孫鵬 張福才

(黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150022)

無(wú)線溫度檢測(cè)中的頻率信號(hào)處理

孫鵬 張福才

(黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150022)

針對(duì)傳統(tǒng)方法難以檢測(cè)傳感器大范圍頻率偏移信號(hào)的問(wèn)題,采用擴(kuò)頻技術(shù)解決這一問(wèn)題?？紤]無(wú)線溫度檢測(cè)以不同切型的晶體為核心、以超聲波信號(hào)為載體,為設(shè)計(jì)出適合不同晶體特性、檢測(cè)精度高、通用性強(qiáng)的檢測(cè)儀表,對(duì)超聲回波信號(hào)檢測(cè)方式進(jìn)行了改進(jìn),提出采用擴(kuò)頻技術(shù)中的分段匹配濾波進(jìn)行傳感器頻率信號(hào)處理。經(jīng)仿真證明,它可以有效保證超聲波收發(fā)雙方的同步,準(zhǔn)確測(cè)出超聲回波頻率偏移值,可以推廣用于其他需要頻偏信號(hào)檢測(cè)的場(chǎng)合。

水晶晶體 頻率偏移 超聲波 擴(kuò)頻 分段匹配濾波

0 引言

基于超聲波的無(wú)線溫度檢測(cè)以水晶晶體做為傳感器,水晶固有頻率會(huì)隨溫度變化。傳遞頻率變化量的介質(zhì)采用超聲波,超聲波激發(fā)晶體諧振,使超聲回波信號(hào)發(fā)生頻率偏移,檢測(cè)頻率偏移可測(cè)得溫度。晶體是無(wú)源物質(zhì),它和超聲波換能器分別置于危險(xiǎn)場(chǎng)所和安全場(chǎng)所,這樣可實(shí)現(xiàn)本安防爆。

一般超聲波換能器作用距離較小,容易受干擾影響[1]。不同的晶體頻率隨溫度變化特性不同[2],頻率變化較大時(shí)就可能超出傳感器檢測(cè)范圍。因此,先要確定超聲回波中的頻偏值,其次要解決抗噪聲、擴(kuò)大回波檢測(cè)范圍等。利用擴(kuò)頻技術(shù)可以展寬頻帶的特點(diǎn)[3],可以擴(kuò)大超聲回波信號(hào)的頻率接收范圍,從而正確檢測(cè)出頻偏值。

本文將擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用于傳感器頻率信號(hào)處理中,通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的可行性,保證了檢測(cè)精度。

1 擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用

在無(wú)線溫度檢測(cè)中,超聲波信號(hào)的處理分為發(fā)射過(guò)程和接收過(guò)程。在發(fā)射過(guò)程中,選擇偽隨機(jī)序列對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻處理,再經(jīng)中頻載波調(diào)制、功率放大,驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射信號(hào)。在接收過(guò)程中,接收到的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)過(guò)自適應(yīng)放大、濾波、A/D,轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)給處理器處理。

頻譜擴(kuò)展通過(guò)擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)。接收機(jī)為了解擴(kuò),應(yīng)當(dāng)有一個(gè)與發(fā)送端擴(kuò)頻碼同步副本,實(shí)際工程中多采用偽隨機(jī)序列作為擴(kuò)頻碼[4]。M序列是使用最多的偽隨機(jī)序列。發(fā)射端首先在處理器內(nèi)產(chǎn)生周期為L(zhǎng)的M序列PN(n),然后對(duì)PN(n)進(jìn)行載波頻率為換能器中心頻率的二進(jìn)制相移鍵控(binary phase shift keying,BPSK)調(diào)制,再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、功率放大,最后給換能器輸出。

如果接收超聲波頻率相對(duì)發(fā)射頻率偏移較大時(shí),相當(dāng)于通信處于高動(dòng)態(tài)環(huán)境下,頻率偏移會(huì)對(duì)相關(guān)峰的幅度產(chǎn)生巨大的影響。實(shí)際上隨著頻率偏移的增加,歸一化相關(guān)峰的幅值會(huì)大幅衰減,當(dāng)頻移10 kHz時(shí),相關(guān)器的輸出已經(jīng)降為零,無(wú)法完成捕獲[5]。為了正確地接收到回波信號(hào),檢測(cè)出頻率偏移,無(wú)線溫度檢測(cè)中信號(hào)接收采用分段匹配濾波方法處理。

2 分段匹配濾波

為實(shí)現(xiàn)可靠接收,擴(kuò)頻接收時(shí)關(guān)鍵技術(shù)之一就是PN碼同步,即在接收端產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)送端同步的偽碼,并跟隨發(fā)送端偽碼的變化而變化[6]。接收端偽碼的同步主要通過(guò)相關(guān)峰的幅度來(lái)判別。這個(gè)過(guò)程可以大大降低干擾的功率譜密度,減輕干擾的影響。具體實(shí)現(xiàn)是在接收端以發(fā)射端的PN(n)序列作為副本構(gòu)造本地?cái)U(kuò)頻碼,在最大頻偏范圍內(nèi)按要求的最小頻率分辨率為間隔,構(gòu)造多段匹配濾波器[7]。

這種方法要判斷接收的擴(kuò)頻信號(hào)相位與本地PN碼是否同相,其捕獲PN碼所需最長(zhǎng)時(shí)間為一個(gè)擴(kuò)頻碼周期時(shí)間。在捕獲過(guò)程中,本地序列靜止不變,接收信號(hào)與本地序列連續(xù)進(jìn)行相關(guān)處理,處理結(jié)果與一門(mén)限值進(jìn)行比較來(lái)判決是否達(dá)到同步。相關(guān)過(guò)程相當(dāng)于接收信號(hào)滑過(guò)本地序列,每一時(shí)刻都產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)結(jié)果,當(dāng)滑動(dòng)到兩個(gè)序列相位對(duì)齊時(shí),必有一個(gè)相關(guān)峰值輸出,整個(gè)同步時(shí)間就是碼序列的碼長(zhǎng)時(shí)間。

這種方法的主要計(jì)算量在于回波信號(hào)與多段濾波器的滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算?；夭z測(cè)時(shí)以要求能夠分辨的最小頻偏為間隔,構(gòu)造K段帶有頻率偏移量的匹配濾波器?；夭ㄐ盘?hào)的頻譜帶寬限制在換能器的帶寬范圍內(nèi),才能用換能器有效檢測(cè)到回波信號(hào)。A/D采集的數(shù)據(jù)依次與每段濾波器作滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算,搜索每段相關(guān)運(yùn)算結(jié)果中的最大值,可以得到K個(gè)最大值,從中搜索最大值與設(shè)定的門(mén)限值作判決,如果大于門(mén)限值,認(rèn)為找到了濾波器組中的匹配項(xiàng)。記錄超出門(mén)限值出現(xiàn)的位置,即可對(duì)頻偏信號(hào)進(jìn)行估計(jì)。分段匹配濾波法檢測(cè)原理圖如圖1所示。

圖1 分段匹配濾波法檢測(cè)原理圖Fig.1 The detection principle with segmented matched filtering

信號(hào)發(fā)射時(shí),假設(shè)D/A輸出模擬信號(hào)中心頻率為f,回波信號(hào)接收時(shí)中心頻率變?yōu)閒c=f+Δf。采樣一般采用信號(hào)最高頻率的4～6倍頻率,則A/D采樣頻率fs≥4fc即可[8]。

式中:PN(nTs)為與發(fā)送端相同的PN碼序列;Ts為A/D采樣間隔。

這里要根據(jù)檢測(cè)到的傳感器回波頻率偏移確定被測(cè)溫度值。由構(gòu)造分段濾波器的思想,首先根據(jù)測(cè)溫誤差計(jì)算最小頻率變化量Δfmin;再根據(jù)最大測(cè)溫范圍計(jì)算最大頻率變化量Δfmax,取k=Δfmax/Δfmin,k要取整數(shù);以換能器的中心頻率f0為中心,以Δfmin為步進(jìn)單位構(gòu)造(k+1)段匹配濾波器[9]。

回波信號(hào)x(n)與(k+1)段濾波器滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算得:

式中:Nx為x(n)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;Nh為濾波器的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

可見(jiàn),該方法可以實(shí)現(xiàn)相位—頻率偏移量的同時(shí)搜索,即可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收的同步,又可以檢測(cè)出超聲波接收信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的頻率偏移量,并據(jù)此計(jì)算出被測(cè)溫度。

3 仿真驗(yàn)證

借助Matlab軟件對(duì)上述分段匹配濾波器實(shí)現(xiàn)PN碼同步和頻偏信號(hào)檢測(cè)的過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。仿真輸入信號(hào)采用含有高斯白噪聲的頻移信號(hào)。設(shè)置仿真采用255 bit PN碼,碼速率為255 kbit/s,發(fā)送的信息數(shù)碼率為1 kbit/s。假設(shè)發(fā)射和接收的頻偏信號(hào)相差10 kHz,調(diào)制載波設(shè)為510 kHz,解調(diào)載波應(yīng)該設(shè)為500 kHz;匹配濾波器長(zhǎng)度為255 bit。

仿真選用數(shù)字匹配濾波器。濾波器由一系列的抽頭延時(shí)相關(guān)模塊組成,延時(shí)模塊和乘法器模塊組成相關(guān)模塊,15 bit PN碼有15個(gè)延時(shí)相關(guān)模塊。捕獲完成后接收PN碼和本地PN碼沒(méi)有完全對(duì)齊,還需要對(duì)PN碼進(jìn)行跟蹤,跟蹤模塊采用超前滯后跟蹤環(huán)。

由仿真示波器觀察到的PN碼相關(guān)峰和跟蹤波形圖分別如圖2和圖3所示。圖2為連續(xù)三個(gè)匹配濾波器的輸出仿真波形圖,可見(jiàn)中間一路信號(hào)在0.005 s附近出現(xiàn)相關(guān)峰,去掉時(shí)延仿真能夠得到明顯相關(guān)峰,完成了PN碼同步。圖3可見(jiàn)的脈沖可用來(lái)調(diào)整本地PN碼發(fā)生器,完成跟蹤。在仿真系統(tǒng)中采用示波器可以觀察到接收信號(hào)的頻偏值(如圖4所示),其與設(shè)定值一致,證明該方法可以正確地估計(jì)出傳感器的頻偏值。

圖2 PN碼相關(guān)峰波形圖Fig.2 Waveform of PN code correlation peak

圖3 跟蹤波形圖Fig.3 Track waveforms

圖4 頻偏估計(jì)值圖Fig.4 Frequency offset estimated value

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要基于分段匹配濾波法對(duì)傳感器頻偏信號(hào)進(jìn)行處理。該方法設(shè)定的最小頻率間隔決定了檢測(cè)精度,在保證處理器完成所有相關(guān)運(yùn)算前提下,通過(guò)減小最小頻率間隔,可以提高精度。當(dāng)頻率變化范圍較大而檢測(cè)精度要求較高時(shí),處理器數(shù)據(jù)處理任務(wù)會(huì)成倍增加,這也是該方法的局限性所在。經(jīng)仿真驗(yàn)證,該方法可以有效保證超聲波收發(fā)雙方的同步并準(zhǔn)確測(cè)出超聲回波頻率偏移值。這雖然增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度,但可以同時(shí)解決抗噪聲、檢測(cè)范圍小等眾多問(wèn)題。此方法具有一定的通用性,可以推廣用于其他需要頻率偏移信號(hào)檢測(cè)的場(chǎng)合。

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Frequency Signal Processing in Wireless Temperature Detection

The wide range frequency offset of the sensor signals is difficult to be detected by traditional methods;this problem can be solved by adopting spread spectrum technology.Considering the crystal with different cutting type is the core of wireless temperature detection,and ultrasonic signal is the carrier,in order to design high precision and versatile detectors suitable for different crystal characteristics,it is necessary to improve the detection method for the ultrasonic echo signal.The frequency signal processing method for sensor by using segmented matched filtering in spread spectrum technology is proposed.The simulation proves that it effectively ensures the synchronization of both sending and receiving,to accurately measure the frequency offset of ultrasonic echo,thus it can be promoted to other applications requesting frequency offset signal detection.

Quartz crystal Frequency offset Ultrasonic Spread spectrum Segmented matched filtering

TP873+.1

A

黑龍江省教育廳科技研究基金資助項(xiàng)目(編號(hào):12521487)。

修改稿收到日期:2013-12-23。

孫鵬(1973-),女,2003年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè),獲碩士學(xué)位,副教授;主要從事過(guò)程控制與儀表、現(xiàn)場(chǎng)總線的教學(xué)與研究工作。