??? 摘 要:? 在分析了正交信號檢測" title="信號檢測">信號檢測原理的基礎(chǔ)上，將正交檢測技術(shù)應(yīng)用于周界入侵探測裝置中，搭建了正交信號檢測電路，應(yīng)用Multisim8軟件進行了仿真和分析。
??? 關(guān)鍵詞： 正交檢測? 周界入侵探測? 噪聲干擾? 電路仿真
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??? 泄漏電纜周界入侵探測是近十年時間發(fā)展起來的一種新型戶外周界防護技術(shù)，該技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。泄漏電纜周界入侵探測技術(shù)的基本原理是將作為發(fā)射源的泄漏電纜淺埋于地下，距其一定距離并行埋設(shè)另一根泄漏同軸電纜作為信號的接收裝置，發(fā)射源通過防護區(qū)段的泄漏電纜在各自警戒范圍內(nèi)的空間形成不同頻率的電磁場。若有入侵者侵入時，該電磁場發(fā)生擾動，導(dǎo)致接收信號發(fā)生變化，將變化信號進行放大處理并及時準(zhǔn)確的識別出來，從而確定具體的入侵地域，并發(fā)出報警信息[2-3]。目前常用的泄漏電纜周界入侵探測系統(tǒng)采用頻分制工作方式[4]，信號的頻帶寬度與噪聲信號的強弱成正比。而噪聲是一種隨機信號，其頻譜分布在整個無線電頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)很容易引入噪聲干擾而產(chǎn)生誤報，因此，在保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定的情況下，盡可能縮小信號的頻帶寬度，才能較徹底地解決誤報問題。
1 正交信號檢測原理
??? 正交信號檢測是將輸入信號" title="輸入信號">輸入信號通過兩組性能完全相同的乘法器" title="乘法器">乘法器與互為正交的兩路本振" title="本振">本振信號混頻，分別輸出同相分量I和正交分量Q，再經(jīng)低通濾波器" title="低通濾波器">低通濾波器濾波后， 產(chǎn)生兩路基帶信號，送入微處理器進行處理[5-6]。其檢測原理如圖1所示。
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??? 當(dāng)輸入信號與本振信號的頻率相同時，將本振信號表示為：
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??? 將式(2)的輸入信號分別與兩個正交本振輸入信號相乘可得:
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式中，K為乘法器系數(shù)，其數(shù)值取決于乘法器的電路參數(shù)。
??? 經(jīng)過LPF濾波器濾除信號中的高頻成分后，式（3）、式（4）分別變?yōu)椋?/FONT>
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??? 當(dāng)輸入信號發(fā)生擾動與本振信號的頻率不同時，本振信號不變，如式(1)所示。假設(shè)輸入信號為：
2 正交信號檢測電路
??? 正交信號檢測作為接收機電路的一部分引入到周界報警裝置中，實現(xiàn)了零中頻接收。傳統(tǒng)的超外差式信號接收機主要在中頻范圍內(nèi)進行信號解調(diào)，信道濾波需采用高Q值的濾波器，因而接收機頻帶寬度很容易受到這種濾波器精度的制約。引入正交信號檢測技術(shù)后，信道選擇在低頻進行，僅需選用低通濾波器就可以實現(xiàn)接收機的超窄帶接收，從而降低噪聲信號對系統(tǒng)干擾的幾率。
??? 正交信號檢測電路由同相通道和正交通道組成。兩個通道的電路結(jié)構(gòu)完全相同，只是其本振輸入在相位上相差90°。下面以同相通道電路為例來說明，其輸入信號u(t)來自于接收機前端經(jīng)變頻后的輸出信號，本振信號ul(t)、輸入信號u(t)的頻率與發(fā)射源的射頻輸入信號頻率均被同一個晶體振蕩源鎖定，在無外界干擾的情況下，輸入信號和本振信號的頻率相同。其電路圖如圖2所示。
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3 電路仿真與分析
??? 采用加拿大IIT公司的Multisim8軟件[7]對設(shè)防領(lǐng)域無入侵、有入侵及噪聲干擾三種情況的正交信號檢測電路進行了仿真。
3.1無入侵時仿真分析
??? 設(shè)本振信號ul(t)是幅度為1V、頻率為5kHz的正弦波，沒有外界入侵時，輸入信號u(t)與本振信號同幅度同頻率，波形如圖3(a)所示，ul(t)和u(t)兩種信號經(jīng)乘法器電路混頻后所得信號u′I(t)的波形如圖3(b)所示，再將此信號u′I(t)送入低通濾波器濾波后輸出信號uI(t)的波形如圖3(c）所示。
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??? 由圖3（b）、（c）可以看出，信號u′I(t)的幅度是本振信號ul(t)幅度的一半，輸出信號uI(t)為直流信號，此結(jié)果滿足式（3）和式（5）所示的波形變化規(guī)律。因此，沒有外界入侵時的電路仿真和理論推導(dǎo)結(jié)果一致。
3.2 有入侵時仿真分析
??? 設(shè)本振信號是幅度為1V、頻率為5kHz的正弦波，當(dāng)有入侵者侵入時，由于人體的活動頻率范圍為0.1Hz～10Hz，因此，將擾動信號近似表示成幅度為2V、頻率為5Hz的正弦波。此時輸入信號和本振信號的幅度和頻率均不相同，將這兩種信號送入乘法器電路混頻后所得信號u′I(t)的波形如圖4(a)所示，將信號u′I(t)再次送入低通濾波器濾波后輸出信號uI(t)的波形如圖4(b)所示。
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??? 由圖4(a)、(b)可以看出，信號u′I(t)是調(diào)幅波，其幅度按照頻率為5Hz的正弦調(diào)制信號規(guī)律變化，經(jīng)低通濾波器后的輸出信號uI(t)與擾動信號的波形完全一致，此結(jié)果滿足式(9)和式(10)所示波形變化規(guī)律。因此，有外界入侵時的電路仿真和理論推導(dǎo)結(jié)果一致。
??? 將輸出信號uI(t)送入微處理器處理后，可以及時準(zhǔn)確地識別出擾動信號，從而確定具體的入侵地域，并發(fā)出報警信息。
3.3 噪聲干擾仿真分析
如前所述，人為入侵時的最大擾動頻率小于10Hz，因此可以認為大于10Hz的信號為噪聲信號。設(shè)本振信號為幅度1V、頻率5kHz的正弦波；設(shè)噪聲信號為幅度2V、頻率20Hz的正弦波，此時輸入信號和本振信號的幅度和頻率均不相同。將這兩種信號送入乘法器電路混頻后，所得信號u′I(t)的波形如圖5(a)所示，將信號u′I(t)再送入低通濾波器濾波后輸出信號uI(t)的波形如圖5(b)所示。
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??? 由圖5（a）、（b）可以看出，信號u′I(t)是調(diào)幅波，其幅度按照頻率為20Hz調(diào)制信號波形規(guī)律變化。但經(jīng)低通濾波器后輸出完全失真信號，其原因是濾波器的截止頻率被設(shè)定為10Hz，因而，濾除掉頻率為20Hz的擾動信號，使得輸出信號uI(t)經(jīng)微處理器處理后將不會觸發(fā)報警?？梢姡瑧?yīng)用正交檢測技術(shù)，理論上可將信號的接收帶寬設(shè)定為幾十赫茲，實現(xiàn)了超窄帶接收，從而降低了噪聲信號對系統(tǒng)的干擾幾率。
??? 噪聲干擾的仿真結(jié)果和分析表明，該電路對于頻率小于10Hz的擾動信號能夠進行準(zhǔn)確的檢測，對于頻率超過10Hz的噪聲信號能夠進行有效的抑制。由此可以看出，應(yīng)用正交檢測技術(shù)實現(xiàn)了信號超窄帶接收，減小了噪聲信號對系統(tǒng)的干擾幾率，從而為徹底地解決系統(tǒng)的誤報問題提供了一種新的可實施的解決方案。
參考文獻
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