基于幅度调制的楼宇安全监控系统研究

基金项目：2023年浙江省高等教育研究会；项目名称：基于OBE的网通实践平台构建和新工科人才培养研究；项目编号：KT2023051。

作者简介：陈宏（1974— ），女，浙江宁波人，高级实验师，硕士；研究方向：电子信息技术实验教学和工程应用。

摘要：为了实现楼宇的安全管理，文章提出设计安全监控系统，采用幅度调制解调的方法进行无线通信。根据设计的安全监控系统的工作流程和网络结构，通过探测模块的采集实时信号，对信号传输的幅度调制波形和解调波形进行测量。测量结果表明，设计的安全监控系统信号传输可靠性高，性能稳定，具有重要的实践意义。

关键词：幅度调制；安全监控系统；可靠性；相干解调；包络检波

中图分类号：TP311  文献标志码：A

0  引言

在通信技术中，频谱搬移常用于把低频信号搬移到高频，缩小天线的尺寸或者充分利用频率资源。幅度调制（Amplitude Modulation，AM）是把信号的频谱不失真地搬移到载波信号频率的两边，获得振幅具有携带调制信号内容的调幅波信号。幅度调制是通信系统中的一种重要调制方式［1］。幅度调制是正弦型高频载波的幅度随调制信号幅度变化的一种调制方式，为全世界传统模拟中波、短波广播技术所采用［2］。在楼宇内，可以利用调幅波频带宽以及对阻碍物穿透能力强的特点实现无线报警和无线安防，调幅还涉及图像、语音信号［3］，电网电压闪变测量［4］，对发射机功放的峰均比要求比较低，在电视技术等许多领域得到了广泛的应用［5］。幅度调制的信号经过远距离传输后，在接收端进行解调，就可以获得原来调制前的信号，采用相干解调的双边带调制还可以节省载波功率，所以在无线电通信中，幅度调制和解调成为最早广泛使用在各个领域的通信技术。

楼宇安全保卫工作不仅要预警，还要及时处理突发情况，并且加强防范作用，仅靠视频监控还远远不够，还需要探测异常环境变化、监测突发事件、采取措施保护安全，于是需要传输的信号就会多种多样。无线信号在楼宇内部传输时，如果采用频率调制的方式，频率调制的工作频带宽度远大于幅度调制信号的频带宽度，频率调制占用频带资源就比幅度调制多，而且频率调制的信号还常常会在楼宇受到干扰。对比发现，在楼宇内部这样的复杂环境中，采用幅度调制信号传输无线信号更稳定，传输无线信号的距离更远。因此，本文设计的楼宇安全监控系统，采用幅度调制的方式，能够可靠地无线传输楼宇内部的信号，监测实时环境信息，获得良好的监控效果，实现楼宇的安全管理。

1  安全监控系统的总体结构设计

在楼宇内部的安全监控非常重要，由于楼层多，房间多，只有采用智能监控系统监控温度、湿度、烟雾等方面的环境信息，才能在突发情况时及时准确地判断，使突发情况获得第一时间处理，避免更大的人力、物力和财力的损失。在楼宇内部的监控可以利用各种传感器及其外围电路，在各个楼层分布设计的探测模块，通过幅度调制后把探测器的突发信号传给安全监控系统中心，安全监控系统中心通知相关部门和各个楼层安排解决问题。突发问题解决后，中心通知各个楼层突发问题已经解决，通知报警的探测模块及时熄灭报警灯，重新回到监控状态，继续探测突发情况，如图1所示。

安全监控系统网络包括监控中心、无线传输网络、探测端3个部分。在探测的信号中，有些是传感器检测到的信号，有些是人为发现突发情况后，点击按钮获得的信号，这些信号都是采用无线传输网络送到安全监控系统中心，构成安全监控系统的无线网络连接，如图2所示。

探测模块和安全监控系统中心之间的无线通信采用双向通信的方式，信号被幅度调制后，经过天线发送到接收端。接收端的天线收到幅度调制信号，就解调信号，然后获得被传输的信息。探测模块可以根据楼层的需要增加数量或者减少数量。

2  安全监控系统设计

2.1  安全监控系统传感器电路设计

当安全监控系统的传感器探测模块监测到温度、湿度、烟雾等的突发变化，传感器探测模块的电路会把传感器的信号放大，点亮报警灯，把传感器监测到的突发情况用幅度调制的方式通过天线发送给安全监控中心。当突发情况被解除后，安全监控中心发送信号给安全监控系统的传感器探测模块。传感器探测模块天线接收到信号，通过幅度解调电路得到的复位信号，触发继电器关闭报警灯。传感器探测模块的电路如图3所示。

2.2  安全监控系统按键电路设计

安全监控系统的按键被人触碰，即提示有人身安全、自然灾害、紧急事件等突发情况。安全监控系统的按键探测模块电路会把按键的信号放大，点亮报警灯，把监测到的突发情况信号用幅度调制的方式通过天线发送給安全监控中心。当突发情况被解除后，安全监控中心发送信号给安全监控系统的按键探测模块，按键探测模块的天线接收到信号，通过幅度解调信号，得到安全监控中心的复位信号，按键探测模块的电路触发继电器，关闭报警灯。按键探测模块的电路如图4所示。

2.3  安全监控系统信号传输电路设计

安全监控系统的信号传输采用无线传输的方式，频率调制的信号在楼宇内部不能可靠传输，因此安全监控系统的信号传输采用幅度调制解调。在探测模块的幅度调制电路中，设计电路是按照幅度调制的工作原理，采用数字电路中的乘法器实现幅度调制，如图5所示。

其中，被调制信号是vΩ（t）=VΩmcosΩt，载波是vc（t）=Vcmcosωct，通过乘法器后的调幅波信号是vAM（t）=（Vcm+kvΩ（t））cosωct。

当接收端收到幅度调幅波信号后，接收端解调信号，可以获得被传输的原始信号。解调的方式有包络检波和相干解调2种方式。用载波和调幅波进行相乘进行相干解调，采用数字电路中的乘法器实现相干解调，如图6所示。

对调幅波信号进行相干解调后，输出信号的数学表达式如式（1）所示，对这个输出信号滤波，得到的低频信号是如式（2）所示的信号，这个信号就是被幅度调制的信号，只是幅度与原来的信号不同，增加了原来的1/2载波幅度倍。

v0（t）=vcmcosωct·VAM（t）=VcmcosωctVcmcosωct+12maVcmcos（ωc+Ω）t+12maVcmcos（ωc-Ω）t（1）

vout（t）=12AVΩmVcmcosΩt（2）

调幅波的另一种解调方式包络检波是把调幅波信号的包络中包含的调制信号，用包络检波电路，从调幅波信号中解调出来。包络检波电路由二极管和R、C低通滤波器构成。低通滤波器的时间常数应该大于载波信号周期，小于调制信号周期，以滤除载波信号，让调制信号通过。包络检波电路如图7所示。

当输入信号大于电容两端电压时，二极管导通，输入信号通过二极管对电容C充电。因为二极管导通电阻很小，所以充电时间短，电容C上的电压很快达到输入信号的峰值。当输入信号小于电容两端的电压时，二极管截止，电容C通过电阻R放电，电阻R比二极管的导通电阻大很多，所以放电时间相对于充电时间而言较长，因此电容C上面的电荷还远没释放完时，在输入信号下一个正半周期的某一时刻又开始给电容C充电。因此，电容两端电压中的交变量是随输入信号的包络变化而变化的，即随着调制信号的变化而变化。

包络检波电路的电阻影响解调信号，电容C通过电阻R放电的速度过慢，使得电容器上的电压变化跟不上信号包络的下降速度，产生惰性失真。为了避免惰性失真，电容C通过电阻R放电的速度不能小于输入信号包络下降的速度。必须满足的条件如式（3）所示［6］。

RC≤1-m2aΩma（3）

其中，ma表示载波受调制信号控制的程度，调制度ma=VΩm/Vcm，ma越大调制越强，ma小于1是调幅，等于1是等幅度调制，大于1是过调制，会造成失真。设置合适的调制度和电容，就可以避免惰性失真。

如果包络检波电路电流中的交流量大于直流量，电流出现负值，造成负峰切割失真。因为二极管是单向导电的，电流不可能为负值，只能为零，所以检波输出电压的负峰值被削平，即产生负峰切割失真。实际电路的包络检波器后面接着电路，后面电路的输入阻抗为RL，包络检波电路的直流负载为R，交流负载是R和RL的并联，检波器输出的交流、直流电流幅度的比值过大，就会发生负峰切割失真，如图8所示。

在电路设计时，如果选择合适的电阻和电容，就可以避免负峰切割失真。考虑到两种解调方式对信号可能造成的失真程度，把相干解调电路作为主要解调方式，包络检波作为备用方式。在包络检波电路中，设置合适的调制度和电路设计可以符合信号不失真的条件。

3  安全监控系统无线传输信号测量

测量安全监控系统中无线信号传输的调幅波和解调波，包括测量调幅波信号、相干解调信号、包络检波信号、包络检波信号失真波形。

3.1  测量调幅波信号

测量调幅波信号时，输入正弦波调制信号1 kHz、500 mVPP，输入正弦波465 kHz、1 VPP作为载波，调制度ma=VΩm/Vcm，调制度小于1时，出现的调幅波如图9中波形2所示。

调制度大于1时，出现的调幅波如图10所示。图10和图9的波形不同，说明调制度影响调幅波的波形。

3.2  测量相干解调信号波形

对图9和10的调幅波进行相干解调，得到图11的（a）和（b），图11（a）的解调波形2和原来信号波形1频率相同，说明频谱搬移的调幅波，解调后的频谱研究搬移回到原来的频率，波形还是正弦波，图11（b）的解调波形2比原来信號波形1幅度略小。

3.3  测量包络检波信号波形

用包络检波电路解调图7的波形，调制度小于1的调幅波，在包络检波中得到的波形2解调信号和原来波形1的调制信号相同，如图12所示。

调制度大于1的调幅波，在包络检波中得到的波形2解调信号与原来波形1的调制信号波形不同，如图13所示。

图13说明出现惰性失真时，经过包络检波电路后的波形2没有反映波形1的输入信号的包络变化。此外还可能出现负峰切割失真，波形如图14所示。

调幅波的调制度不影响用相干解调电路得到调制信号，但是调幅波的调制度影响用包络检波得到的调制信号。包络检波电路的R和C取值会造成惰性失真，直流负载和交流负载的大小会造成负峰切割失真。选择合适的调制度，选择合适的解调电路电阻和电容，就能够得到不失真的包络检波波形，如图15所示。

4  结语

楼宇安全是确保人民生命和财产安全的重要条件。单纯摄像不能及时解决突发情况，在安装摄像头进行录像的同时，还需要能够报警的安全监控系统，才能有效保护楼宇的安全。建筑物内部或者建筑物群的无线信号传输常常会因为建筑物的阻挡造成信号干扰，幅度调制解调在建筑物周围的信号传输不会受到频段带宽的限制而影响信号质量。设计安全监控系统实时检测楼宇的安全，研究采用多种探测模块检测各个物理量指标，用幅度调制解调的方式无线传输突发信号，减少频带资源不足造成的信号干扰，可以快速、高效率地响应和处理突发情况，避免和减少人力、物力和财产损失。实践测量无线传输信号的结果证明，幅度调制解调的方式无线传输突发信号可靠性高，信号传输效果好，具有良好的实践应用价值。

参考文献

［1］池佳豪，何紫薇，胡安正.基于MATLAB调幅包络检波和相干解调性能设计与比较［J］.电子制作，2019（7）：87-88，76.

［2］万志强.同步检波和包络检波下的AM系统抗噪声性能分析［J］.现代电子技术，2009（15）：55-57.

［3］李之奇.基于集成模擬相乘器的同步检波系统设计［J］.电子设计工程，2021（12）：185-189.

［4］卢松城.一种基于零相位的低频正弦波调幅信号包络检波方法［J］.电子技术与软件工程，2021（13）：233-235.

［5］宋金玲，赵培培.残留边带调制包络检波法原理研究［J］.徐州师范大学学报（自然科学版），2004（4）：27-30.

［6］常亮.二极管包络检波电路原理及失真探究［J］.电子测试，2013（9）：34-36.

（编辑  王雪芬）

Study of safety monitoring system in building based on amplitude modulation

Chen  Hong

（College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China）

Abstract： In order to manage safety in building，the safety monitoring system is designed and the wireless communication is realized by amplitude modulation and demodulation. The working flow and the wireless network of the safety monitoring system are designed，the on-time signal is collected by the checking module on site，the quality of the signal transmission is tested by the waveform of amplitude modulation and demodulation. The testing result shows that the signal of designed safety monitoring system can be transferred with high reliability， and the function is stable，which has the important practical value.

Key words： amplitude modulation; safety monitoring system; reliability; coherent demodulation; envelope demodulation