【《常用信号解调方案分析》3700字】

常用信号解调方案分析目录TOC\o"1-3"\h\u30841常用信号解调方案分析 179091.1相位生成载波检测（PGC） 1175271.2外差检测 4182221.33×3耦合器零差检测 5信号检测技术在干涉型光纤传感应用领域中十分关键，决定了能否获得正确的传感信号和所获信号的动态范围。光纤干涉仪作为高灵敏度的干涉型光纤水听器的核心部件，其实际输出光信号的光强为：（1.11）其中，，分别为干涉仪两臂内光信号的光强，表示外界目标振动信号引起的相位变化，则表示初始相位，而表示由于压力、温度等环境因素引起的随机变化而附加的相位噪声，大大地影响了光纤水听器检测的稳定性[63]。为解决外界因素对干涉仪灵敏度的影响，研究者们陆续研究了多种信号检测方法，如有源零差检测、主动零相位补偿和无源解调技术。但是，前两种方法属于有源系统，不利于光纤水听器阵列的远程探测，因而研究者们更倾向于如下无源解调技术。1.1相位生成载波检测（PGC）若直接检测光信号的相位变化，受外界环境因素的随机相位漂移和解调电路的直流漂移影响，解调信号可能发生严重失真现象，甚至无法有效解调出目标信号。而相位生成载波的调制方案的出现解决了这一问题，通过装载高频率的载波信号，调制待测信号，使其位于调制信号的上下边带，减小甚至完全消除外界干扰的影响。相位生成载波的调制方案分为外调制和内调制：（1）外调制。在两臂等长的干涉仪的一臂上，用多匝光纤缠绕载有高频载波信号的压电陶瓷（PZT）元件。PZT受载波信号的驱动，产生电致伸缩效应，引起该臂的光纤长度与折射率发生变化，导致输出光波的相位随载波信号按照一定的规律变化，从而实现光信号的相位调制[64]。（2）内调制，又称直接调制半导体光源。利用某些光源的输出激光波长或频率与其注入的激励电流相关的独特调制特性，在发光功率的相应范围内，光源输出的光波频率随调制电流的变化而发生近似线性变化。光波频率的变化与光程差变化会同样引起相位差变化，从而实现光信号的相位调制[65]。两种调制方式的主要区别在于：外调制可实现零光程差，利于降低由光源的频率随机漂移造成的干涉仪输出相位噪声，但其传感器结构复杂，尺寸较大，不利于大规模组阵和全光纤化的实现；内调制由于其干涉仪两臂需是非平衡的，会有相应非零光程差，增加干涉仪的相干噪声，同时光源受到高频载波信号的调制后，输出光信号的功率不再稳定，会产生一个随调制信号的规律而变化的纹波，通常是可以忽略的。输出光信号经过光电检测器可转换为表示光信号强度的电信号，所以输出信号可表示为（1.12）其中，为直流量，与激光器的输出光功率成正相关；为干涉信号的幅度，（<1，干涉条纹可见度）；为相位调制的幅度，又称调制深度；为高频载波信号的角频率。利用三角函数的贝塞尔函数对上式展开，可得：（1.13）无载波信号时，。当时，，而当时，，此时待测信号产生畸变或消隐现象，无法有效解调出目标信号。从上式可看出，加上载波信号后，当时，输出信号中含有偶数倍频项；当时，信号中含有奇数倍频率项。所以，加入高频载波信号可避免待测信号的消隐和畸变。可令，其中，为待测信号，为待测信号的幅度，为待测信号角频率；为噪声干扰，为噪声信号幅度，为噪声信号角频率。传统经典的PGC解调算法主要有微分交叉相乘（DCM）算法[66-68]和反正切（Arctan）算法[69]。其原理如下：图1.5PGC-DCM解调算法原理图PGC-DCM解调算法原理图如图1.5所示。通过将光纤传输信号进行Bessel函数展开，得（1.14）其中，表示第阶Bessel函数的宗量值。分别与基频和二倍频相乘后，经过低通滤波器进行滤波处理，得到信号的正弦项和余弦项。然后依次进行微分、交叉相乘及差分放大得到消除正弦项和余弦项的信号。信号包含环境等因素的低频噪声信号，通过积分和高通滤波器滤波后可得反映待测信号的解调信号。（1.15）图1.6PGC-Arctan解调算法原理图PGC-Arctan解调算法原理图如图1.6所示。前半部分与PGC-DCM算法相同，经过低通滤波后再相除，得（1.16）当且时，，经过反正切运算处理后得到信号，再经过高通滤波处理后，去除环境噪声，得到待测信号。为保证信号经过低通滤波处理后不失真，需使混频后信号中的各载波信号携带信号的谐波分量不能产生混叠，则载波频率与载波信号携带的信号分量频率之间的关系应满足。可以看出，PGC信号解调方案的动态范围与载波信号频率相关，信号频率一定时，载波频率越高，解调信号的动态范围越大。除此之外，采样频率也会影响解调信号的质量，采样频率越低，虽然延时越小，但信号质量会变差。根据Bessel函数性质，当调制深度为时，输入的干涉信号频谱宽度为。又根据奈奎斯特原理，采样频率应满足，边带宽度，所以，系统采样频率最小应为。PGC检测技术光路结构简单，整个光路系统中不需增加其他元器件，只需光源可调谐，可以实现全光，也便于复用和构建大规模阵列。但是受PZT设备限制，一般种类的光源调制频率都不是很高，在几十kHz左右，导致调制在载波边带上的传感信号的频率和幅度受到了一定的限制，从而影响了PGC信号解调技术的工作频带和动态范围的扩展[66]。光源部分是该技术的主要噪声源，必须要线宽很窄的光源，且要求具有较好的强度噪声抑制性能，以抑制系统中各通道的非平衡干涉仪所引起的相位噪声。但是从技术指标上来看，目前，部分高性能激光光源都正朝着满足该方面的应用需求的方向努力发展。1.2外差检测该方案通过频移器的调整使发生干涉的两路光信号产生不同的频移，从而干涉仪将会输出一个外差频率为的载波信号，再通过电学鉴频器或相关光学方法解调并提取出目标声信号，其原理结构图如图1.7所示。图1.7外差检测技术光学结构示意图一般探测器获得的待解调信号为：（1.17）为提取出相位项，需对信号进行一系列运算，一般产生两个正交的频率为的单频信号，再与待解调信号相乘，并滤除三角运算之后的高频项得（1.18）其中，和为产生的正交单频信号，为信号幅度，为与解调信号相乘后引入的相位。从上式可以看出，外差检测方法获得了与PGC检测方法中相似的正交待解调信号。因此，可采用PGC检测方法的DCM与Arctan算法解调出相位信号，这两种方法主要区别在于产生载波信号的方式不同。从对干涉信号的形式看，外差检测方法更加简洁，使后续的信号处理过程非常简单。还可以利用光频外差的方法产生较高的差频信号，同时还能将声信号调制至高频区域，动态范围极大。但是该方案的光学系统结构较为复杂，不利于构建大规模光纤水听器阵列系统，并且对频移器的要求较高，否则会引入干扰信号。1.33×3耦合器零差检测1981年，Sheem等人首次提出了3×3耦合器输出解调方案，从此以后，在干涉型光纤传感器的研究方面，越来越多的研究者都采用基于3×3耦合器结构的信号检测方案。与PGC检测方案相比较，该方案具有以下优势[70]：（1）无需载波信号调制，其系统原理相对简单；（2）选择激光器时，不需考虑电流调制指数，可消除激光器相位噪声对解调效果的影响，同时降低了激光器的要求和系统成本；（3）干涉仪的两臂不再要求必须有光程差，也降低了光频随机漂移而引起的随机噪声；（4）只受限于采样频率，信号动态检测范围可达数百至上千弧度，而PGC检测方案仅为几个弧度。以Mach-Zehnder干涉仪结构为例，系统结构如图1.8所示：图1.83×3耦合器干涉仪结构示意图来自激光源的光信号经过3dB的2×2耦合器分成光强比相等的两束光，分别进入信号臂和参考臂的光纤中传播。待测物理量引起信号臂内光信号的相位发生变化，并与参考臂中的光信号产生相位差。两相干光信号在3×3耦合器中汇合并发生干涉，然后分为三路信号。最后，在各路信号输出端，通过光电探测器检测干涉光强的变化，在光纤参数基本不变的条件下，信号臂与参考臂之间光信号的相位差变化与待测目标信号成正比关系，通过信号解调处理系统即可得到所需声信号。理想情况下，若耦合器无损耗，则3×3耦合器输出的三路光信号的光强相等，相互之间的相位差相等，均是120°。因此，三路输出光信号经光电转换后，可表示为：（1.19）其中，和分别表示干涉信号的直流分量和交流分量的幅度，原始信号为，为待测信号，为噪声。图1.93×3耦合器信号解调原理图图1.9为3×3耦合器信号解调原理图。该方案采用三路信号相位差的特点消除直流分量，再将消除直流分量后的信号乘以其他两路微分后的信号之差，然后将三路信号相加可得：（1.20）从上式可看出，通过积分即可得信号。值在实际应用中是不稳定的，受光源的强度变化和干涉仪的光纤偏振态变化影响。可利用去除直流分量后的三路输入信号的平方和去除分量：（1.21）与经除法器后可得（1.22）最后，一般情况下，环境相位噪声是一种缓变信号，可先通过积分运算，再用高通滤波器滤波处理将噪声消除，最终得到目标待测信号。综上，3×3耦合器信号解调方案通过利用干涉仪的三路输出信号的相位互差120°的特点，通过相应的数学运算解调出输出光信号的相位信息。该方案结构简单、无需高频载波信号调制、系统动态范围大、可实现无源检