基于随机共振的微弱信号检测系统研究

张皖哲　徐之欣　王润涛　张文涵

摘 要：该文通过研究经典的双稳系统随机共振模型，设计了基于随机共振的微弱信号检测系统。系统由AD5252随机共振模块、模数变换模块、电压极性变换模块、STM32单片机等构成，同时在实验室中对该系统进行了性能测试。经过一系列测试，该文所述的系统能够非常好地对单独100 Hz以内的微弱信号进行检测。

关键词：随机共振 ARM微控制器 微弱信号检测 AD5252

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（c）-0021-02

信号检测在雷达、石油测井、地震勘探、卫星通讯范围有普遍的利用。在测量精密信号中，信号往往伴随着噪声，较准确地提取噪声干扰下的微弱信号，是极为重要的。传统的滤波器主要基于噪声抑制原理，即通过衰减或抑制噪声分量，保留有用的频率分量来实现信号滤波。然而，当有用信号频带和噪声频带重叠时，抑制噪声会同时衰减有用信号，从而使得信噪比降低或波形失真。使用基于随机共振的方法检测微弱信号时，噪声不会减弱信号还能在一定情况时提高输出信噪比[1]，这是传统的检测方法不能比拟的。该文通过研究经典双稳系统随机共振模型，设计了一个采用STM32单片机，通过控制数字电位器改变系统参数，来实现一个基于随机共振的微弱信号检测的系统。

1 经典双稳系统随机共振模型

双稳系统中的响应幅值均值是关于噪声强度的函数。随机共振的输出幅值随着的增加而非单调变化，首先随着D的增加而增加，达到最大值后随着的增加而减小。双稳态随机共振响应幅值随噪声强度变化曲线和机电系统中的共振曲线十分相似，因此这种现象被命名为“随机共振”[2]。

2 系统总体设计

该文采用STM32单片机，通过改变AD5252的编码还有电阻阻值的比值来使系统参数、发生变化，使系统发生随机共振来实现自适应调整双稳系统参数。系统由 AD5252随机共振模块、模数变换模块、电压极性变换模块、STM32单片机等构成。随机共振电路的系统总体设计如图1所示。

3 系统硬件设计

3.1 控制系统硬件设计

该文为了进行采样分析而使用的微控制器为STM32F103。STM32F103内核为Cortex-M3，由ST公司出产，是高性能、低成本、低功耗的单片机，内置两个12位模数转换器，时钟频率72 MHz，运算能力强，处理速度快。

3.2 随机共振电路设计

AD5252是一款有双通道的数字电位器，具有256位分辨率，它可以达到与电位计相同的功能，通过微控制器的控制实现功能。单电源5 V供电，3～5 V的逻辑电平控制，在该设计中通过单片机控制来实现随机共振。

3.3 电压极性转换电路设计

要对随机共振模块输出的双极性信号进行电压极性的变换，使双极性变为0～5 V的单极性信号，因为STM32只能采集0～5 V之间的信号。系统中AD5252及LM324都需要5 V供电，变换电路设计如图2所示。

3.4 噪声源的设计

测试随机共振电路性能时，需要模拟实际工作中的背景噪声，这个噪声需要能够改变噪声强度，该文利用 AT89C52单片机制作一个满足要求的噪声源[3-4]。

噪声源的硬件电路由单片机模块、D/A转换电路、形状调整电路组成，噪声源硬件框图如图3所示。

单片机模块产生伪随机数，D/A转换电路将单片机产生的伪随机数变成噪声电压，再经形状调整模块对其幅度等参数调节最后输出。

4 系统实验测试

4.1 噪声强度确定，信号变化时的测试

在高斯白噪声带宽为20 kHz、能量幅值为1.8 V，信号为f=10 Hz、50 Hz、100 Hz，能量幅值为0.2 V的周期正弦信号下进行测试，AD5252编码范围为0～127，用16进制表示为0x00～0x7F。系统中两片AD5252分别控制系统参数、，在=0.5的情况下进行实验，研究不同的参数对于系统产生随机共振的情况。

测试过程中发现，在噪声是能量幅值为1.8 V、带宽为20 kHz时，系统对单独100 Hz以内的微弱周期信号能很好的进行检测，信号的频率越低时检测效果越好，当频率超过100 Hz后，系统的提取信号能力就会慢慢下降。

4.2 信号确定，噪声强度变化时的测试

当信号频率为10 Hz，幅值为0.2 V的正弦信号下，高斯白噪声带宽为20 kHz、V分别为1.8 V、3.0 V、5.0 V时对系统进行测试，在=0.5的情况下进行实验，研究不同的参数b对于系统产生随机共振的情况。

实验中发现，给定信号为10 Hz、幅值0.2 V的正弦，在噪声的强度小于5 V的时候，系统能够对单独100 Hz以内的信号实现很好地随机共振检测，噪声强度越低时检测效果越好，当强度超过5 V时，系统提取信号的能力会变差。

5 結语

该文针对经典随机共振模型进行了理论研究，在此研究基础上，设计了基于STM32单片机的随机共振微弱信号检测系统，包含AD5252随机共振模块、数模变换模块、电压极性变换模块等，并在实验室中进行了测试。

但是系统还存在一些需要改进的地方，该文检测微弱信号的系统只在实验室中进行了测试，大家还应该根据实际工程对电路进行改进。

参考文献

[1] 樊养余，李利品，党瑞荣.基于随机共振的任意大频率微弱信号检测方法研究[J].仪器仪表学报，2013，34（3）：566-572.

[2] 陆思良.基于随机共振的微弱信号检测[D].合肥：中国科学技术大学，2015.

[3] 李相臣.基于自适应随机共振的微弱信号检测系统研究[J].杭州：中国计量学院，2013.

[4] 邵菊花.微弱信号检测的随机共振方法与应用研究[J].成都：电子科技大学，2008.