本發(fā)明屬于相位生成載波解調(diào)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于相位程控的相位生成載波解調(diào)裝置及方法。

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。

pgc解調(diào)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。

pgc解調(diào)法憑借動態(tài)范圍大、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。在解調(diào)過程中，該方法需要將干涉信號分別與1倍頻載波信號和2倍頻載波信號混頻，獲取被測信號的正弦項(xiàng)和余弦項(xiàng)?；祛l時，要求干涉信號中載波的相位和倍頻信號的相位完全對齊。

但是，在實(shí)際系統(tǒng)中，干涉信號和倍頻信號經(jīng)過不同的光路與電路，具有不同的相位延遲，從而導(dǎo)致解調(diào)信號信噪比嚴(yán)重惡化，解調(diào)精度下降。而且，光器件、電子器件存在長期穩(wěn)定性問題，還會造成載波的頻率漂移，使得干涉信號的載波信號與倍頻信號的相位差呈現(xiàn)隨機(jī)變化，進(jìn)一步加大了解決問題的難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于相位程控的相位生成載波解調(diào)裝置及方法，本發(fā)明能夠解決現(xiàn)有相位生成載波解調(diào)技術(shù)存在的相位不同步、載波頻率漂移等問題，提高解調(diào)精度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于相位程控的相位生成載波解調(diào)裝置，包括控制器、兩個直接數(shù)字頻率合成器、激光器、干涉光路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和解調(diào)模塊，其中：

所述控制器連接兩個直接數(shù)字頻率合成器，設(shè)置其輸出信號的頻率和初始相位，兩個直接數(shù)字頻率合成器中的一個輸出載波信號，另一個輸出1倍頻載波信號和2倍頻載波信號；

所述載波信號驅(qū)動激光器產(chǎn)生光信號給干涉光路，所述干涉光路使載波信號與被測信號實(shí)現(xiàn)干涉，并輸出干涉信號；

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以控制器給的采樣時鐘為基準(zhǔn)，同步完成對干涉信號和1倍頻載波信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出給控制器，控制器將兩個信號進(jìn)行相位對齊；對齊后的干涉信號分別與1倍頻載波信號和2倍頻載波信號進(jìn)行混頻和低通濾波后傳輸至解調(diào)模塊對其進(jìn)行解調(diào)，然后輸出給控制器，以實(shí)現(xiàn)對于被測信號的解調(diào)。

進(jìn)一步的，所述兩個直接數(shù)字頻率合成器連接有共用的高穩(wěn)定性溫補(bǔ)晶振，以具有高穩(wěn)定性同步時鐘。

進(jìn)一步的，所述兩個直接數(shù)字頻率合成器輸出的載波信號、1倍頻載波信號和2倍頻載波信號分別經(jīng)過一個放大器放大。

進(jìn)一步的，所述控制器包括頻率設(shè)置模塊、相位設(shè)置模塊、采樣時鐘模塊、信號提取模塊和同相檢測模塊，其中，所述頻率設(shè)置模塊被配置為設(shè)置兩個直接數(shù)字頻率合成器的頻率；所述相位設(shè)置模塊被配置為設(shè)置兩個直接數(shù)字頻率合成器的初始相位；所述采樣時鐘模塊產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的采樣時鐘；所述信號提取模塊被配置為從解調(diào)模塊的數(shù)字信號中提取被測信號；所述同相檢測模塊被配置為對來自模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字信號的相位進(jìn)行檢測。

進(jìn)一步的，所述干涉光路使載波信號與被測信號實(shí)現(xiàn)干涉，并輸出干涉信號給兩個混頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，兩個混頻器分別實(shí)現(xiàn)干涉信號和1倍頻載波信號，以及干涉信號和2倍頻載波信號的混頻，并將混頻后信號分別輸出給不同的低通濾波器。

所述低通濾波器實(shí)現(xiàn)混頻后信號的低通濾波，使濾波后信號只保留載波頻率以下的低頻成分，并輸出給解調(diào)模塊。

所述解調(diào)模塊包括依次相連的微分交叉相乘模塊、差分放大器、積分器、高通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換子單元，被配置為對兩路低通濾波后信號的解調(diào)，輸出解調(diào)后信號給控制器。

基于上述裝置的方法，控制器連接兩個直接數(shù)字頻率合成器，設(shè)置其輸出信號的頻率和初始相位，使其輸出載波信號、1倍頻載波信號和2倍頻載波信號；

載波信號驅(qū)動激光器產(chǎn)生光信號給干涉光路，使載波信號與被測信號實(shí)現(xiàn)干涉，并輸出干涉信號；

控制器對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集得到的離散化干涉信號進(jìn)行帶通濾波，僅保留載波頻率成份，與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集得到的離散化1倍頻信號做對比，得到兩路離散化信號峰值所對應(yīng)的采集點(diǎn)位置，對兩組采集點(diǎn)位置的差求和，當(dāng)其小于設(shè)定閾值時，確認(rèn)兩組信號相位對齊，否則，調(diào)整輸出載波信號的相位值，直到兩組信號相位對齊；

相位對齊后的干涉信號分別與1倍頻信號、2倍頻信號混頻，并進(jìn)行低通濾波后，經(jīng)過解調(diào)模塊的微分交叉相乘模塊、差分放大模塊、積分模塊和高通濾波模塊處理后，生成最終解調(diào)信號，經(jīng)過解調(diào)模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換子單元完成離散化，并送給控制器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明采用程序控制的方式設(shè)定載波信號、1倍頻信號和2倍頻信號的相位，解決了干涉信號和倍頻信號經(jīng)過不同的光路與電路帶來的相位不同步問題，提高了解調(diào)精度；

(2)本發(fā)明實(shí)時采集干涉信號和1倍頻信號，跟蹤2路信號的相位差，并依據(jù)峰值點(diǎn)對應(yīng)的采集點(diǎn)位置調(diào)整載波信號與1倍頻信號、2倍頻信號的相位差，消除了載波頻率漂移引起的相位隨機(jī)變化對解調(diào)結(jié)果的不利影響，進(jìn)一步提高了解調(diào)精度。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1是解調(diào)裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖2是解調(diào)方法流程圖。

圖3是相位檢測原理框圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

術(shù)語解釋部分：

dcm：微分交叉相乘。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在干涉信號和倍頻信號經(jīng)過不同的光路與電路，具有不同的相位延遲，從而導(dǎo)致解調(diào)信號信噪比嚴(yán)重惡化，解調(diào)精度下降的不足，而且光電子器件存在長期穩(wěn)定性問題，會造成載波的頻率漂移，使得干涉信號的載波信號與倍頻信號的相位差呈現(xiàn)隨機(jī)變化，進(jìn)一步加大了解決問題的難度。為了解決如上的技術(shù)問題，本申請?zhí)岢隽艘环N基于相位程控的相位生成載波解調(diào)裝置及方法。

本申請的一種典型的實(shí)施方式中，如圖1所示，提供了一種基于相位程控的相位生成載波解調(diào)裝置，由控制器、2個直接數(shù)字頻率合成器、高穩(wěn)定性溫補(bǔ)晶振、3個放大器、激光器、干涉光路、2個混頻器、2個低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和解調(diào)模塊組成。

所述控制器輸出2路數(shù)字總線，分別連接2個直接數(shù)字頻率合成器，設(shè)置其輸出信號的頻率和初始相位；

所述控制器輸出1路數(shù)字時鐘信號，連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，提供模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣時鐘；

所述控制器輸入3路數(shù)字信號，分別來自模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的2路數(shù)字信號和解調(diào)模塊的1路數(shù)字信號；

所述控制器由頻率設(shè)置、相位設(shè)置、采樣時鐘、信號提取、同相檢測5個功能模塊組成；

所述頻率設(shè)置功能模塊實(shí)現(xiàn)對2個直接數(shù)字頻率合成器的頻率設(shè)置；

所述相位設(shè)置功能模塊實(shí)現(xiàn)對2個直接數(shù)字頻率合成器的初始相位設(shè)置；

所述采樣時鐘功能模塊產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的采樣時鐘；

所述信號提取功能模塊實(shí)現(xiàn)從解調(diào)模塊的1路數(shù)字信號中提取被測信號的功能；

所述同相檢測功能模塊實(shí)現(xiàn)對來自模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的2路數(shù)字信號的相位檢測；

所述2個直接數(shù)字頻率合成器輸出信號的頻率和相位由控制器進(jìn)行控制，具體的講，是由控制器通過數(shù)字總線設(shè)定其頻率控制字和相位控制字的方式來實(shí)現(xiàn)；

所述2個直接數(shù)字頻率合成器輸出3路信號，其中直接數(shù)字頻率合成器1輸出1路載波信號，直接數(shù)字頻率合成器2輸出1路1倍頻載波信號和1路2倍頻載波信號；

所述高穩(wěn)定性溫補(bǔ)晶振同時連接2個直接數(shù)字頻率合成器，為其提供高穩(wěn)定性時鐘；

所述3個放大器實(shí)現(xiàn)對2個直接數(shù)字頻率合成器3路輸出信號的放大，其中放大器1放大直接數(shù)字頻率合成器1的載波信號，輸出給激光器，放大器2放大直接數(shù)字頻率合成器2的2倍頻載波信號，輸出給混頻器2，放大器3放大直接數(shù)字頻率合成器2的1倍頻載波信號，輸出給混頻器1和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；

所述激光器由放大后的載波信號驅(qū)動，輸出光信號給干涉光路；

所述干涉光路使載波信號與被測信號實(shí)現(xiàn)干涉，并輸出干涉信號給2個混頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；

所述2個混頻器分別實(shí)現(xiàn)干涉信號和1倍頻載波信號、2倍頻載波信號的混頻，并輸出給2個低通濾波器；

所述2個低通濾波器實(shí)現(xiàn)2路混頻后信號的低通濾波，使濾波后信號只保留載波頻率以下的低頻成分，并輸出給解調(diào)模塊；

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以控制器給的采樣時鐘為基準(zhǔn)，同步完成對干涉信號和1倍頻載波信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出給控制器；

所述解調(diào)模塊由微分交叉相乘(dcm)模塊、差分放大器、積分器、高通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換子單元組成，dcm模塊、差分放大器、積分器、高通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換子單元依次連接，實(shí)現(xiàn)對2路低通濾波后信號的解調(diào)，輸出解調(diào)后信號給控制器。

如圖2、圖3所示，方法包括以下步驟：

第1步：初始化載波信號和倍頻信號

控制器設(shè)置直接數(shù)字頻率合成器1的頻率和相位，頻率為16khz，相位是得到載波信號為：

其中，a1表示載波信號的幅度；t表示時間；

控制器設(shè)置直接數(shù)字頻率合成器2的頻率和相位，得到2路倍頻信號分別為：

其中，a2表示1倍頻信號的幅度；表示1倍頻信號的相位；a3表示2倍頻信號的幅度；表示2倍頻信號的相位，并且

第2步：信號干涉與采集

激光器被放大后的載波信號驅(qū)動，產(chǎn)生相應(yīng)的光信號并進(jìn)入干涉光路，與被測信號干涉后，得到干涉信號：

其中，i表示干涉信號；a4表示直流項(xiàng)幅度，為常數(shù)；b表示交流項(xiàng)幅度，為常數(shù)；c表示干涉信號中載波信號的幅度，為常數(shù)；表示載波頻率漂移引起的相位動態(tài)變化；表示綜合相位，且表示被測信號引起的干涉信號相位變化，表示干涉光路的初始相位，表示相位噪聲；

1倍頻和2倍頻信號經(jīng)過放大器后，變?yōu)椋?/p>

其中，g表示放大后的1倍頻信號幅度；h表示放大后的2倍頻信號幅度；

第3步：相位對齊

如圖2，圖3所示。相位對齊步驟如下。

第3.1步，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對干涉信號和1倍頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并送給控制器。

第3.2步，控制器對干涉信號進(jìn)行帶通濾波，僅保留載波頻率成份：

其中，x1(n)表示干涉信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換離散化，并且完成帶通濾波后的信號；c′表示帶通濾波后的信號幅度；n表示干涉信號在一個載波信號周期內(nèi)被采集的點(diǎn)數(shù)，為常數(shù)；n表示采樣點(diǎn)；表示載波頻率漂移引起的相位動態(tài)變化的離散化值，由于載波頻率漂移是一個長期緩慢的過程，在單次采樣中，可以認(rèn)為是一個常數(shù)；

第3.3步，控制器接收到的1倍頻離散化信號為：

其中，x2(n)表示1倍頻信號的離散化值；

第3.4步，控制器求出2路離散化信號峰值所對應(yīng)的采集點(diǎn)位置，x1(n)的峰值所對應(yīng)的采集點(diǎn)記為ni,ni+1,ni+2,ni+3,……；x2(n)的峰值所對應(yīng)的采集點(diǎn)為nj,nj+1,nj+2,nj+3,……；

第3.5步，對2組采集點(diǎn)位置的差求和：

d＝(ni-nj)+(ni+1-nj+1)+(ni+2-nj+2)+……(9)

理想情況下，當(dāng)d＝0時干涉信號載波成份的相位與1倍頻信號的相位一致，但是考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中時鐘抖動、量化誤差等因素，設(shè)定接近于0的閾值d1，當(dāng)d≤d1即認(rèn)為干涉信號載波成份的相位與1倍頻信號的相位一致，完成相位對齊；

如果d＞d1，控制器重新設(shè)置直接數(shù)字頻率合成器1輸出載波信號的相位，直到d≤d1，完成相位對齊。

第4步：信號解調(diào)

相位對齊后的干涉信號分別與1倍頻信號、2倍頻信號混頻，并進(jìn)行低通濾波后，得到：

其中，i1表示干涉信號與1倍頻信號混頻并進(jìn)行低通濾波后的信號(第1路信號)；i2表示干涉信號與2倍頻信號混頻并進(jìn)行低通濾波后的信號(第2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)；

經(jīng)過解調(diào)模塊的微分交叉相乘模塊，信號變?yōu)椋?/p>

其中，idcm1表示第一路信號經(jīng)過微分交叉相乘后的信號；idcm2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。

經(jīng)過差分放大模塊后，信號變?yōu)椋?/p>

其中，v′表示2路微分交叉相乘后的信號差分放大的結(jié)果；

經(jīng)過積分模塊后，信號變?yōu)椋?/p>

其中，v表示積分后的結(jié)果；m為積分常數(shù)；

經(jīng)過高通濾波模塊后，信號變?yōu)椋?/p>

其中，s表示高通濾波后得到的最終解調(diào)信號；

該信號經(jīng)過解調(diào)模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換子單元完成離散化，并送給控制器。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。