Astrophysics and space science， 2016， 361（2）： 1?15.

[12] INAN U S， CUMMER S A， MARSHALL R A. A survey of ELF and VLF research on lightning?ionosphere interactions and causative discharges [J/OL]. [2010?06?18]. https：//agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2009JA014775.