浅谈自动微弱信号检测系统

偶晓飞　蒋琛

引言：微弱周期信号检测被非常广泛地应用于地震、通信、雷达、工业测量等领域。一般情况下，弱信号检测需要用户使用特殊的检测设备并对接收的数据进行操作。而基于LabWindows平台开发出来的信号检测系统可自动检测高频近场信号而无需用户干预。

微弱信号检测技术是一种采用物理、电子、计算机科学、信息理论的方法，对噪音的规律和原因进行分析，研究信号的特点和相关性，并对信号进行检测的方法。其目的是从强噪声中获得微弱信号，或使用先进的技术和方法，提高被检测系统的信号噪声比（SNR）。

弱信号的快速检测被广泛应用于地震、通信、雷达、工业测量等领域。传统的检测方法如使用相敏检波器（PSD）的方法，探测高频近场的微弱信号的能力是很有限的。由于近场信号随距离的平方或立方衰减，所以通常我们使用特殊的天线和检测设备，如使用频谱分析仪直接测量，或使用特定的接收器和解调模块进行信号解调和分析。然而，这些方法要求测试人员熟悉检测信号的特点并且熟练地操作测试设备。

LabVIEW被广泛应用于虚拟仪器的设计和开发。但是，在专业测试领域例如微弱信号检测领域，并没有综合应用的先例。

这种基于通用测试设备和LabWindows控制软件的高频近场微弱信号检测系统，只要通过简单的设置，就可以自动检测高频近场信号，并且在整个测试过程中不需要人为干预。整个系统包括三个部分：前端是一个定制天线，便携且易于安装；中端是一个开关阵列用于选择和定位检测位置，后端是检测控制设备。检测软件基于LabWindows获得通用测试设备的测试数据，使我们可以直接通过计算机进行一些信号处理运算。整个系统可以进行远程控制，借助一个PDA平台，可以在多系统网络扩大检测范围。通过实际测试，该检测系统可有效地检测到目标电子设备散发出来的微弱信号。

本文首先介绍了高频近场弱信号的特点，然后剖析了整个系统的结构； 最后，使用Lab VIEW开发环境实现从某些电子设备 检测到微弱信号辐射。

一、高频率近场弱信号检测

在检测信号之前，我们应先了解信号的特征，比如辐射信号源的属性、信号的辐射特性等。

1.高频近场弱信号的辐射特征

任何电子设备的电磁辐射和辐射强度都与信号频率和PCB布线情况有关。

信号的共同特点：

1）是一个频率约为20兆赫的周期信号；

2）信号强度不高，受空间电磁干扰影响。

2.高频近场微弱信号的辐射源属性

以属于VHF频段的24MHz信号为例，波长为约12.5米。但与波长相比，天线与设备之间的距离是一个很短的长度，所以天线的周围区域具有近场性质。

3.高频近场微弱信号检测的难点

1.3.1检测信号易被干扰

在日常生活环境中即使一些微小的电磁波也会对信号检测产生干扰。

1.3.2接收天线小型化

为了移动、安装方便，天线应尽量小型化。由于频率为24MHz，所以天线的尺寸为3米，即波长的1/4。

二、微弱信号检测系统

基于上述分析，我们可以将微弱信号检测系统的结构和设计模块描绘如下：

1.系统结构

前端为有源天线，负责接收、放大信号，必须具有良好的灵敏度和方向性。

中端为开关阵列，负责检测位置的选择，实现分布式检测与定位。

后端则是与处理模块连接的通用测试设备。

2.模块

2.2.1有源天线

电子设备的辐射电场信号是弱信号，因此必须通过增加天线的面积，提高信号接收强度和产生天线中轴对称接收效果以提高电容耦合能力。

2.2.2开关阵列

开关阵列由计算机芯片控制，芯片具有控制8个信号输入、输出的能力。该芯片的特点是低插入损耗和高开关速度。

2.2.3处理模块

后端使用FSP13频谱分析仪作为测试设备。该设备有丰富的外部接口如RS232、GPIB、LAN，使我们可以由GPIB总线进行远程控制和数据采集。

该检测系统的主要控制软件是基于LabWindows开发，PDA子系统是由Visual Studio开发。

3.控制软件的功能

控制软件是这个系统的后端。主要功能是检测位置开关、完成微弱信号探测和定位、协调信号接收、并提供一个友好的界面给用户。

4.软件结构

该软件由五个部分组成：人工检测子系统、PDA子系统、设备连接子系统、系统设置、自动检测子系统。

5.性能测试

2.5.1前端信号接收

通过实验天线灵敏度达到-30dBuV/ M。

2.5.2后端处理

可以通过设置检测阈值来调整系统的灵敏度。

6.检测流程

2.6.1接收天线的位置检测；

2.6.2扫描背景噪声并保存；

2.6.3选择检测位置，然后设置检测标准；

2.6.4开始检测。后端处理模块开始接收检测数据，并对数据进行一些数字处理算法，以尽量减少干扰。当有一个信号超越噪声则记录频点，对应的检测值将递增；

2.6.5如果检测值超出阈值，系统会立即通知测试仪定位检测位置。

三、小结

本文介绍了高频近场的自动微弱信号检测系统。实验结果表明，自动检测系统可以有效运作，并具有如下特点：

该系统可以从目标设备周围检测和定位到高频近场弱信号；

整个检测过程自动完成，不需要用户干预。

检测系统可以通过改变接收天线扩大检测信号的频率范围；

可以在后端对检测数据进行一些信号处理算法，以使系统性能得到提高。

参考文献

[1]江国舟.江超.微弱信号检测的基本原理与方法研究.湖北师范学院学报，2001，21.

[2]Rohde and Schwarz“The Principle of Spectral Analysis”Germany，2004.

[3]于丽霞.王福明.微弱信号检测技术综述.信息技术，2007（2）：115-116.

（作者單位：1.江苏省广电有线信息网络股份有限公司南通分公司；2.江苏省电力公司电力经济技术研究院）

作者简介

第一作者：偶晓飞（1980年）男，工程师，从事广电工程设计、网络管理工作多年。

第二作者：蒋 琛（1979年）女，工程师，从事电力基建工作多年。