正交检测技术在周界入侵探测系统中的应用
2008-07-18
作者：王明吉， 吕 妍， 李玉爽
摘 要: 在分析了正交信号检测" title="信号检测">信号检测原理的基础上，将正交检测技术应用于周界入侵探测装置中，搭建了正交信号检测电路，应用Multisim8软件进行了仿真和分析。
关键词： 正交检测 周界入侵探测 噪声干扰 电路仿真
泄漏电缆周界入侵探测是近十年时间发展起来的一种新型户外周界防护技术，该技术在很多领域得到了广泛应用[1]。泄漏电缆周界入侵探测技术的基本原理是将作为发射源的泄漏电缆浅埋于地下，距其一定距离并行埋设另一根泄漏同轴电缆作为信号的接收装置，发射源通过防护区段的泄漏电缆在各自警戒范围内的空间形成不同频率的电磁场。若有入侵者侵入时，该电磁场发生扰动，导致接收信号发生变化，将变化信号进行放大处理并及时准确的识别出来，从而确定具体的入侵地域，并发出报警信息[2-3]。目前常用的泄漏电缆周界入侵探测系统采用频分制工作方式[4]，信号的频带宽度与噪声信号的强弱成正比。而噪声是一种随机信号，其频谱分布在整个无线电频率范围内，系统很容易引入噪声干扰而产生误报，因此，在保证系统工作稳定的情况下，尽可能缩小信号的频带宽度，才能较彻底地解决误报问题。
1 正交信号检测原理
正交信号检测是将输入信号" title="输入信号">输入信号通过两组性能完全相同的乘法器" title="乘法器">乘法器与互为正交的两路本振" title="本振">本振信号混频，分别输出同相分量I和正交分量Q，再经低通滤波器" title="低通滤波器">低通滤波器滤波后， 产生两路基带信号，送入微处理器进行处理[5-6]。其检测原理如图1所示。
当输入信号与本振信号的频率相同时，将本振信号表示为：
将式(2)的输入信号分别与两个正交本振输入信号相乘可得:
式中，K为乘法器系数，其数值取决于乘法器的电路参数。
经过LPF滤波器滤除信号中的高频成分后，式（3）、式（4）分别变为：
当输入信号发生扰动与本振信号的频率不同时，本振信号不变，如式(1)所示。假设输入信号为：
2 正交信号检测电路
正交信号检测作为接收机电路的一部分引入到周界报警装置中，实现了零中频接收。传统的超外差式信号接收机主要在中频范围内进行信号解调，信道滤波需采用高Q值的滤波器，因而接收机频带宽度很容易受到这种滤波器精度的制约。引入正交信号检测技术后，信道选择在低频进行，仅需选用低通滤波器就可以实现接收机的超窄带接收，从而降低噪声信号对系统干扰的几率。
正交信号检测电路由同相通道和正交通道组成。两个通道的电路结构完全相同，只是其本振输入在相位上相差90°。下面以同相通道电路为例来说明，其输入信号u(t)来自于接收机前端经变频后的输出信号，本振信号ul(t)、输入信号u(t)的频率与发射源的射频输入信号频率均被同一个晶体振荡源锁定，在无外界干扰的情况下，输入信号和本振信号的频率相同。其电路图如图2所示。
3 电路仿真与分析
采用加拿大IIT公司的Multisim8软件[7]对设防领域无入侵、有入侵及噪声干扰三种情况的正交信号检测电路进行了仿真。
3.1无入侵时仿真分析
设本振信号ul(t)是幅度为1V、频率为5kHz的正弦波，没有外界入侵时，输入信号u(t)与本振信号同幅度同频率，波形如图3(a)所示，ul(t)和u(t)两种信号经乘法器电路混频后所得信号u′I(t)的波形如图3(b)所示，再将此信号u′I(t)送入低通滤波器滤波后输出信号uI(t)的波形如图3(c）所示。
由图3（b）、（c）可以看出，信号u′I(t)的幅度是本振信号ul(t)幅度的一半，输出信号uI(t)为直流信号，此结果满足式（3）和式（5）所示的波形变化规律。因此，没有外界入侵时的电路仿真和理论推导结果一致。
3.2 有入侵时仿真分析
设本振信号是幅度为1V、频率为5kHz的正弦波，当有入侵者侵入时，由于人体的活动频率范围为0.1Hz～10Hz，因此，将扰动信号近似表示成幅度为2V、频率为5Hz的正弦波。此时输入信号和本振信号的幅度和频率均不相同，将这两种信号送入乘法器电路混频后所得信号u′I(t)的波形如图4(a)所示，将信号u′I(t)再次送入低通滤波器滤波后输出信号uI(t)的波形如图4(b)所示。
由图4(a)、(b)可以看出，信号u′I(t)是调幅波，其幅度按照频率为5Hz的正弦调制信号规律变化，经低通滤波器后的输出信号uI(t)与扰动信号的波形完全一致，此结果满足式(9)和式(10)所示波形变化规律。因此，有外界入侵时的电路仿真和理论推导结果一致。
将输出信号uI(t)送入微处理器处理后，可以及时准确地识别出扰动信号，从而确定具体的入侵地域，并发出报警信息。
3.3 噪声干扰仿真分析
如前所述，人为入侵时的最大扰动频率小于10Hz，因此可以认为大于10Hz的信号为噪声信号。设本振信号为幅度1V、频率5kHz的正弦波；设噪声信号为幅度2V、频率20Hz的正弦波，此时输入信号和本振信号的幅度和频率均不相同。将这两种信号送入乘法器电路混频后，所得信号u′I(t)的波形如图5(a)所示，将信号u′I(t)再送入低通滤波器滤波后输出信号uI(t)的波形如图5(b)所示。
由图5（a）、（b）可以看出，信号u′I(t)是调幅波，其幅度按照频率为20Hz调制信号波形规律变化。但经低通滤波器后输出完全失真信号，其原因是滤波器的截止频率被设定为10Hz，因而，滤除掉频率为20Hz的扰动信号，使得输出信号uI(t)经微处理器处理后将不会触发报警。可见，应用正交检测技术，理论上可将信号的接收带宽设定为几十赫兹，实现了超窄带接收，从而降低了噪声信号对系统的干扰几率。
噪声干扰的仿真结果和分析表明，该电路对于频率小于10Hz的扰动信号能够进行准确的检测，对于频率超过10Hz的噪声信号能够进行有效的抑制。由此可以看出，应用正交检测技术实现了信号超窄带接收，减小了噪声信号对系统的干扰几率，从而为彻底地解决系统的误报问题提供了一种新的可实施的解决方案。
参考文献
[1] 葛 妍.户外周界防护系统综述[J]. 中国安防产品信息，2004,(5)：49-54.
[2] CHEAL J, O’BRIEN S, TUTOR M. Buried cable sensor with intruder location[J].IEEE Trans Aerospace and Electronic Systems Magazine，2005，20(7)：11-15.
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[4] 王明吉,张勇,李玉爽,等.单主机高精度周界入侵探测报警系统[J].仪器仪表学报，2006，27(12)：1718-1720.
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[7] 任艳玲.Multisim8.0在Mc1496构成的调幅器中的应用[J].中国科技信息，2006，21.