信号放大处理和控制三篇

信号放大处理和控制 篇1

1 发射台设备得到更新

虽然各发射台的发射机较多,但近几年都更换为工作稳定性相对较好的固态机,而其前端信号的自动处理和控制系统是各发射台技术维护工作中的薄弱环节,因此,做好发射机信号源的自动处理和控制系统的技术维护工作,提高其信号的质量,是确保发射机有高质量播出信号的技术保障。

甘肃省广播电影电视局687台是目前肩负发射任务最重的一个台站。687台在2010年实现了对设备进行计算机监控,对音频传输、信号发射、工作环境进行一体化监测,减轻了值班员的劳动强度,提高了发射台的工作效率。在实际工作中2015年根据实际情况进行了技术改造,在信号的自动处理和控制方面确实极大的解决了前端信号源质量的保证,使得送入发射机的信号源能够确保“万无一失”。

2 存在的问题

发射台机房原使用的发射机信号源的自动处理和控制系统主要存在不安全的隐患有:整个系统采用同一个供电电源,当其供电电源发生故障后,将会造成整个系统没有信号输出,造成发射机停播;整个系统中的设备发生故障时,没有信号直通输出,也将会造成整个系统或某路信号没有输出,造成发射机停播。因此,当发生以上任何一种故障时,都会造成整个系统或某路没有信号输出,从而导致发射机没有信号输出,造成发射机停播。

3 在实际工作中的技术改造

3.1 供电系统

首先,对控制桌的供电系统采用从配电室直接供电,有单独空气开关控制,减少外围因素。对光收机、卫星信号接收机和发射机信号源的自动处理和控制系统、自动监控系统的供电电源用空气开关单独控制。对空气开关的电源输出再接入UPS不间断电源,而对监控系统、音频工作站的显示器直接采用空气开关供电,不经过UPS不间断电源供给。经过这样的技术改造后,一方面确保了整个系统有良好的电源保障;另一方面保证了在外电发生故障时值班人员能够迅速发现问题,及时处理配电问题,而发射机信号源的自动处理和控制系统的工作正常,避免了因供电电源发生故障而造成发射机没有信号源的停播事故。

3.2 采用音频智能切换器自动切换信号

发射机信号源的自动处理和控制系统是发射机的咽喉,687台采用的是崇远信达生产的CYK-424A音频智能切换器,该智能音频切换控制器是一款集(手动/自动)切换、显示、报警、信号衰减、处理于一身的音频切换处理器。设备按键指示灯共6组,前4组代表4路信源的切换指示状态,第5组代表代表手/自动状态,第6组代表输出允许控制及状态。在信号调节方面,右面的衰减调节器是用来调节输出音频信号幅度的。其旋钮顺时针旋转时衰减的越多,逆时针旋转衰减越少,衰减指示参看输出彩条指示,最多衰减-24 dB;在2015年初更换了升级的音频处理板,目前不需要人工调节,由切换器自动处理音频信号幅度。

音频智能切换器可将输入到发射机的音频信号幅度自动控制在标准的范围内,同时还可以将4路信源优先级从第1路到第4路依次切换输入到发射机的信号,确保送入发射机的信号源为高质量的信号。但该系统的应用后,同时也增加了该系统发生故障的可能性,当它发生故障时,将会造成系统没有信号输出。考虑到此种情况,该智能切换器在第1路输出增加有断电直通功能,使入主机信号接在1路输出上,这样在切换器断电或有故障时信号能正常送出,从而防止因无音频信号输出造成发射机停播。见图1、图2。

3.3 新增跳线器

跳线器实质上就是转换接线板,有故障时甩开多余设备,利用短接线的原理将信号尽快送入发射机。

由于687台采用旧的控制台,音频智能切换器的后面板位置手无法伸入,考虑到一旦遇到音频智能切换器故障,断电直通的第1路此时信号恰好也中断,这样将会因无音频信号输出造成发射机停播。考虑到此种情况,在控制台下方增加跳线器,在前端设备出现故障时利用跳线器直接将输入/输出信号短接。但此时应注意:原则上可以采用跳线器根据所用信源直接进行跳线,但由于各路信源的信号幅度不同,可能需要对发射机的音频输入幅度调整。这是为防止在紧急情况应急处理信号时音频智能处理切换器故障无输出,687台为了手动操作方便而特意创新改进增加的一个信号转换接线板,见图3、图4。

信号放大处理和控制 篇2

互相关检测方法是根据接收信号的频率,在接收端产生与待测信号频率相同的参考信号,将参考信号与混有噪声的被检测信号进行相关处理,利用信号与噪声的不同的相关特性提取信号。在互相关检测方法中,需要了解被检信号的频率,确定参考信号的频率,并调整参考信号的相位,使互相关值最大。传统的互相关检测方法,往往假定被检测信号的频率,参考信号采用方波进行互相关[5],而在理论分析时,将方波分解为基波和谐波,通过滤波滤除谐波成分的影响,因此传统的互相关检测存在一定的缺陷,如缺乏频率自动检测与跟踪能力、方波的谐波成分对互相关的影响,特别是频率较低的信号检测,受谐波的影响更大。为此,笔者提出了一种基于锁相环和直接数字频率合成( Direct Digital Synthnesizer,DDS) 技术的微弱信号检测方案,利用锁相技术提取被检信号的频率,并以该频率为参考,通过DDS技术选择合适的波形进行相关处理,确定被检测微弱信号的幅度与相位,从而获得微弱信号的重建。

1 锁定检测放大器的工作原理与电路

基于锁相环和DDS技术的微弱信号检测系统如图1 所示。低信噪比信号通过低噪放大器进行幅度放大,由锁相环提取被检信号的频率,该频率值通过控制器传输给DDS,DDS产生同频率的本地参考信号,该信号与被检信号进行互相关运算。由于互相关运算与两者的相位差有关,因此控制器步进调整参考信号的相位使互相关值最大,此时DDS输出的信号与被检信号同频同相,再经放大器即可获得所需信号的幅度。显然,微弱信号检测的灵敏度与检测信号的带宽取决于锁相环的性能,被检信号的相位恢复取决于DDS的相位控制精度。

1. 1 锁相环电路

锁相环是一种相位反馈控制电路,通过相位的控制获得频率同步,因此锁相环输出的频率与被检信号的频率同步,但保持稳定的相位差。锁相环主要由鉴相器、压控振荡器和环路滤波器构成。笔者设计的微弱信号检测系统选用模拟集成锁相环LM565,其电路如图2 所示。

模拟集成锁相环LM565的工作频率在0.001~-500 000.000Hz,鉴频失真度低于0.2%,最大锁定范围±60%。压控振荡器的中心频率由定时电阻RT(8端)和定时电容CT(9端)决定,考虑到扩大被检测信号的频率范围和单片机的频率检测范围,在压控振荡器的输出端4与鉴相器反馈输入端5间插入10分频电路。环路滤波由7脚所接电容C1和内部电阻R1组成,适合宽带信号跟踪。当锁相环处于入锁状态时,输出稳定的同频方波信号,并将分频器前、后的方波信号均输出至单片机;当检测信号频率较低时(如低于2kHz),利用10分频电路提高VCO的工作频率,提高锁相环的工作效率,此时单片机采集的信号频率为fout1;若检测信号频率较高(如高于20kHz),可直接将4脚输出与5脚相连接,此时单片机采集的信号频率为fout2。这里,锁相环的中心频率。

图2 中,9 脚所外接定时电容由单片机控制,可以通过更换不同的电容来选择不同的压控振荡器工作频段。

1. 2 DDS与频率合成

图1 中的DDS提供微弱信号相关检测用参考信号,这里选用AD9850( 其内部频率控制字字长32 位) 和高性能的10 位数模转换器( 工作时钟180MHz) ,采用的时钟频率为180MHz时,频率分辨率为0. 03Hz。可对输出正弦波信号的相位进行调整,具体电路如图3 所示。为滤除谐波和杂波的干扰,合成信号经过五阶椭圆低通滤波器滤波输出。

输出正弦信号频率fREF由频率控制字决定,根据系统需要,fREF被定义为锁相环获得的被检信号频率,因此频率控制字,其中fREFCLK为工作时钟,此处取20MHz。

AD9851 输出正弦信号的相位可步进控制,由5 位数据控制,其中低4 位数据控制相位,第五位控制方向,步进相位,其中N为相位控制字( b4b3b2b1) ,b5为相位方向控制字。

1. 3 相关运算电路

相关运算由AD633乘法器和低通滤波积分电路组成[6],如图4所示。截止频率10Hz,用以滤除噪声及谐波干扰等,其中运算放大器选用低噪声OP27。电位器RW用于调整电路漂移,电容C3=0.1μF,低通滤波用电阻R2=1MΩ,平衡电阻R3=1MΩ。

相关运算的输出为:

经过滤波,得到:

对应的微弱信号幅度ui的计算式如下:

显然,相关运算的值与输入信号的幅度和相位差有关,单片机调整DDS产生的参考信号相位可以使相关值最大,从而获得微弱信号的相位。

2 系统软件

基于锁相环和DDS技术的微弱信号检测系统的软件流程如图5 所示。利用单片机89C51 的定时器0 与计数器1 对锁相环的压控振荡器输出信号进行测频,并将该频率字赋予DDS,获得与输入信号同频的正弦波,如果存在频差,则采集的信号相关值发生周期性波动,可通过微调使两者频率相等。

当频率微调相等时,通过调整参考信号的相位,使采集的相关值达到最大,此时DDS输出的信号与被测信号同频同相。采集相关值获得被测信号的幅度。

3 测试

此次测试选用的DDS信号源为DG1022,可设置噪声信号输出; 信号采集选用的模数转换芯片为TLC549,精度为8 位; 参考电压由MC1403提供。

3. 1 锁相环频率测量

当输入信号幅值取1V且无噪声输入时,频率测量数据见表1,通过锁相环锁定,所测的信号频率偏小,误差在 ± 1Hz以内。

Hz

3. 2 灵敏度与最小信噪比测量

在无噪声条件下,输入信号频率为1. 1k Hz,当输入信号幅度小于150m V时,锁相环进入失锁状态,不能产生同频方波。输入信号幅值为300m V,频率为1. 1k Hz,当噪声幅值大于3. 5V时锁相环失锁,当噪声幅度小于3. 5V时,能够准确测频显示。

3. 3 信号检测的幅度特性测量

设定噪声幅度为1V、频率1k Hz,改变信号幅度,相关值采样,得到信号被测值,其特性曲线如图6 所示。

3. 4 频率特性测量

噪声幅值仍设为1V,输入信号取为1V,改变其输入信号频率,相关值采样,得到信号被测值,其特性曲线如图7 所示。

由图6、7 可以看出,在低信噪比条件下,尽管幅频曲线有一定起伏,但检测系统具有较好的线性检测特性。在测试过程中,由于参考信号的频率与被测信号之间总存在频率差,对检测结果有一定影响,如DDS的预置频率精度为0. 01Hz,而频率测量精度为0. 10Hz。同时,相位控制的精度尚未达到最佳要求,如AD9851 的相位调整精度只有4 位,步进精度为11. 25°,故所引起的误差较大。

4 结束语

系统采用锁相环获得微弱信号的频率,并以此控制本地频率合成信号的频率作为参考信号,进行相关处理,通过调整DDS的相位,获得最大相关值,从而使参考信号与被测信号同频同相,得到了无噪声干扰的再生信号。但在实际测试中发现,尽管DDS合成信号的频率精度很高,但与被测信号仍存在很小的频差,导致乘法器输出的信号幅度缓慢变化,此时采用积分- 清零方式无法获得相关值。为此,需要进一步微调DDS的工作频率,使两者频差控制在较小的范围内,并根据连续采集的幅度模拟出相关值的大小。同时,若能控制DDS的输出波形,并设置分辨率更高的相位控制,可进一步提高微弱信号检测的性能。

摘要：介绍了一种微弱信号的检测与锁定放大方法。通过模拟锁相环工作锁定待检微弱信号的频率,利用控制器测量该锁相环的输出频率,并根据该频率值控制直接数字合成电路产生同频信号,该信号作为相关检测所需的参考信号。系统采用乘法器和积分电路实现相关检测,通过步进调整参考信号的相位,使互相关值最大,获得与被测信号同频同相的再生信号,从而实现微弱信号的检测与放大。该方法能够实现频率检测及幅度检测等功能。经实验测试表明:在低信噪比条件下,该方法仍具有较好的线性测量特性和较高的准确度,可实现任意波形的微弱信号自动检测和再生放大。

低应变时域分析中的信号放大技术 篇3

低应变时域分析中,桩端反射时刻Δt即2L/C的正确识别是桩身完整性判定的关键[2,3]。分析中要把应力波沿桩长方向传播中出现的反射信号幅值、形态与锤击脉冲信号相比较,主要识别特征是“反射信号与锤击脉冲信号同向或反向”。由于应力波传播中不可避免的损耗,信号后期的幅值明显衰减,反射信号的幅值微乎其微,有资料统计“正常摩擦端承桩的反射信号与锤击脉冲信号的幅值比在0.04～0.001间”[4]。加之桩周岩土介质的阻尼与干扰,反射信号的形态发生变异、漂移,以致特征趋于模糊,识别困难。为增强反射信号的识别特征,在时域信号分析中除了采取常规积分、多次平均、低通滤波等措施外,还应采用“指数或线性放大”的技术手段,现行JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》[1]中就做了明文规定。本文就低应变时域分析中的几种信号放大技术的适用性、优越性进行对比分析与评估,不涉及低应变信号采集环节的放大技术。

1“指数放大”技术

目前,国内外低应变法中的“指数放大”技术多通过软件方法实现,即利用软件技术将实测信号乘以一确定的指数函数ext,把实测信号的幅值按时间的指数规律加以放大,时间越长,放大倍数越大。在视觉效果上起到了补偿应力波沿桩长方向传播中的衰减的作用,以利于2L/C的识别,如图1。

但是,“指数放大”是一种非线性、单调、递增的放大方式,在放大2L/C点信息的同时,也递增放大了连续信号中携带的其他桩身桩周岩土噪声及仪器设备噪声,并干扰2L/C的识别。图2为1个长10m、桩端已进入硬塑粘性土的预应力管桩的实测时域信号,时域信号中2L/C点反射不明显,识别困难。图3对该实测信号采用了指数放大,尽管依据“反射信号与锤击脉冲信号同向”的特征可以识别出2L/C点。但由于指数放大的特点,曲线尾部的放大倍数远大于2L/C点,导致显示出的曲线尾部某些点信号的特征比2L/C点还明显,干扰了正确分析与判断。

(a)实测信号;(b)经指数放大后的信号

在现实检测中,这种情况很常见,如图4为一灌注桩实测信号,施工桩长30.0 m,当指数放大倍数为36时,通过反射信号形态与锤击脉冲信号的比较,可以识别出桩端反射,即图中标注▽处。但曲线尾部还有某些信号的形态比该点还凸显,为正确识别桩端反射带来了干扰。需要强调的是,曲线尾部某点的幅值实际小于2L/C点幅值,只是由于指数放大的效果误导,从视觉上认为曲线尾部某点幅值大于了2L/C点的幅值。这种情况下,极有可能把曲线尾部某点判为2L/C点。由此可见,不恰当的“指数放大”同样会带来工程上的误判。

为此,“指数放大”技术在应用中也做了改进,即把指数放大的时间终止在2L/C点附近,2L/C点之后的信号不再按指数规律放大,这样起到凸显桩端反射特征的效果。如图5,图5与图4是同一实测信号,图5采用了改进后的“指数放大”技术,当指数放大倍数为62时,桩端反射特征十分明显。

但是这种处理要在确认2L/C点基础之上。当反射信号形态模糊或无法确认2L/C时,如将疑似的反射放大凸显,则极易造成误判。还有一点,这种处理后显示的时域信号时间长度很难符合JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》中有关“时域信号的时间段长度应在2L/C时刻后延续不少于5 ms”[2]的规定,图5中的时域信号的时间段长度在2L/C时刻后仅延续了1.5 ms。

2“线性放大”技术

线性放大技术是一种全时程等倍数的放大,可以由硬件实现,也可以由软件实现,也可以采用硬、软件相结合的方式,其放大倍数在信号的全时间段内相等。无论何种方式,放大后的信号都会受到数据结构或显示单元的量程限制,超出量程的信号幅值会被削波。固然信号中部或尾部的反射特征经过一定的放大,可能较为凸显,但此时信号前部锤击的首脉冲信号一定会严重过载削波,同时信号中的杂波和干扰也会被放大,以至信号的形态越加混乱、前后无法比较,如图6所示,框内区域为线型放大后信号,超出区域的信号均被削波。正因如此,常规的线性放大技术在低应变时域信号分析中的应用较少,借助线性放大技术识别桩端反射特征也未见报导。

(a)实测信号;(b)放大信号

3“扫描式局部线性放大”技术

随着计算机软件技术的发展,目前有一种完全采用软件构造的“扫描式局部线性放大”技术用于低应变时域信号分析。

这种“扫描式局部线性放大”技术也被称为“线性放大镜”,已嵌入在低应变分析系统中。对低应变时域信号进行扫描式的局部线性放大,设“线性放大镜”的时间宽度为5 ms,幅值的线性放大倍数为30～70倍,“线性放大镜”可以沿实测信号的时间坐标扫描移动。当“线性放大镜”扫描移动时,“线性放大镜”中就能够展现放大后的局部信号。将放大后的局部信号一一与锤击脉冲信号相比较,依据信号特征,就能识别并确认2L/C或其他关键点信息。“线性放大镜”中除了标注当时的线性放大倍数外,还有十字标尺,能够显示2L/C的具体时刻。如图7为应用“线性放大镜”的分析界面,图中的小方框即为“线性放大镜”中观察到的局部信号,反射特征清晰。

分析结束后,将实测信号和“线性放大镜”中观察到的2L/C局部信号区域并列打印输出作为分析成果。分析成果中既有符合JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》规定的完整实测信号曲线,也有放大后的桩端反射特征,还有2L/C时刻和“线性放大的范围及倍数”等参数。

4应用实例

图8是一灌注桩(长14.5m,直径1000mm)实测信号采用“线性放大镜”的分析成果。

图9和图2是同一条实测信号,图9则是采用了“线性放大镜”的分析成果,其反射特征清晰,2L/C时刻明确。

图10是一预制方管桩(长(10+10+10) m,直径500mm)实测信号采用“线性放大镜”的分析成果。图10 (a)采用了“线性放大镜”技术,除完整的实测信号曲线外还提供了三处线性放大后的局部信号,分别清晰反映出两处接桩反射和桩端反射的信号形态特征及对应的Δt。图10 (b)则是采用的“指数放大”技术。

5结束语

(1)低应变法时域分析的关键在于正确识别桩端反射时刻2L/C,其前提是在实测信号中能够发现清晰的“反射信号与锤击脉冲信号同向或反向”特征。

(2)“指数放大”技术,是一种较为有效的分析方法。但不恰当的“指数放大”会造成反射信号形态失真,产生工程上的误判。

(3)“扫描式局部线性放大”技术,发挥软件技术的长处,对时域信号进行扫描式局部线性放大,兼顾信号的全时程,便于反射信号与锤击脉冲信号比较。分析成果中反射特征清晰,2L/C时刻明确,符合现行技术规范的要求。与低应变时域分析中已有的其他放大技术相比,“扫描式局部线性放大”技术具有明显的适用性和优越性,宜在基础工程质量检测中推广。

参考文献

[1]JGJ 106-2014,建筑基桩检测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社.

[2]陈凡,徐天平,陈久照,等.基桩质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[3]王雪峰,吴世明.基桩动测技术[M].北京:科学出版社,2001.

[4]连杰明.桩周人工地基或砌体对低应变反射波形曲线的影响与对策[J].建筑技术,2012,43(9):851-853.