??? 摘 要:? 在分析了正交信號檢測" title="信號檢測">信號檢測原理的基礎上，將正交檢測技術應用于周界入侵探測裝置中，搭建了正交信號檢測電路，應用Multisim8軟件進行了仿真和分析。
??? 關鍵詞： 正交檢測? 周界入侵探測? 噪聲干擾? 電路仿真
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??? 泄漏電纜周界入侵探測是近十年時間發展起來的一種新型戶外周界防護技術，該技術在很多領域得到了廣泛應用[1]。泄漏電纜周界入侵探測技術的基本原理是將作為發射源的泄漏電纜淺埋于地下，距其一定距離并行埋設另一根泄漏同軸電纜作為信號的接收裝置，發射源通過防護區段的泄漏電纜在各自警戒范圍內的空間形成不同頻率的電磁場。若有入侵者侵入時，該電磁場發生擾動，導致接收信號發生變化，將變化信號進行放大處理并及時準確的識別出來，從而確定具體的入侵地域，并發出報警信息[2-3]。目前常用的泄漏電纜周界入侵探測系統采用頻分制工作方式[4]，信號的頻帶寬度與噪聲信號的強弱成正比。而噪聲是一種隨機信號，其頻譜分布在整個無線電頻率范圍內，系統很容易引入噪聲干擾而產生誤報，因此，在保證系統工作穩定的情況下，盡可能縮小信號的頻帶寬度，才能較徹底地解決誤報問題。
1 正交信號檢測原理
??? 正交信號檢測是將輸入信號" title="輸入信號">輸入信號通過兩組性能完全相同的乘法器" title="乘法器">乘法器與互為正交的兩路本振" title="本振">本振信號混頻，分別輸出同相分量I和正交分量Q，再經低通濾波器" title="低通濾波器">低通濾波器濾波后， 產生兩路基帶信號，送入微處理器進行處理[5-6]。其檢測原理如圖1所示。
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??? 當輸入信號與本振信號的頻率相同時，將本振信號表示為：
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??? 將式(2)的輸入信號分別與兩個正交本振輸入信號相乘可得:
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式中，K為乘法器系數，其數值取決于乘法器的電路參數。
??? 經過LPF濾波器濾除信號中的高頻成分后，式（3）、式（4）分別變為：
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??? 當輸入信號發生擾動與本振信號的頻率不同時，本振信號不變，如式(1)所示。假設輸入信號為：
2 正交信號檢測電路
??? 正交信號檢測作為接收機電路的一部分引入到周界報警裝置中，實現了零中頻接收。傳統的超外差式信號接收機主要在中頻范圍內進行信號解調，信道濾波需采用高Q值的濾波器，因而接收機頻帶寬度很容易受到這種濾波器精度的制約。引入正交信號檢測技術后，信道選擇在低頻進行，僅需選用低通濾波器就可以實現接收機的超窄帶接收，從而降低噪聲信號對系統干擾的幾率。
??? 正交信號檢測電路由同相通道和正交通道組成。兩個通道的電路結構完全相同，只是其本振輸入在相位上相差90°。下面以同相通道電路為例來說明，其輸入信號u(t)來自于接收機前端經變頻后的輸出信號，本振信號ul(t)、輸入信號u(t)的頻率與發射源的射頻輸入信號頻率均被同一個晶體振蕩源鎖定，在無外界干擾的情況下，輸入信號和本振信號的頻率相同。其電路圖如圖2所示。
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3 電路仿真與分析
??? 采用加拿大IIT公司的Multisim8軟件[7]對設防領域無入侵、有入侵及噪聲干擾三種情況的正交信號檢測電路進行了仿真。
3.1無入侵時仿真分析
??? 設本振信號ul(t)是幅度為1V、頻率為5kHz的正弦波，沒有外界入侵時，輸入信號u(t)與本振信號同幅度同頻率，波形如圖3(a)所示，ul(t)和u(t)兩種信號經乘法器電路混頻后所得信號u′I(t)的波形如圖3(b)所示，再將此信號u′I(t)送入低通濾波器濾波后輸出信號uI(t)的波形如圖3(c）所示。
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??? 由圖3（b）、（c）可以看出，信號u′I(t)的幅度是本振信號ul(t)幅度的一半，輸出信號uI(t)為直流信號，此結果滿足式（3）和式（5）所示的波形變化規律。因此，沒有外界入侵時的電路仿真和理論推導結果一致。
3.2 有入侵時仿真分析
??? 設本振信號是幅度為1V、頻率為5kHz的正弦波，當有入侵者侵入時，由于人體的活動頻率范圍為0.1Hz～10Hz，因此，將擾動信號近似表示成幅度為2V、頻率為5Hz的正弦波。此時輸入信號和本振信號的幅度和頻率均不相同，將這兩種信號送入乘法器電路混頻后所得信號u′I(t)的波形如圖4(a)所示，將信號u′I(t)再次送入低通濾波器濾波后輸出信號uI(t)的波形如圖4(b)所示。
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??? 由圖4(a)、(b)可以看出，信號u′I(t)是調幅波，其幅度按照頻率為5Hz的正弦調制信號規律變化，經低通濾波器后的輸出信號uI(t)與擾動信號的波形完全一致，此結果滿足式(9)和式(10)所示波形變化規律。因此，有外界入侵時的電路仿真和理論推導結果一致。
??? 將輸出信號uI(t)送入微處理器處理后，可以及時準確地識別出擾動信號，從而確定具體的入侵地域，并發出報警信息。
3.3 噪聲干擾仿真分析
如前所述，人為入侵時的最大擾動頻率小于10Hz，因此可以認為大于10Hz的信號為噪聲信號。設本振信號為幅度1V、頻率5kHz的正弦波；設噪聲信號為幅度2V、頻率20Hz的正弦波，此時輸入信號和本振信號的幅度和頻率均不相同。將這兩種信號送入乘法器電路混頻后，所得信號u′I(t)的波形如圖5(a)所示，將信號u′I(t)再送入低通濾波器濾波后輸出信號uI(t)的波形如圖5(b)所示。
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??? 由圖5（a）、（b）可以看出，信號u′I(t)是調幅波，其幅度按照頻率為20Hz調制信號波形規律變化。但經低通濾波器后輸出完全失真信號，其原因是濾波器的截止頻率被設定為10Hz，因而，濾除掉頻率為20Hz的擾動信號，使得輸出信號uI(t)經微處理器處理后將不會觸發報警?？梢?，應用正交檢測技術，理論上可將信號的接收帶寬設定為幾十赫茲，實現了超窄帶接收，從而降低了噪聲信號對系統的干擾幾率。
??? 噪聲干擾的仿真結果和分析表明，該電路對于頻率小于10Hz的擾動信號能夠進行準確的檢測，對于頻率超過10Hz的噪聲信號能夠進行有效的抑制。由此可以看出，應用正交檢測技術實現了信號超窄帶接收，減小了噪聲信號對系統的干擾幾率，從而為徹底地解決系統的誤報問題提供了一種新的可實施的解決方案。
參考文獻
[1] 葛 妍.戶外周界防護系統綜述[J]. 中國安防產品信息，2004,(5)：49-54.
[2] ?CHEAL J, O’BRIEN S, TUTOR M. Buried cable sensor with intruder location[J].IEEE Trans Aerospace and Electronic Systems Magazine，2005，20(7)：11-15.
[3] ?ARMSTRONG D, PEILE C. Perimeter intruder detection systems performance standard[C]. IEEE Proceedings of International Carnahan Conference on Security Technology, 2005, 33-36.
[4] ?王明吉,張勇,李玉爽,等.單主機高精度周界入侵探測報警系統[J].儀器儀表學報，2006，27(12)：1718-1720.
[5] ?LY Gagnon, DANY Sebastien.Coherent detection of optical ?quadrature phase-shift keying signals with carrier phase estimation[J]. IEEE Journal of Lightwave Technology,2006,24(1)：12-20.
[6] ?晉軍.零拍接收機[J].解放軍理工大學學報，2000，1(4)：49-53.
[7] 任艷玲.Multisim8.0在Mc1496構成的調幅器中的應用[J].中國科技信息，2006，21.