全数字移相微信号锁相检测方法及设备与流程

本发明涉及微弱信号检测领域，特别涉及一种全数字移相微信号检测方法

背景技术：

随着移动通信技术的快速发展和应用，企业对通信设备在复杂且恶劣环境中有用信号的识别、采集和利用能力要求越来越高。通信设备在恶劣环境中应用时，其有用信号相较于环境噪声往往很低，为了保证通信质量，高性能的微弱信号检测法显得尤为重要。在某些高温高湿度噪声大的应用环境(如工业厂房)，由于噪声的复杂性及不确定性，微弱信号的检测和采集更加困难，同时设备硬件受温湿度振动等环境因素影响，从而导致该区域通信无法正常完成，所以亟需对复杂环境中的微弱信号进行高质量的检测和采集，从而开展设备的通信工作。另外，应用环境中大量通信终端的可靠性往往需要有效的保障，但没有双向通信功能的终端(如扬声器和报警器)可靠性保障是一个难点。这种设备的长距离单向通信系统中，终端的工作条件可能受到环境噪声、设备振动、温湿度和电磁辐射等因素的影响，这正是需要保障其可靠性的原因。如核电站厂房中分布的上万个扬声器，由于其环境特殊性，为了避免险情，厂方要保证每个扬声器随时都能正常工作，及时检修故障扬声器，这通常需要耗费大量人力物力，故亟需一种高效的主动式微弱信号检测法来实现远距离单向通信中的设备可靠性检测。

在检测强噪声环境下的微弱信号时，常用的相关检测法是模拟检测方法，主要是对信号和噪声进行相关性分析，确定信号不同时刻取值一般都有较强的相关性，而干扰噪声随机性较强，不同时刻取值的相关性一般较差，利用相关函数的差异，把确定信号和干扰噪声有效的区分开来。而通常的锁相检测法是一种固定延时(即相位差)的互相关检测法，利用相敏检测来实现有用信号信息的提取，可以同时利用信号频率和相位差θ进行检测，噪声与信号同频且同相的概率很低。对于直流或者缓变待测微弱信号需要将其调制放大后再进行锁相检测。其一般方法为：①将干扰噪声信号n(t)和待测微弱信号s(t)的混合信号x(t)送入乘法器的一路输入；②由单片机产生与待测微弱信号同频的方波，经过单片机外部的正弦波转换电路和移相电路后送入乘法器的另一路输入作为参考信号；③将乘法器运算结果送入低通滤波器可得到一个固定的输出直流信号V₀，通过检测该值就可得到待测微弱信号的幅值和相位信息，从而实现低信噪比信号中微弱信号的检测。

上述现有的锁相检测法存在以下应用上的缺点：①与待测微弱信号s(t)同频的参考信号从单片机产生到进入乘法器之前需要经过外部正弦波转换电路和移相电路，导致其与待测微弱信号之间的相位差必然产生不可控制的变化，影响检测结果的准确性；②正弦波转换电路和移相电路等模拟电路容易受到环境噪声干扰；③正弦波转换电路和移相电路等模拟电路复杂度较高，功耗较大。

技术实现要素：

为了实现高噪声等复杂环境下低信噪比微弱信号的识别、检测和利用，改进现有锁相检测法相位差不可控导致检测结果不准确，模拟移相电路易受干扰、功耗大、复杂度高等缺点，提高检测方法的精确性、实用性和便利性，本发明提出了一种基于单片机的全数字移相微信号锁相检测法。该方法利用了全数字移相的便捷性和准确性，与锁相检测法结合进行低信噪比信号中微弱信号的检测。

为解决上述技术问题，本发明提出一种全数字移相微信号锁相检测法，包括步骤：包含微弱信号和环境噪声的混合信号与经数字移相的参考信号进行锁相检测，单片机模数转换器ADC单元采集锁相检测结果送入单片机信号比较单元；单片机信号产生单元产生激励信号及与其同频的数字移相信号，数字移相信号与混合信号相乘，通过低通滤波器获得乘法结果中的直流分量，利用单片机ADC单元采集该连续变化的直流信号，获得采样平均值，计算采样平均值的最大值MAX和峰均比PAR，并判断MAX和PAR是否在预设阈值范围内，若在，判断单元判定检测到该微弱信号并将其输出，若不在阈值范围，则判定未检测到任何微弱信号。其中，数字移相信号满足使其在单个信号序列中存在32个相位连续变化的正弦波，即每个正弦波相位变化(1/32)*2π。

其中，可利用单片机信号发生单元产生激励信号，首先配置一个正弦波表，利用单片机的直接内存存取DMA通道传送一个以字节为单位的循环正弦波表，循环正弦波表中重复正弦波块传送给DAC12_0(数模转换器12_0)模块；同时，十六位的比较器B产生脉冲宽度调制波PWM波，根据直接内存存取DMA通道传输数据的周期来调整PWM占空比和周期，通过滤波器实现D/A(数/模转换)转换。即在PWM上升沿触发时，通过比较寄存器CCR0的控制装载传输数据给DAC12_0模块，DAC12_0模块进行包括检验修正的处理后，将结果转换为模拟信号，可得到正弦波激励信号。

进一步地，利用单片机信号发生单元产生与激励信号同频的数字移相正弦信号，在比较器TB_1和TB_2分别传送一个同频同步的PWM，故数模转换器DAC12_0模块传出的激励信号和模数转换器ADC12_0模块采集回传的数据是同步的数据。具体可为，首先配置原始的正弦波表，在直接内存存取DMA中断传送标志位置位后，改变DMA的源地址数据，即将正弦波表向右平移(1/32)*2π的相位；又数模转换器DAC12_1模块对每个正弦波周期模拟传送32个点，即得到32次同频的相位右移正弦波参考信号；ADC12_0模块采集得到的数据进行平均值计算，即通过循环对采回数据累加求和得累加值TEMP_SUM，再对TEMP_SUM做除法运算，得到ADC12_0模块采集数据的平均值(ADC_RES_PHASE_AVERAGE)；对ADC12_0模块采回的32个正弦变化直流信号的平均值再取平均值(AVERAGE_32)和最大值(MAX)，根据公式PAR＝MAX/AVERAGE_32计算PAR(峰均比)值，并由单片机判断单元判断MAX和PAR是否符合预设阈值范围，若符合，单片机判定检测到该微弱信号并将其输出，若不符合，则判定未检测到任何微弱信号。

本发明还提供一种全数字移相微信号锁相检测设备，包括：自动增益控制电路、带通滤波器、乘法单元、低通滤波器、ADC模块，信源端发射一个待检测定频微弱信号，包含微弱信号和环境噪声的混合信号经过自动增益控制进入带通滤波器，乘法单元对数字移相信号与混合信号进行乘法运算产生二倍频和直流信号，乘法运算结果通过低通滤波器获得直流分量；进入ADC单元产生激励信号及与其同频的数字移相参考信号，混合信号与经数字移相的参考信号进行锁相检测，ADC单元采集锁相检测结果并送入ADC单元，ADC单元采集该连续变化的直流分量信号，获得预定个数采样平均值，根据采样平均值检测判定微弱信号。

其中，所述激励信号的产生具体包括，DAC单元首先配置一个正弦波表，利用DMA通道以字节为单位循环传送正弦波表，获得重复的正弦波块传送给DAC12_0单元；同时比较器产生PWM波，调整PWM波占空比和周期；将正弦波块和PWM波送入滤波器实现D/A转换，得到正弦波激励信号。

产生数字移相信号具体包括：比较器TB_1和TB_2分别传送一个同频同步的PWM，在中断函数中改变DMA的源地址数据，即将正弦波表向右平移(1/32)*2π相位，得到32次同频的相位右移正弦波参考信号；ADC单元采集正弦波参考信号的平均值，循环对ADC单元进行求和得累加值TEMP_SUM，再对

TEMP_SUM进行除法运算得到ADC采集数据的平均值AVERAGE；对ADC采回的32个平均值再取平均值(AVERAGE_32)，根据公式：PAR＝MAX/AVERAGE_32计算峰均比PAR值。

本发明针对现有的锁相检测法相位差不可控导致检测结果不准确，模拟移相电路易受干扰、功耗大、复杂度高等缺点，提出了一种全数字移相的锁相检测法，所采用的数字移相能遍历待测微弱信号和参考信号的相位差，从而有效避免了相位差不可控导致的检测结果不准确，同时全数字移相能提高抗干扰性能，降低复杂度和检测硬件功耗，能应用于高噪声环境下的无源音频设备的高精度质量检测，提供了一种简单高效的微弱信号检测方法。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合附图，对本发明做进一步详细说明，其中：

图1为全数字移相微信号锁相检测法实施流程图；

图2(a)为产生数字移相参考信号的代码结构图；(b)为数字移相参考信号检测图；

图3(a)为产生正弦波激励信号的代码结构图；(b)为正弦波激励信号检测图；

图4为全数字移相微信号锁相检测结构图。

具体实施方式

为了实现高噪声等复杂环境下低信噪比微弱信号的识别、检测和利用，提高检测方法的实用性和便利性，本发明提出了一种基于单片机的全数字移相微信号锁相检测法。该方法利用了全数字移相的便捷性和准确性，与锁相检测法结合进行低信噪比信号中微弱信号的检测。

下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。

本发明全数字移相微信号锁相检测实现过程包括：利用单片机(以单片机MSP430F169为例进行相关说明)直接产生定频正弦波为扬声器提供主动激励信号，再将数字移相参考信号与被环境噪声污染的激励信号进行锁相检测，检测结果为连续变化的直流信号，并由ADC采回该信号送回单片机进行处理判定，如图1所示为全数字移相微信号锁相检测法实施流程图，包括：信源端发射一个待检测定频微弱信号，麦克风接收微弱信号和环境噪声形成混合信号。混合信号经过自动增益控制进入带通滤波器，经过模拟乘法器产生二倍频和直流信号，通过低通滤波器获得直流分量，进入单片机ADC0模块，产生激励信号和参考信号，混合信号与经数字移相的参考信号进行锁相检测，ADC采集锁相检测结果并送入单片机比较器判断是否检测到微弱信号的判定。

可采用外部功率放大电路将定频正弦波激励信号送入信源端，扬声器发声，麦克风声音传感器接收被噪声污染的激励信号即混合信号，混合信号经过自动增益控制模块AGC进入带通滤波器，滤掉部分噪声；单片机的数模转换器DAC产生一个与激励信号同频的数字移相信号，该数字移相信号最优可为使其在单个信号序列中存在32个相位连续变化的正弦波，即每个正弦波相位变化为(1/32)*2π；模拟乘法器将滤掉部分噪声的混合信号与数字移相信号进行乘法处理，得到携带直流分量的二倍频正弦信号，模拟乘法器的输出二倍频和直流送入低通滤波器获得正弦变化的直流信号，模数转换器ADC将上述直流信号采回到单片机计算单元计算32个采样平均值，获取32个采样平均值的最大值MAX和峰均比PAR，并根据单片机判断单元判断MAX和PAR是否符合预设阈值范围，若符合，单片机判定检测到该微弱信号并将其输出，若不符合，则判定未检测到任何微弱信号。

其中，单片机可采用MSP430F169，可使用模拟乘法器完成锁相检测，执行乘法器功能，即将混合信号和数字移相参考信号进行乘法处理，得到携带直流分量的二倍频正弦信号。

下面通过一个具体的实例说明所述数字移相参考信号的获取，如图2(a)所示为数字移相参考信号的获取结构图。

首先用户初始化及正弦波表配置；对所用到的D直接内存存取MA、数模转换器DAC、模数转换器ADC、比较器TB初始化后进入DMA中断模式，不断改变DMA的源地址后进行标志位判断，即可由DAC输出移相后的参考信号，然后退出低功耗和中断程序，重新进入主程序。具体包括：

利用单片机信号发生单元产生与激励信号同频的数字移相正弦信号，在比较器TB_1和TB_2传送一个同频同步的脉冲宽度调制PWM，故数模转换器12_0DAC12_0传出的激励信号和模数转换器12_0ADC12_0采集回传数据将会是同步的数据。

如图2(b)为数字移相参考信号检测图。为与激励信号同频的数字移相正弦信号。

如图3(a)所示为MSP430F169直接产生1kHz正弦波激励信号结构图。上电复位，用户初始化及正弦波表配置，对所用到的DMA、DAC(数模转换器)、ADC、TB初始化后进入DMA中断模式，进行标志位判断后由DAC输出1kHz正弦波激励信号，然后退出低功耗和中断程序，重新进入主程序循环。图3(b)为正弦波激励信号检测图，为1kHz正弦波激励信号。

首先配置原始的1kHz正弦波表，即将一个将正弦波离散化的离散数码表存放在内存中，用来形成1kHz正弦波的原型，在直接内存存取DMA中断传送标志位置位后，改变DMA的源地址数据，即将正弦波表向右平移(1/32)*2π的相位；又数模转换器12_1DAC12_1对每个正弦波周期模拟传送32个点，即得到32次同频的相位右移正弦波参考信号。参考信号波形如图2(b)所示。

图4为全数字移相微信号锁相检测结构图。初始化，进入DMA中断，置中断标志位，改变DMA0源地址输入数据，输出正弦波参考信号及同频移相正弦波。ADC采回，进行平均值和峰均比的计算，进行DMA,DAC,ADC,TB复位。具体包括，

模数转换器12_0DC12_0模块将采集回来的正弦变化直流信号(即32个离散直流信号点构成的呈正弦变化的信号)装入随机存储器RAM暂时存储，循环调用RAM中的正弦变化直流信号点，对其进行累加求和得累加结果TEMP_SUM，再对TEMP_SUM做除法运算，将除法运算结果装入平均值数组存储器(ADC_RES_PHASE_AVERAGE)中，即得到ADC采集回来的正弦变化直流信号数据的平均值。对模数转换器12_0ADC12_0采回的32个正弦变化直流信号的平均值数据取平均值(AVERAGE_32)，提取32个平均值数据的最大值(MAX)，根据公式PAR＝MAX/AVERAGE_32计算峰均比PAR值。并由单片机比较器判断MAX和PAR是否符合预设阈值范围，若符合，单片机判定检测到该微弱信号并将其输出，若不符合，则判定未检测到任何微弱信号。

信源端扬声器的主动激励信号产生方式有多种,可使用单片机代码来完成，作为一种可实施方式，本发明通过以下实例进一步说明，

利用单片机MSP430F169产生激励正弦波，可采用的实施方式具体为，配置一个正弦波表、用户初始化，进入低功耗模式。利用直接内存存取DMA通道传送一个以字节为单位的循环正弦波表，将正弦波表中重复的正弦波块传送给DAC12_0模块。同时用十六位比较器B产生脉冲宽度调制波PWM波，调整PWM占空比和周期，通过滤波器件实现D/A转换。即在DMA中断标志位置位后，DMA开始准备传送数据，如有PWM上升沿触发，则通过比较寄存器CCR0的操作装载传输数据给DAC12_0，DAC12_0模块将运算处理(包括对可矫正偏移误差的检验修正)的结果转换为模拟量，得到如图3(b)所示的1kHz正弦波激励信号。

本发明利用单片机直接产生数字移相信号，结合相关检测，实现微弱信号的锁相检测；能够对恶劣环境下范围广、数量多的扩音设备进行高精度质量检测，提供了一种简单高效的微弱信号检测方法，为无源音频终端的状态监测和可靠性保障提供了一种可实施的解决方法。

所应理解的是，以上所举实施方式或者实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。