基于FPGA自动频率跟踪数字锁相放大器的微弱光电信号检测研究

向腊 张耀东

摘要：随着我国电力行业的进步，光电信号检测特别是微弱光电信号检测研究有了充分的发展，并得到了广泛应用。检测研究中有着难以收集与噪声干扰严重的客观条件，数字锁相放大器是光电微弱信号检测中常应用到的一种检测仪器，文章研发一种基于FPGA自动频率跟踪控制的数字锁相放大器，经实际测试可以能够提高微弱光电信号检测的准确度，测量结果有着良好的稳定性。

关键词：FPGA;数字锁相放大器;微弱光电信号检测

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）12-0046-02

0 前言

随着科技的飞速发展吗，数字信号处理技术也得到了提高，当今传统的模拟锁相放大器已经逐渐消失，数字锁相放大器已经成为信号检测中的主流仪器。数字锁相放大器具有集成度高，配置方便，可在线升级等优点，已经成为微弱光电信号检测中的必备装置之一，这有力的解决了电信检测特别是光电信号中检测准确度及信号配置合理性[1]。

1 数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的检测原理

1.1 自相关函数及自相关检测原理

本文中应用自相关函数来检测数字锁相放大器，自相关函数是指使用同一个函数在不同时间领域进行表达的方式，首先将随机的光电传播信号设为f（t），得到自相关函数表达式如下：

（1）

此式中T表示为积分时间，信号为f（t），当f（t）为周期信号时，设定T为信号周期，可知当f（t）为单个脉冲有限长时间信号时，T趋向于无穷大的，C此时积分平均值趋向于0。

1.2 互相关函数检测原理

为进一步检测数字锁相放大器在微弱光电信号中的作用，本文进行互相关函数检测，设两个不相关的函数设为f（t）和g（t），此时相关函数表达式如下：

（2）

在上式中，假设信号y（t）被外界力量干扰，进而形成复合信号f（t）和g（t），则：f（t）=y（t）+n（t），g（t）=y（t）+s（t），其中y（t）为应用信号，是s（t）、n（t）为噪音。

1.3 数字信号解调基本原理

在微弱信号检测中，通行的处理办法是将微弱电流通过放大后进行检测，其原理是通过将信息放大，在保留原有信息的基础上，便于将收集的信号的增加到可检测的范围内，利用数字锁相放大器进行信号模拟将检测到的光电信号转换成数字信号，并用FPGA芯片实现信号的可视化，此时将输入信号设为Y（t），具体表达式为：

Y（t）=X（t）+N（t）                                     （3）

上述公式中，X（t）表示为处理后等待检测信号;N（t）表示可能存在的干扰信号，基于此进行数字锁相放大器的效果模拟仿真。

2 数字锁相放大器仿真

基于上文，本文利用Matlab对基于FPGA数字锁相放大器进行仿真结果测试，用来验证数字锁相放大器对于微弱光电信号的测试效果，具体参数设置见表1。

根据表1的仿真验证结果显示，在信号频率为90时，相位为1，此时可以清晰的观测到信号所在位置，说明基于FPGA数字锁相放大器能够检测到微弱光电信号。

3 基于FPGA数字锁相放大器解调系统中的应用验证

目前通用的光电信号检测[2]办法是将要测试的信号输入探测器，经由探测器输出到信号放大器电路，并进行电流信号放大与转换，但随着电流信号放大，所携带的信号输入的噪声也不可避免的加大，所以在数字锁相放大器进行信号输入时要特别注意噪音的去除。本文所进行的测试步骤如下：首先，测试一级点的电路性能，此时使用的测量仪器为数字万用表。电流的测试标准为-2pA电流，并通过铝盒装置防止外界信号的干扰。为了防止检测不到许多微弱的光电信号，需要通过BNC接头信号线进行引出后检测。最后，控制好测试次数、频率及时间，通过的为频率10次/组，5 s/次，每次间隔时间为1小时，共进行10次测试。

在基于FPGA数字锁相放大器解调系统中的应用验证中，首先使用信号发生器（型号为ATF28DD），A/D转换器（相位为8位）FPGA最小系统和USBBlaster等。进行以下实验流程：

第一，利用函数信号发生器，检测信号，记录并将信号副值输出，此時信号副值为5Vpp，频率为1kHz，信号类型为随机噪声信号。

第二，根据之前的假设，叠加两个不同类型的信号，利用BNC信号收集其微弱信号，将信号输入AD转换器转换成8位数字信号量，通过对信号进行解调处理，得出副值为1.5V。

第三，采集信号样本，通过USBBlaster软件输入上位机，使用SignalTapⅡ观察样本的波形图。所得到的减员，本文设计的光电检测系统，其测试幅值误差小于0.5%，频率测试误差小于0.2%，表明基于FPGA数字锁相放大器应用于微弱光电信号检测中，具有良好的检测效果，能够有效减小电流信号输出干扰及信号频率的检测误差，最大程度上提升检测的准确度。

4 结语

数字锁相放大器作为信号检测仪器其技术已经发展的相对成熟，应用在许多大信号检测中来，因此本文借鉴相关技术，将基于FPGA技术的数字锁相放大器应用于微弱光电信号检测中，并分析数字锁相放大器的结构及优势，总结数字锁相放大器的检测原理，以仿真测试来对微弱光电信号检测中数字锁相放大器的应用进行验证。

参考文献

[1]李刚，张丽君，林凌.一种新型数字锁相放大器的设计及其优化算法[J].天津大学学报，2008（04）：429-432.

[2]董磊，馬维光，尹王保，等.利用数字锁相放大器对甲烷气体进行谐波探测的实验研究[J].光谱学与光谱分析，2005（03）：473-476.

Weak Photoelectric Signal Detection based on FPGA Automatic Frequency Tracking Digital Phase-locked Amplifier

XIANG La，ZHANG Dong-yao

（Huaihua University，Huaihua  Hunan  418000）

Abstract：With the progress of China's power industry， photoelectric signal detection， especially weak photoelectric signal detection research has been fully developed， and  has been widely used. Noise detection is difficult to collect in the study and objective conditions， digital phase-locked amplifier is weak photoelectric signal detection often applied to a kind of testing instrument， this paper developed a kind of automatic frequency tracking control based on FPGA digital phase-locked amplifier， the actual test can be able to enhance the accuracy of weak photoelectric signal detection， measurement result has a good stability.

Key words：FPGA; digital phase-locked amplifier; weak photoelectric signal detection