微弱信号检测学习总结分析方案

微弱信号检测学习总结报告

1本课程的基本构成

本课程目录：

第1章微弱信号检测与随机噪声

第2章放大器的噪声源和噪声特性

第3章干扰噪声及其抑制

第4章锁定放大

第5章取样积分与数字式平均

第6章相关检测

第7章自适应噪声抵消

本课程分为七章：

第一章主要介绍随机噪声的统计特性，是后续各章的理论基础。

第二章主要介绍电路内部固有噪声源及其特性，对各种有源器件的噪声性能进行分析，并阐述低噪声放大器设计中需要考虑的几个问题。

第三章介绍干扰噪声的来源、特点及各种耦合途径，并详细介绍屏蔽和接地对于各种干扰噪声的抑制作用，以及其他一些常用的抗干扰措施和微弱信号检测电路设计原则。

第四~七章分别为锁定放大、取样积分与数字式平均、相关检测、自适应噪声抵消，分别介绍这几种方法的理论基础、设计实现以及一些应用实例。

因此本课程<微弱信号检测）基本构成：微弱信号检测与随机噪声，放大器的噪声源和噪声特性、干扰噪声及其抑制、锁定放大、取样积分与数字式平均、相关检测、自适应噪声抵消。

2本课程研究的基本问题

微弱信号是相对背景噪声而言的，其信号幅度的绝对值很小、信噪比很低<远小于1）的一类信号。如果采用一般的信号检测技术，那么会产生很大的测量误差，甚至完全不能检测。微弱信号检测的主要目的是提高信噪比。微弱信号检测是测量技术中的一个综合性的技术分支，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。微弱信号检测技术研究的重点是：如

何从强噪声中提取有用信号，探索采用新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。

本课程<微弱信号检测）研究噪声的来源和统计特性，分析噪声产生的原因和规律，运用电子学和信号处理方法检测被噪声覆盖的微弱信号，并介绍几种行之有效的微弱信号检测方法和技术。

3学习本课程<微弱信号检测）后了解、掌握了哪些内容

通过对微弱信号这门课程的学习，我掌握的内容主要有以下几个方面：

<1）了解了常规小信号检测的手段和方法，即滤波、调制放大与解调、零位法、反馈补偿法。

<2）掌握了随机噪声及其统计特征。

①随机信号的概率密度函数

对于连续取值的随机噪声，概率密度函数(PDF>P(x>表示的是噪声电压x

而且

一种重要的概率密度函数是正态分布概率密度函数，又称为高斯分布，自然发生的许多随机量属于高斯分布。另一种重要的概率密度函数是均匀分布概率密度函数。

②随机噪声的均值、方差和均方值

均值

方差

均方差

③随机噪声的相关函数

自相关函数

互相关函数

④随机噪声的功率谱密度函数及其特点

功率谱密度函数

<3）了解了几种常见的随机噪声及其统计特征：白噪声、限带白噪声、窄带白噪声。

<4）掌握了放大器的噪声源和噪声特性及其抑制方法，了解了低噪声放大器的设计。

①放大器的噪声源

电子系统内部的固有噪声源，例如电阻的热噪声、阻容并联电路的热噪声、PN结的散弹噪声、l/f噪声、爆裂噪声等。

外部干扰噪声，干扰噪声种类很多，它可能是电噪声，通过电场、磁场、电磁场或直接的电气连接藕合到敏感的检测电路。这些都是电磁兼容性所涉及的领域；干扰噪声的本源也可能是机械性的，例如，通过压电效应.机械振动会导致电噪声；甚至温度的随机波动也可能导致随机的热电势噪声。

②放大器的噪声特性

放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系如下：

低噪声放大器

高噪声放大器

图1 高噪声放大器和低噪声放大器

③噪声抑制方法

A消除或削弱干扰源；

B设法使检测电路对干扰噪声不敏感；

C使噪声传输通道的耦合作用最小化。

<6）了解了一些微弱信号检测的方法和技术，比如锁相放大，取样积分，相关检测，自适应噪声抵消等。

4为了达到对微弱信号的检测，在具体技术方面需要解决哪些问题

<1）锁定放大器应用

锁定放大器(LIA>是微弱信号检测的重要手段，已经被广泛应用于物理、化学、生物医学、天文、通信、电子技术等领域的研究毛作中。

在锁定放大器应用中需要考虑下列几个问题：

1> LIA的功能相当于一种抑制噪声能力很强的交流电压表，其输人是正弦波或方波交流信号，输出是正比于输人波形幅值的直流信号。如果被测信号不是交流信号，则需要用调制或斩波的方式将其变换成交流信号。

2>在实际应用中，LIA中PSD，后续的LPF常用积分器来实现，积分器的时间常数决定了LIA的等效噪声带宽，也决定了LIA 所实现的信噪改善比SNIR。积分器的时间常数越大，等效噪声带宽越窄，SNIR越大，所需的测量时间也就越长。所以，对于强度变化缓慢的信号，例如光谱、电子衍射等的测量，可采用长的时间常数；而对于强度变化较快的信号，积分时间常数的选择要与信号的变化速度相适应，在不损失有用信号的条件下，尽量提高输出的信噪比。

3>要根据信号和噪声的具体情况适当地分配LIA的交流增益和直流增益，如果信号的动态范围较大，而噪声又不很严重，就应该使LIA工作在高稳定状态。如果噪声严重，为了使LIA能够正常上作，则必须使LIA协调在高储备状态。

4>测量系统良好的屏蔽与接地是LI发挥其效用的必要条件。

5>LIA的参考信号输人必须是与被测信号相关的同频信号。如果确实不能获得合适的同频参考信号，则可用锁相环进行自动频率跟踪检测。

6> LIA的信号输人前置级放大器的工作参数必须认真选择，根据放大器的噪声因子图(NF图>，在给定的工作频率下进行输人电阻匹配，以获得最佳噪声特性。

<2）取样积分与数字式平均技术

要恢复淹没在噪声中的脉冲波形时，需要使用此种方法。

在取样积分与数字式平均技术应用中需要考虑下列几个问题：1）门积分的选取：在信号幅度较小的情况下，采用线性门积分有利；而在信号幅度较大时，为了防止电路进入非线性区导致测量误差，必须采用指数式门积分器。所以，在具体的门积分应用中，要根据实际检测情况和要求选择合适的门积分方式。

2）取样积分器工作方式的选择：取样积分器的工作方式可分为定点式和扫描式两种，一般将这两种工作方式组合在同一仪器中，有用户选择使用哪种工作方式。定点工作方式用于检测信号波形上