基于隨機共振的微弱信號檢測系統(tǒng)研究

張皖哲　徐之欣　王潤濤　張文涵

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

關鍵詞：隨機共振 ARM微控制器 微弱信號檢測 AD5252

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

信號檢測在雷達、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。該文通過研究經典雙穩(wěn)系統(tǒng)隨機共振模型，設計了一個采用STM32單片機，通過控制數(shù)字電位器改變系統(tǒng)參數(shù)，來實現(xiàn)一個基于隨機共振的微弱信號檢測的系統(tǒng)。

1 經典雙穩(wěn)系統(tǒng)隨機共振模型

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

2 系統(tǒng)總體設計

該文采用STM32單片機，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)生隨機共振來實現(xiàn)自適應調整雙穩(wěn)系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)由 AD5252隨機共振模塊、模數(shù)變換模塊、電壓極性變換模塊、STM32單片機等構成。隨機共振電路的系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設計

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

3.2 隨機共振電路設計

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，在該設計中通過單片機控制來實現(xiàn)隨機共振。

3.3 電壓極性轉換電路設計

要對隨機共振模塊輸出的雙極性信號進行電壓極性的變換，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，變換電路設計如圖2所示。

3.4 噪聲源的設計

測試隨機共振電路性能時，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度，該文利用 AT89C52單片機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模塊、D/A轉換電路、形狀調整電路組成，噪聲源硬件框圖如圖3所示。

單片機模塊產生偽隨機數(shù)，D/A轉換電路將單片機產生的偽隨機數(shù)變成噪聲電壓，再經形狀調整模塊對其幅度等參數(shù)調節(jié)最后輸出。

4 系統(tǒng)實驗測試

4.1 噪聲強度確定，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行測試，AD5252編碼范圍為0～127，用16進制表示為0x00～0x7F。系統(tǒng)中兩片AD5252分別控制系統(tǒng)參數(shù)、，在=0.5的情況下進行實驗，研究不同的參數(shù)對于系統(tǒng)產生隨機共振的情況。

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以內的微弱周期信號能很好的進行檢測，信號的頻率越低時檢測效果越好，當頻率超過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，噪聲強度變化時的測試

當信號頻率為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)進行測試，在=0.5的情況下進行實驗，研究不同的參數(shù)b對于系統(tǒng)產生隨機共振的情況。

實驗中發(fā)現(xiàn)，給定信號為10 Hz、幅值0.2 V的正弦，在噪聲的強度小于5 V的時候，系統(tǒng)能夠對單獨100 Hz以內的信號實現(xiàn)很好地隨機共振檢測，噪聲強度越低時檢測效果越好，當強度超過5 V時，系統(tǒng)提取信號的能力會變差。

5 結語

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

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

參考文獻

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

[2] 陸思良.基于隨機共振的微弱信號檢測[D].合肥：中國科學技術大學，2015.

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

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