基于FPGA自動頻率跟蹤數字鎖相放大器的微弱光電信號檢測研究

向臘 張耀東

摘要：隨著我國電力行業(yè)的進步，光電信號檢測特別是微弱光電信號檢測研究有了充分的發(fā)展，并得到了廣泛應用。檢測研究中有著難以收集與噪聲干擾嚴重的客觀條件，數字鎖相放大器是光電微弱信號檢測中常應用到的一種檢測儀器，文章研發(fā)一種基于FPGA自動頻率跟蹤控制的數字鎖相放大器，經實際測試可以能夠提高微弱光電信號檢測的準確度，測量結果有著良好的穩(wěn)定性。

關鍵詞：FPGA;數字鎖相放大器;微弱光電信號檢測

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）12-0046-02

0 前言

隨著科技的飛速發(fā)展嗎，數字信號處理技術也得到了提高，當今傳統的模擬鎖相放大器已經逐漸消失，數字鎖相放大器已經成為信號檢測中的主流儀器。數字鎖相放大器具有集成度高，配置方便，可在線升級等優(yōu)點，已經成為微弱光電信號檢測中的必備裝置之一，這有力的解決了電信檢測特別是光電信號中檢測準確度及信號配置合理性[1]。

1 數字鎖相放大器在微弱光電信號檢測中的檢測原理

1.1 自相關函數及自相關檢測原理

本文中應用自相關函數來檢測數字鎖相放大器，自相關函數是指使用同一個函數在不同時間領域進行表達的方式，首先將隨機的光電傳播信號設為f（t），得到自相關函數表達式如下：

（1）

此式中T表示為積分時間，信號為f（t），當f（t）為周期信號時，設定T為信號周期，可知當f（t）為單個脈沖有限長時間信號時，T趨向于無窮大的，C此時積分平均值趨向于0。

1.2 互相關函數檢測原理

為進一步檢測數字鎖相放大器在微弱光電信號中的作用，本文進行互相關函數檢測，設兩個不相關的函數設為f（t）和g（t），此時相關函數表達式如下：

（2）

在上式中，假設信號y（t）被外界力量干擾，進而形成復合信號f（t）和g（t），則：f（t）=y（t）+n（t），g（t）=y（t）+s（t），其中y（t）為應用信號，是s（t）、n（t）為噪音。

1.3 數字信號解調基本原理

在微弱信號檢測中，通行的處理辦法是將微弱電流通過放大后進行檢測，其原理是通過將信息放大，在保留原有信息的基礎上，便于將收集的信號的增加到可檢測的范圍內，利用數字鎖相放大器進行信號模擬將檢測到的光電信號轉換成數字信號，并用FPGA芯片實現信號的可視化，此時將輸入信號設為Y（t），具體表達式為：

Y（t）=X（t）+N（t）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

上述公式中，X（t）表示為處理后等待檢測信號;N（t）表示可能存在的干擾信號，基于此進行數字鎖相放大器的效果模擬仿真。

2 數字鎖相放大器仿真

基于上文，本文利用Matlab對基于FPGA數字鎖相放大器進行仿真結果測試，用來驗證數字鎖相放大器對于微弱光電信號的測試效果，具體參數設置見表1。

根據表1的仿真驗證結果顯示，在信號頻率為90時，相位為1，此時可以清晰的觀測到信號所在位置，說明基于FPGA數字鎖相放大器能夠檢測到微弱光電信號。

3 基于FPGA數字鎖相放大器解調系統中的應用驗證

目前通用的光電信號檢測[2]辦法是將要測試的信號輸入探測器，經由探測器輸出到信號放大器電路，并進行電流信號放大與轉換，但隨著電流信號放大，所攜帶的信號輸入的噪聲也不可避免的加大，所以在數字鎖相放大器進行信號輸入時要特別注意噪音的去除。本文所進行的測試步驟如下：首先，測試一級點的電路性能，此時使用的測量儀器為數字萬用表。電流的測試標準為-2pA電流，并通過鋁盒裝置防止外界信號的干擾。為了防止檢測不到許多微弱的光電信號，需要通過BNC接頭信號線進行引出后檢測。最后，控制好測試次數、頻率及時間，通過的為頻率10次/組，5 s/次，每次間隔時間為1小時，共進行10次測試。

在基于FPGA數字鎖相放大器解調系統中的應用驗證中，首先使用信號發(fā)生器（型號為ATF28DD），A/D轉換器（相位為8位）FPGA最小系統和USBBlaster等。進行以下實驗流程：

第一，利用函數信號發(fā)生器，檢測信號，記錄并將信號副值輸出，此時信號副值為5Vpp，頻率為1kHz，信號類型為隨機噪聲信號。

第二，根據之前的假設，疊加兩個不同類型的信號，利用BNC信號收集其微弱信號，將信號輸入AD轉換器轉換成8位數字信號量，通過對信號進行解調處理，得出副值為1.5V。

第三，采集信號樣本，通過USBBlaster軟件輸入上位機，使用SignalTapⅡ觀察樣本的波形圖。所得到的減員，本文設計的光電檢測系統，其測試幅值誤差小于0.5%，頻率測試誤差小于0.2%，表明基于FPGA數字鎖相放大器應用于微弱光電信號檢測中，具有良好的檢測效果，能夠有效減小電流信號輸出干擾及信號頻率的檢測誤差，最大程度上提升檢測的準確度。

4 結語

數字鎖相放大器作為信號檢測儀器其技術已經發(fā)展的相對成熟，應用在許多大信號檢測中來，因此本文借鑒相關技術，將基于FPGA技術的數字鎖相放大器應用于微弱光電信號檢測中，并分析數字鎖相放大器的結構及優(yōu)勢，總結數字鎖相放大器的檢測原理，以仿真測試來對微弱光電信號檢測中數字鎖相放大器的應用進行驗證。

參考文獻

[1]李剛，張麗君，林凌.一種新型數字鎖相放大器的設計及其優(yōu)化算法[J].天津大學學報，2008（04）：429-432.

[2]董磊，馬維光，尹王保，等.利用數字鎖相放大器對甲烷氣體進行諧波探測的實驗研究[J].光譜學與光譜分析，2005（03）：473-476.

Weak Photoelectric Signal Detection based on FPGA Automatic Frequency Tracking Digital Phase-locked Amplifier

XIANG La，ZHANG Dong-yao

（Huaihua University，Huaihua? Hunan? 418000）

Abstract：With the progress of China's power industry， photoelectric signal detection， especially weak photoelectric signal detection research has been fully developed， and? has been widely used. Noise detection is difficult to collect in the study and objective conditions， digital phase-locked amplifier is weak photoelectric signal detection often applied to a kind of testing instrument， this paper developed a kind of automatic frequency tracking control based on FPGA digital phase-locked amplifier， the actual test can be able to enhance the accuracy of weak photoelectric signal detection， measurement result has a good stability.

Key words：FPGA; digital phase-locked amplifier; weak photoelectric signal detection