数字信号处理技术教材

数字信号处理技术在光纤气体传感技术中的应用小组成员：

雍建辉、董亮亮、侯建华、方金亮、何健、李明康引言：

由于光纤气体传感器具有本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、响应速度快等特点,它在煤矿安全、环境监测、工业控制等领域的应用十分广阔。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行滤波、变换、压缩、识别、增强等加工处理以达到提取有用信息，便于应用的目的。随着计算机和信息学科的快速发展，数字信号处理理论和技术日益成熟。数字信号处理技术的优势可程控精度高，稳定性好可重复性好抗干扰性能好实现自适应算法数据压缩大规模集成基于DSP的光纤氢气传感器数字化最重要的基本技术之一便是DSP技术。DSP既可以翻译成DigitalSignalProcessor，也可以翻译成DigitalSignalProeessing，前者指用于数字信号处理的可编程微处理器，后者指数字信号处理的理论和方法，它需要通过前者变成实际产品。数字信号处理器(DSP)主要以连续的数字信号进行数学运算并得到相应的结果。这里所说的数学运算是以快速傅立叶变换(FFT)为基础,对数字信号进行实时处理得到相对应的结果。

不同型号的DSP内部结构基本相同,都具有哈佛结构。DSP含有处理器内核、指令缓冲器、数据和程序存储器、I/O接口控制器、程序地址和程序数据总线、直接读取地址和数据总线等单元,处理器内核是最重要的。基于DSP的光纤氢气传感器数字信号处理系统的硬件基于DSP的光纤氢气传感器系统驱动光源的正弦载波在DSP内部直接数字合成并输出至光源驱动器用于发出交流调制光。此光通过发射光纤被分为两路:一路(传感光信号)到达放置在待测气体中镀有敏感材料的光纤端面并被反射;另一路(参考光信号)不做处理作为参考信号。两路接收光信号经各自的接收光纤被两个光探测器转换为微弱电流信号,经前置去噪,反相比例放大,同相求和及低通滤波后变为正弦信号由A/D装置进人DSP芯片。在DSP内对信号做相敏检波(PSD)和滤波处理,得到的两路解调信号的比值再经过线性化等处理即可得到所要求的气体浓度的值。将此数据发送到与DSP相连接的显示设备中即可。DSP的数字信号处理原理

相干检测技术是从噪声中提取弱信号的重要手段。当待检测信号滤波后,将其与参考信号进行相敏检波(PSD),经积分器积分成直流信号。设从PIN中得到的电信号为:S=Asin(2πft十θ)+N,其中f为载波频率,A为被测信号的幅值,θ为载波的相位,N为噪声。与载波信号同频的两个相位正交的参考信号为:I=sin(2πft),Q=cos(2πft)。它们均在DSP内部直接数字合成〔DDS),则两路PSD的输出分别为:UI=SI=A/2cosθ-A/2cos（4πft+θ）+N(t)sin(2πft)(1)

UQ=SQ=A/2sinθ+A/2sin（4πft+θ）+N(t)cos(2πft)(2)经低通滤波器滤去与参考信号无关的噪声后即可得:UI=A/2cosθUQ=A/2sinθ然后进行如下运算:√(UI2+UQ2)=A/2两路接收信号经过上述的运算所得A1与A2的比值即为所得值。相干检测技术光源驱动接口电路光源驱动接口电路连接DSP与LED,DSP输出频率为2K的正弦波,其电压范围为0一5V,然后接一个二阶压控电压源型低通滤波器以滤去高频的杂波,然后通过一个同相的比例电路对弦波进行比例调整,再接一个光源驱动电路,它具有电压转电流功能,通过一个三极管将电压转为电流用以驱动LED。光电检测接口电路检测接口电路的设计是整个系统的一个重要问题。这关系到所有的后继处理过程。由于要探测淹没在噪声信号中的微弱的光电流信号,此前放的增益必须足够高。这里采用了PIN光电二极管探测光信号并将其转换为电流,同时采用高阻负载有利于获得大的电压信号,故希望采用高阻抗放大器。运算放大器在前置放大电路中起核心作用,其性能指标如开环增益、输人偏置电流、失调电流和失调电压、频率响应以及噪声性能均对前放产生影响。

DSP集成开发环境CCS包含了图形接口，源代码编辑工具、参数修改工具，代码调试工具、可执行代码生成工具和实时分析工具等，支持汇编、C/C++及三者的混合编程，能对DSP进行指令级的仿真和可视化的实时数据分析，还有虚拟浮点数学函数库提供支持，大大缩短了数学运算与控制程序的开发周期。集成开发环境CCS运用DSP的传感系统可通过调节程序参数方便的调整滤波器类型,阶数,截止频率,载波频率等各项参数,较好地解决了运用模拟电路所带来的参数调节困难,噪声影响大等困难,可广泛运用于各种传感器信号处理中。小结参考文献[1]孙金林.数字信号处理技术的发展与思考.赤峰学院学报,2011.[2]张冈,包蕾,