2電子測量的基礎(chǔ)知識

1、幾何量電子傳感測量,葉曉明武漢大學(xué)測繪學(xué)院測量工程研究所,第二章 電子測量的基本知識,2.1電子測量的意義和特點(diǎn)2.2 傳感器2.3電信號的物理參數(shù)2.4電信號處理技術(shù)及常用電子線路（器件）,電子測量的意義和特點(diǎn),以電子技術(shù)為手段的電子測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了測量和儀器制造業(yè)的革命性飛躍。測量已經(jīng)從模擬式實(shí)現(xiàn)了全面的數(shù)字化，并還在逐步向智能化、自動化方向發(fā)展。,電子測量的意義和特點(diǎn),電子測量是泛指以電子技術(shù)為手段而進(jìn)行的測量，是將

2、被測的物理量轉(zhuǎn)化為電信號的某個物理參數(shù)進(jìn)行測量的過程，電子測量已成為一門與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)緊密相關(guān)、發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛、對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著重大推動作用的獨(dú)立科學(xué)。其早已滲透到包括測繪學(xué)在內(nèi)的諸多尖端科技領(lǐng)域。從某種意義上說，電子測量的技術(shù)水平是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。,電子測量的意義和特點(diǎn),高精度。,數(shù)字化。,寬量程。,環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。對于遙遠(yuǎn)距離或環(huán)境惡劣，人體不便接觸或無法到達(dá)的區(qū)域（如人造 衛(wèi)星、深海、地下、核反

3、應(yīng)堆內(nèi)）。,自動化作業(yè)易于實(shí)現(xiàn)測量過程的自動化和測量儀器微機(jī)化。由于大規(guī)模集成電路和微型計算機(jī)。,快速。,電子測量的意義和特點(diǎn),由于電子測量技術(shù)具有一系列優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域。目前，電子測量技術(shù)（包括測量理論、方法、儀器等）已成為電子科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展迅速的一個重要分支。,傳感器,國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。

4、傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。,,“傳感器”在新韋式大詞典中定義為： “從一個系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統(tǒng)中的器件”。 根據(jù)這個定義，傳感器的作用是將一種能量轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，所以不少學(xué)者也用“換能器－Transducer”來稱謂“傳感器－Sensor”。,電子學(xué)教

5、科書中常見的分類方式,電阻應(yīng)變式傳感器 電感式傳感器 電容式傳感器 壓電式傳感器 磁電式傳感器 熱電式傳感器 光電式傳感器 光纖傳感器 紅外傳感器 其他傳感器,,傳感器的特征要素：物理量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為電信號只是一個階段性需求。并不一定以能量轉(zhuǎn)換為標(biāo)志有些物理量并不具備能量屬性，譬如距離，角度等。以測量為目的，最終完成物理量的數(shù)字化描述。狹義的傳感器概念自然容易跟換能器、變送器概念混淆不清。廣義傳感器的定義應(yīng)該

6、是：實(shí)現(xiàn)物理量的模擬式或數(shù)字式的電子化測量的器件或儀器。廣義的傳感器技術(shù)的定義自然就是實(shí)現(xiàn)物理量電子式測量的技術(shù)方法。,電信號的物理參數(shù),電信號有許多物理參數(shù)，如電壓、電流、功率、頻率、周期、相位、頻譜、延遲、脈寬、占空比等，這些物理參數(shù)都可被測量。,這些物理參數(shù)都可以作為實(shí)現(xiàn)其他物理量測量的手段，即通過一些特定的傳感器技術(shù)將被測物理量轉(zhuǎn)換成電的某個物理參數(shù)，通過對電參數(shù)的測量來實(shí)現(xiàn)其他物理量的測量。如光電測距儀中，通過光電傳感器

7、將被測距離轉(zhuǎn)換成交流電信號的相位差，通過對電信號的相位差測量來精確測量被測距離。,電信號的物理參數(shù),電壓：代表某二點(diǎn)的電勢差別的物理量，反映了單位電荷的作功的能力。單位為伏特。,電流：代表單位時間通過某電路的電荷數(shù)量的物理量。單位為安培。反映電流與電壓關(guān)系的規(guī)律是歐姆定律，即電流=電壓/電阻。,功率：代表電信號在單位時間里所做的功，其值為電壓與電流的乘積。單位為瓦特。,頻率：是指交流電在單位時間里所交變的周期數(shù)，單位為赫茲。,周期：是指

8、交流電信號腳變一次所經(jīng)歷的時間，單位為秒。,相位：是指一定的時間點(diǎn)觀察的交流電信號在其周期中的相對位置，單位為弧度。,脈寬：是指脈沖信號的持續(xù)時間。,占空比：是指周期脈沖信號的脈寬與其周期的比值,電信號的物理參數(shù),在測繪儀器中，頻率、周期、相位、脈寬、占空比這些物理量的測量是用得很多的，幾乎所有距離量包括角度量（度盤測角的實(shí)質(zhì)也是對位移量的測量）都要通過對這些物理量的測量來實(shí)現(xiàn)。,頻譜：是指電信號中所包含的所有正弦信號的頻率和振幅構(gòu)成。

9、,電信號的物理參數(shù),頻譜測量的意義也非常重大的，譬如我們可以根據(jù)元素的輻射波譜特性對遙遠(yuǎn)星球的輻射波譜進(jìn)行測量分析，從而確定該星球的元素構(gòu)成甚至星球背離我們的運(yùn)動速度，對化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行波譜分析判定該物質(zhì)的構(gòu)成等。,在測繪儀器中，頻譜的知識也是很重要的。譬如，在相位式光電測距儀中，我們通常使用單頻率信號進(jìn)行相位測量，信號頻譜單一，我們就可以有針對地設(shè)計非常窄頻帶的濾波器，以提高信號的信噪比，從而提高測量精度實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)測程。,電信號的物理參數(shù),在

10、數(shù)字電子水準(zhǔn)儀中，通過巧妙的編碼可以使標(biāo)尺圖象信號中包含有周期頻譜，從而可以實(shí)現(xiàn)快速的測量。在GPS接收機(jī)中，由于使用了擴(kuò)頻技術(shù)，我們采用相關(guān)接收技術(shù)實(shí)現(xiàn)載波頻譜的恢復(fù)等等。,電信號處理技術(shù)及常用電子線路（器件）,2.3.1光電子器件2.3.2濾波2.3.3放大器2.3.4振蕩器2.3.5變頻2.3.6自動增益控制電路AGC2.3.7鎖相環(huán)2.3.8整形2.3.9計數(shù)2.3.10線性偽隨機(jī)序列2

11、.3.11擴(kuò)頻調(diào)制與相關(guān)接收2.3.12微處理器MCU2.3.13D/A轉(zhuǎn)換2.3.14A/D轉(zhuǎn)換,光電子器件,發(fā)光二極管,,發(fā)光二報管的用途很廣，幾乎在任何電子儀器或儀表上都可以看到它。尤其在近幾年中，隨著光通信的迅速發(fā)展，由于這種光電器件在發(fā)射波長、功率以及調(diào)制頻率等若干指標(biāo)上，均能與系統(tǒng)相匹配，滿足系統(tǒng)的要求，因此它與激光二極管一同被認(rèn)為是光通信最理想的光源。,光電子器件,光敏二極管,又稱光電二極管，它的結(jié)構(gòu)與普通二

12、極管類似，光電二極管PN結(jié)工作在反向偏置狀態(tài)，在光的照射下，反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升,光敏二極管用于將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，在電子經(jīng)緯儀中，光敏二極管將度盤轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的光柵或條碼的移動信息轉(zhuǎn)換為電信號。在測距儀中，雪崩光敏二極管將棱鏡或目標(biāo)反射回的高頻調(diào)制光信號轉(zhuǎn)換成電信號。,光電子器件,CCD（Charge-Coupled Devices ）,CCD是圖象攝像器件，用于將物體影象轉(zhuǎn)換成電信號。在數(shù)字電子水準(zhǔn)儀中用于將標(biāo)尺上的條碼信息

13、轉(zhuǎn)換成電信息。,CCD的光電轉(zhuǎn)換功能和光敏二極管是類似的，而其真正的技術(shù)創(chuàng)造點(diǎn)在于其龐大的模擬移位寄存器，使得它能夠把感光獲得的模擬視頻信息逐行逐列順序輸出。,CCD,其內(nèi)部模擬移位寄存器實(shí)際上是一串緊密排布的MOS電容器，它的作用是存貯和轉(zhuǎn)移信號電荷。,,CCD的移位寄存器的工作原理,在轉(zhuǎn)移柵上施以電壓，則在它的下面便形成一個一定深度的耗盡層，通常把這個電勢較低的區(qū)域稱作“電子勢阱”。,電壓越高，勢阱越深。,電荷存儲在勢阱里,電荷總是

14、從高勢阱向低勢阱移動,光電子器件,CCD的移位寄存器的工作原理,光電子器件,一種線陣CCD內(nèi)部原理,濾波,由于信號往往總是伴隨著干擾、噪聲等，許多情況下信號甚至是掩埋在噪聲干擾之中，這些干擾和噪聲直接影響著測量的精度、測程等性能，甚至可能使測量無法完成。,譬如在光電測距儀中，當(dāng)棱鏡處于遠(yuǎn)距離時，回光信號很微弱，電路的固有噪聲則往往是一定的，雖然放大器可以將信號放大，但同時也把噪聲也放大了，放大器并不能提高信號的信噪比，這時的測量值的重復(fù)

15、性往往就比較差。若距離繼續(xù)增加，信號更微弱，以至于無法完成測量。,濾波器有高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等，這些濾波器一般由電阻、電容、電感這些元件或配合放大器構(gòu)成，也有采用軟件運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器。,放大器,由于傳感器輸出的電信號通常都很微弱，不可能直接用于測量的需要，所以必須將其放大到足夠的電平。,由于傳感器輸出的電信號通常都很微弱，不可能直接用于測量的需要，所以必須將其放大到足夠的電平。,低噪聲放大器、高頻放大器、

16、直流放大器、中頻放大器、功率放大器,振蕩器,振蕩器由放大器、濾波器接成正反饋而構(gòu)成，在相位平衡和幅度平衡的約束下，振蕩器產(chǎn)生單一的正弦信號，稱為正弦波振蕩器。在測量儀器中，振蕩器是各種時間基準(zhǔn)等測量信號的發(fā)源地。,振蕩器,變頻,有些場合測量信號頻率很高，一方面難以實(shí)現(xiàn)更窄帶的濾波，二方面難以實(shí)現(xiàn)更高增益的放大，三方面高頻信號有時難以直接測量等等，所以信號在經(jīng)過前置放大到一定倍數(shù)后往往對它進(jìn)行變頻（降頻）處理，將它轉(zhuǎn)換為較低頻率的中頻信號

17、，中頻信號仍然保留著原來的測量信息。,變頻器也叫混頻器，它由半導(dǎo)體器件的非線性特性來實(shí)現(xiàn)，圖為混頻器的組成框圖，它由非線性器件和帶通濾波器組成。,變頻,高頻輸入信號,本地振蕩信號,非線性器件特性,輸入與本地疊加,,,,,,疊加信號作用于非線性器件,,電流中的頻率分量,變頻,,稱為低中頻，,稱為高中頻,用此濾波器選擇出所需的中頻信號，即完成變頻。,兩個中頻分量主要是由平方項(xiàng)展開后的兩個電壓的相乘項(xiàng),產(chǎn)生的。由此可見，凡能實(shí)現(xiàn)兩個電壓相乘或

18、具有相乘因素的非線性器件，都可用做混頻器件。,一般使用,作為中頻，顯然它使得信號的頻率（或頻譜）實(shí)現(xiàn)了向低端的頻移。,,變頻的意義,它實(shí)現(xiàn)了更窄頻帶的濾波，可以大大提高信噪比。譬如，當(dāng)光電測距儀的主頻為50MHZ時，在這個中心頻率下的濾波器的帶寬很難做到1MHZ以下，即使做到，穩(wěn)定性也不高。但當(dāng)使用變頻技術(shù)將接收到的信號降頻為10KHZ時，在這個中心頻率下我們可以很輕易將頻帶做到只有幾百赫茲。這樣一來，我們就等于實(shí)現(xiàn)了50MHZ信號的幾

19、百赫茲帶寬的窄帶濾波，噪聲干擾等大大被衰減，提高了信噪比。,變頻的意義,可以實(shí)現(xiàn)更高增益的穩(wěn)定放大。,變頻的意義,可以實(shí)現(xiàn)有效的測量。我們還是以主頻為50MHZ的光電測距儀為例。由于光電測距儀是以測量高頻信號的相位來實(shí)現(xiàn)精確測量的，但高頻信號的相位測量精度很難提高。如果將其降頻為10KHZ時則大大不同了，精確的相位測量在數(shù)字相位計中則比較容易實(shí)現(xiàn)。,自動增益控制電路AGC,自動增益控制電路(AGC)是接收機(jī)重要的輔助電路之一，對于無線電

20、接收機(jī)來說，輸出電平主要取決于所接收信號的強(qiáng)弱以及接收機(jī)本身的電壓增益。由于各種原因，接收信號的起伏變化較大，信號弱時，只有幾微伏或幾十微伏，而信號強(qiáng)時可達(dá)幾百毫伏。為了保持接收機(jī)輸出電平的相對穩(wěn)定，顯然，當(dāng)接收的信號比較弱時，則要求接收機(jī)的電壓增益提高；相反，當(dāng)接收的信號比較強(qiáng)時，則要求接收機(jī)的電壓增益相應(yīng)減小。,自動增益控制電路AGC,改變發(fā)射極電流Ie,,自動增益控制電路AGC,改變放大器的總負(fù)載電阻RL,,改變RL的方法可以用二

21、極管的非線性特性，也可以用場效應(yīng)管，還可以用數(shù)控多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)總負(fù)載值調(diào)整等辦法實(shí)現(xiàn)。,對于時間（相位）測量系統(tǒng)來說，AGC最需要顧及的問題是電路的延遲不能隨之改變！,鎖相環(huán)PLL,在前邊介紹的變頻環(huán)節(jié)中，我們忽略了一個問題，那就是本機(jī)振蕩頻率的穩(wěn)定度問題，顯然，要使得中頻信號頻率的穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)中頻放大就必須保證本地振蕩頻率和接收信號的頻率相關(guān)聯(lián)，否則本地振蕩器的頻率漂移會導(dǎo)致中頻頻率完全偏離。,自動頻率控制（AFC）,在時間測量系統(tǒng)中

22、使用顯然不足，因?yàn)椴荒鼙ＷC相位的鎖定。,鎖相環(huán)PLL,鎖相環(huán)路(PLL)則是一種自動相位控制系統(tǒng)，它能使受控振蕩器的頻率和相位均與輸入信號的頻率和相位保持確定的關(guān)系，即保持相位同步，稱為鎖相。,和AFC相比，這里的本地振蕩信號和輸入信號完全同頻。,基本鎖相環(huán)路由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)三部分組成。,鎖相環(huán)PLL,在環(huán)路中，鑒相器相當(dāng)于比較裝置，比較環(huán)路的輸入和輸出相位，輸出誤差信號。環(huán)路濾波器是一個控制信

23、號發(fā)生器，它對誤差信號進(jìn)行處理，輸出控制信號，然后加到壓控振蕩器上的調(diào)節(jié)輸出信號上。,鎖相環(huán)PLL,典型的鑒相器是模擬乘法器,,,,鎖相環(huán)PLL,經(jīng)過環(huán)路濾波濾除2ω0項(xiàng)后,,,為兩相乘電壓的瞬時相位差,鑒相器的作用是將誤差相位轉(zhuǎn)化為誤差電壓輸出,鎖相環(huán)PLL,環(huán)路濾波器是低通濾波器，用來濾除誤差電壓,中的高頻分量和噪聲。,鎖相環(huán)PLL,壓控振蕩器是指振蕩角頻率受控制電壓,控制的振蕩器。,壓控振蕩器的受控特性,,一種變?nèi)荻O管構(gòu)成的壓控

24、振蕩器,鎖相環(huán)PLL,壓控振蕩器輸出的對鑒相器起作用的不是瞬時角頻率而是它的瞬時相位。,由于相位是頻率的積分，壓控振蕩器在鎖相環(huán)路中實(shí)際上起了一次積分作用。所以鎖定后的信號沒有頻率差，最多只有恒定（鎖定）的相差。,鎖相環(huán)路的基本方程,鎖相環(huán)PLL,環(huán)路的捕捉與鎖定,環(huán)路開始工作時，鑒相器輸入端的兩信號間存在固有角頻差,鑒相器輸出一個角頻率等于固有角頻差的差拍信號：,若兩信號間的角頻差很大，則差拍信號很容易受到環(huán)路濾波器的抑制，差拍信號加

25、不到壓控振蕩器上，控制頻差建立不起來，壓控振蕩器自由振蕩不受控制。,鎖相環(huán)PLL,一旦二信號頻率很接近，差拍信號就很容易通過環(huán)路濾波器加到壓控振蕩器上。在這個差拍電壓信號作用下、壓控振蕩器的瞬時角頻率就會圍繞固有角頻率在一定范圍內(nèi)來回擺動。壓控振蕩器的瞬時角頻率等于輸入信號時，在滿足一定條件在這個頻率上穩(wěn)定下來 ，鑒相器兩輸人信號的相位差不再隨時間變化鑒相器輸出一個數(shù)值較小的直流誤差信號，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。,鎖相環(huán)PLL,環(huán)路跟蹤,環(huán)路

26、鎖定是一種動態(tài)平衡，一旦輸入信號頻率改變，必然反映到相位差的改變，鑒相 器必然輸出誤差電壓控制壓控振蕩器跟蹤輸入信號的變化。,不過跟蹤范圍是有限的，它取決于環(huán)路的固有頻差 。,鎖相環(huán)PLL,輸人信號中不可避免地混雜著大量的噪聲和干擾。當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，處于輸人信號頻率附近的干擾信號將以差拍形式在鑒相器輸出端產(chǎn)生差拍電壓。差拍頻率就是干擾頻率與壓控振蕩器的鎖定輸出頻率之差，其中，差頻較高的大部分差拍干擾信號被環(huán)路濾波器抑制，施于壓控振

27、蕩器上的干擾控制電壓很小，所以壓控振蕩器的輸出信號可以看成是經(jīng)過環(huán)路提純了的輸出信號。在這里，環(huán)路起了一個濾除噪聲的窄帶濾波器的作用。,鎖相環(huán)路的窄帶特性,整形,許多測量過程的實(shí)現(xiàn)都是數(shù)字化，有時候需要將包含有測量信息的正弦信號轉(zhuǎn)化為方波才能讓數(shù)字測量電路實(shí)現(xiàn)有效測量。,完成正弦信號到方波信號（數(shù)字信號）轉(zhuǎn)換的電路為整形電路，它的過程仍然是對信號進(jìn)行放大和限幅（削波），使正弦信號的上升下降邊沿更陡峭而頂部和底部被削掉。,計數(shù),數(shù)字計數(shù)器

28、，它是由多個觸發(fā)器按一定的進(jìn)制規(guī)則組成的時序邏輯電路。,線性偽隨機(jī)序列,在GPS技術(shù)以及現(xiàn)代直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻技術(shù)中，都要用到一類稱之為偽噪聲序列(Pseudo-Noise Sequence)的擴(kuò)頻碼序列。這類序列具有類似隨機(jī)噪聲的一些統(tǒng)計特性，但和真正的隨機(jī)信號不同，它可以重復(fù)產(chǎn)生和處理，故稱作偽隨機(jī)序列。偽隨機(jī)序列有多種，其中最基本、最常用的一種是最長線性反饋移位寄存器序列，也稱最大長度序列、直接序列、m序列、PN碼等。近20來

29、年，在測距、多址通訊、擴(kuò)展頻譜編碼、加密編碼、抗干擾、雷達(dá)等眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。,線性偽隨機(jī)序列,初始狀態(tài)為Q1Q2Q3Q4Q5Q6=000001，這樣在時鐘的作用下，寄存器Q6的輸出將是如下一個二進(jìn)制序列：100000100001100010100111101000111001001011011101100110101011111,線性偽隨機(jī)序列,可以看出，這個序列有63個元素，而且每經(jīng)過63個元素就重復(fù)一次。但從局部看，0和

30、1的出現(xiàn)沒有規(guī)律，從整體看，0和1的出現(xiàn)概率基本相等。這就是一個偽隨機(jī)序列。,100000100001100010100111101000111001001011011101100110101011111,線性偽隨機(jī)序列,一般地，由m級寄存器構(gòu)成的線性移位寄存器如圖，通常把m稱作移位寄存器的長度。每個寄存器的反饋支路都乘以Ci。當(dāng)Ci＝0時，表示該支路斷開；當(dāng)Ci＝1時表示該支路接通。顯然，長度為m的移位寄存器能夠輸出的最長序列長度為N

31、＝2m-1。此序列便稱作最長移位寄存器序列，簡稱m序列。,線性偽隨機(jī)序列,當(dāng)然，為了獲得一個m序列，反饋抽頭不能是任意的。對給定的m，尋找能夠產(chǎn)生m序列的抽頭位置或者說是系數(shù)Ci，是一個復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，這里不作討論，僅給出一些結(jié)果，如表所示。,線性偽隨機(jī)序列,例如m＝5，給定移位寄存器的初始狀態(tài)為{11111}時：,抽頭為[2，5]的序列為 1111100110100100001010111011000,抽頭為[2，3，4，5]的序列

32、為1111100100110000101101010001110,抽頭為[1，2，4，5]的序列為1111101100111000011010100100010,線性偽隨機(jī)序列,偽隨機(jī)序列的一些性質(zhì),1．平衡特性 在m序列的一個完整周期N＝2m－l內(nèi)，0的個數(shù)和1的個數(shù)總是相差為1。,2．游程特性 在每個周期內(nèi)，符號1或0連續(xù)相同的一段子序列稱作一個游程。連續(xù)相同符號的個數(shù)稱作游程的長度。,其中每條下畫線都對應(yīng)序列的

33、一個游程。m序列游程總數(shù)為(N+1)／2。其中長度為1的游程數(shù)等于游程總數(shù)的1／2；長度為2的游程數(shù)等于游程總數(shù)的l／4；長度為3的游程數(shù)等于游程總數(shù)的1／8…最長的游程是m個連l(只有一個)，最長連0的游程長度為m－1(也只有一個)。,例如m＝5，長度等于31的m序列； 11111 00 11 0 1 00 1 0000 1 0 1 0 111 0 11 000,線性偽隨機(jī)序列,3．相關(guān)特性兩個序列的相關(guān)是用來描述它們的相似性(

34、差異)。定量描述這種差異的方法是這兩個序列的對應(yīng)位模二加。若對應(yīng)的比特相同，模二加結(jié)果為0，否則為1。顯然，模二加結(jié)果為0的個數(shù)越多，這兩個序列就越相似。,把序列b右移n位記為b(n)，比較它們對應(yīng)位置的碼元，設(shè)A為碼元相同的數(shù)目，D為碼元不同的數(shù)目，定義序列a，b的互相關(guān)系數(shù)為：,下面以例子說明，設(shè)有周期相同的兩個序列a，b：,線性偽隨機(jī)序列,例如序列a和b（2）的互相關(guān)系數(shù)計算如下：,,若a＝b，,稱作序列的自相關(guān)函數(shù)。,線性偽隨機(jī)

35、序列,可以證明m序列的自相關(guān)函數(shù)是周期的二值函數(shù)，對長度為N的m序列都有結(jié)果,若把m序列表示為一個雙極性NRZ信號，用-1脈沖表示邏輯“1”，用+1脈沖表示“0”，得到一個周期性脈沖信號。每個周期有N個脈沖，每個脈沖稱作碼元(chip)，碼元的長度為Tc。周期為T＝NTc。此時m序列就是連續(xù)時間t的函數(shù)m(t)，這是移位寄存器實(shí)際輸出的波形，如圖所示。,線性偽隨機(jī)序列,它的自相關(guān)函數(shù)就定義為,是連續(xù)時間的偏移量，,是周期函數(shù),在一個周期

36、內(nèi)[-T/2，T/2]，它可以表示為,其波形如圖,當(dāng)周期很大時，m序列的自相關(guān)函數(shù)波形變得十分尖銳而接近沖激函數(shù)，而這正是高斯白噪聲的自相關(guān)函數(shù)。這說明隨著N的增加，m序列越是呈現(xiàn)隨機(jī)信號的性質(zhì)。,線性偽隨機(jī)序列,偽隨機(jī)序列的功率譜,從移位寄存器出來的m序列的信號是一個周期信號，所以其功率譜是一個離散譜，理論分析(過程略)給出m序列的功率譜為,在序列周期T保持不變的情況下，隨著N的增加，m(t)的碼元Tc＝T／N變短，脈沖變窄，頻譜變寬

37、，譜線變短。上述情況表明，隨著N的增加，m(t)的頻譜變寬變平且功率譜密度也在下降，而接近高斯白噪聲的頻譜。,擴(kuò)頻調(diào)制與相關(guān)接收,從通信的角度看，GPS系統(tǒng)是一個典型的偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，其廣播星歷等窄基帶信號對載波PSK（Phase Shift Keying）調(diào)制后再由偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻后發(fā)射出來，接收端利用偽隨機(jī)碼相關(guān)接收以實(shí)現(xiàn)廣播星歷等信號的解調(diào)。而通過偽隨機(jī)碼和載波相位實(shí)現(xiàn)距離測量則都是擴(kuò)頻通信的進(jìn)一步成果。,擴(kuò)頻調(diào)制與相關(guān)接收,采

38、用2PSK（二進(jìn)制相位調(diào)制，也稱BPSK即Binary-Phase Shift Keying）調(diào)制的直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)如圖所示,b(t)為二進(jìn)制數(shù)字基帶信號，c(t)為m序列發(fā)生器輸出的PN碼序列信號。它們的波形都是取值±1的雙極性NRZ碼，這里邏輯“0”表示為+l，邏輯“1”表示為－l。通常，b(t)一個比特的長度Tb等于PN序列c(t)的一個周期。,。,擴(kuò)頻的具體操作是用c(t)和b(t)相乘,,擴(kuò)頻調(diào)制,擴(kuò)頻調(diào)制與相關(guān)接收

39、,擴(kuò)頻調(diào)制與相關(guān)接收,解擴(kuò)和解調(diào),接收機(jī)將收到的信號首先和本地產(chǎn)生的PN碼c(t)相乘。由于,所以,相乘所得信號顯然是一個窄帶的2PSK信號，這樣信號恢復(fù)為一個窄帶信號，這一操作過程就是解擴(kuò)。,擴(kuò)頻調(diào)制與相關(guān)接收,直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)在發(fā)送端直接用高碼率的擴(kuò)頻碼去展寬數(shù)據(jù)信號的頻譜，在接收端則用同樣的擴(kuò)頻序列進(jìn)行解擴(kuò)，把擴(kuò)頻信號還原為原始的窄帶信號。擴(kuò)頻后的信號帶寬比原來的擴(kuò)展了N倍，功率譜密度下降到l／N，這是擴(kuò)頻信號的特點(diǎn)。擴(kuò)頻碼與所傳

40、輸?shù)男畔?shù)據(jù)無關(guān)，和一般的正弦載波信號一樣，不影響信息傳輸?shù)耐该餍?。擴(kuò)頻碼序列僅是起擴(kuò)展信號頻譜帶寬的作用。,擴(kuò)頻調(diào)制與相關(guān)接收,搜索與跟蹤鎖定,實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)和解調(diào)的技術(shù)關(guān)鍵是接收機(jī)的本地偽隨機(jī)碼必須與接收到的信號中的擴(kuò)頻碼相同而且還必須相位一致，而實(shí)現(xiàn)這一功能的仍然是鎖相環(huán)路技術(shù)。,下面是一種實(shí)現(xiàn)本地碼與接收碼同步的跟蹤延遲鎖相環(huán)路原理,擴(kuò)頻調(diào)制與相關(guān)接收,延遲檢相器特性,擴(kuò)頻調(diào)制與相關(guān)接收,二路鑒相碼分別超前和延遲時間嚴(yán)格等于1/2碼元

41、時，延遲檢相器輸出則為0，否則將輸出一個相反的調(diào)整信號調(diào)整壓控振蕩器，使得二路超前延遲碼分別超前和延遲時間嚴(yán)格等于1/2碼元，實(shí)現(xiàn)本地偽隨機(jī)碼和接收信號的擴(kuò)頻碼嚴(yán)格同步。,擴(kuò)頻調(diào)制與相關(guān)接收,擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用,1．信號的低功率發(fā)射和信號的隱蔽傳輸由于擴(kuò)頻通訊系統(tǒng)可以有比較大的干擾容限，因此在保證通信可靠的前提下，可以用比較低的發(fā)射功率進(jìn)行通訊。事實(shí)上，以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)的碼分多址移動通信系統(tǒng)(如CDMA／IS95)的手機(jī)，一般最大發(fā)射功率

42、只有200mw(23db)，而時分多址系統(tǒng)(如GSM系統(tǒng))要求最大發(fā)射功率為800mw。,擴(kuò)頻調(diào)制與相關(guān)接收,2．信道的碼分復(fù)用擴(kuò)頻信號需要的傳輸帶寬比原始的信息信號帶寬要寬很多，似乎頻譜效率不高。事實(shí)上，利用擴(kuò)頻碼的正交性，可以在同一信道帶寬同時傳輸多路信息，這種信道利用方式就是碼分復(fù)用(CDM，Code-Division Multiplexing)。,3．抗多徑干擾在無線通信中，電波在傳播過程中由于大氣層電離層的折射反射，地面建

43、筑物的反射繞射，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的路徑不止一條，形成所謂的多徑傳播。由于各路徑的長短不同，同一信號從發(fā)射機(jī)出來后，到達(dá)接收機(jī)的時間就有不同(例如路程差為300 m，傳播的時間差就是10-6s)，它們疊加起來就會造成接收信號的干擾，這就是多徑干擾，也會造成傳導(dǎo)抽樣的碼間干擾。在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，PN序列的尖銳的自相關(guān)特性和很高的碼片速率(Tc很小)為克服多徑干擾提供了條件。只要二徑信號的時間差大于一個碼元的長度就可以把他們分離開來。,擴(kuò)頻調(diào)

44、制與相關(guān)接收,4．實(shí)現(xiàn)測距向被測目標(biāo)發(fā)送一個擴(kuò)頻信號，接收和解調(diào)被測目標(biāo)反射回來的信號，計算收與發(fā)兩個擴(kuò)頻序列的相位差，就可以得到信號的往返時間。從而確定目標(biāo)的距離。測量的精度取決于碼元的長度。采用碼元的長度越短，測量的精度就越高。例如，在全球定位系統(tǒng)(GPS)中，采用了兩個碼元速率不同的偽隨機(jī)碼，一個是C／A碼(Coarse／Acquisition)，碼元長Tc=0.98us；另一個為P碼(Precise)，Tc=0.098us。前

45、者供民用，定位精度為100 m；后者供軍用，定位精度為10 m。而將載波信號恢復(fù)結(jié)合對載波相位信息的測量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)cm級精度的測量型GPS接收機(jī)成為可能。,微處理器MCU,幾乎所有電子類測量儀器中都要用到微處理器，因?yàn)槲⑻幚砥髟趯?shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的控制運(yùn)算等方面具有簡便、廉價、低功耗、高穩(wěn)定、小型化等諸多優(yōu)勢。,微處理器MCU也叫單片機(jī)，是單片微型計算機(jī)的簡稱，是將計算機(jī)的基本部分微型化，使之集成在一塊芯片上的微機(jī)。片內(nèi)含有CPU、POM、R

46、AM、并行I／O、串行I／O、定時器/計數(shù)器、A／D、D／A、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。,D/A轉(zhuǎn)換,D／A轉(zhuǎn)換器是將離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬量的電路，且數(shù)字是用二進(jìn)制代碼表示的，D／A轉(zhuǎn)換器把并列輸入的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量(電壓或電流)。,A/D轉(zhuǎn)換,A/D是將模擬量轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字量的器件，也是電子測量儀器中經(jīng)常使用的器件。,A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)類型主要有這樣幾種：并行比較式、逐次比較式、雙斜積分式。,并行

47、比較式,并行比較式的工作原理是將被轉(zhuǎn)換模擬量直接與參考電壓比較，將比較器的輸出進(jìn)行組合邏輯編碼。顯然，要實(shí)現(xiàn)8位A/D則需要256個比較器、寄存器和龐大的編碼器，精度難以保證且成本也很高昂。但這種A/D轉(zhuǎn)換器速度很高。,A/D轉(zhuǎn)換,逐次比較式,先將比較寄存器清0，從高位向低位逐次假定為1，然后根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出與輸入被轉(zhuǎn)換信號的比較結(jié)果來判定該位的1假定是否真實(shí)。若D/A值小于被轉(zhuǎn)換信號，則1假定是真實(shí)的；否則不真實(shí)，將該位清0。

48、,顯然這樣的A/D轉(zhuǎn)換的精度取決于所使用的D/A轉(zhuǎn)換器的精度，而這對于D/A轉(zhuǎn)換器來說不是太難的事，比較容易實(shí)現(xiàn)高精度測量。電路也比并行比較式簡單多了。但速度比并行比較要慢些。,A/D轉(zhuǎn)換,雙積分型,雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器的基本原理是先把輸人的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間寬度里對固定速率的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬信號的數(shù)字量。,A/D轉(zhuǎn)換,基本工作原理是先以2n個時鐘周期,的時間（一般選這個時

49、間為工頻周期的整數(shù)倍）對被測信號進(jìn)行積分，然后對一反向參考電壓,進(jìn)行反向積分并對該積分時間用CP時鐘進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果即為A/D轉(zhuǎn)換器的輸出。,A/D轉(zhuǎn)換,雙斜積分型A／D轉(zhuǎn)換器有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，數(shù)字量的輸出與積分時間常數(shù)無關(guān)，從而消除了由于積分非線性所帶來的誤差，對積分元件的精度要求不高；其次，由于對輸入的信號電壓的積分時間較長且為常數(shù) ，這樣對疊加在被轉(zhuǎn)換電壓中的干擾(如50HZ的工頻干擾)有較強(qiáng)的抑制能力。所以該電路在數(shù)字測量儀器