相敏檢波器的輸出信號只有在經(jīng)過一個低通濾波后，才能得到與濃度有關(guān)的直流信號，所以低通濾波是很重要的一個環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接影響后期的數(shù)據(jù)處理。考慮到礦井下通信環(huán)境的特殊要求，為了確保提取有用的信號采用的是FIR濾波器，這種濾波器對脈沖輸入信號的響應(yīng)最終趨向于零，故這種濾波器一定是穩(wěn)定和能夠?qū)崿F(xiàn)的，另外在線性相位要求高的場所采用FIR濾波器也較好，同時也符合了參考信號與有用信號同頻同相的要求。

本設(shè)計(jì)中的FIR低通濾波器采用巴特沃斯低通濾波，截止頻率為10kHz，采樣頻率為40kHz的指標(biāo)，阻帶衰減為80dB。

DSP實(shí)現(xiàn)低通濾波

相敏檢波器的輸出信號直接被采樣到DSP的內(nèi)部，利用DSP優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)高速處理數(shù)據(jù)能力來實(shí)現(xiàn)低通數(shù)字濾波。基于此本文采用DSP實(shí)現(xiàn)低通濾波，在濾波方式上進(jìn)行算法的改進(jìn)。選擇TMS320F2812型DSP 為核心的主控芯片，它具有高速的運(yùn)算能力、強(qiáng)大的實(shí)時處理能力和高度集成化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，指令周期為6.67ns，并采用流水線技術(shù)，使得信號的處理速度明顯提高。DSP中的專用硬件乘法器和特殊指令DMAC的采用，使得在一個處理器時鐘周期里可以得到兩個操作數(shù)相乘的結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)恰好滿足了數(shù)字信號處理中的一些特殊要求如FIR、IIR、FFT等運(yùn)算，此外，TMS320F2812片內(nèi)擁有高達(dá)128K×16位的FLASH程序存儲器，可以滿足程序中濾波器的系數(shù)、采樣數(shù)據(jù)以及運(yùn)算結(jié)果的乘法和累加的存儲。

程序開始時首先要對系統(tǒng)、寄存器、工作變量進(jìn)行初始化，打開全局中斷，設(shè)置采樣時鐘頻率，EVA模塊的定時器初始化及配置，數(shù)據(jù)的采樣是在中斷子程序中完成，采集到的數(shù)據(jù)先保存在FIFO中，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后DSP從FIFO中讀取數(shù)據(jù)開始進(jìn)行相關(guān)性、濾波等一系列的處理，最后將結(jié)果顯示輸出。程序的流程圖如圖2所示：

圖2 程序流程圖

仿真圖形如圖3、圖4、圖5所示：圖3上半部分是濾波前的波形，下半部分是濾波后的波形。

仿真結(jié)果分析：由時域圖可以看出，原始波形上的不規(guī)則毛刺得到了很好的平滑，反映在頻譜圖可以看出，輸入波形中的低頻部分通過了濾波器，高頻信號則大部分被濾除。較好地抑制了噪聲的干擾，進(jìn)而有效的提取微弱瓦斯信號，符合鎖相放大對輸出波形的要求。

圖3 濾波前后的波形對照

圖4 濾波前輸入信號的頻譜

圖5 濾波后輸出信號的頻譜

結(jié)束語

本文介紹了一種鎖相放大和DSP實(shí)現(xiàn)的濾波器共同實(shí)現(xiàn)微弱信號檢測的原理和方法，并給出了TMS320F2812 DSP在算法上實(shí)現(xiàn)低通濾波器的流程圖及仿真結(jié)果，結(jié)果表明采用DSP實(shí)現(xiàn)低通濾波與相敏檢波原理相結(jié)合的方法來檢測微弱瓦斯?jié)舛刃盘枺哂泻軓?qiáng)的噪聲抑制能力，可使整個系統(tǒng)穩(wěn)定性、靈敏度更高。