數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)教材

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在光纖氣體傳感技術(shù)中的應(yīng)用小組成員：

雍建輝、董亮亮、侯建華、方金亮、何健、李明康引言：

由于光纖氣體傳感器具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快等特點(diǎn),它在煤礦安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣闊。數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、變換、壓縮、識(shí)別、增強(qiáng)等加工處理以達(dá)到提取有用信息，便于應(yīng)用的目的。隨著計(jì)算機(jī)和信息學(xué)科的快速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理理論和技術(shù)日益成熟。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)可程控精度高，穩(wěn)定性好可重復(fù)性好抗干擾性能好實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法數(shù)據(jù)壓縮大規(guī)模集成基于DSP的光纖氫氣傳感器數(shù)字化最重要的基本技術(shù)之一便是DSP技術(shù)。DSP既可以翻譯成DigitalSignalProcessor，也可以翻譯成DigitalSignalProeessing，前者指用于數(shù)字信號(hào)處理的可編程微處理器，后者指數(shù)字信號(hào)處理的理論和方法，它需要通過前者變成實(shí)際產(chǎn)品。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)主要以連續(xù)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算并得到相應(yīng)的結(jié)果。這里所說的數(shù)學(xué)運(yùn)算是以快速傅立葉變換(FFT)為基礎(chǔ),對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理得到相對(duì)應(yīng)的結(jié)果。

不同型號(hào)的DSP內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同,都具有哈佛結(jié)構(gòu)。DSP含有處理器內(nèi)核、指令緩沖器、數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器、I/O接口控制器、程序地址和程序數(shù)據(jù)總線、直接讀取地址和數(shù)據(jù)總線等單元,處理器內(nèi)核是最重要的?；贒SP的光纖氫氣傳感器數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件基于DSP的光纖氫氣傳感器系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)光源的正弦載波在DSP內(nèi)部直接數(shù)字合成并輸出至光源驅(qū)動(dòng)器用于發(fā)出交流調(diào)制光。此光通過發(fā)射光纖被分為兩路:一路(傳感光信號(hào))到達(dá)放置在待測(cè)氣體中鍍有敏感材料的光纖端面并被反射;另一路(參考光信號(hào))不做處理作為參考信號(hào)。兩路接收光信號(hào)經(jīng)各自的接收光纖被兩個(gè)光探測(cè)器轉(zhuǎn)換為微弱電流信號(hào),經(jīng)前置去噪,反相比例放大,同相求和及低通濾波后變?yōu)檎倚盘?hào)由A/D裝置進(jìn)人DSP芯片。在DSP內(nèi)對(duì)信號(hào)做相敏檢波(PSD)和濾波處理,得到的兩路解調(diào)信號(hào)的比值再經(jīng)過線性化等處理即可得到所要求的氣體濃度的值。將此數(shù)據(jù)發(fā)送到與DSP相連接的顯示設(shè)備中即可。DSP的數(shù)字信號(hào)處理原理

相干檢測(cè)技術(shù)是從噪聲中提取弱信號(hào)的重要手段。當(dāng)待檢測(cè)信號(hào)濾波后,將其與參考信號(hào)進(jìn)行相敏檢波(PSD),經(jīng)積分器積分成直流信號(hào)。設(shè)從PIN中得到的電信號(hào)為:S=Asin(2πft十θ)+N,其中f為載波頻率,A為被測(cè)信號(hào)的幅值,θ為載波的相位,N為噪聲。與載波信號(hào)同頻的兩個(gè)相位正交的參考信號(hào)為:I=sin(2πft),Q=cos(2πft)。它們均在DSP內(nèi)部直接數(shù)字合成〔DDS),則兩路PSD的輸出分別為:UI=SI=A/2cosθ-A/2cos（4πft+θ）+N(t)sin(2πft)(1)

UQ=SQ=A/2sinθ+A/2sin（4πft+θ）+N(t)cos(2πft)(2)經(jīng)低通濾波器濾去與參考信號(hào)無(wú)關(guān)的噪聲后即可得:UI=A/2cosθUQ=A/2sinθ然后進(jìn)行如下運(yùn)算:√(UI2+UQ2)=A/2兩路接收信號(hào)經(jīng)過上述的運(yùn)算所得A1與A2的比值即為所得值。相干檢測(cè)技術(shù)光源驅(qū)動(dòng)接口電路光源驅(qū)動(dòng)接口電路連接DSP與LED,DSP輸出頻率為2K的正弦波,其電壓范圍為0一5V,然后接一個(gè)二階壓控電壓源型低通濾波器以濾去高頻的雜波,然后通過一個(gè)同相的比例電路對(duì)弦波進(jìn)行比例調(diào)整,再接一個(gè)光源驅(qū)動(dòng)電路,它具有電壓轉(zhuǎn)電流功能,通過一個(gè)三極管將電壓轉(zhuǎn)為電流用以驅(qū)動(dòng)LED。光電檢測(cè)接口電路檢測(cè)接口電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)重要問題。這關(guān)系到所有的后繼處理過程。由于要探測(cè)淹沒在噪聲信號(hào)中的微弱的光電流信號(hào),此前放的增益必須足夠高。這里采用了PIN光電二極管探測(cè)光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電流,同時(shí)采用高阻負(fù)載有利于獲得大的電壓信號(hào),故希望采用高阻抗放大器。運(yùn)算放大器在前置放大電路中起核心作用,其性能指標(biāo)如開環(huán)增益、輸人偏置電流、失調(diào)電流和失調(diào)電壓、頻率響應(yīng)以及噪聲性能均對(duì)前放產(chǎn)生影響。

DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS包含了圖形接口，源代碼編輯工具、參數(shù)修改工具，代碼調(diào)試工具、可執(zhí)行代碼生成工具和實(shí)時(shí)分析工具等，支持匯編、C/C++及三者的混合編程，能對(duì)DSP進(jìn)行指令級(jí)的仿真和可視化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，還有虛擬浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)提供支持，大大縮短了數(shù)學(xué)運(yùn)算與控制程序的開發(fā)周期。集成開發(fā)環(huán)境CCS運(yùn)用DSP的傳感系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)程序參數(shù)方便的調(diào)整濾波器類型,階數(shù),截止頻率,載波頻率等各項(xiàng)參數(shù),較好地解決了運(yùn)用模擬電路所帶來(lái)的參數(shù)調(diào)節(jié)困難,噪聲影響大等困難,可廣泛運(yùn)用于各種傳感器信號(hào)處理中。小結(jié)參考文獻(xiàn)[1]孫金林.數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展與思考.赤峰學(xué)院學(xué)報(bào),2011.[2]張岡,包蕾,