本发明涉及应变、温度等物理参量测量监测，具体涉及一种基于单个混频器的同轴电缆电栅解调仪和解调方法。
背景技术：
1、同轴电缆电栅解调仪通常是用于测量物体结构的应变变化的设备。通常应用于监测油气管道、工程结构、桥梁等关键基础设施。
2、应变是指物体受到外部力作用时发生的形变。被测物体结构，由于各种原因(例如机械应力、温度变化等)，可能会发生一些微小的形变，同轴电缆电栅解调仪用于测量这些形变并提供相关的数据。
3、这些设备在油气管道、工程结构、桥梁等关键基础设施领域中广泛应用，以确保结构的稳定性和安全性。通过监测油气管道、工程结构、桥梁等关键基础设施的应变，可以及时发现潜在的问题或灾害，并采取适当的措施进行维护或修复。但传统电栅解调仪通常使用两个混频器，导致系统结构复杂，增加了硬件设计的难度，也使得系统的制造和维护成本较高，且同轴电缆电栅解调仪存在限制频率可调性的问题，难以适应一些特殊或广泛变化的测试需求。这导致系统在某些应用场景下的灵活性不足。同时传统系统需要进行额外的功率测量，这增加了系统的复杂性和测量时间，额外的功率测量包括反射功率和入射功率的测量。未充分考虑到全反射特性的利用，导致在一些测试条件下遗漏了对测试对象反射特性的全面了解。
技术实现思路
1、本发明提供了一种基于单个混频器的同轴电缆电栅解调仪，解决了以上所述的技术问题。
2、本发明解决上述技术问题的方案如下：
3、一种基于单个混频器的同轴电缆电栅解调仪，包括数字板和高频板；
4、数字板由32位(或64位)嵌入式处理器芯片、ad转换电路、两级电源芯片dc-dc以及ldo组成的电源电路、zigbee/lora无线通信模组以及485模块组成的通信电路组成，数字板与高频板信号连通。
5、高频板包括两个集成压控振荡器vco、一个定向耦合器、一个混频器、一个六路微波开关以及滤波放大电路和ad采集电路，两个集成压控振荡器vco分别为vco-tx和vco-lo。
6、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
7、进一步，vco-lo直接连接混频器的本振端为混频器本振端提供信号，混频器的射频端连接定向耦合器的耦合端、接收反射回来的信号；定向耦合器输入端连接微波开关、定向耦合器的输出端连接vco-tx。
8、采用上述进一步方案的有益效果是：
9、本振信号的提供：
10、vco-lo直接连接混频器的本振端，为混频器提供稳定的本振信号，确保混频器正常工作。直接连接可以简化信号传输路径，减少信号损耗和失真，提高混频器的性能。
11、反射信号的接收：混频器的射频端连接定向耦合器的耦合端，接收反射回来的信号。通过这种连接方式，可以方便地获取电缆或其他测试对象反射的信号，实现对设备性能和信号特性的监测和分析。
12、定向耦合器的应用：定向耦合器用于将混频器的射频端与微波开关相连，以及将微波开关的输入与vco-tx相连。定向耦合器在连接结构中的作用是实现信号的方向性耦合和分流，使得不同信号能够流向不同的部件，提高了系统的灵活性和控制能力。
13、微波开关的控制：微波开关连接到定向耦合器的输入端，通过定向耦合器的输出端连接到vco-tx。微波开关的使用使得系统能够在不同工作模式之间进行切换，实现对信号源的控制，例如在测量过程中选择端口全反射波(可看成入射波)和传感器反射波。
14、频率可调性：vco-lo和vco-tx的连接方式使得两者可以分别产生不同的频率信号，实现对混频器输入信号的频率调节。这种频率可调性的设计使得系统能够适应不同频率范围的测试需求，提高了系统的适用性。
15、总体来说，这种连接方案通过合理配置各组件之间的连接，实现了信号的灵活传递、频率可调和方向性控制，提高了同轴电缆电栅解调仪的适用性和性能。
16、进一步，本振端与射频端两路信号的混频会得到输出端中频信号，该信号分解之后会得到本振端信号与射频端信号的和以及本振端信号与射频端信号的差，即高频和低频部分；为了信号准确，首先进行直流滤波，再进行高频滤波，最后剩下低频部分。
17、采用上述进一步方案的有益效果是：
18、信号准确性：直流滤波能够有效去除混频后信号中的直流分量，确保信号的准确性和稳定性。高频滤波进一步去除高频部分，使得在低频范围内进行后续的信号分析更为精确。
19、抑制高频干扰：高频滤波阶段可以有效抑制混频过程中可能引入的高频噪声和干扰。通过去除高频成分，可以提高系统对于真实信号的灵敏度，降低测量误差。
20、简化后续处理：将信号分解为高频和低频部分之后，可以有针对性地进行后续处理，而不必考虑整个频谱范围。简化了信号处理的复杂性，提高了信号分析的效率。
21、突出低频信息：通过这一处理流程，突出了低频部分，有利于对低频信号的详细分析和观察。特别适用于测量或监测中对于低频成分的关注，如观察设备或电缆的低频特性。
22、提高测量精度：通过去除直流分量和高频噪声，保留了主要的低频信息，提高了测量的精度和可靠性。对于s11参数等测试指标，信号的准确性是保证测量结果正确的关键。
23、降低系统复杂性：采用逐步滤波的方式，避免了对整个频谱范围的复杂处理，减少了系统硬件和软件的复杂性。降低了实现和维护系统的难度，提高了系统的可靠性。
24、总体而言，这种信号处理流程能够确保混频后信号的准确性，有效抑制噪声和干扰，突出关键频率成分，为后续的分析和应用提供了更为可靠的基础。
25、进一步，混频器的射频端接收到的是反射回来的信号；当微波开关打开时，混频器的射频端接收到的是经过传感器反射回来的信号，当微波开关关闭时，混频器的射频端接收到的是端口全反射的信号；这两次反射信号记为sa与sb；因为是全反射所以sa可认为是双端口网络的输出信号，sb为反射信号；那么sb/sa则为该端口的s11参数。
26、采用上述进一步方案的有益效果是：
27、全反射特性利用：利用微波开关控制，当微波开关关闭时，混频器的射频端接收到的是端口全反射的信号(sb)，充分利用了电缆或其他测试对象的全反射特性。这种设计方式使得测量过程更为灵活，能够获取端口全反射的信息，对于电缆或器件的反射特性有更全面的了解。
28、无需额外的反射功率测量：通过sa和sb的比值(sb/sa)即可获得该端口的s11参数，而无需额外测量反射功率和入射功率。简化了测量过程，减少了测量所需的设备和步骤，提高了系统的效率和简便性。
29、端口s11参数的直接获得：sb/sa直接反映了测试对象端口的s11参数，即反射系数。这种直接获得的方式避免了对复杂的功率测量和计算的依赖。提高了测量的精确性和可靠性，使得对被测对象的电磁性能评估更为直观和准确。
30、灵活性与可切换性：通过微波开关的控制，能够实现对测量模式的灵活切换，既可以测量端口全反射的情况，也可以在开启微波开关时测量经过传感器反射回来的信号。提高了系统的适用性，能够适应不同测试场景和要求。
31、减小系统复杂度：无需额外的功率测量设备和测量算法，避免了复杂的信号处理流程，简化了系统结构。减小了硬件和软件的复杂度，提高了系统的可维护性和稳定性。
32、总体而言，这种基于全反射特性的测量方法通过简便而有效的手段直接获取s11参数，具有实验灵活性、测量准确性以及系统简化等优点，是一种在电磁性能测试中具有实际应用潜力的方法。
33、进一步，vco-tx与vco-lo输出的频率差为10khz到50khz之间，如此一个周期的波形采样点数可达到48至240个点，能保证波形的完整性，并将波形进行傅里叶变换可获得改波形的相位和幅值，反射信号和输出信号的比值即为此次信号的s11参数。
34、采用上述进一步方案的有益效果是：
35、波形完整性：频率差在10khz到50khz之间，且一个周期的波形采样点数可达48至240个点，这保证了测量到的波形具有足够的细节和分辨率。完整的波形有助于准确捕捉信号的周期性、振幅、相位等特征，提高了信号分析的精确性。
36、频率可调性：vco-tx与vco-lo的频率差在10khz到50khz之间，这个范围的可调性使得系统能够适应不同频率的测试需求。频率可调性使系统更加灵活，适用于不同类型的测试和测量场景。
37、波形傅里叶变换：对波形进行傅里叶变换有助于分析信号的频谱特征，获得波形的频率分布、相位和幅值等信息。傅里叶变换提供了一种有效的方式，将时域信息转换为频域信息，为进一步的信号分析提供了更多的维度。
38、s11参数计算：将反射信号和输出信号的比值计算为s11参数，通过这种方式可以直接获取被测对象的反射特性。这种计算方法简化了测量流程，避免了复杂的功率测量和计算，提高了测量的效率和简便性。
39、适用于高频率分析：由于频率差在10khz到50khz之间，系统可以适用于对高频信号的分析，适用于高频设备或电缆的测试和测量。对于高频应用，这种设计具备一定的灵活性和适用性。
40、更准确的s11参数：高分辨率的波形和频率可调性，结合傅里叶变换和s11参数计算，有助于获得更准确的s11参数。提高了测试结果的可靠性，使得对被测对象反射特性的分析更加准确和全面。
41、综合而言，这种频率范围和波形处理方式的设计为同轴电缆电栅解调仪提供了更强大的信号分析能力，提高了测量的准确性和适用性。
42、一种使用上述基于单个混频器的同轴电缆电栅解调仪的解调方法，包括以下步骤：
43、步骤1、初始化程序，其包含串口中断初始化、芯片io初始化、时钟初始化、定时器初始化、高频板电源管脚初始化、解调仪端口参数初始化；
44、步骤2、while循环程序，循环检查串口数据、循环检查任务标签并处理任务；
45、步骤3、执行扫频任务时，根据上位机所配置的参数，例如扫频范围100mhz至1000mhz、扫频步进量150khz；
46、步骤4、单片机通过spi总线控制vco-tx从100mhz开始输出，同时控制vco-lo从99.95mhz输出，两个vco的频率相差50khz；单片机打开adc的dma模式记录传感器的反射波形；在测量3个周期之后切换微波开关记录全反射波形；将两组波形进行比较记录100mhz时的s11参数；
47、步骤5、根据步进量切换输出频率重复执行以上步骤，直到频率输出为1000mhz截止；
48、步骤6、将获取到的所有s11参数进行傅里叶逆变换获取传感器时域图；
49、步骤7、通过寻峰算法获取所有的时域图尖峰点，并保存时域图特征信息；
50、步骤8、根据传感器参数以及时域图特征信息，进行开窗短时傅里叶变化，获取传感器的频谱图；
51、步骤9、记录并上传频谱峰值点；
52、步骤10、下一次的扫频重复以上步骤，获取两次的频谱峰值偏移值；
53、步骤11、过偏移值与经验系数计算传感器型变量。
54、本发明的有益效果是：
55、简化结构：采用单个混频器的方式测量s11参数相比于需要用检波器测量功率和鉴相器来测量相位的方式来说更为简化。简化的结构降低了硬件设计的难度，减少了系统的体积和成本。
56、共用晶体振荡器：采用同一个晶体振荡器给两个vco提供时钟频率，避免了需要额外的振荡器元件。共用振荡器提高了系统的一致性，避免了振荡器频率差异可能引起的测量误差。
57、频率可调性：两个vco产生不同的频率信号，使得系统能够在更广泛的频率范围内进行测试。可调的频率范围使系统更加灵活，适应不同测试场景和设备。
58、微波开关控制：通过微波开关的控制，可以在反射波与入射波之间进行切换，实现了两种测量模式的灵活切换。这种切换机制增加了系统的适用性，能够适应不同类型的测试和环境条件。
59、无需功率测量：传统系统可能需要测量反射功率和入射功率，但这种系统通过混频器和微波开关的组合，直接获得s11参数，省去了功率测量的步骤。简化了测量流程，提高了测量效率，降低了对额外测量设备的需求。
60、数字板采用32位(或64位)嵌入式处理器作为核心主控芯片，具有高性能、低功耗、丰富的外设接口和灵活的数字信号处理能力。单片机的使用提高了系统的稳定性和可靠性，同时为数字信号的处理提供了强大的支持。
61、完整性与准确性：采样点数可达到48至240个点，确保了测量波形的完整性，避免了信息丢失。傅里叶变换用于获得波形的相位和幅值，提高了测量的准确性，确保了获得的s11参数的可靠性。
62、总体而言，这种同轴电缆电栅解调仪的创新结构在设计上注重简化、灵活性和高性能，为电缆测试和解调提供了一种高效且可靠的解决方案。
63、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
1.一种基于单个混频器的同轴电缆电栅解调仪，其特征在于：包括数字板和高频板；
2.根据权利要求1所述一种基于单个混频器的同轴电缆电栅解调仪，其特征在于：vco-lo直接连接混频器的本振端为混频器本振端提供信号，混频器的射频端连接定向耦合器的耦合端、接收反射回来的信号；定向耦合器输入端连接微波开关、定向耦合器的输出端连接vco-tx。
3.根据权利要求1所述一种基于单个混频器的同轴电缆电栅解调仪，其特征在于：本振端与射频端两路信号的混频会得到输出端中频信号，该信号分解之后会得到本振端信号与射频端信号的和，以及本振端信号与射频端信号的差，即高频和低频部分；为了确保信号准确，首先进行直流滤波，再进行高频滤波，最后剩下低频部分。
4.根据权利要求3所述一种基于单个混频器的同轴电缆电栅解调仪，其特征在于：混频器的射频端接收到的是反射回来的信号；当微波开关打开时，混频器的射频端接收到的是经过传感器反射回来的信号，当微波开关关闭时，混频器的射频端接收到的是端口全反射的信号；这两次反射信号记为sa与sb；因为是全反射，所以sa认为是双端口网络的输出信号，sb为反射信号；那么sb/sa则为该端口的s11参数。
5.根据权利要求1所述一种基于单个混频器的同轴电缆电栅解调仪，其特征在于：vco-tx与vco-lo输出的频率差为10khz到50khz之间，使一个周期的波形采样点数达到48至240个点，以保证波形的完整性，并将波形进行傅里叶变换，获得该波形的相位和幅值，反射信号和输出信号的比值即为此次信号的s11参数。
6.一种使用权利要求1-5中任一项所述的基于单个混频器的同轴电缆电栅解调仪的解调方法，包括以下步骤：
