本實用新型屬于相位生成載波解調(diào)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

干涉型光纖傳感系統(tǒng)通過檢測光纖中傳播的光信號的相位變化測量被測對象，因此相位解調(diào)方法至關(guān)重要。目前常用的方法主要有主動零差解調(diào)法、合成外差解調(diào)法、偽外差解調(diào)法和相位生成載波(PGC)解調(diào)法。

相位生成載波(PGC)解調(diào)方法采用不平衡干涉儀，通過對光信號的頻率進(jìn)行高頻調(diào)制，從而在干涉儀中引入遠(yuǎn)離被測信號頻帶的某一固定頻率的大幅度相位調(diào)制信號，使被測信號成為調(diào)制信號的邊帶，然后利用相關(guān)檢測和微分交叉相乘(DCM)算法分離干涉儀輸出的被測信號和低頻帶外噪聲，再通過積分器和高通濾波器得到穩(wěn)定的被測信號。

目前，PGC解調(diào)方法可以分為模擬解調(diào)和數(shù)字解調(diào)。模擬解調(diào)使用模擬電路實現(xiàn)解調(diào)算法。具體的講，就是通過運算放大器搭配不同的無源器件結(jié)構(gòu)構(gòu)成混頻器、低通濾波器、微分器、乘法器、減法器、積分器、高通濾波器等解調(diào)單元，實現(xiàn)對干涉信號的相位解調(diào)。但是，PGC解調(diào)方法對模擬電路的對稱性要求極高，否則干涉信號分別與一倍頻載波和二倍頻載波混頻得到的兩路信號會引入額外的相位噪聲，影響解調(diào)精度。數(shù)字解調(diào)使用數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)解調(diào)方法。首先通過數(shù)據(jù)采集卡將干涉信號和調(diào)制信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字化信息，再通過解調(diào)方法實現(xiàn)的一系列數(shù)字解調(diào)單元，得到干涉信號的相位信息。數(shù)字解調(diào)雖然在體積、功耗、靈活性等方面都有模擬解調(diào)難以企及的優(yōu)點，但是由于干涉信號的頻帶一般比較高，同時為了盡可能多的保留諧波信息，要求數(shù)據(jù)采集的采樣率非常高，通常達(dá)到100MHz以上，由此帶來的海量數(shù)據(jù)處理問題提高了解調(diào)復(fù)雜度，增加了解調(diào)響應(yīng)時間。另外，要提高PGC解調(diào)方法的動態(tài)范圍，就要提高調(diào)制信號頻率，即載波頻率。在數(shù)字解調(diào)方法中，需要相應(yīng)的提高采樣率，從而進(jìn)一步惡化了復(fù)雜度和響應(yīng)時間，并且動態(tài)范圍受到數(shù)字解調(diào)方法本質(zhì)的限制，不可能達(dá)到很高的水平。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型針對傳統(tǒng)數(shù)字解調(diào)方法存在的響應(yīng)時間長、動態(tài)范圍低、算法復(fù)雜度高等問題，同時避免采用全模擬解調(diào)帶來的額外噪聲，提出一種采用模擬前端的數(shù)字相位生成載波(PGC)解調(diào)裝置。

本實用新型的技術(shù)方案如下：一種采用模擬前端的數(shù)字相位生成載波解調(diào)裝置，其特征在于所述裝置由模擬解調(diào)、數(shù)字補償和數(shù)字解調(diào)模塊組成：

所述模擬解調(diào)模塊是使用模擬電路實現(xiàn)干涉信號與一倍頻載波和二倍頻載波的混頻，以及使用6階貝塞爾低通濾波器，將高頻干涉信號轉(zhuǎn)換為濾除載波及高次諧波后的低頻信號；

所述數(shù)字補償模塊是由數(shù)據(jù)采集卡、失調(diào)補償單元和相位補償單元組成，數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)模擬解調(diào)輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到2路低頻數(shù)字信號；失調(diào)補償單元調(diào)節(jié)2路數(shù)字信號的直流偏置量，消除模擬解調(diào)引入的失調(diào)量；相位補償單元調(diào)節(jié)2路數(shù)字信號的相位，消除模擬解調(diào)引入的相位噪聲；

所述數(shù)字解調(diào)模塊是使用微分交叉相乘(DCM)單元、減法單元、積分單元和高通濾波單元，將2路低頻信號解調(diào)為被測信號，實現(xiàn)數(shù)字相位生成載波解調(diào)。

進(jìn)一步的技術(shù)方案是：

所述模擬解調(diào)模塊包括雙通道的混頻器和6階貝塞爾低通濾波器，每一個通道的混頻器和6階貝塞爾低通濾波器依次連接，模擬解調(diào)模塊的輸入包括干涉信號、一倍頻載波和二倍頻載波，模擬解調(diào)的輸出連接到數(shù)字補償?shù)妮斎搿?/p>

所述數(shù)字補償模塊包括數(shù)據(jù)采集卡、失調(diào)補償單元和相位補償單元，數(shù)據(jù)采集卡、失調(diào)補償單元和相位補償單元均是雙通道，每個通道依次順序連接，數(shù)字補償?shù)妮斎肱c模擬解調(diào)的輸出連接，數(shù)字補償?shù)妮敵雠c數(shù)字解調(diào)的輸入連接。

所述數(shù)字解調(diào)模塊包括微分交叉相乘單元、減法單元、積分單元和高通濾波單元，微分交叉相乘單元是雙通道，其輸入即為數(shù)字解調(diào)的輸入，微分交叉相乘單元的2路輸出連接減法單元的兩路輸入，減法單元的輸出為單路；減法單元、積分單元和高通濾波單元均是單通道，依次順序連接。

本實用新型技術(shù)方案帶來的有益效果如下：

1、本實用新型采用模擬解調(diào)實現(xiàn)干涉信號與一倍頻載波和二倍頻載波的混頻，以及混頻后的低通濾波。數(shù)字補償?shù)臄?shù)據(jù)采集卡只需要采集濾除載波及高次諧波后的低頻信號，采樣率可以降低為現(xiàn)有數(shù)字解調(diào)方法的1％，與現(xiàn)有數(shù)字解調(diào)方法相比，可以顯著減少解調(diào)響應(yīng)時間。

2、本實用新型采用模擬解調(diào)實現(xiàn)干涉信號與一倍頻載波和二倍頻載波的混頻，以及混頻后的低通濾波。去除了現(xiàn)有數(shù)字解調(diào)中的混頻算法和低通濾波算法，降低了算法復(fù)雜度。

3、本實用新型涉及的數(shù)字補償消除了模擬解調(diào)引入的相位噪聲和失調(diào)量，與現(xiàn)有模擬解調(diào)方法相比，提高了解調(diào)精度。

4、本實用新型采用的模擬解調(diào)與數(shù)字解調(diào)相結(jié)合的方式，使得載波頻率不再受到采樣率的限制，解決了動態(tài)范圍受到現(xiàn)有數(shù)字解調(diào)方法限制的問題。

附圖說明

圖1是本實用新型結(jié)構(gòu)方框原理圖。

圖2是本實用新型失調(diào)補償單元結(jié)構(gòu)方框原理圖。

圖3是本實用新型相位補償單元結(jié)構(gòu)圖方框原理。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施例，對本實用新型做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種采用模擬前端的數(shù)字相位生成載波(PGC)解調(diào)裝置，由模擬解調(diào)、數(shù)字補償和數(shù)字解調(diào)模塊組成。

模擬解調(diào)模塊包括雙通道的混頻器和6階貝塞爾低通濾波器，每一個通道的混頻器和6階貝塞爾低通濾波器依次連接。模擬解調(diào)的輸入包括干涉信號、一倍頻載波和二倍頻載波，模擬解調(diào)模塊的輸出連接到數(shù)字補償?shù)妮斎搿?/p>

數(shù)字補償模塊的失調(diào)補償單元用于調(diào)節(jié)2路數(shù)字信號的直流偏置量，消除模擬解調(diào)引入的失調(diào)量；如圖2所示，失調(diào)補償單元包括2個加法器、2個低通濾波器和1個控制器，2個加法器的輸入連接前級數(shù)據(jù)采集卡的2路輸出；2個加法器的輸出連接2個低通濾波器的輸入，同時作為失調(diào)補償單元的輸出；2個低通濾波器的輸出連接控制器；控制器的輸出連接2個加法器，對加法器變量進(jìn)行設(shè)置；如圖3所示，所述相位補償單元包括2個延遲器、1個乘法器、1個低通濾波器和1個控制器，2個延遲器的輸入分別連接前級失調(diào)補償單元的2路輸出；2個延遲器的輸出連接到乘法器的輸入，同時作為相位補償單元的輸出；乘法器、低通濾波器和控制器依次順序連接；控制器的輸出連接到2個延遲器。

數(shù)字解調(diào)模塊的微分交叉相乘單元由2個微分單元和2個乘法單元組成，通道1的輸入同時連接第一個微分單元和第二個乘法單元，通道2的輸入同時連接第二個微分單元和第一個乘法單元，2個乘法單元的輸出作為微分交叉相乘單元的輸出；所述減法單元用于配合微分交叉相乘單元，消除隨機相位衰落現(xiàn)象，使信號中只包含被測信號的微分形式；所述積分單元用于將被測信號的微分形式進(jìn)行積分，還原被測信號；所述高通濾波單元用于消除外界環(huán)境影響產(chǎn)生的相位差、初始相位差和其他因素產(chǎn)生的相位差之和，以及調(diào)制光源產(chǎn)生的相位差，從而得到被測信號。

本實用新型所述裝置工作時包括以下步驟：

第1步：干涉信號分別與一倍頻載波信號和二倍頻載波信號混頻并進(jìn)行低通濾波；

其中，I表示干涉信號的光強；A是直流項，為常數(shù)；B是交流項幅度，為常數(shù)；Ccos(ω_Ct)是相位調(diào)制信號，C和ω_C分別是調(diào)制信號的幅度和頻率，均為常數(shù)，t表示時間；是被測信號作用在干涉儀上產(chǎn)生的相位差；φ₀表示外界環(huán)境影響產(chǎn)生的相位差、初始相位差以及其他因素產(chǎn)生的相位差之和；

一倍頻載波信號和二倍頻載波信號分別為Gcos(ω_Ct)和Hcos(2ω_Ct)，其中，G和H是倍頻信號的幅度，為常數(shù)；

混頻并進(jìn)行低通濾波后信號為：

其中，I₁表示干涉信號與一倍頻載波信號混頻并進(jìn)行低通濾波后的信號(第一路信號)；I₂表示干涉信號與二倍頻載波信號混頻并進(jìn)行低通濾波后的信號(第二路信號)；J₁(C)和J₂(C)是貝塞爾函數(shù)展開式的系數(shù)，為常數(shù)；k₁和k₂表示模擬解調(diào)引入的失調(diào)電壓，均為常數(shù)；和表示模擬解調(diào)引入的相位噪聲，均為常數(shù)。

第2步：數(shù)字補償

本實用新型涉及的數(shù)字補償通過失調(diào)補償單元和相位補償單元對由模擬解調(diào)造成的失調(diào)量和相位噪聲進(jìn)行補償，得到

其中，I_O1表示第一路信號消除模擬解調(diào)引入的失調(diào)量和相位噪聲后的信號；I_O2表示第二路信號消除模擬解調(diào)引入的失調(diào)量和相位噪聲后的信號。

第3步：消除隨機相位衰落

式(4)和式(5)經(jīng)過微分交叉相乘，得到

其中，I_DCM1表示第一路信號經(jīng)過微分交叉相乘后的信號；I_DCM2表示第二路信號經(jīng)過微分交叉相乘后的信號；表示的微分；

式(7)-式(6)，得到

其中，V′表示兩路微分交叉相乘后的信號相減的結(jié)果。

第4步：被測信號還原

對式(8)進(jìn)行積分，得到

其中，V表示對相減后信號積分的結(jié)果；M為積分常數(shù)；

對式(9)進(jìn)行高通濾波，得到被測信號

其中，S表示高通濾波后得到的最終解調(diào)信號。

所述失調(diào)補償單元，具體的實現(xiàn)方法為：

過程1：使用幅度為1V、頻率在被測信號頻率范圍內(nèi)的單頻余弦信號代替干涉信號輸入到模擬解調(diào)，該信號可以表示為：

I＝cos(ωt) (11)

其中，I表示模擬的干涉信號；ω表示信號角頻率，可選取為被測信號頻率范圍內(nèi)的任意數(shù)值；t表示時間；

幅度為1V的一倍頻載波信號和二倍頻載波信號同時輸入到模擬解調(diào)，信號分別表示為cos(ω_ct)和cos(2ω_ct)，ω_c是載波頻率，為常數(shù)；

經(jīng)過模擬解調(diào)后信號變?yōu)?/p>

其中，I₁表示第一路模擬解調(diào)后的信號；I₂表示第二路模擬解調(diào)后的信號；k₁、k₂表示模擬解調(diào)引入的失調(diào)電壓，均為常數(shù)；表示模擬解調(diào)引入的相位噪聲，均為常數(shù)。

過程2：首先設(shè)置失調(diào)補償單元的2個加法器的變量為a₁、a₂，則式(12)、(13)變?yōu)?/p>

其中，I₁′表示第一路模擬解調(diào)后經(jīng)過加法器的信號；I₂′表示第二路模擬解調(diào)后經(jīng)過加法器的信號。

過程3：經(jīng)過低通濾波后，式(14)、(15)變?yōu)?/p>

I₁″＝k₁+a₁ (16)

I₂″＝k₂+a₂ (17)

其中，I₁″表示第一路經(jīng)過低通濾波的信號；I₂″表示第二路經(jīng)過低通濾波的信號。

過程4：控制器根據(jù)低通濾波后的數(shù)值，調(diào)節(jié)2個加法器的變量，直到使式(16)、(17)為0。

過程5：保持加法器數(shù)值不變，接入干涉信號和載波信號到模擬解調(diào)，對被測信號進(jìn)行相位解調(diào)，此時失調(diào)補償單位消除了前級模擬解調(diào)引入的失調(diào)量。

所述相位補償單元，具體實現(xiàn)方法為：

過程1：使用幅度為1V、頻率在被測信號頻率范圍內(nèi)的單頻余弦信號代替干涉信號輸入到模擬解調(diào)，該信號可以用式(11)表示，

幅度為1V的一倍頻載波信號和二倍頻載波信號同時輸入到模擬解調(diào)，經(jīng)過模擬解調(diào)后變?yōu)槭?12)、(13)；

經(jīng)過失調(diào)補償單元后信號變?yōu)?/p>

其中，I_1OS表示第一路失調(diào)補償后的信號；I_2OS表示第二路失調(diào)補償后的信號。

過程2：設(shè)置相位補償單元的2個延遲器的變量為τ₁、τ₂，則式(18)、(19)變?yōu)椋?/p>

其中，I_1OS′表示第一路經(jīng)過延遲器的信號；I_2OS′表示第二路經(jīng)過延遲器的信號。

過程3：經(jīng)過乘法器，變?yōu)?/p>

其中，I_mul表示兩路經(jīng)過延遲器的信號相乘的結(jié)果。

過程4：經(jīng)過低通濾波，變?yōu)?/p>

其中，I_mul′表示I_mul經(jīng)過低通濾波后的信號。

過程5：控制器根據(jù)低通濾波后的數(shù)值，調(diào)節(jié)2個延遲器的變量，直到使式(23)為0。

過程6：保持延遲器數(shù)值不變，接入干涉信號和載波信號到模擬解調(diào)，對被測信號進(jìn)行相位解調(diào)，此時相位補償單位消除了前級模擬解調(diào)引入的相位噪聲。