技术领域
[0001] 本
发明属于
电场传感和射频
电路设计领域，具体是一种基于对数峰值检波法的宽带信号检测方法。
背景技术
[0002] 随着通信技术的飞速发展，
电子设备的复杂度越来越大，但抗毁能
力也随之变差，多变的电磁环境会直接影响系统和设备的正常运行，这使得电场的实时监控变得尤为重要。传统的电场测量方式是利用各种天线进行的，系统中常常包含金属结构，这将对待测电场产生干扰；同时，单个天线很难满足宽频带的测量需求，因此测量中往往需要使用多个天线，大大增加了测量系统的复杂度；此外，传统电场测量设备体积较大，无法适用于范围较小的电场测量。为了克服上述缺点，基于晶体
光电效应的光学电场
传感器因其体积小、抗干扰性好、灵敏度高、频带宽等优点得到了愈加广泛的应用。
[0003] 为了从光学电场传感器输出的
光信号中获取待测的电场信息，现有的传统方法是利用一个
光探测器将光信号转化为
电信号，再接入
频谱仪中进行观察。当需要检测单路已知
频率电场时，这种检测方式基本能够达到实时检测的目的，但当面对复杂电场情况时，这种传统方式具有以下缺点：①当检测宽带未知频率电场时，待测信号为瞬变信号时，需已知信号频率，或反复调节频谱仪的频率参数，多次扫频来确定待测频点，才能够准确观测到信号，使得检测效率较低；②当需要使用多个电场传感器同时进行测量时，需要为每一路各配备一台频谱仪，检测成本较高，且整体检测系统过于复杂。
[0004] 电场传感信号的传统处理方式需要借助成本较高的
频谱分析仪完成，且使用时很大程度上地增加了整个电场传感系统的体积和复杂程度；电场传感信号的频谱仪检测法，不易于计算机进行后续的
信号处理工作，且难以检测高速瞬变信号，检测效率较低。
发明内容
[0005] 本发明针对现有电场传感信号处理方式具有低效率、高成本、系统复杂等缺点，提出了一种基于对数峰值检波法的宽带信号检测方法，基于宽带低噪
放大器，宽带对数峰值
检波器和AD
采样电路三部分配合实现；具体步骤如下：
[0006] 步骤一、使用宽带
低噪声放大器将电场传感信号进行放大，落入宽带对数峰值检波器的检测范围内；
[0007] 电场传感信号包括高频信号，低频信号或者多个频率信号的
叠加；
[0008] 步骤二、使用宽带对数峰值检波器将放大后的电场传感信号转化为只保留电场传感信号峰值信息的
输出电压；
[0009] 具体步骤如下：
[0010] 步骤201、放大后的电场传感信号经过宽带对数峰值检波器的每级对数放大器，输出端通过检测单元转换为
电流；
[0011] 步骤202、将所有对数放大器输出的电流送至求和电路进行求和；
[0012] 步骤203、将求和后的电流进行电流-电压转换，得到和
输入信号功率成线性关系的输出电压VOUT；
[0013] 根据宽带对数峰值检波器的输出电压与输入电压之间的关系式：
[0014] VOUT＝VSLOP/dB×20×lg(VIN/VINTERCEPT) (1)
[0015] VOUT为放大后的电场传感信号的输出电压；VSLOP/dB为对数变化斜率，即每分贝输入信号变化对应的输出电压变化；VIN为放大后的电场传感信号的输入电压；VINTERCEPT为截断电压，为常数。
[0016] 将输入电压和截断电压表示为功率形式，经化简后得到输出电压与输入功率之间的关系式：
[0017] VOUT＝VSLOP/dB×(PIN-PINTERCEPT) (2)
[0018] PIN为放大后的电场传感信号的输入功率：PIN＝20lgVIN；PINTERCEPT为截断功率：PINTERCEPT＝20lgVINTERCEPT。
[0019] 步骤三、使用AD采样电路将输出电压转化为
数字信号，并传输给计算机处理。
[0020] 宽带对数峰值检波器的输出端与AD采样电路的输入端相连，同时AD采样电路与
单片机的IO口相连，单片机与计算机USB
接口相连；通过在计算机上使用Keil
软件编写AD采样程序，并烧写到单片机中；计算机控制AD采样电路对宽带对数峰值检波器的输出电压进行采样，并通过串口调试助手将数据传输给计算机。
[0021] 本发明的优点与积极效果在于：
[0022] (1)本发明一种基于对数峰值检波法的宽带信号检测方法，通过选择合适放大倍数的宽带低噪声放大器，使放大后的电场传感信号落入宽带对数峰值检波器的动态范围内，从而无需已知待测场频率，也无需多次调节仪器参数便能够实现宽带电场传感信号的同时接收。
[0023] (2)本发明一种基于对数峰值检波法的宽带信号检测方法，借助AD采样电路实现
模拟信号到数字信号的转化，AD采样电路可采用具有高采样速率的芯片搭建，通过编程改变电路的采样速率，从而实现高速瞬变电场的实时接收，电场检测效率高。
[0024] (3)本发明一种基于对数峰值检波法的宽带信号检测方法，只需提取电场传感信号的峰值信息，利用简单的电路结构即可完成检测目的，节约了检测成本，同时易于集成，可大大简化整个电场传感系统。
附图说明
[0025] 图1是本发明一种基于对数峰值检波法的宽带信号检测方法的实施场景图；
[0026] 图2是本发明一种基于对数峰值检波法的宽带信号检测方法的
流程图；
[0027] 图3是本发明宽带对数峰值检波器的具体转化过程流程图；
[0028] 图4是本发明宽带信号检测系统的电路连接示意图；
[0029] 图5是利用本发明的方法进行线性动态范围测试结果图；
[0030] 图6是利用本发明的方法进行频率响应测试结果图。
具体实施方式
[0031] 下面将结合附图和
实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0032] 本发明提出了一种基于对数峰值检波法的宽带信号检测方法，适用于未知待测场频率时的宽带电场幅值检测，可以实现宽带电场传感信号的同时接收，辅助光学电场传感系统实现宽带电场的实时检测，如图1所示，基于宽带低噪放大器，宽带对数峰值检波器和AD采样电路三部分配合实现；信号源的输出为单一频率的信号或者多个频率信号的叠加，用信号源的输出模拟微弱的电场传感信号，传输给宽带低噪放大器进行信号放大，实现足够增益；然后经过宽带对数峰值检波器转化为只保留电场传感信号峰值信息的输出电压，最后AD采样电路将输出电压转化为数字信号，传给计算机。
[0033] 如图2所示，具体步骤如下：
[0034] 步骤一、使用宽带低噪声放大器将微弱的电场传感信号进行放大，落入宽带对数峰值检波器的检测范围内；
[0035] 一般情况下，待测电场为高频电场，低频电场或者多个频率电场的叠加，待测电场经过光学电场传感器处理后，得到的输出的信号是被电场幅度调制后的光信号，经过光探测器后转换为宽带射频电信号，也即电场传感信号，该信号的幅度反映了待测电场值。一般情况下，输出的电场传感信号的功率范围为-100～-60dBm，较为微弱，无法落入宽带峰值检波器的动态范围内。宽带对数峰值检波器的可检测信号功率范围较宽，以AD8318为例，该芯片的可检测信号功率范围为-65～+5dBm。因此，为了使待测的电场传感信号落入宽带对数峰值检波器的检测范围内，需根据输入电场传感信号的大致功率范围，通过使用35dB～70dB增益的宽带低噪声放大器将电场传感信号进行放大，实现足够增益。
[0036] 步骤二、使用宽带对数峰值检波器将放大后的电场传感信号转化为只保留其峰值信息的输出电压信号；
[0037] 本发明主要适用于待测场的幅值检测，而电场传感信号的峰值恰好反映了待测场的幅值，因此只需提取峰值信息即可检测；采用宽带对数峰值检波器完成电场传感信号的峰值提取，这种检波方式具有宽频带内平坦的频率响应，无需已知待测场频率，也无需多次调节仪器参数便可以实现宽带电场的同时接收。
[0038] 宽带对数峰值检波器采用对数检波芯片搭建，内部集成了多级对数放大器，芯片对于宽频带范围内的信号能够保持精确的对数一致性。
[0039] 如图3所示，具体步骤如下：
[0040] 步骤201、放大后的电场传感信号经过对数检波芯片的每级对数放大器，输出端通过检测单元转换为电流；
[0041] 对数检波芯片内部由多个相同的对数放大器级联而成，放大后的电场传感信号输入后经过对数放大器被逐级放大。同时，芯片中每级放大器的输出端都有一个检测单元将电压转换为电流。
[0042] 步骤202、将所有对数放大器输出的电流送至求和电路进行求和；
[0043] 步骤203、将求和后的电流进行电流-电压转换，得到和输入信号功率成线性关系的输出电压VOUT；
[0044] 根据宽带对数峰值检波器的输出电压与输入电压之间的关系式：
[0045] VOUT＝VSLOP/dB×20×lg(VIN/VINTERCEPT) (1)
[0046] VOUT为放大后的电场传感信号的输出电压；VSLOP/dB为对数变化斜率，即每分贝输入信号变化对应的输出电压变化；VIN为放大后的电场传感信号的输入电压；VINTERCEPT为截断电压，为常数。
[0047] 将输入电压和截断电压表示为功率形式，经化简后得到输出电压与输入功率之间的关系式：
[0048] VOUT＝VSLOP/dB×(PIN-PINTERCEPT) (2)
[0049] PIN为放大后的电场传感信号的输入功率：PIN＝20lgVIN；PINTERCEPT为截断功率：PINTERCEPT＝20lgVINTERCEPT。
[0050] 步骤三、使用AD采样电路将输出电压转化为数字信号，并传输给计算机处理。
[0051] 经过宽带对数峰值检波器处理后得到的是保持电场传感信号峰值信息的输出电压信号，这种模拟信号无法输入电脑进行后续的
数据处理和分析，因此需将其转化为数字信号。采用AD采样电路完成模拟信号到数字信号的转换。通过编程、单片机程序烧写来改变AD芯片的采样速率，再通过串口通信得到采样结果，从而实现高速瞬变电场的实时接收。
[0052] 具体步骤如下：
[0053] 首先、将宽带对数峰值检波器的输出端与AD采样电路的输入端相连，同时将AD采样电路与单片机的IO口相连，单片机与计算机USB接口相连；
[0054] 然后、综合考虑所用AD采样芯片的时序关系以及系统需要的采样速率等，在计算机上使用Keil软件编写AD采样程序，并将编译好的程序烧写到单片机中。
[0055] 最后、计算机控制AD采样电路对宽带对数峰值检波器的输出电压进行采样，并通过串口调试助手将数据传输给计算机。
[0056] 实施例：
[0057] 使用一个30dB增益的宽带低噪声放大器，一个由AD8318芯片搭建的宽带对数峰值检波器，一个由PCF8591芯片搭建的AD采样电路，配合使用信号源、单片机、计算机等设备，搭建了一套宽带信号检测系统，对本发明的性能进行实验分析。
[0058] 该实施系统中，利用信号源产生微弱宽带电信号，以此模拟电场探测中的微弱电场传感信号，经过宽带低噪声放大器的放大、宽带对数峰值检波器的峰值提取、AD采样电路的
模数转换，最后送入计算机处理。为了验证该方法的可行性，分别对系统的线性动态范围、频率响应分别做了测试。
[0059] 如图4所示，具体连接如下：
[0060] 将宽带低噪放大器的输出端通过一个100R的
电阻R3接地，同时通过0.1μF的电容C3接入AD8318芯片的第14管脚，使得放大后的电场传感信号输入到宽带对数峰值检波器当中；AD8318芯片的第14管脚作为输入管脚，第15管脚通过0.1μF的电容C5接地；第1管脚，第2管脚，第8管脚，第11管脚和第12管脚均接地；第3管脚并联第16管脚，通过0.1μF的电容C7接地；第4管脚并联第16管脚，通过0.1μF的电容C8接地；同时第4管脚并联第9管脚连接LM78L05芯片；第9管脚通过0.1μF的电容C2接地；第10管脚通过510R的电阻R1接地；第7管脚为输出管脚，通过0PF的电容C4接地，同时并联第6管脚，第6管脚接入单排2针
插件P1的管脚1，同时单排2针插件P1的管脚2接地，以此作为宽带对数峰值检波器的输出端口。
[0061] PCF8591芯片有四个输入端，也即第1～4管脚，将这四个管脚与一个单排4针的插件P2相连作为AD采样电路的输入端口；第5～8管脚均接地；第14管脚并联第16管脚连接VCC2；第12管脚并联第13管脚接地；第10管脚
串联10k的电阻R9并联第9管脚，同时第9管脚串联10k的电阻R8，第10管脚并联第9管脚后同时连接VCC2，并通过0.1μF的电容C9接地。
[0062] 将宽带对数峰值检波器的输出端口P1的管脚1与AD采样电路的输入端口P2的管脚1相连，使得只保留电场传感信号峰值信息的输出电压输入到AD采样电路当中；
[0063] 1、对本发明进行线性动态范围测试
[0064] 测试中选择1GHz和2GHz两个工作频点，用信号源给出-90dBm～-25dBm线性变化的输入信号，经过本发明的处理，最终在计算机端得到输出数据；如图5所示，在测试的两个频点下，该检测系统可以检测-90dBm～-25dBm的微弱
射频信号，且中间段的线性度较好。
[0065] 2、对本发明进行频率响应测试
[0066] 测试中保持信号源的输出功率不变，线性地改变信号频率。实验中使得信号功率保持在-70dBm及-50dBm，选择测试频带0.25GHz～2.5GHz，经过该宽带信号检测系统的处理，最终在计算机端处理输出数据；如图6所示，0.25GHz～2.5GHz频带内的两种信号功率下，电路的动态范围较为平坦，起伏在1.5dB以内。
[0067] 由以上分析可以看出，本发明基于对数峰值检波法的宽带信号检测方法可用于检测宽带电场，可以实现宽带电场的同时接收。与传统方法相比，这一方法具有高效率、低成本、系统简单等优点。
