甚低频接收机的开发与应用

刘卿 顾旭东 倪彬彬

摘 要： 甚低频（VLF）信号被广泛应用于地球空间环境地基监测、全球航海通信与导航等领域。该系统在传统甚低频接收天线的基础上，进行了天线小型化的改进，通过阻抗匹配，改善了系统灵敏度。该系统包括磁环天线，低噪声模拟前端，数据采集与传输模块以及同步模块。磁环天线采用罗德施瓦茨公司生产的HZ?10型磁环天线。模拟前端分为基于差分结构的低噪放大器和巴特沃斯滤波器两部分，在带宽1～50 kHz内增益高达80 dB。数据采集和传输模块采用基于FPGA和USB 2.0 总线的方法。在武汉（30.54°N， 114.37°E）测得宽带甚低频波谱结果初步验证了该地基甚低频接收系统的有效性和可行性。对人工甚低频MSK调制信号进行幅度解调处理，得到其幅值的日变化曲线图。

关键词： 空间探测； 磁环天线； 甚低频接收机； 阻抗匹配； 数据处理； 幅值日变化

中图分类号： TN857?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）14?0001?04

Development and application of VLF receiver

LIU Qing， GU Xudong， NI Binbin

（School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： Very low frequency （VLF） signals are widely used in the ground base monitoring of geospace environment， global marine communication， navigation and other fields. The antenna miniaturization improvement is conducted for the system on the basis of the traditional VLF receiving antenna， and the system sensitivity is improved by means of impedance matching. The system consists of magnetic loop antenna， low?noise analog front?end， data acquisition and transmission module， and synchronization module. The HZ?10 magnetic loop antenna produced by ROHDE & SCHWARZ is used as the magnetic loop antenna. The analog front?end includes a low?noise amplifier based on difference structure and a Butterworth filter， and its gains can reach 80 dB within a bandwidth of 1～50 kHz. The method based on FPGA and USB 2.0 bus is adopted in the data acquisition and transmission module. The bandwidth VLF spectrum results measured in Wuhan （30.54 °N， 114.37 °E） preliminarily verified the validity and feasibility of the VLF receiving system of the ground base. Amplitude demodulation processing was performed for artificial VLF MSK modulated signals， and the diurnal variation curve of the amplitude was obtained.

Keywords： space exploration； magnetic loop antenna； VLF receiver； impedance matching； data processing； amplitude diurnal variation

0 引 言

遍布全球各地的人工台站是提供航海通信与导航服务的通信平台，它们工作频率均在10～60 kHz之间，即极低频（ELF：300 Hz～3 kHz）和甚低频（VLF：3～30 kHz）频段。同时，闪电辐射的大部分甚低频波在由地面与电离层低高度区域构成的EIWG波导（地球?电离层波导）中反射传播。以台站信号和天电信号为主要观测对象，甚低频接收机被广泛地应用于太阳活动监测、地球空间地基遥感、全球航海通信与导航系统等领域。

区别于传统的自发自收式雷达接收机系统，甚低频接收机是无源被动接收装置，无法通过一般雷达接收机信号检测的手段来提取信号。我国于20世纪七八十年代开发了早期哨声接收机，主要应用于自然界信号观测，但接收信号十分微弱且容易受到背景电磁波干扰。甚低频接收机受限于模拟和数字电路技术，系统灵敏度较低。为减少人工台站信号干扰，这些接收机带宽均低于20 kHz，后来逐渐销声匿迹。国外最新的甚低频接收机系统是经斯坦福大学甚低频课题组研制的AWESOME接收机[1?2]，已被广泛地应用于近地空间环境进行监测等研究。ELF/VLF哨声全球监测网络近年来迅猛发展，尤其是在高纬度和中纬度地区。但ELF/VLF台站信号研究在中国相对落后。因此，开发一种新型基于现代技术的数字ELF/VLF接收系统具有重要意义，其满足对赤道和低纬度ELF/VLF信号进行全面监测的需求。

1 系统设计与实现

甚低频接收系统主要由磁环天线、低噪声模拟前端和数字接收机三部分组成，实现框图如图1所示。其中磁环天线采用了罗德施瓦茨公司生产的HZ?10型天线，其工作带宽为5 Hz～10 MHz，灵敏度低于[8.0×10-11 T·Hz12]。低噪模拟前端主要实现天线阻抗匹配与信号放大、滤波，模拟前端通过屏蔽铁盒密封，置于天线底部，通过多芯电缆与室内数字接收机相连，完成信号传输与供电。数字接收机包括基于USB 2.0总线的数据采集与传输模块、高精度GPS同步模块两部分，通过FPGA完成时序控制。ELF/VLF信号首先由磁环天线接收，然后通过模拟前端放大和滤波，最后通过数字接收机完成数据采集与传输到计算机，实现进一步的处理和分析。考虑本文研究甚低频波两个主要来源：人工甚低频台与雷电辐射[3]。本系统带宽设置为1～50 kHz，在满足系统需求的同时可以很好地抑制50 Hz工频干扰及其谐波分量。

1.1 磁环天线

在甚低频接收机系统中，一般采用对磁场敏感的磁环天线作为接收天线，相对于电场天线其具有更优异的灵敏度和频率响应。本文使用罗德施瓦茨公司生产的HZ?10型磁环天线。其主要参数如下：适用频带5 Hz～10 MHz；直流电阻10 [Ω]；电感415 [μH]；直径13 cm；匝数36；重量260 g。根据法拉第电磁感应定律，磁场强度为[B]的入射波穿过截面积为[A]、匝数为[N]的环天线，感应电压为：

[Va=jwNABw] （1）

1.2 低噪放大器设计

由于磁环天线阻抗很低，需要设计一个具有低输入阻抗的模拟前端放大器电路与天线直流电阻[Ra]进行匹配[4]。图2为单路信号甚低频接收机系统模拟前端实现框图。除了磁环天线外，模拟前端包括匝数比1∶4.5匹配变压器、基于分立NPN晶体管的共基极差分放大器、高增益仪表放大器、带通滤波器及驱动器。天线接收的信号干扰严重且十分微弱，前端模拟电路总增益约为80 dB对微弱信号进行幅度调理，以满足后端数据采样动态范围[5]。

本系统采用分立晶体管元件设计一个具有输入阻抗低、低噪声特性的共基极差分放大器，其通过控制共基极晶体管静态工作点控制放大器输入电阻、增益等参量。同时，采用噪仪表放大器提升电路增益。如图3所示，为了满足共基极差分放大器两个晶体管的对称性，采用ADI公司生产的双通道NPN匹配晶体管對芯片MAT12。由于其近乎完美的对称性，能更好地提高共模抑制比。根据前面阻抗匹配分析，放大器输入电阻[Rin=196 Ω]。对共基极放大器混合[π]型等效电路分析可知，放大器输入电阻可表示为：

[Rin=rbe1+β≈re+rbb′β=VTIEQ+rbb′β] （2）

式中：[β]称为共发射极交流电流传输系数；[rbb′]为三极管基区体电阻；[re]为发射极正偏、电流为[IEQ]时正向的动态电阻。对于MAT12，输入电阻近似表示为：

[Rin≈26 mVIEQ] （3）

显然，放大器输入电阻只和基极静态电流相关，通过控制静态工作点，得到所需输入电阻。根据图3电路：基极静态电压[VBQ]通过电阻R9和R14控制；调整R15控制发射极静态电流[IEQ]；R7，R8确定集电极静态电压[VCQ]。以单个三极管放大电路为例，静态工作点相关参量之间关系如下：

[VCQ=VCC-IEQ·R7VEQ=-VCC+2·IEQ·R15VBQ=VBEQ-VEQ ICQ≈IEQ ] （4）

若放大器总输入电阻为196 Ω，则单个共基极电路输入电阻为98 Ω，那么根据式（3）可知单个晶体管[IEQ≈ICQ≈265 μA]。三极管放大电路应满足发射极正偏、集电极反偏，才能保证三极管工作在放大区[4]。为兼顾工作点稳定、增益以及工作点设置等因素[6]，一般选取[3 V

为了满足放大器高增益要求，采用超低噪声仪表放大器AD8429，它具有[1 nVHz]的超低输入噪声性能，在小信号1.2 MHz带宽范围内可提供高达100 dB增益。同时将差分信号转成单端信号，提供共模抑制比。带通滤波器设计通频带为1～50 kHz，以抑制带外噪声，同时防止数据采集出现频率混叠效应[7]。最后采用单端转双端的音频驱动电路，极大地提高了信号传输的可靠性和抗干扰能力。将模拟前端封装在一个密闭屏蔽铁盒内，通过多芯平衡电缆与室内数据采集和处理平台进行通信，完成信号传输和电源供电。

1.3 数字接收机

信号经前端电路放大和滤波，由该模块进行采集，完成模拟?数字转化，送至FPGA数据处理模块。该模块基于通用串行总线（USB）和高性能FPGA设计。被采样的信号的带宽为1～50 kHz，幅度为±2.5 V。根据奈奎斯特采样定理，采样速率[8]应高于信号最高频率的2倍。此外，前端电路提供80 dB以上无杂散动态范围（SFDR），抗混叠滤波器提供至少90 dB的阻带抑制。结合上述要求，该甚低频系统采用250 KSPS的采样率，从而可以减少频带内的量化噪声，同时减轻抗混叠滤波器设计的难度。此外，ADC具有90 dB SFDR，其电压阈值匹配前端电路。选用兼容SPI的16位串行ADC芯片AD7685，它具有低功耗和低噪音等特点，并且在20 kHz提供93.5 dB信纳比。FPGA是时序控制中心。计算机软件通过USB发送操作命令后，FPGA会生成触发信号接收指令。队列（FIFO）模块将数据以同步方式送到一个USB CY7C68013A芯片的内部寄存器。这些数据随后打包并发送至上位机。模块架构见图4。

精确的采样时钟和时间同步对数据采集和时序控制至关重要。本系统采用标准的GPS接收卡（M12M + TIMING ONCORE），它提供了协调世界时（UTC），接收机位置的经纬度值和1 s脉冲（1 PPS）定时信号。本地压控晶振产生10 MHz的时钟由标准的1 PPS校准。该过程由FPGA控制16位数/模转换器（DAC）输出直流电压校正压控晶振（OCXO）的频率来完成。这是一个循环比较过程：在每个1 PPS的上升沿，FPGA中的计数器模块查询晶振的时钟，并把结果与所需频率的周期数（10 MHz）进行比较，之后反馈回路用DAC调整偏移，以满足频率精度要求。计时和同步模块的另一个重要输出是触发脉冲。该模块比较实时时间与下载到FPGA中的时间，以确保它们是同步的，并给出一个使能标志脉冲。

2 观测结果分析

由于接收信号强度很弱，为避免传输过程的损耗，将模拟前端紧接磁环天线放置，再由长距离馈线传至上位机。武汉大学电离层实验室已建立湖北武汉、湖北随州、四川乐山三个观测站点，经过长时间观测，积累了大量相关数据。

2.1 宽频带观测

该系统目标频带为1～50 kHz，采用250 KSPS过采样。上位机程序以10 s时长打包原始数据。在Matlab数据处理阶段，将每包数据分割为1 250个数据段，每段2 048点，对其做快速傅里叶变换（FFT），则频率分辨率为122 Hz。

图5为武汉站2017年3月20日接收的宽频带10 s数据，横坐标为时间，纵坐标代表频率，范围0～50 kHz，颜色条代表信号强度。

图中：水平线代表不同的甚低频台站信号，如JJI（22.2 kHz），以最小频移键控（MSK）或频移键控（FSK）方式调制[9]，既可用来进行全球通信定位，又能通过幅值，相位的变化，显示电离层D层的变化情况；竖线代表由闪电脉冲辐射的“天电”（sferics）信号。作为激发源，其辐射的电磁波频带很宽，其声频部分主要以两种方式传播：一是以地面?电离层波导多次反射，称为吱声；另一部分在一定条件下，其能量穿透电离层进入磁层，由于与带电粒子相互作用，近似地沿地磁场磁力线传播，称为哨声[10]。

2.2 幅值日变化

图6为2017年3月22日观测到的JJI台站信号幅值的日变化曲线图，其与根据长波传播能力理论（LWPC）相符。幅值日变化具有以下特点：

1） 夜间存在明显扰动。一方面由于D层的消失，VLF信号反射区域不稳定；另一方面夜间多模信号相对白天对电离层变化更敏感，相互间存在更剧烈的串扰[12]。

2） 显著地日出、日落效应。发生于晨昏线位于传播路径中点的时刻。天波总吸收的变化正比于电离层吸收系数β与D层反射高度的变化Δh之积。日出前出现的幅值快速跌落，主要是β快速增大所致，期间D层刚开始弱电离，反射高度仍接近夜间值且变化不大，电子浓度快速增加导致天波总吸收的增大，于是幅值跌落。之后出现“谷”，则是光解趋于稳定，β达到最大值的标志。接着幅度回升主要是D层反射高度明显下降，Δh减小所致。同理日落前后的幅值跌落主要是Δh增大所致，而幅度的回升则主要由于β逐渐减小。图中垂直尖峰为随机干扰，多天观测数据无明显规律。

3 结 语

作为电离层观测的重要工具，甚低频电磁波的观测研究在我国尚未成型。本文设计了一种高灵敏度，低噪声干扰的甚低频接收机系统，包含磁环天线，模拟低噪声前端电路，数据采集处理模块和同步模块。其设计带宽为1～50 kHz，带宽内增益高达80 dB。经过布站观测及数据分析，得到的结果和相关文献结论基本契合，证明该系统具有良好的实用性、稳定性。大量原始数据的积累填补了我国在该探测领域的空白，且有待深层次地挖掘分析。

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