无线温度检测中的频率信号处理

孙鹏 张福才

(黑龙江科技大学电气与控制工程学院,黑龙江 哈尔滨 150022)

无线温度检测中的频率信号处理

孙鹏 张福才

(黑龙江科技大学电气与控制工程学院,黑龙江 哈尔滨 150022)

针对传统方法难以检测传感器大范围频率偏移信号的问题,采用扩频技术解决这一问题。考虑无线温度检测以不同切型的晶体为核心、以超声波信号为载体,为设计出适合不同晶体特性、检测精度高、通用性强的检测仪表,对超声回波信号检测方式进行了改进,提出采用扩频技术中的分段匹配滤波进行传感器频率信号处理。经仿真证明,它可以有效保证超声波收发双方的同步,准确测出超声回波频率偏移值,可以推广用于其他需要频偏信号检测的场合。

水晶晶体 频率偏移 超声波 扩频 分段匹配滤波

0 引言

基于超声波的无线温度检测以水晶晶体做为传感器,水晶固有频率会随温度变化。传递频率变化量的介质采用超声波,超声波激发晶体谐振,使超声回波信号发生频率偏移,检测频率偏移可测得温度。晶体是无源物质,它和超声波换能器分别置于危险场所和安全场所,这样可实现本安防爆。

一般超声波换能器作用距离较小,容易受干扰影响[1]。不同的晶体频率随温度变化特性不同[2],频率变化较大时就可能超出传感器检测范围。因此,先要确定超声回波中的频偏值,其次要解决抗噪声、扩大回波检测范围等。利用扩频技术可以展宽频带的特点[3],可以扩大超声回波信号的频率接收范围,从而正确检测出频偏值。

本文将扩频技术应用于传感器频率信号处理中,通过仿真验证了该方法的可行性,保证了检测精度。

1 扩频技术的应用

在无线温度检测中,超声波信号的处理分为发射过程和接收过程。在发射过程中,选择伪随机序列对发射信号进行扩频处理,再经中频载波调制、功率放大,驱动换能器发射信号。在接收过程中,接收到的回波信号转换成电信号,经过自适应放大、滤波、A/D,转换成数据给处理器处理。

频谱扩展通过扩频码实现。接收机为了解扩,应当有一个与发送端扩频码同步副本,实际工程中多采用伪随机序列作为扩频码[4]。M序列是使用最多的伪随机序列。发射端首先在处理器内产生周期为L的M序列PN(n),然后对PN(n)进行载波频率为换能器中心频率的二进制相移键控(binary phase shift keying,BPSK)调制,再经D/A转换、功率放大,最后给换能器输出。

如果接收超声波频率相对发射频率偏移较大时,相当于通信处于高动态环境下,频率偏移会对相关峰的幅度产生巨大的影响。实际上随着频率偏移的增加,归一化相关峰的幅值会大幅衰减,当频移10 kHz时,相关器的输出已经降为零,无法完成捕获[5]。为了正确地接收到回波信号,检测出频率偏移,无线温度检测中信号接收采用分段匹配滤波方法处理。

2 分段匹配滤波

为实现可靠接收,扩频接收时关键技术之一就是PN码同步,即在接收端产生一个与发送端同步的伪码,并跟随发送端伪码的变化而变化[6]。接收端伪码的同步主要通过相关峰的幅度来判别。这个过程可以大大降低干扰的功率谱密度,减轻干扰的影响。具体实现是在接收端以发射端的PN(n)序列作为副本构造本地扩频码,在最大频偏范围内按要求的最小频率分辨率为间隔,构造多段匹配滤波器[7]。

这种方法要判断接收的扩频信号相位与本地PN码是否同相,其捕获PN码所需最长时间为一个扩频码周期时间。在捕获过程中,本地序列静止不变,接收信号与本地序列连续进行相关处理,处理结果与一门限值进行比较来判决是否达到同步。相关过程相当于接收信号滑过本地序列,每一时刻都产生一个相关结果,当滑动到两个序列相位对齐时,必有一个相关峰值输出,整个同步时间就是码序列的码长时间。

这种方法的主要计算量在于回波信号与多段滤波器的滑动相关运算。回波检测时以要求能够分辨的最小频偏为间隔,构造K段带有频率偏移量的匹配滤波器。回波信号的频谱带宽限制在换能器的带宽范围内,才能用换能器有效检测到回波信号。A/D采集的数据依次与每段滤波器作滑动相关运算,搜索每段相关运算结果中的最大值,可以得到K个最大值,从中搜索最大值与设定的门限值作判决,如果大于门限值,认为找到了滤波器组中的匹配项。记录超出门限值出现的位置,即可对频偏信号进行估计。分段匹配滤波法检测原理图如图1所示。

图1 分段匹配滤波法检测原理图Fig.1 The detection principle with segmented matched filtering

信号发射时,假设D/A输出模拟信号中心频率为f,回波信号接收时中心频率变为fc=f+Δf。采样一般采用信号最高频率的4～6倍频率,则A/D采样频率fs≥4fc即可[8]。

式中:PN(nTs)为与发送端相同的PN码序列;Ts为A/D采样间隔。

这里要根据检测到的传感器回波频率偏移确定被测温度值。由构造分段滤波器的思想,首先根据测温误差计算最小频率变化量Δfmin;再根据最大测温范围计算最大频率变化量Δfmax,取k=Δfmax/Δfmin,k要取整数;以换能器的中心频率f0为中心,以Δfmin为步进单位构造(k+1)段匹配滤波器[9]。

回波信号x(n)与(k+1)段滤波器滑动相关运算得:

式中:Nx为x(n)数据长度;Nh为滤波器的数据长度。

可见,该方法可以实现相位—频率偏移量的同时搜索,即可以实现信号接收的同步,又可以检测出超声波接收信号相对发射信号的频率偏移量,并据此计算出被测温度。

3 仿真验证

借助Matlab软件对上述分段匹配滤波器实现PN码同步和频偏信号检测的过程进行验证。仿真输入信号采用含有高斯白噪声的频移信号。设置仿真采用255 bit PN码,码速率为255 kbit/s,发送的信息数码率为1 kbit/s。假设发射和接收的频偏信号相差10 kHz,调制载波设为510 kHz,解调载波应该设为500 kHz;匹配滤波器长度为255 bit。

仿真选用数字匹配滤波器。滤波器由一系列的抽头延时相关模块组成,延时模块和乘法器模块组成相关模块,15 bit PN码有15个延时相关模块。捕获完成后接收PN码和本地PN码没有完全对齐,还需要对PN码进行跟踪,跟踪模块采用超前滞后跟踪环。

由仿真示波器观察到的PN码相关峰和跟踪波形图分别如图2和图3所示。图2为连续三个匹配滤波器的输出仿真波形图,可见中间一路信号在0.005 s附近出现相关峰,去掉时延仿真能够得到明显相关峰,完成了PN码同步。图3可见的脉冲可用来调整本地PN码发生器,完成跟踪。在仿真系统中采用示波器可以观察到接收信号的频偏值(如图4所示),其与设定值一致,证明该方法可以正确地估计出传感器的频偏值。

图2 PN码相关峰波形图Fig.2 Waveform of PN code correlation peak

图3 跟踪波形图Fig.3 Track waveforms

图4 频偏估计值图Fig.4 Frequency offset estimated value

4 结束语

本文主要基于分段匹配滤波法对传感器频偏信号进行处理。该方法设定的最小频率间隔决定了检测精度,在保证处理器完成所有相关运算前提下,通过减小最小频率间隔,可以提高精度。当频率变化范围较大而检测精度要求较高时,处理器数据处理任务会成倍增加,这也是该方法的局限性所在。经仿真验证,该方法可以有效保证超声波收发双方的同步并准确测出超声回波频率偏移值。这虽然增加了系统设计的复杂程度,但可以同时解决抗噪声、检测范围小等众多问题。此方法具有一定的通用性,可以推广用于其他需要频率偏移信号检测的场合。

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[10] 胡建波,杨莘元,卢满宏.一种基于FFT的高动态扩频信号的快速捕获方法[J].遥测遥控,2004,25(6):19-22.

Frequency Signal Processing in Wireless Temperature Detection

The wide range frequency offset of the sensor signals is difficult to be detected by traditional methods;this problem can be solved by adopting spread spectrum technology.Considering the crystal with different cutting type is the core of wireless temperature detection,and ultrasonic signal is the carrier,in order to design high precision and versatile detectors suitable for different crystal characteristics,it is necessary to improve the detection method for the ultrasonic echo signal.The frequency signal processing method for sensor by using segmented matched filtering in spread spectrum technology is proposed.The simulation proves that it effectively ensures the synchronization of both sending and receiving,to accurately measure the frequency offset of ultrasonic echo,thus it can be promoted to other applications requesting frequency offset signal detection.

Quartz crystal Frequency offset Ultrasonic Spread spectrum Segmented matched filtering

TP873+.1

A

黑龙江省教育厅科技研究基金资助项目(编号:12521487)。

修改稿收到日期:2013-12-23。

孙鹏(1973-),女,2003年毕业于哈尔滨工业大学仪器科学与技术专业,获硕士学位,副教授;主要从事过程控制与仪表、现场总线的教学与研究工作。