基于幅度調制的樓宇安全監控系統研究

基金項目：2023年浙江省高等教育研究會；項目名稱：基于OBE的網通實踐平臺構建和新工科人才培養研究；項目編號：KT2023051。

作者簡介：陳宏（1974— ），女，浙江寧波人，高級實驗師，碩士；研究方向：電子信息技術實驗教學和工程應用。

摘要：為了實現樓宇的安全管理，文章提出設計安全監控系統，采用幅度調制解調的方法進行無線通信。根據設計的安全監控系統的工作流程和網絡結構，通過探測模塊的采集實時信號，對信號傳輸的幅度調制波形和解調波形進行測量。測量結果表明，設計的安全監控系統信號傳輸可靠性高，性能穩定，具有重要的實踐意義。

關鍵詞：幅度調制；安全監控系統；可靠性；相干解調；包絡檢波

中圖分類號：TP311? 文獻標志碼：A

0? 引言

在通信技術中，頻譜搬移常用于把低頻信號搬移到高頻，縮小天線的尺寸或者充分利用頻率資源。幅度調制（Amplitude Modulation，AM）是把信號的頻譜不失真地搬移到載波信號頻率的兩邊，獲得振幅具有攜帶調制信號內容的調幅波信號。幅度調制是通信系統中的一種重要調制方式［1］。幅度調制是正弦型高頻載波的幅度隨調制信號幅度變化的一種調制方式，為全世界傳統模擬中波、短波廣播技術所采用［2］。在樓宇內，可以利用調幅波頻帶寬以及對阻礙物穿透能力強的特點實現無線報警和無線安防，調幅還涉及圖像、語音信號［3］，電網電壓閃變測量［4］，對發射機功放的峰均比要求比較低，在電視技術等許多領域得到了廣泛的應用［5］。幅度調制的信號經過遠距離傳輸后，在接收端進行解調，就可以獲得原來調制前的信號，采用相干解調的雙邊帶調制還可以節省載波功率，所以在無線電通信中，幅度調制和解調成為最早廣泛使用在各個領域的通信技術。

樓宇安全保衛工作不僅要預警，還要及時處理突發情況，并且加強防范作用，僅靠視頻監控還遠遠不夠，還需要探測異常環境變化、監測突發事件、采取措施保護安全，于是需要傳輸的信號就會多種多樣。無線信號在樓宇內部傳輸時，如果采用頻率調制的方式，頻率調制的工作頻帶寬度遠大于幅度調制信號的頻帶寬度，頻率調制占用頻帶資源就比幅度調制多，而且頻率調制的信號還常常會在樓宇受到干擾。對比發現，在樓宇內部這樣的復雜環境中，采用幅度調制信號傳輸無線信號更穩定，傳輸無線信號的距離更遠。因此，本文設計的樓宇安全監控系統，采用幅度調制的方式，能夠可靠地無線傳輸樓宇內部的信號，監測實時環境信息，獲得良好的監控效果，實現樓宇的安全管理。

1? 安全監控系統的總體結構設計

在樓宇內部的安全監控非常重要，由于樓層多，房間多，只有采用智能監控系統監控溫度、濕度、煙霧等方面的環境信息，才能在突發情況時及時準確地判斷，使突發情況獲得第一時間處理，避免更大的人力、物力和財力的損失。在樓宇內部的監控可以利用各種傳感器及其外圍電路，在各個樓層分布設計的探測模塊，通過幅度調制后把探測器的突發信號傳給安全監控系統中心，安全監控系統中心通知相關部門和各個樓層安排解決問題。突發問題解決后，中心通知各個樓層突發問題已經解決，通知報警的探測模塊及時熄滅報警燈，重新回到監控狀態，繼續探測突發情況，如圖1所示。

安全監控系統網絡包括監控中心、無線傳輸網絡、探測端3個部分。在探測的信號中，有些是傳感器檢測到的信號，有些是人為發現突發情況后，點擊按鈕獲得的信號，這些信號都是采用無線傳輸網絡送到安全監控系統中心，構成安全監控系統的無線網絡連接，如圖2所示。

探測模塊和安全監控系統中心之間的無線通信采用雙向通信的方式，信號被幅度調制后，經過天線發送到接收端。接收端的天線收到幅度調制信號，就解調信號，然后獲得被傳輸的信息。探測模塊可以根據樓層的需要增加數量或者減少數量。

2? 安全監控系統設計

2.1? 安全監控系統傳感器電路設計

當安全監控系統的傳感器探測模塊監測到溫度、濕度、煙霧等的突發變化，傳感器探測模塊的電路會把傳感器的信號放大，點亮報警燈，把傳感器監測到的突發情況用幅度調制的方式通過天線發送給安全監控中心。當突發情況被解除后，安全監控中心發送信號給安全監控系統的傳感器探測模塊。傳感器探測模塊天線接收到信號，通過幅度解調電路得到的復位信號，觸發繼電器關閉報警燈。傳感器探測模塊的電路如圖3所示。

2.2? 安全監控系統按鍵電路設計

安全監控系統的按鍵被人觸碰，即提示有人身安全、自然災害、緊急事件等突發情況。安全監控系統的按鍵探測模塊電路會把按鍵的信號放大，點亮報警燈，把監測到的突發情況信號用幅度調制的方式通過天線發送給安全監控中心。當突發情況被解除后，安全監控中心發送信號給安全監控系統的按鍵探測模塊，按鍵探測模塊的天線接收到信號，通過幅度解調信號，得到安全監控中心的復位信號，按鍵探測模塊的電路觸發繼電器，關閉報警燈。按鍵探測模塊的電路如圖4所示。

2.3? 安全監控系統信號傳輸電路設計

安全監控系統的信號傳輸采用無線傳輸的方式，頻率調制的信號在樓宇內部不能可靠傳輸，因此安全監控系統的信號傳輸采用幅度調制解調。在探測模塊的幅度調制電路中，設計電路是按照幅度調制的工作原理，采用數字電路中的乘法器實現幅度調制，如圖5所示。

其中，被調制信號是vΩ（t）=VΩmcosΩt，載波是vc（t）=Vcmcosωct，通過乘法器后的調幅波信號是vAM（t）=（Vcm+kvΩ（t））cosωct。

當接收端收到幅度調幅波信號后，接收端解調信號，可以獲得被傳輸的原始信號。解調的方式有包絡檢波和相干解調2種方式。用載波和調幅波進行相乘進行相干解調，采用數字電路中的乘法器實現相干解調，如圖6所示。

對調幅波信號進行相干解調后，輸出信號的數學表達式如式（1）所示，對這個輸出信號濾波，得到的低頻信號是如式（2）所示的信號，這個信號就是被幅度調制的信號，只是幅度與原來的信號不同，增加了原來的1/2載波幅度倍。

v0（t）=vcmcosωct·VAM（t）=VcmcosωctVcmcosωct+12maVcmcos（ωc+Ω）t+12maVcmcos（ωc-Ω）t（1）

vout（t）=12AVΩmVcmcosΩt（2）

調幅波的另一種解調方式包絡檢波是把調幅波信號的包絡中包含的調制信號，用包絡檢波電路，從調幅波信號中解調出來。包絡檢波電路由二極管和R、C低通濾波器構成。低通濾波器的時間常數應該大于載波信號周期，小于調制信號周期，以濾除載波信號，讓調制信號通過。包絡檢波電路如圖7所示。

當輸入信號大于電容兩端電壓時，二極管導通，輸入信號通過二極管對電容C充電。因為二極管導通電阻很小，所以充電時間短，電容C上的電壓很快達到輸入信號的峰值。當輸入信號小于電容兩端的電壓時，二極管截止，電容C通過電阻R放電，電阻R比二極管的導通電阻大很多，所以放電時間相對于充電時間而言較長，因此電容C上面的電荷還遠沒釋放完時，在輸入信號下一個正半周期的某一時刻又開始給電容C充電。因此，電容兩端電壓中的交變量是隨輸入信號的包絡變化而變化的，即隨著調制信號的變化而變化。

包絡檢波電路的電阻影響解調信號，電容C通過電阻R放電的速度過慢，使得電容器上的電壓變化跟不上信號包絡的下降速度，產生惰性失真。為了避免惰性失真，電容C通過電阻R放電的速度不能小于輸入信號包絡下降的速度。必須滿足的條件如式（3）所示［6］。

RC≤1-m2aΩma（3）

其中，ma表示載波受調制信號控制的程度，調制度ma=VΩm/Vcm，ma越大調制越強，ma小于1是調幅，等于1是等幅度調制，大于1是過調制，會造成失真。設置合適的調制度和電容，就可以避免惰性失真。

如果包絡檢波電路電流中的交流量大于直流量，電流出現負值，造成負峰切割失真。因為二極管是單向導電的，電流不可能為負值，只能為零，所以檢波輸出電壓的負峰值被削平，即產生負峰切割失真。實際電路的包絡檢波器后面接著電路，后面電路的輸入阻抗為RL，包絡檢波電路的直流負載為R，交流負載是R和RL的并聯，檢波器輸出的交流、直流電流幅度的比值過大，就會發生負峰切割失真，如圖8所示。

在電路設計時，如果選擇合適的電阻和電容，就可以避免負峰切割失真。考慮到兩種解調方式對信號可能造成的失真程度，把相干解調電路作為主要解調方式，包絡檢波作為備用方式。在包絡檢波電路中，設置合適的調制度和電路設計可以符合信號不失真的條件。

3? 安全監控系統無線傳輸信號測量

測量安全監控系統中無線信號傳輸的調幅波和解調波，包括測量調幅波信號、相干解調信號、包絡檢波信號、包絡檢波信號失真波形。

3.1? 測量調幅波信號

測量調幅波信號時，輸入正弦波調制信號1 kHz、500 mVPP，輸入正弦波465 kHz、1 VPP作為載波，調制度ma=VΩm/Vcm，調制度小于1時，出現的調幅波如圖9中波形2所示。

調制度大于1時，出現的調幅波如圖10所示。圖10和圖9的波形不同，說明調制度影響調幅波的波形。

3.2? 測量相干解調信號波形

對圖9和10的調幅波進行相干解調，得到圖11的（a）和（b），圖11（a）的解調波形2和原來信號波形1頻率相同，說明頻譜搬移的調幅波，解調后的頻譜研究搬移回到原來的頻率，波形還是正弦波，圖11（b）的解調波形2比原來信號波形1幅度略小。

3.3? 測量包絡檢波信號波形

用包絡檢波電路解調圖7的波形，調制度小于1的調幅波，在包絡檢波中得到的波形2解調信號和原來波形1的調制信號相同，如圖12所示。

調制度大于1的調幅波，在包絡檢波中得到的波形2解調信號與原來波形1的調制信號波形不同，如圖13所示。

圖13說明出現惰性失真時，經過包絡檢波電路后的波形2沒有反映波形1的輸入信號的包絡變化。此外還可能出現負峰切割失真，波形如圖14所示。

調幅波的調制度不影響用相干解調電路得到調制信號，但是調幅波的調制度影響用包絡檢波得到的調制信號。包絡檢波電路的R和C取值會造成惰性失真，直流負載和交流負載的大小會造成負峰切割失真。選擇合適的調制度，選擇合適的解調電路電阻和電容，就能夠得到不失真的包絡檢波波形，如圖15所示。

4? 結語

樓宇安全是確保人民生命和財產安全的重要條件。單純攝像不能及時解決突發情況，在安裝攝像頭進行錄像的同時，還需要能夠報警的安全監控系統，才能有效保護樓宇的安全。建筑物內部或者建筑物群的無線信號傳輸常常會因為建筑物的阻擋造成信號干擾，幅度調制解調在建筑物周圍的信號傳輸不會受到頻段帶寬的限制而影響信號質量。設計安全監控系統實時檢測樓宇的安全，研究采用多種探測模塊檢測各個物理量指標，用幅度調制解調的方式無線傳輸突發信號，減少頻帶資源不足造成的信號干擾，可以快速、高效率地響應和處理突發情況，避免和減少人力、物力和財產損失。實踐測量無線傳輸信號的結果證明，幅度調制解調的方式無線傳輸突發信號可靠性高，信號傳輸效果好，具有良好的實踐應用價值。

參考文獻

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（編輯? 王雪芬）

Study of safety monitoring system in building based on amplitude modulation

Chen? Hong

（College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China）

Abstract： In order to manage safety in building，the safety monitoring system is designed and the wireless communication is realized by amplitude modulation and demodulation. The working flow and the wireless network of the safety monitoring system are designed，the on-time signal is collected by the checking module on site，the quality of the signal transmission is tested by the waveform of amplitude modulation and demodulation. The testing result shows that the signal of designed safety monitoring system can be transferred with high reliability， and the function is stable，which has the important practical value.

Key words： amplitude modulation; safety monitoring system; reliability; coherent demodulation; envelope demodulation