基于LabWindows的微弱信号检测系统的设 计与实现外文翻译资料

2009 Fifth International Conference on Wireless and Mobile Communications

Design and Implementation of a Weak Signal Detecting System Based On LabWindows

Meng Zhang

nstitute of Beijing Information Application

Technology,

Beijing P.R. China

E-mail: zhangm@gbms.net.cn

Weiqing Huang

nstitute of Beijing Information Application

Technology,

Beijing P.R. China

E-mail: huangwq@gbms.net.cn

Abstract:Detecting weak periodic signals is widely used in radar, communication, sonar, earthquake and industrial measurement. Generally, the weak signal detection needs special equipments, such as phase sensitive detector and demodulation module, and requires the user to operate and process the receiving data. The article designs and implements a weak signal detecting system, which can detect high frequency near-field signal automatically using universal test equipments and without usersrsquo; intervention. Furthermore its effect is demonstrated by detecting a periodic weak signal radiated from certain electronic equipment. The detecting system designed in this article can detect a signal of only several microvolts in a range of twenty centimeters.

Keywords: weak signal detection, high frequency near-field signal, LabWindows.

I. INTRODUCTION

Weak signal detection is an integrated and sophisticated technology. It develops rapidly and gets increasingly attention for; it breaks the shackles of the traditional conception that some weak signal cannot measure [1].

Weak signal detection technology is a method which adopts the electronics、physics、information theory and computer science to analyze the causes of noise and laws, to research the characteristics and relativities of signals and to detect signals, which are buried in the noise. The aim of weak signal detection is to acquire the signal from the strong noise, or to use advanced techniques and methods to improve the signal-to-noise ratio (SNR) of the detecting system.

Quickly detecting weak periodic signals is widely used in radar, communication, sonar, earthquake and industrial measurement. The capability of conventional detection methods, such as phase sensitive detector (PSD), is limited when detecting high frequency near-field weak signals [2]. Because of the near-field signal with the square or cube of the distance attenuation, commonly we use special antenna and test equipment, such as spectrum analyzer to measure directly, or use the particular receiver and demodulation

module to demodulate and analyze the signal. However, either of these methods requests the testers to realize the characteristic of the detected signals as well as to operate the test equipment expertly.

The LabView is widely used in virtual instrument design and development. But in the specialized testing field for example weak signal detection there have been no comprehensive applications.

This paper designs and implements a high frequency near-field weak signal detecting system based on universal test equipments and LabWindows control software. For a simple set-up, this detecting system can detect the high frequency near-field signal automatically and the whole testing process dispenses with usersrsquo; intervention. This system adopts distributed detecting mode including three parts. The front-end is a custom antenna which is portable and easy to install. The middle-end is a switch array which can select and locate the detecting position, and the back-end controls the testing equipment such as spectrum analyzer through a GPIB-BUS by a computer. The detecting software developed under the LabWindows (an integrated development environment of NI Companyrsquo;s) obtains the testing data from the common test equipment directly so that we can carry out some signal processing arithmetic though the computer. The whole system also implements remote control via a PDA platform, and could expand detection range with networking in multi-systems. With the actual testing, this detecting system could effectively detect and locate some target electronic equipments that radiate weak signals.

The article analyses a high frequency near-field weak signalrsquo;s characteristics at first; then gives the structure of the weak signal detecting system and design of each module; at last uses the Labview development environment to implement the systemrsquo;s back-end and detects a weak signal radiated from certain electronic equipment.

II. HIGH FREQUENCY NEAR-FIELD WEAK SIGNAL DETECTION

Before detecting the high frequency near-field weak signal, we should know the signalrsquo;s characteristic, such as the radiation characteristic of the signal and the radiation source attribute of the signal and so on..

A. The radiation characteristic of high frequency near-field weak signal

Any electronic equipment will be working with electromagnetism radiation and the intensity of radiation is relative to the signal frequency and the PCB routing.

An experiments show that certain equipment for detecting and locating exists electromagnetism radiation when works, especially the crystalrsquo;s emission as Figure 1shows. The signalrsquo;s common characteristics are:

bull; A periodic signal, the frequency is about 20 MHz;

bull; The signal intensity is weak and is affected by the

space electromagnetic interference.

Figure 1. Electric equipment weak signal radiation result closed to the antenna

B. The radiation source attribute of High frequency near-field weak signal

Take the 24MHz crystal signal which belong to VHF band in communication as an example, the wavelength is about 12.5 meters. But compared with the wavelength, the distance between the antenna and the equipment, the size of the antenna and the structure of the equipme

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2009年第五次无线和移动通信国际会议

基于LabWindows的微弱信号检测系统的设 计与实现

Meng Zhang

北京信息应用研究所

技术

中国北京

邮箱：zhangm@gbms.net.cn

Weiqing Huang

北京信息应用研究所

技术

中国北京

邮箱：huangwq@gbms.net.cn

摘要:弱周期信号检测被广泛应用于雷达，通信，声纳，地震和工业测量。一般来说，在微弱信号检测的需求相敏检波器和专用设备，如解调模块，并要求用户操作和过程中接收数据。文章的设计和实现微弱信号检测系统，它可以检测高近场信号频率自动使用通用的测试用户的设备和不干预。此外，其效果证明了一个周期性的微弱信号检测从某些电子设备的辐射。在本文的探测设计系统可以检测到的信号只在二十厘米范围内的几个毫伏。

关键词：微弱信号检测，高频近场信号，LabWindows。

一.绪论

微弱信号检测是一个综合性和复杂技术。它发展迅速，得到越来越多注意;它打破了一些弱信号无法衡量的传统概念的桎梏[1]。

微弱信号检测技术是一种采用的电子，物理，信息理论与计算机科学，噪音和法律的原因进行分析，研究信号的特点和对比关系，并检测信号方法，这是埋在噪声，其宗旨是减少微弱信号检测强烈信号噪音，或使用先进的技术和方法，提高检测系统的信号噪声比（SNR）。

快速检测弱周期信号被广泛应用于雷达，通信，声纳，地震和工业测量。常规检测能力如相敏检波器（PSD）的方法对探测到高频近场的微弱信号是有限的[2]。由于近场信号的正方形或立方体距离衰减，通常我们使用特殊天线和备，如频谱分析仪直接测量，或使用特定的接收器和解调解调和分析信号的模块测量。然而，无论测试人员的要实现检测到的信号的特点这些方法，就是操作专业的测试设备。

LabVIEW是广泛应用于虚拟仪器的设计和发展。但是，在专门的测试领域例如微弱信号检测中是没有出现过综合应用的。

本文设计并实现了高频率近场的微弱信号检测系统普及测试设备和LabWindows控制软件。对于简单的设置，这个检测系统可以自动检测出高近场信号的频率并且在全测试过程中，摒弃了用户的干预。这系统采用分布成包括三个探测模式部分。前端是一个定制的天线，这是便携式且易于安装。中端是一个开关阵列可以选择和定位的检测位置，和后端控制检测设备，如频谱分析仪通过一个由电脑的GPIB - BUS。检测软件根据于LabWindows（综合开发NI公司的发展环境）获得通用测试设备的测试数据直接使我们可以进行一些信号处理运算通过计算机。整个系统还实现了远程控制，通过一个PDA平台，可以扩大检测多系统的联网范围。而且实际检测系统可以有效地检测和找到一些目标的电子设备，辐射弱的信号。

文章首先分析了高频近场弱信号的特点，然后给出了结构微弱信号检测系统和每个模块的设计;最后使用LabVIEW开发环境系统的后端实施和从某些电子设备的辐射检测微弱信号。

二 高频率近场弱信号检测

在检测高频近场弱信号之前，我们应该知道信号的特征，如信号的辐射特性和辐射信号源的属性等..

A：高频近场微弱信号辐射特征

任何电子设备将由电磁辐射工作并且辐射强度是与信号的频率和PCB布线有关。

一项实验表明，当某些设备探测和定位工作时存在电磁辐射。特别是晶体的排放，如图1显示。信号的共同特点是：

bull; 一个周期性的信号，频率约为20兆赫;

bull; 信号强度弱，并且受空间电磁干扰影响。

图1.封闭的电气设备的微弱信号辐射的结果曲线

B.高频近磁场微弱信号辐射源属性

以24MHz晶体属于到VHF信号作为一个例子，在通信波段的波长为约12.5米。但是，与波长相比，天线和设备之间的距离，天线和设备的结构尺寸是一个很短距离。换句话说，传输和接收的信号比波长小。面积的相对天线具有近场性质。

在近电磁场发射功率是不是通过波的入射和折射，而是耦合[3]。

在近场的电场或磁场信号伴随正方形或立方体的距离衰减并且电场和磁场的值不是377ohm，但区别于辐射源：电偶极子的近场辐射是一种高场和波阻抗比超过377ohm。另一方面近磁偶极子的辐射场是一个低场和波阻抗小于377ohm。这是说，只有设立信号辐射模型正确确认信号的特点才可以设计一个适当的天线以提高接收效率。

根据电路结构，泄漏和辐射天线应在时钟路线印刷电路板。时钟源和传输线的阻抗不匹配导致的微小的辐射。图2和图3显示在不同的距离信号辐射强度。通过计算，信号与立方体的距离衰减。换句话说，辐射源是电场[4]。

图2 从天线R厘米到电子设备目标的信号发射

C. 高频近场的微弱信号检测的困难

1）检测到的信号的弱点

1. 实验表明，系统模型是一种在强噪声背景下的弱信号检测。图1显示的信号幅度是只，17dBuV电磁屏蔽室。在日常生活环境甚至一些微小的电磁干预将隐藏噪声信号。

2）设计的迷你接收天线

对于可移植性和安装方便，接待应小型化天线。由于频率特征信号为24MHz，天线的尺寸必须是3米，即使使用1 / 4波长接收。这种方式天线的尺寸和接收效率之间平衡的天线设计的关键。

三. 基于LabWindows微弱信号检测系统

通过上述分析，我们可以描绘出的微弱信号检测系统的结构和设计每个模块如下。

A. 系统结构

基于LabWindows微弱信号检测系统，包括一个接收天线，一个开关阵列和处理模块如图4所示。

图4. 系统结构

前端是一个积极的天线，这是主要负责接收和放大信号。为了找到检测到的信号，天线必须具有良好的方向性，以及高灵敏度。

中端是一个开关阵列，这是负责检测位置的选择，所以实现了分布式检测和位置。

后端是处理模块连接通用测试设备，如频谱分析仪通过一台电脑的GPIB- BUS的，可以控制的LabWindows平台[5]。

B. 模块设计

1）有源天线设计

弱信号那是电子设备的辐射电场信号，因此必须为这一特点而设计的天线。天线模型如图5所示。其主要思想是，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的接收效果，以提高的电容耦合能力。

在图5中，绿地面积是微波介质板和黄色区域是铜

图5. 天线模型

图6显示了天线的计算分析模型是表面的电场和表面电流分布。

图6. 天线的计算和分析模型

图7显示了天线的E和H接收

图7. 接收天线模型仿真

放大器电路采用MAXIM公司低噪声产品[6]。这是一个max4017。该芯片的增益和噪声图8和图9所示。放大器放置在一个屏蔽盒内。

图8. 增益的max4017

2）设计开关阵列

开关阵列是由计算机控制的交换机芯片选择8个输入信号输出的能力。该芯片必须具有高开关速度和低插入损耗。

图9.噪声图

图10. 开关阵列框架

如图10所示的框架。MCU接收计算机的指令，将它们发送到交换芯片。单片机和计算机之间的通信是通过RS232协议或无线模块。

3）处理模块的设计

后端使用的R＆S公司的测试设备FSP13频谱分析仪。该设备的频率范围是从20Hz到13GHz;灵敏度-155dBm;RBW是从1Hz到10MHz的和丰富的外部接口如GPIB，RS232，局域网，使我们可以采取的GPIB-总线遥控和数据采集[7]。

该检测系统的主要控制软件是由NI公司的LabWindows集成开发环境开发[8]和PDA子系统是由Visual Studio开发。该软件的框架，如图11所示。

图11. 软件框架

微弱信号检测系统分为5个部分组成：系统设置，设备连接子系统，人工检测子系统，自动检测子系统，子系统的PDA..

a）软件功能

该软件是这个系统的后端。其主要功能是协调的信号接收和检测位置开关完成微弱信号探测和定位，并提供给用户一个友好的界面。

b）软件结构

该软件可以分为五个部分：系统设置，设备连接子系统，人工检测子系统，自动检测子系统，掌上电脑子系统，最后三个部分是最重要的。每个子系统实现不同的功能，包括整个的微弱信号检测系统。为了使软件易于使用和强大的容错。图12显示子系统“的关系。

图12. 软件结构

系统设置是连接到开关阵列的能力;负责连接到频谱分析仪连接子系统;人工检测子系统提供检测选址，单接收，单一的背景扫描和单检测，自动检测子系统包括检测位置的选择，多个交换机，多个后台扫描和多种检测; PDA子系统是远程控制和检测。

手动和自动检测子系统处理流程如图13，14所示。

图13. 人工检测子系统处理流程

图14. 自动检测子系统处理流程

C.性能测试

1）前端的信号接收

通过实际的实验有天线灵敏度-30dBuV/ M和接收结果，如图15所示。

图15. 封闭的天线的信号接收结果

2）后端处理

检测阈值可以设置为调整系统的灵敏度。检测流程是：

a）POSIT检测位置的接收天线;

b）扫描的背景噪声和保存;

c）选择检测位置，然后将检测阈值;

d）开始进行检测。后端处理模块接收的检测数据，并进行一些数字处理算法，以减少干扰。虽然有一个超越的噪声信号，记录频点，点相应的检测值将递增;

e）当检测值超出阈值，系统会通知测试仪定位检测位置。

图16. 检测系统工作流程

通过实验，在一定区域内该系统可以检测出微弱的信号（图17）

图17. 从天线系统检测结果ř厘米

四 结论

本文设计并实现了高频近场的微弱信号检测系统。一个实际的实验结果表明，检测系统，可以在一定的环境中有效地运作，并应具有以下特点：

A：在一定的环境下使用一般的测试设备，该系统可以从目标的电子设备检测和定位高频近场弱周期信号辐射;

B. 整个检测过程的情况下自动完成用户干预。而唯一的问题是字符信号指示和所处的地位;

C.通过改变接收天线检测系统可以扩大检测的频率范围的信号;

D.由于该系统可以通过GPIB- BUS连接通用测试设备，并获得检测数据，我们可以在后端进行一些信号处理算法，以改善系统的性能。笔者增加了频谱覆盖的方法，以提高探测距离。

此外，系统的性能是相对于常见的测试设备。这是没有怀疑的这种检测系统的性能将得到越来越多的改善与一般的测试设备的能力提高。

致 谢

这项工作得到了国家高技术研究发展计划（2007AA01Z482，2002AA143031），中国国家自然科学基金委员会（NSFC：60372008），中国公关支持。

参考文献

[1] A.D.Whalen “Detection of Signal in Noise” Academic Press NY and London, 1971

[2] W.O.Henry “Noise Reduction Techniques in Electronic System” Whippany, NJ 1975

[3] John D.Kraus and Ronald J.Marhefka “Antennas: For All Applications Third Edition”, The McGraw-Hill Company, 2004

[4] Rohde and Schwarz “Low-Noise Active Antenna System AM524” Germany, 1997

[5] NI Company “Measureme

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