6-微弱信号检测的原理和方法教程.ppt

光电信号处理;第三章　微弱信号检测的基本原理与方法 ;§3.1 低噪声电子设计的适用范围;2??????? 微弱信号检测的途径;3　信噪比改善（SNIR）; 从数学表达式看，SNIR是噪声系数NF的倒数，但实质上两者是有差别的。 ●噪声系数NF≥1。 这个结论的前提：假设了输入噪声的带宽等于或小于放大系统的带宽； ●实际上输入噪声的带宽要大于放大系统的带宽，因而噪声系数NF便有可能要小于1， 因此，有必要给出信噪比改善的概念。;信噪比改善（SNIR）＝ ;那么输出端噪声：;即系统的等效噪声带宽。 ;如有一信号掩埋在噪声中 ，即输入信噪比： 那么只要检测放大系统的等效噪声带宽很小， 使ΔfnΔfni ，就可能将此信号检测出来。;§3.2 窄带滤波法; 白噪声：当其通过一个电压传输系数为Kv， 带宽为B= f 2- f 1的系统后，;●1/f 噪声的情况： 其输出???声即由1/f 噪声产生的输出噪声功率为 ： ●由上式可见，通过减小通频带B来减小输出端的1/f 噪声功率。 ;功率谱密度曲线： 有限正弦信号 白噪声 由图看出：使用了窄带通滤波器后， 如果B选得很窄，则输出信噪比还能更大 一些， 带通滤波器在白噪声条件下的信噪比改善：;输出端信号功率 Pso： 输出端噪声功率 Pno: ∴ 即： 也就是： Δfn 为窄带通滤波器的等效噪声带宽， Δfni 为输入噪声的带宽， 即使是白噪声，它也有一个带宽，实际上并不是到无穷大。;窄带通滤波器的实现方式很多： 常见的有双T选频，LC调谐，晶体窄带滤波器等，其中双T选频可以做到相对带宽等于千分之几左右（f0为带通滤波器的中心频率） 晶体窄带滤波器可以做到万分之几左右。 即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽， 因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。 更好的方法是用锁定放大器和取样积分器，这在后面再作讨论。 ;检测单次信号： ;为了检测单次信号，要求滤波器的带宽B大于单次信号的频宽，即 ： 因为： 即： ∴　 　 上式说明了信噪比的改善与信号的持续时间Δt 的关系， Δt愈长，则信噪比的改善就愈大。 ●也就是说，窄带滤波法可以用来检测持续时间较长的单次信号。 ;§3.3　双路消噪法 ;双路消噪法的原理框图;进入下通道的信号经过放大器后，再经过一个中心频率为f0的带阻滤波器（或称陷波器），于是正弦波信号被滤掉，剩下噪声； 噪声通过负向检波积分器后，输出一个在某个负电平上下随机起伏的电压量。 上下两通道各自检波积分后的输出同时送给一个加法器，于是正负极性的噪声电平要抵消一部分，剩下很小的起伏电压， 因而输出信噪比得到提高。 ;加法器出来的信号，最后再通过一个阈电路进行计数。 加法器通常做成可调，使得无正弦波而仅有噪声时，加法器的输出略为正，但是不超过阈电路的阈值电平，因而计数器通常无计数。但考虑到加法器输出的电压有起伏，所以，有时会有高于阈值的脉冲电压通过阈电路产生本底计数，但由于噪声的统计性，本底计数的次数在某个一定的时间内t是个恒定值，可以通过实验测出这个时间t。 如果输入信号中有正弦波存在，那么在这个时间t内的计数就会增加。 所以，通过观察t时间内计数的变化，就可以判断正弦波信号是否存在。;§3.4　同步累积法;●若测量次数为n，则累积的信号：;得到信噪比为 : 所以，测量次数n越大，则信噪比的改善越明显。而增加测量次数，就意味着延长测量时间， 所以信噪比的改善是以耗费时间换来的。 输出信噪比与输入信噪比之间的关系 : 即: 由此可得 : ;根据输入信噪比的大小以及对输出信噪比的数值要求，可计算重复测量的次数n。 例如，若已知输入信噪比 ， 要求输出信噪比 则测量次数:;同步累积器的原理框图 ;注意: 在实际应用同步累积法的时候，必须注意满足三个条件： （1）??? 信号应为周期信号 （2）??? 有适当的累积器 （3）??? 能做到同相累积 要保证做到同相累积，则要根据不同的被检测信号波形，确定不同的参考信号。;§3.5 锁定接收法 ;1．考虑最简单的情况: 信号中没有含噪声，只有信号，且信号为正弦信号　　　 ;两信号相乘后，通过积分器进行积分， 假定积分器的积分时间常数为T，而且积分时间也取ｔ＝T， 则：;2．只有噪声输入时， 即： 其中幅度A(t)，相角