你的位置:首頁(yè) > 傳感技術(shù) > 正文

微功率沖擊雷達(dá)傳感系統(tǒng)中信號(hào)的處理

發(fā)布時(shí)間:2013-03-15 責(zé)任編輯:shyhuang

【導(dǎo)讀】本文介紹的雷達(dá)傳感系統(tǒng)既不需要對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制,也不需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行載波解調(diào),而是發(fā)射和接收無(wú)載波的極窄脈沖信號(hào),并通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)處理電路,獲得目標(biāo)信息。

系統(tǒng)工作原理

微功率沖擊雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,此系統(tǒng)主要由脈沖發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理電路和天線組成。

圖1中,脈沖振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào),一方面,此信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖整形后作為觸發(fā)脈沖,觸發(fā)窄脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生極窄脈沖,并通過(guò)寬帶天線發(fā)射出去,被目標(biāo)反射的回 波信號(hào)傳送到接收采樣電路;另一方面,脈沖振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)電路產(chǎn)生窄脈沖作為距離門對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行選擇,接收取樣輸出的信號(hào),經(jīng)過(guò)積分電路對(duì)接 收信號(hào)進(jìn)行積累,再經(jīng)過(guò)放大電路和帶通濾波電路檢測(cè)微弱的目標(biāo)回波信號(hào),最后經(jīng)過(guò)A/D采集卡送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和處理,利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)探測(cè)雷達(dá) 波門進(jìn)行控制。

 
圖1:微功率沖擊雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)工作原理框圖

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接收信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)是微功率沖擊雷達(dá)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,主要由取樣積分電路、可變延遲單元、帶通濾波電路和放大濾波電路組成。

 
圖2:微功率沖擊雷達(dá)接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

取樣積分單元

積分取樣電路將接收到的被目標(biāo)反射的UWB微弱脈沖信號(hào)和經(jīng)過(guò)延時(shí)后的參考脈沖信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè),即取樣積分,提高信噪比,然后經(jīng)過(guò)帶通 濾波電路和放大濾波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息和生命特征信息的接收和檢測(cè)。這里可變延遲電路為取樣積分電路提供精確的同步參考脈沖信號(hào),它的一個(gè)輸入是發(fā)射 端脈沖信號(hào),另一個(gè)輸入由接收后端微控制單元的程序精確控制。

帶通濾波器設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)取樣積分后的信號(hào)中,混有高頻分量,需要將包含人體運(yùn)動(dòng)的上、下截止頻率為0.05~10 Hz的信號(hào)取出,為接收后端提取出呼吸和心跳信號(hào)奠定基礎(chǔ)。需設(shè)計(jì)上、下截止頻率為O.05~lO Hz帶通濾波器,其電路原理如圖3所示??梢钥闯?,所設(shè)計(jì)帶通濾波器在0.05~10 Hz具有較平坦的通頻帶。

 
圖3:帶通濾波器原理圖

放大濾波電路設(shè)計(jì)

放大濾波電路可對(duì)UWB沖擊雷達(dá)的前端輸出信號(hào)進(jìn)行放大、濾波,并為人體生命參數(shù)檢測(cè)及距離信息的探測(cè)提供硬件平臺(tái)。針對(duì)UWB雷達(dá)輸出 信號(hào)特點(diǎn),該放大濾波電路設(shè)計(jì)時(shí)必須注意電路的低頻響應(yīng),電路對(duì)弱信號(hào)的放大,高倍數(shù)放大器的直流偏移量等問(wèn)題。以上問(wèn)題中,電路的低頻響應(yīng)可通過(guò)精確設(shè) 計(jì)濾波器的參數(shù)來(lái)解決。放大弱信號(hào),則電路的放大倍數(shù)必須要高,但是放大倍數(shù)過(guò)大就會(huì)使電路產(chǎn)生直流量,使得基線發(fā)生漂移或產(chǎn)生失真;在電路中設(shè)置阻容耦 合電路,為各級(jí)電路的累積直流偏置電壓提供泄放回路。

放大濾波電路是根據(jù)人體的呼吸率范圍(15~20次/min)和心率范圍(50~100次/min),經(jīng)相關(guān)檢測(cè)電路的信號(hào)分為兩路,分別檢測(cè)呼吸和心跳 信號(hào),具體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。其中放大電路主要包括前置放大電路、中間級(jí)放大電路和后級(jí)放大電路3部分。濾波電路主要有低通濾波、高通濾波和帶阻濾波。 其分別組成0.6 Hz的低通濾波器(CPF)、0.7 Hz的高通濾波器(HPE)及50 Hz的陷波器(BEF)。

 
圖4:信號(hào)預(yù)處理原理框圖

放大電路設(shè)計(jì)時(shí),考慮到提高前級(jí)增益,有利于提高電路的共模抑制比,但前級(jí)的增益過(guò)高后,當(dāng)輸入端引入極低頻率的信號(hào)、前級(jí)“零”點(diǎn)漂移或強(qiáng)信號(hào)引入時(shí),易使后級(jí)電路飽和而引起“阻塞”現(xiàn)象。因此電路的增益設(shè)計(jì)如下:前置級(jí)放大增益為30 dB,中間級(jí)放大增益為10~100 dB,后級(jí)放大增益為30 dB,總增益范圍為300~30 000 dB。

濾波電路在信號(hào)預(yù)處理器中起著重要作用,它決定了信號(hào)的通頻帶,同時(shí)也具有濾除干擾的作用。

[page]
低通濾波器設(shè)計(jì)

人體的呼吸率和心率都小于10 Hz,因此前級(jí)放大器輸出信號(hào)先通過(guò)10 Hz低通濾波器濾除其他干擾信號(hào),后級(jí)0.6 Hz的低通濾波器用于檢測(cè)人體呼吸信號(hào)。

該低通濾波電路主要濾除干擾信號(hào),并且要求幅頻特性中有最大的平坦區(qū),為此選用四階壓控電壓源巴特沃斯But-terworth型濾波器。壓控電壓源型電 路結(jié)構(gòu)的濾波器特點(diǎn)是使用元件少,對(duì)放大器要求不高。在本級(jí)電路中,電阻器誤差小于0.01%,電容器誤差小于O.1%。由于電路中所選電阻值不在電阻序 列之內(nèi),故實(shí)際電路中,用多個(gè)電阻串聯(lián)以求得到所需的阻值,電路中電容必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格挑選。電路原理如圖5所示。10 Hz,0.6 Hz四階Butterworth LPF電路的元件值如表1所示。

 
圖5:LPF電路圖

0.7Hz高通濾波器電路

0.7 Hz的高通濾波器用來(lái)檢測(cè)心跳信號(hào),這里采用2個(gè)二階壓控高通濾波器串聯(lián)形成的四階高通濾波器來(lái)構(gòu)成O.7Hz高通濾波器,其電路如圖6所示。

 
圖6:0.7Hz高通濾波器電路圖

 
圖7:50Hz陷波濾波器電路圖

50 Hz陷波器電路

50 Hz陷波器在電路中起著重要作用。在檢測(cè)過(guò)程中,直流電源、周圍環(huán)境中的輸電線路等都會(huì)對(duì)信號(hào)預(yù)處理電路產(chǎn)生50 Hz的工頻干擾。因此,在電路中加入50 Hz陷波器濾除由其他電路耦合進(jìn)來(lái)的50 Hz干擾信號(hào)是非常必要的,其電路如圖7所示。50 Hz陷波器的設(shè)計(jì)要求為:fo=50 Hz;B≤4 Hz;Q≥10。

電路采用50 Hz帶通濾波器和加法電路組成,一路經(jīng)10kΩ電阻進(jìn)入加法器輸入端,一路經(jīng)增益為-1的50 Hz帶通濾波器,經(jīng)10 kΩ電阻耦合進(jìn)入加法器輸入端。兩路信號(hào)相加,得到50 Hz陷波器。

試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前面的設(shè)計(jì)電路,對(duì)0.05~1O Hz帶通濾波器、10 Hz和0.6 Hz的低通濾波器、0.7 Hz的高通濾波器及50 Hz的陷波器電路中各元件進(jìn)行估值并通過(guò)MulTIsim仿真且反復(fù)調(diào)試,并通過(guò)電路試驗(yàn),獲得了較為理想的幅頻特性,各部分電路的幅頻特性測(cè)試結(jié)果如圖 8所示。從圖8中可以看出,0.05~1O Hz帶通濾波器、10 Hz和0.6 Hz低通濾波器、0.7 Hz的高通濾波器都具有平坦的3 dB通頻帶,50 Hz陷波器的Q值大于5。

 
圖8:濾波器幅頻特性

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種微功率沖擊雷達(dá)系統(tǒng)接收信號(hào)處理電路,給出了各子模塊電路的設(shè)計(jì)原理,以及主要模塊的仿真調(diào)試結(jié)果,仿真結(jié)果顯示:主要電路,即帶通濾波器 和放大濾波器的幅頻特性理想。按此仿真結(jié)果設(shè)計(jì)的電路經(jīng)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了理論設(shè)計(jì)要求。依據(jù)該設(shè)計(jì)制作的電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、性能好的特點(diǎn),在超寬帶技術(shù) 中具有一定的實(shí)用價(jià)值。

要采購(gòu)濾波器么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉