淺談自動微弱信號檢測系統(tǒng)

偶曉飛　蔣琛

引言：微弱周期信號檢測被非常廣泛地應(yīng)用于地震、通信、雷達、工業(yè)測量等領(lǐng)域。一般情況下，弱信號檢測需要用戶使用特殊的檢測設(shè)備并對接收的數(shù)據(jù)進行操作。而基于LabWindows平臺開發(fā)出來的信號檢測系統(tǒng)可自動檢測高頻近場信號而無需用戶干預(yù)。

微弱信號檢測技術(shù)是一種采用物理、電子、計算機科學(xué)、信息理論的方法，對噪音的規(guī)律和原因進行分析，研究信號的特點和相關(guān)性，并對信號進行檢測的方法。其目的是從強噪聲中獲得微弱信號，或使用先進的技術(shù)和方法，提高被檢測系統(tǒng)的信號噪聲比（SNR）。

弱信號的快速檢測被廣泛應(yīng)用于地震、通信、雷達、工業(yè)測量等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的檢測方法如使用相敏檢波器（PSD）的方法，探測高頻近場的微弱信號的能力是很有限的。由于近場信號隨距離的平方或立方衰減，所以通常我們使用特殊的天線和檢測設(shè)備，如使用頻譜分析儀直接測量，或使用特定的接收器和解調(diào)模塊進行信號解調(diào)和分析。然而，這些方法要求測試人員熟悉檢測信號的特點并且熟練地操作測試設(shè)備。

LabVIEW被廣泛應(yīng)用于虛擬儀器的設(shè)計和開發(fā)。但是，在專業(yè)測試領(lǐng)域例如微弱信號檢測領(lǐng)域，并沒有綜合應(yīng)用的先例。

這種基于通用測試設(shè)備和LabWindows控制軟件的高頻近場微弱信號檢測系統(tǒng)，只要通過簡單的設(shè)置，就可以自動檢測高頻近場信號，并且在整個測試過程中不需要人為干預(yù)。整個系統(tǒng)包括三個部分：前端是一個定制天線，便攜且易于安裝；中端是一個開關(guān)陣列用于選擇和定位檢測位置，后端是檢測控制設(shè)備。檢測軟件基于LabWindows獲得通用測試設(shè)備的測試數(shù)據(jù)，使我們可以直接通過計算機進行一些信號處理運算。整個系統(tǒng)可以進行遠程控制，借助一個PDA平臺，可以在多系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擴大檢測范圍。通過實際測試，該檢測系統(tǒng)可有效地檢測到目標(biāo)電子設(shè)備散發(fā)出來的微弱信號。

本文首先介紹了高頻近場弱信號的特點，然后剖析了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)； 最后，使用Lab VIEW開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)從某些電子設(shè)備 檢測到微弱信號輻射。

一、高頻率近場弱信號檢測

在檢測信號之前，我們應(yīng)先了解信號的特征，比如輻射信號源的屬性、信號的輻射特性等。

1.高頻近場弱信號的輻射特征

任何電子設(shè)備的電磁輻射和輻射強度都與信號頻率和PCB布線情況有關(guān)。

信號的共同特點：

1）是一個頻率約為20兆赫的周期信號；

2）信號強度不高，受空間電磁干擾影響。

2.高頻近場微弱信號的輻射源屬性

以屬于VHF頻段的24MHz信號為例，波長為約12.5米。但與波長相比，天線與設(shè)備之間的距離是一個很短的長度，所以天線的周圍區(qū)域具有近場性質(zhì)。

3.高頻近場微弱信號檢測的難點

1.3.1檢測信號易被干擾

在日常生活環(huán)境中即使一些微小的電磁波也會對信號檢測產(chǎn)生干擾。

1.3.2接收天線小型化

為了移動、安裝方便，天線應(yīng)盡量小型化。由于頻率為24MHz，所以天線的尺寸為3米，即波長的1/4。

二、微弱信號檢測系統(tǒng)

基于上述分析，我們可以將微弱信號檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模塊描繪如下：

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前端為有源天線，負(fù)責(zé)接收、放大信號，必須具有良好的靈敏度和方向性。

中端為開關(guān)陣列，負(fù)責(zé)檢測位置的選擇，實現(xiàn)分布式檢測與定位。

后端則是與處理模塊連接的通用測試設(shè)備。

2.模塊

2.2.1有源天線

電子設(shè)備的輻射電場信號是弱信號，因此必須通過增加天線的面積，提高信號接收強度和產(chǎn)生天線中軸對稱接收效果以提高電容耦合能力。

2.2.2開關(guān)陣列

開關(guān)陣列由計算機芯片控制，芯片具有控制8個信號輸入、輸出的能力。該芯片的特點是低插入損耗和高開關(guān)速度。

2.2.3處理模塊

后端使用FSP13頻譜分析儀作為測試設(shè)備。該設(shè)備有豐富的外部接口如RS232、GPIB、LAN，使我們可以由GPIB總線進行遠程控制和數(shù)據(jù)采集。

該檢測系統(tǒng)的主要控制軟件是基于LabWindows開發(fā)，PDA子系統(tǒng)是由Visual Studio開發(fā)。

3.控制軟件的功能

控制軟件是這個系統(tǒng)的后端。主要功能是檢測位置開關(guān)、完成微弱信號探測和定位、協(xié)調(diào)信號接收、并提供一個友好的界面給用戶。

4.軟件結(jié)構(gòu)

該軟件由五個部分組成：人工檢測子系統(tǒng)、PDA子系統(tǒng)、設(shè)備連接子系統(tǒng)、系統(tǒng)設(shè)置、自動檢測子系統(tǒng)。

5.性能測試

2.5.1前端信號接收

通過實驗天線靈敏度達到-30dBuV/ M。

2.5.2后端處理

可以通過設(shè)置檢測閾值來調(diào)整系統(tǒng)的靈敏度。

6.檢測流程

2.6.1接收天線的位置檢測；

2.6.2掃描背景噪聲并保存；

2.6.3選擇檢測位置，然后設(shè)置檢測標(biāo)準(zhǔn)；

2.6.4開始檢測。后端處理模塊開始接收檢測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行一些數(shù)字處理算法，以盡量減少干擾。當(dāng)有一個信號超越噪聲則記錄頻點，對應(yīng)的檢測值將遞增；

2.6.5如果檢測值超出閾值，系統(tǒng)會立即通知測試儀定位檢測位置。

三、小結(jié)

本文介紹了高頻近場的自動微弱信號檢測系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，自動檢測系統(tǒng)可以有效運作，并具有如下特點：

該系統(tǒng)可以從目標(biāo)設(shè)備周圍檢測和定位到高頻近場弱信號；

整個檢測過程自動完成，不需要用戶干預(yù)。

檢測系統(tǒng)可以通過改變接收天線擴大檢測信號的頻率范圍；

可以在后端對檢測數(shù)據(jù)進行一些信號處理算法，以使系統(tǒng)性能得到提高。

參考文獻

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[2]Rohde and Schwarz“The Principle of Spectral Analysis”Germany，2004.

[3]于麗霞.王福明.微弱信號檢測技術(shù)綜述.信息技術(shù)，2007（2）：115-116.

（作者單位：1.江蘇省廣電有線信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司南通分公司；2.江蘇省電力公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院）

作者簡介

第一作者：偶曉飛（1980年）男，工程師，從事廣電工程設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)管理工作多年。

第二作者：蔣 琛（1979年）女，工程師，從事電力基建工作多年。