专利名称：闪电探测的制作方法
技术领域：
本发明涉及 一 种闪电探测器。本发明还涉及 一 种用于探测闪电的方法。
背景技术：
雷暴是一种主要的危害性天气，但是很难预报。它们能以20 km/h 至40km/h的速度传播，而且雷击可以在雨云之前多于10km和雨云 之后同样距离处发生。当由云或天气锋产生雷击时，许多最危险的 雷击实际上是在不存在上述可见云作为雷暴警告时发生的。由此， 可以将警告危害性雷暴可能性的系统视为主要的安全装置，即使该 系统只能在这些雷暴变得可见之前大约十分钟发出警告。有很多人将受益于这样的安全装置。对于某些人，该安全装置可 能仅仅提供了一种想要得知的日常知识。但是，对于相当多的人来 说，暴风雨和闪电产生的威胁很大程度上意味着增大的危险、财产 损失乃至致命后果。闪电预警系统是特別重要的，例如对长时间在 户外的人们，同样地，对于飞行员、航海家等也是如此。 一种提供 闪电警告的系统，即使在天气看起来相当平静和晴朗的时候，也可 以使人们及时采取适当的安全措施，例如寻找隐蔽所等。在该技术领域中，已知很多单一目的的闪电探测器，但是从商业 观点看它们具有某些缺陷。气象用途的科学闪电探测器非常庞大， 并且它们的范围为数百公里。另外一些使用单一射频(RF)频带的高端闪电探测器和诸如移 动电话相比，同样很大并且比较昂贵。而且，它们通常需要具有例 如立在墙上或在桌架上的特别定位，用于获得所需的精确度或者方 向性。这样它们就不太适于真正地移动使用。这些设备典型地还必须要在雷暴的可靠探测成为可能之前将其垂直定位并保持数分钟的 稳定。此外，现在还存在廉价的低端闪电探测器，在尺寸方面其完全可 便携，并且不需要特别的定位。但是，这些探测器都非常易受电磁兼容性(EMC)发射的影响，并且易于发生误报警，特别是在城市 环境中或靠近公路时。当前大多数市场上可得到的移动闪电探测器是通过测量由超低 频(VLF: 3 kHz至30kHz)闪电产生的电磁发射来探测雷击。此外， 已知数十年来，通过使用传统的工作在长波频率(150 kHz至300 kHz)和中波频率(500 kHz至1700kHz)的AM广播收音机，能够"听 到"雷击。但是，存在很多出版物，其中通过其在3MHz至300MHz 之间的HF和VHF频率和甚至更高(UHF)频率的发射已经探测和 测量到闪电。发明内容全球数字广播(DRM)是一种设计为在AM (调幅)长波、中波 和短波(SW: 2 MHz至30 MHz)广播频带中使用的数字广播系统。 该DRM信号设计为能够适合于在150 kHz至30MHz频率范围内的 现有AM广播频率分配方案。为了从DRM广播台接收信号，接收器 使用模拟前端和数字基带部分。该接收器的数字基带部分包括用于 复信号处理任务的处理器控制的硬件加速器。在图2中介绍了典型 的DRM接收器的结构。整个AM频带接收器系统能够集成在单块芯 片上，该芯片能够嵌入到移动RF设备中，特别是移动电讯终端中。通过在DRM接收器ASIC中可用的模拟前端，为了预报雷暴， 能够由该模拟前端接收来自遥远闪电事件的无线电信号，并由该基 带信号处理部分进行分析。本发明基于 一 种将DRM广播AM接收器和闪电探测器结合的新 颖结构，该结构优选地能够集成到移动RF设备，特别是移动电讯终 端。在本发明中， 一种灵活的AM DRM前端和基带结构使DRM接 收器和闪电探测应用可能在相同的AM频带应用引擎( engine )中工 作。该DRM接收器使用模拟前端、数字硬件加速和处理装置，该处 理装置典型地为ARM (先进RISC机构)微处理器或类似的嵌入式 微处理内核。该闪电探测器既使用模拟前端，又使用用于处理装置 的软件应用。通过两种应用使用单一 AM频带引擎，这两种AM频带应用能够 在单一AM频带结构中运行，本发明能够实现成本减少。
图1表示DRM接收器的模拟前端的框图， 图2示出了数字基带DRM接收器的结构， 图3表示零差DRM接收器，图4表示DRM接收器数字基带操作以举例说明DRM算法如何 能够在DRM接收器中实现，图5对应于图4，并表示DRM算法到硬件和软件的划分，其中 如果激活闪电应用，则只要硬件模块对于闪电应用不是必需的，就 将这些硬件模块设置为睡眠模式，并且其中用闪电软件代替DRM软 件，并且处理装置在没有附加硬件加速的情况下工作，以及图6表示本发明的前端的框图，图7表示前端前置放大器，图8表示根据本发明的DRM接收器和闪电探测的数字基带结 构，由此用公共模拟前端接收的数据旁路硬件加速器并直接被导入 处理装置，图9是示出闪电数据的图表，图IO表示在两种模式中工作的1/Q调制器，以及图11表示使用两个天线的闪电探测。
具体实施方式
在本发明中，使用单一HW引擎能够实现DRM接收器和闪电探 测这两个AM频带应用。用于嵌入式处理器的软件被用于这两种应 用，该嵌入式处理器典型地如基于ARM的处理装置。根据图1的DRM接收器设计用于集成在移动设备中，并且包含 模拟前端和数字基带。该前端能够接收直到30 MHz的AM信号。图1表示一种典型的DRM接收器模拟级，包括天线11、输入图 像预防低通(LP)滤波器12、增益可调的低噪声放大器(LNA) 13、 RF混频器14，用于在指定为LOl的第一本地振荡器(LO)频率14 的帮助下将输入信号下变频，从而选择性地使所选信道通过信道滤 波器15，并通过自动增益控制(AGC)级16到两个I/Q混频器，其 由具有I和Q分支混频器的正交输出的指定为L02的第二本地振荡 器来控制。该混频器还具有在它们各自输出以及各自基带ADC转换 器的输入之间的滤波器。这些转换器典型地为快速A-2 ( delta-sigma) ADC转换器，分別输出数字I和Q输出信号19和20。在两个分支中，图1中的同相分支17和正交分支18能够分离地 用于闪电探测目的。通常在RF系统中，通过使用针对所选调制方法 的调制器将信息编码到RF信号中。在接收过程中，在兼容解调器中 解码该信息。同相和正交相位分支的操作类似，将理想地将由本地 振荡器10产生的本地振荡器信号L02从任一分支信号中完全剔除。 为了保持相位信息，通常在这两个分支中频率、滤波和增益常规上 都相同。在从闪电接收的电磁特征信号中，信号中没有相位信息。可以在 信号频i普、信号大小或信号包络形状的基础上进行闪电探测。因此 可以使用接收器不同配置的接收器的I和Q分支，即，可以修改接 收器，使得闪电探测器使用两个信道，每个信道探测信号的不同特性。使用这两个具有不同增益设置的分支，可以获得闪电探测的更大 动态范围。这很重要，因为雷击的电磁特征信号大小很难预报。例 如，当频率从3KHz增加到1 MHz时，从雷击向地面的发射和从云内雷击的发射之间的幅度比明显减小。在3 KHz频率时，该比率在 20至40之间，但是在高于1.5MHz时，该幅度比大约为1。由此， 通过比较在不同频率上接收的幅度，在两个明显不同频率(例如10 KHz和1 MHz)上的探测能够区分地面和云内的雷击。图10的框图示出了典型的I/Q解调器如何能够用于在两个明显 不同的频率上探测雷击。在对I分支混频器计时之前，在分频级101 的帮助下简单地通过调节本地振荡器LO信号IOO的频率，1/Q解调 器的同相103和正交分支104处理AM频率范围的不同频带。正交Q 分支接收原始本地振荡器信号频率，只是在使用其对Q分支混频器 计时之前按照惯例在移相器102中将相位移动90度。尽管如图所示， I分支具有分频器，但是也可以是Q分支或两分支都具有分频器。当 不用于闪电探测时，这些分频器也可以被旁路或者调整为使用相同 因子进行分频。由图11举例说明的该布置，示出了与图10中相同的基本布置， 具有天线lll、带通滤波器112、低噪声放大器113和如上所述由本 地振荡器140分别驱动的同相和正交混频器124和134。通过使用分 频器120调整LO频率计时，可以调整同相频带混频器124这一分支 接收所希望的频带，其可以利用同相无线电通道111、 112、 113、 124、 125、 126和127用于闪电探测目的。在标准对称I/Q配置中，输出127和137分别从I分支(124、 125、 126和127)和Q分支(134、 135、 136和137)中输出数字 DRM数据。为了闪电探测目的，如上所述，可以调整这些分支使用 不同的频带。在分支通路中的模块125和136分别包含在分别通过 ADC转换器模块126和136转换数据之前所需的可调增益装置和滤 波装置。在分别由模数转换器(ADC) 126和136转换数据之前，分 别在模块125和135中可以分别地为每个路径调节分支增益和滤波。如果所希望的频带之一是基带，则对于该分支根本无需任何频率 转换，并且例如可以使用开关150将混频器旁路。而另一分支如上 所述仍然能够在比基带更高的频带上用于闪电探测。对于这样的基带闪电探测，在大多数情况下需要单独的低频或感应天线131，并且在通过低通滤波器112的可选择滤波之后和通过放 大器113的可选择放大或衰减之后，利用选择器开关150将所接收 的基带信号直接馈送到正交分支135、 136用于在由Q分支ADC 136 数据转换之前在无线电通路中附加的放大和滤波。由此，来自该基 带探测的数字输出信号137可以进一步由闪电探测处理装置处理。 为了提取关于雷击的信息，来自较高频带探测的数字输出127同时 可用于相同的处理装置。在图6中以更复杂的形式示出了一种类似于图11中111的天线 线圈。该天线线圈61形成具有10 KHz中心频率的天线无源部分， 后接有在天线有源部分中的增益级62。由于分支中所用的带宽已经 足够了，因此不需要下变频。如果只有导线天线71,例如集成在移 动电话的耳机中的导线天线可用，则还可以使用如在图7中所示的 前置放大器72。这里所示天线也后接有简单的增益级72。也可以使用I和Q分支，使得信道滤波器的带宽可以不同。这种 实现方式提供更多关于雷击的信息并能够在不同探测模式中利用已 使用的信道。例如大的带宽使所接收能量最大化，并可以有利地用 于触发模式。但是，具有较窄带宽的信道能够更容易进行信号的波 形分析，因为基带ADC转换器的速度要求较低。出于对能量和成本效率的考虑，为了能够实现完全单片集成，如 图3所示，DRM模拟前端使用零差拓朴。图像抑制要求非常宽松， 由于中间频率(IF)为零，因此图像和所希望的信号相同。由自混效 应造成的动态偏移问题可以用动态DC偏移补偿环路36进行数字调 节，并且类似的环路用于另一分支。用数字控制滤波器32对所接收 的天线31信号进行预选择，以放松射频(RF)自动增益控制(AGC) 34对线性和动态范围的要求。该RF-AGC 34有利地使用高欧姆且低 电容的输入级，这样其不会给天线31加载。为了在整个DRM频带上进行信道选择，将基于小数分频 (fmctional-N )计数器33锁相环(PLL )的控制器用于产生图3中的所需的可变本地振荡器信号LO-I和LO-Q。为了给每个分支混频 器提供对称的输出并确保正确的增益和用于下变频混频的相位正交 信号，首先由输出计数器35对PLL 33输出信号进行因子为2的分频。在这两个基带分支中的每一个基带分支中，信道低通滤波器和附 加AGC —起使用，然后AS-ADC转换器将DRM信号转换成数字形 式，即来自同相分支的作为BB-I，并且来自正交分支的作为BB-Q 信号，并将这两个数字信号输出到DRM接收器的数字基带部分的硬 件加速器。数字基带部分包含图2中用于复信号处理任务的硬件加速器22， 具有其自己的本地RAM存储器和嵌入式处理器装置25,即ARM微 处理器，以运行专用AM基带应用软件23和控制数据流。典型地将 该DRM应用软件存储在非易失性存储器23中并在处理装置25的主 RAM存储器26的帮助下运行。DRM接收器模拟前端21能够接收频率直到30 MHz的AM信号， 包括不用于DRM广播的AM频带。可以用相同的才莫拟前端接收由雷 击产生的巨大电流造成的电磁频谱，并且这可以为闪电探测应用提 供信号。本发明提供能够例如在移动电话中处理两个AM频带应用的AM 应用引擎。闪电探测AM频带探测信号旁路DRM接收器的硬件加速 器，并由运行图8中应用软件83,典型地为ARM微处理器兼容软 件的处理装置84分析该信号。用于带有闪电探测器的DRM接收器82以及带有主RAM存储器85的处理装置84。DRM接收器包括模拟前端81、基带硬件加速器82和处理装置 84，处理装置84具有高速緩冲存储器和主RAM存储器85。将由模 拟前端81所接收的信号转换到数字域并由硬件加速器82和在主 RAM存储器85的帮助下运行软件83的微处理器84进行处理。DRM接收器的某些任务，例如同步和信道估计，需要较高的计算能力，因此由硬件加速器82来执行。该加速器包括如图8中所示 的本地RAM存储器。另外一些需要较少计算能力的任务和数据流控 制可以由使用其高速緩沖存储器和主RAM存储器85的处理装置处 理。总线系统处理数据交换，这样处理装置84能够在软件83控制 下读取任何输出的数据。该软件83配置用于控制DRM接收应用以 及任何其他应用，比如此闪电探测应用。闪电探测接收器包括直接向处理装置84发送探测器数据的模拟 前端81。来自闪电探测的信号以及DRM数据二者都要转换到数字域，但 是闪电探测信号将旁路DRM接收器的硬件加速器82。微处理器84 将从闪电探测应用软件83得到指令并对从模拟前端接收的图8中标 为"探测器数据"的信号进行处理。最终的实现是单个芯片实现，包括模拟前端、数字基带硬件加速、 作为处理装置的ARM微处理器以及外部接口 。该单芯片实现为AM 频带引擎提供成本效率。由于DRM接收器和闪电探测使用相同的ARM微处理器，因此 同时4丸行这两个应用。DRM接收器也可以用作另一闪电指示器的触发设备，由此另一 个闪电指示器可以是单独的设备或者集成到移动RF设备。这种布置 带来了节能解决方案，因为可以将该另一个指示器关断直到DRM将 其触发为激活模式。对于本领域技术人员来说，很明显本发明的不同实施方式并不限 于上述例子，而是可以在权利要求的范围内进行变化。
权利要求
1. 一种用于闪电探测的闪电探测器，其特征在于，该闪电探测器包括具有模拟前端和数字基带的全球数字广播(DRM)数字广播系统接收器；其中当DRM接收器应用和闪电探测应用在相同AM频带应用引擎中工作时，通过模拟前端DRM接收器，能够探测来自闪电的无线电信号。
2. 如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，将组合的AM DRM广播接收器和闪电探测器集成到移动RF设备。
3. 如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，所述DRM接 收器使用模拟前端、数字硬件加速和处理装置，并且所述闪电探测 器使用模拟前端和与所述处理装置兼容的应用软件。
4. 如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，所述DRM接 收器包括I/Q解调器；其中在不同的模式中使用基于I/Q解调器的接收器的同相分支 和正交分支。
5. 如权利要求4所述的闪电探测器，其特征在于，所述基于I/Q 解调器的接收器的同相分支和正交分支处理AM频率范围的不同频 带。
6. 如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，DRM模拟前 端具有零差拓朴。
7. —种闪电探测方法，其特征在于，该方法包括具有模拟前 端和数字基带的全球数字广播(DRM)数字广播系统接收器；其中当DRM接收器和闪电探测应用二者在相同AM频带应用引 擎中工作时，通过模拟前端DRM接收器，探测来自闪电的无线电信
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述DRM接收器使用模拟前端、数字硬件加速和处理装置，并且所述闪电探测器使用 模拟前端和在所述处理装置中运行的应用。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，同时执行那些应用。
10. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，由在所述处理装置 中运行的专用软件处理闪电探测AM频带无线电信号，所述无线电 信号旁路DRM接收器的硬件加速。
11. 如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，所述DRM 接收器是另一闪电指示器的触发设备。
12. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述DRM接收器 用作另一闪电指示器的触发设备。
13. 如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，DRM接收 器模拟级包括天线、输入图像预防低通滤波器、增益可调的低噪音 放大器(LNA) 、 RF混频器，用于在第一本地振荡器(LO)频率的 帮助下将输入信号下变频，从而选择性地使所选信道通过信道滤波 器，并经自动增益控制级到达由带有正交输出的第二LO控制的I/Q混频器。
14. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述DRM接收器 模拟级包括天线、输入图像预防低通滤波器、增益可调的低噪音放 大器(LNA) 、 RF混频器，用于在第一本地振荡器(LO)频率的帮 助下将输入信号下变频，从而选择性地使所选信道通过信道滤波器， 并经自动增益控制级到达由带有正交输出的第二 LO控制的I/Q混频 器。
15. 如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，所希望的频 带之一为基带，并且所述闪电探测器包括天线、带通滤波器、低噪 声放大器以及同相混频器和正交混频器，所述混频器由具有正交输 出的本地振荡器计时。
16. 如权利要求14所述的闪电探测器，其特征在于，在一个分 支中通过为解调器混频器对所述LO频率分频，所述分支可以在不同 于DRM频率的频率上用于闪电探测目的。
17. 如权利要求15所述的闪电探测器，其特征在于，所述解调器的I分支和Q分支分别在不同的频带上使用。
18. 如权利要求15所述的闪电探测器，其特征在于，当一个分 支用于闪电探测时，另一分支可以用于另外的基带闪电探测，通过 为这一 目的布置旁路开关使得没有所述混频器进行的下变频。
19. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所希望的频带之一 为基带，并且所述方法包括使用天线、带通滤波器、低噪声放大器 以及I / Q解调器的同相混频器和正交混频器，所述混频器由本地振荡 器计时。
20. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，布置分频器用于 将本地振荡器频率分频，其给所述I/Q解调器的一个混频器计时。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述解调器I/Q 分支用于不同的频带。
22. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，可以调整所述解 调器I/Q分支以使用不同的路径增益。
23. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，可以调整所述解 调器I/Q分支以使用不同的路径滤波。
24. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，当一个解调器分 支用于闪电探测时，另一分支用于另外的基带闪电探测，通过为这 一目的布置混频器旁路开关使得没有下变频。
25. 如权利要求24所述的方法，其特征在于，为了基带闪电探 测，使用单独的低频感应天线，并在由低通滤波器的可选择滤波之 后，利用所述混频器旁路开关将所接收的基带信号直接馈送到所述 1/Q解调器的一个分支的输入，并且在模数转换之后输出到处理器装 置。
26. 如权利要求2所述的闪电探测器，其特征在于，所述移动 RF设备是移动电讯终端。
全文摘要
一种用于闪电探测的闪电探测器和闪电探测方法，其中该闪电探测器包括具有模拟前端和数字基带的全球数字广播(DRM)数字广播系统接收器；其中当在相同的AM频带应用引擎中运行DRM接收器应用和闪电探测应用时，通过该模拟前端DRM接收器，可以探测来自闪电的无线电信号。
文档编号G01R29/08GK101283293SQ200580051805
公开日2008年10月8日 申请日期2005年10月14日 优先权日2005年10月14日
发明者E·克尔斯迈尔, J·让蒂南, M·科萨科夫斯基, S·蒙德, 徐寓桓 申请人:诺基亚公司