??? 摘 要:? 在分析了正交信號(hào)檢測(cè)" title="信號(hào)檢測(cè)">信號(hào)檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，將正交檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于周界入侵探測(cè)裝置中，搭建了正交信號(hào)檢測(cè)電路，應(yīng)用Multisim8軟件進(jìn)行了仿真和分析。
??? 關(guān)鍵詞： 正交檢測(cè)? 周界入侵探測(cè)? 噪聲干擾? 電路仿真
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??? 泄漏電纜周界入侵探測(cè)是近十年時(shí)間發(fā)展起來(lái)的一種新型戶外周界防護(hù)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(cè)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(hào)的接收裝置，發(fā)射源通過(guò)防護(hù)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(chǎng)。若有入侵者侵入時(shí)，該電磁場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)，導(dǎo)致接收信號(hào)發(fā)生變化，將變化信號(hào)進(jìn)行放大處理并及時(shí)準(zhǔn)確的識(shí)別出來(lái)，從而確定具體的入侵地域，并發(fā)出報(bào)警信息[2-3]。目前常用的泄漏電纜周界入侵探測(cè)系統(tǒng)采用頻分制工作方式[4]，信號(hào)的頻帶寬度與噪聲信號(hào)的強(qiáng)弱成正比。而噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)，其頻譜分布在整個(gè)無(wú)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(bào)，因此，在保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定的情況下，盡可能縮小信號(hào)的頻帶寬度，才能較徹底地解決誤報(bào)問(wèn)題。
1 正交信號(hào)檢測(cè)原理
??? 正交信號(hào)檢測(cè)是將輸入信號(hào)" title="輸入信號(hào)">輸入信號(hào)通過(guò)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(hào)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(hào)，送入微處理器進(jìn)行處理[5-6]。其檢測(cè)原理如圖1所示。
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??? 當(dāng)輸入信號(hào)與本振信號(hào)的頻率相同時(shí)，將本振信號(hào)表示為：
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??? 將式(2)的輸入信號(hào)分別與兩個(gè)正交本振輸入信號(hào)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(guò)LPF濾波器濾除信號(hào)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(hào)發(fā)生擾動(dòng)與本振信號(hào)的頻率不同時(shí)，本振信號(hào)不變，如式(1)所示。假設(shè)輸入信號(hào)為：
2 正交信號(hào)檢測(cè)電路
??? 正交信號(hào)檢測(cè)作為接收機(jī)電路的一部分引入到周界報(bào)警裝置中，實(shí)現(xiàn)了零中頻接收。傳統(tǒng)的超外差式信號(hào)接收機(jī)主要在中頻范圍內(nèi)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，信道濾波需采用高Q值的濾波器，因而接收機(jī)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(hào)檢測(cè)技術(shù)后，信道選擇在低頻進(jìn)行，僅需選用低通濾波器就可以實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的超窄帶接收，從而降低噪聲信號(hào)對(duì)系統(tǒng)干擾的幾率。
??? 正交信號(hào)檢測(cè)電路由同相通道和正交通道組成。兩個(gè)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(lái)說(shuō)明，其輸入信號(hào)u(t)來(lái)自于接收機(jī)前端經(jīng)變頻后的輸出信號(hào)，本振信號(hào)ul(t)、輸入信號(hào)u(t)的頻率與發(fā)射源的射頻輸入信號(hào)頻率均被同一個(gè)晶體振蕩源鎖定，在無(wú)外界干擾的情況下，輸入信號(hào)和本振信號(hào)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(duì)設(shè)防領(lǐng)域無(wú)入侵、有入侵及噪聲干擾三種情況的正交信號(hào)檢測(cè)電路進(jìn)行了仿真。
3.1無(wú)入侵時(shí)仿真分析
??? 設(shè)本振信號(hào)ul(t)是幅度為1V、頻率為5kHz的正弦波，沒(méi)有外界入侵時(shí)，輸入信號(hào)u(t)與本振信號(hào)同幅度同頻率，波形如圖3(a)所示，ul(t)和u(t)兩種信號(hào)經(jīng)乘法器電路混頻后所得信號(hào)u′I(t)的波形如圖3(b)所示，再將此信號(hào)u′I(t)送入低通濾波器濾波后輸出信號(hào)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(hào)u′I(t)的幅度是本振信號(hào)ul(t)幅度的一半，輸出信號(hào)uI(t)為直流信號(hào)，此結(jié)果滿足式（3）和式（5）所示的波形變化規(guī)律。因此，沒(méi)有外界入侵時(shí)的電路仿真和理論推導(dǎo)結(jié)果一致。
3.2 有入侵時(shí)仿真分析
??? 設(shè)本振信號(hào)是幅度為1V、頻率為5kHz的正弦波，當(dāng)有入侵者侵入時(shí)，由于人體的活動(dòng)頻率范圍為0.1Hz～10Hz，因此，將擾動(dòng)信號(hào)近似表示成幅度為2V、頻率為5Hz的正弦波。此時(shí)輸入信號(hào)和本振信號(hào)的幅度和頻率均不相同，將這兩種信號(hào)送入乘法器電路混頻后所得信號(hào)u′I(t)的波形如圖4(a)所示，將信號(hào)u′I(t)再次送入低通濾波器濾波后輸出信號(hào)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(hào)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(hào)規(guī)律變化，經(jīng)低通濾波器后的輸出信號(hào)uI(t)與擾動(dòng)信號(hào)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(shí)的電路仿真和理論推導(dǎo)結(jié)果一致。
??? 將輸出信號(hào)uI(t)送入微處理器處理后，可以及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別出擾動(dòng)信號(hào)，從而確定具體的入侵地域，并發(fā)出報(bào)警信息。
3.3 噪聲干擾仿真分析
如前所述，人為入侵時(shí)的最大擾動(dòng)頻率小于10Hz，因此可以認(rèn)為大于10Hz的信號(hào)為噪聲信號(hào)。設(shè)本振信號(hào)為幅度1V、頻率5kHz的正弦波；設(shè)噪聲信號(hào)為幅度2V、頻率20Hz的正弦波，此時(shí)輸入信號(hào)和本振信號(hào)的幅度和頻率均不相同。將這兩種信號(hào)送入乘法器電路混頻后，所得信號(hào)u′I(t)的波形如圖5(a)所示，將信號(hào)u′I(t)再送入低通濾波器濾波后輸出信號(hào)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(hào)u′I(t)是調(diào)幅波，其幅度按照頻率為20Hz調(diào)制信號(hào)波形規(guī)律變化。但經(jīng)低通濾波器后輸出完全失真信號(hào)，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(dòng)信號(hào)，使得輸出信號(hào)uI(t)經(jīng)微處理器處理后將不會(huì)觸發(fā)報(bào)警。可見(jiàn)，應(yīng)用正交檢測(cè)技術(shù)，理論上可將信號(hào)的接收帶寬設(shè)定為幾十赫茲，實(shí)現(xiàn)了超窄帶接收，從而降低了噪聲信號(hào)對(duì)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(duì)于頻率小于10Hz的擾動(dòng)信號(hào)能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，對(duì)于頻率超過(guò)10Hz的噪聲信號(hào)能夠進(jìn)行有效的抑制。由此可以看出，應(yīng)用正交檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)超窄帶接收，減小了噪聲信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾幾率，從而為徹底地解決系統(tǒng)的誤報(bào)問(wèn)題提供了一種新的可實(shí)施的解決方案。
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