《微弱信号检测》PPT课件
电子器件的固有噪声
工程上常用测量综合噪声效果衡量电子器件的噪声， 不再区分具体噪声源。 图(a)所示接信号源的放大器，其 综合噪声等效电路可用图(b)表示。
(a)实际电路
(b)等效噪声电路
图 -2 连接到信号源的放大器 us—待放大信号；Rs—ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ号源电阻；unt— Rs≠0引起的热噪声； uni—折算到输入端的噪声电压；ini—折算到输入端的噪声电流
Eni：位于信号源处放大系统的等效输入噪声， 假定Eni是白噪声，其功率谱密度为常数。
SNIR
f in 可等效为：SNIR f n
Δfin为输入噪声的带宽；
Δfn为系统的等效噪声带宽。
减小系统的等效噪声带宽，可提高SNIR。
SNIR越高，系统检测微弱信号的能力越强。
使用微弱信号检测技术，SNIR可达103～105，甚 至107。
举例： A741 的输入端的噪声电压、噪声电流功 率谱密度函数Su(f)、Si(f)的曲线如下图所示 。
图-3 A741的噪声特性
3.低噪声放大器
为放大微弱信号，必然要用放大器。放大器 本身不可避免地产生噪声，对信噪比本来就比较 低的微弱信号造成进一步影响。
因此，微弱信号检测的首要问题是尽量地降
几种常见电子噪声
噪声种类 热噪声 特点 降低途径 减小输入电阻和带宽 减小平均直流电流和带宽
属于白噪声，功率 谱密度在很宽的频 散粒噪声 率范围内恒定。 属有色噪声，频率 接触噪声 增加，功率谱减小。
减小平均直流电流
微弱信号检测中要处理的绝大多数是随机噪声。
源头：电子自由运动-热噪声；越过PN结的载流子扩散和电 子空穴对的产生复合；接触噪声-导体连接处点到的随机涨落。
2.2 元器件固有噪声及其规律
把微弱信号放大到可测幅度，须使用放 大器和其他电路。但电子电路中几乎所有的 元器件本身往往就是噪声源。 这种噪声具有随机性质，其瞬时幅值和 相位不可预测，只能用概率统计方法描述其
大小和特征。
信噪比改善系数
（1）信噪比SNR
信噪比 ( SNR) 有用信号功率 S ＝ 信号中含有的噪声功率 N
低放大器的噪声。
偏置电路低噪声设计
通常，电阻分压式直流偏置电路会产生较大的热噪 声和1/f 噪声。对于射频微弱信号检测，可用图4所示低噪 声偏置电路。它通过射频扼流圈来避免偏置电阻的噪声 问题，通过调谐电路实现偏置 。
(a)利用射频扼流圈 (b)利用调谐电路 图 4 射频电路偏置
直流工作点低噪声设计
对与信号源直连的直接耦合式放大器，选定有源器件
后，还须选择合适工作点，使放大器噪声系数最小。 图 5 是频率 f=1kHz 时，晶体管 2N4250 的噪声系数 随集电极平均电流Ic变化曲线. 可看出，对每个特 定的Rs，都有一个使 噪声系数最小的Ic。 所以，Rs一定时，可 通过改变直流工作点 实现噪声匹配。
按信号处理方式，微弱信号检测可分两类：
1）时域处理，即信号的所有处理都是在时
域内进行；
2）频域处理，即将信号变换到频域，然后
按照信号的频域特性对信号进行处理。
频域微弱信号检测
频域微弱信号检测是指利用锁定放大器对淹没在 噪声中的正弦信号的幅值和相位进行检测。
对较小幅值的直流或慢变信号，为减小1/f噪声和 直流放大器漂移的影响，一般采用调制器或斩波器先 将其变换成交流信号再放大，并用带通滤波器提高信 噪比，之后再解调和低通滤波，得到放大的被测信号. 对微弱直流或慢变信号，调制后的正弦信号也必 然微弱。要达到足够的信噪比，带通滤波器的带宽必 须非常窄、 Q 值必须非常高、中心频率须非常稳定。 这在实际中很难实现。 利用锁定放大器却可很好地解决上述问题。
图 5 2N4250的F-Ic曲线
利用变压器实现噪声匹配
当信号源电阻与放大器的最佳输入电阻存在较大 差异时，采用在信号源输出端串、并联电阻实现噪声 匹配，虽然对有用信号和信号源电阻热噪声的衰减相 同，但有用信号与放大器噪声之比也衰减，且串、并 联电阻本身还要产生噪声，所以该方案行不通。 可考虑利用变压器进行噪声匹配 。
微弱信号检测(Weak Signal Detection)
从噪声中提取信号，从而使测量下限可低于测量系 统的噪声水平。这是与非微弱信号监测的关键差别。
1 概述
科学研究中常需检测极微弱的信号，例如：
生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电 天文学中的星体光谱 化学反映中的物质生成过程 物理学中表面物理特性 光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱 微机电系统（MEMS）的微位移、微力、微电流、电 压等
微弱信号检测途径
●降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高信
噪比；
●研制适合弱信号检测原理并满足特殊需要的器
件；
●研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手
段提取信号。 上述三者缺一不可。
2. 噪声基本知识
2.1 噪声来源 检测装置外部，如宇宙射线、广电信号等； 检测装置内部，如各部分之间的静电耦合、 电磁耦合、共阻抗耦合等； 元器件内部，如载流子的不规则热运动所造 成的固有噪声等。 本讲涉及如何降低元器件内部固有噪声影响
微弱信号检测技术
§1
§2 §3 §4 §5 §6
概述
噪声基本知识 低噪声放大器 微弱信号检测方法 利用噪声检测信号的技术方法示例 反馈测量技术及其他技术
1 概述
微弱信号的定义
有用信号的幅度绝对值很小，如V 、 nV 乃至pV 量级电压信号；检测每秒钟多少个光子的弱光信 号。 相对于噪声而言，幅度很小的有用信号。如输入 信号的信噪比为10-2或更小，即信号完全淹没在噪 声之中。
SNR用来评价信号的品质优劣， SNR越高， 测量误差越小。 信号通过一个放大器或一个测试系统后， SNR可能提高，也可能降低。 信噪比改善系数SNIR被引入，以描述放大 器或测试系统对SNR的改善作用 。
白噪声情况下信噪比系数：
2 / E 输出信噪比 Vs2 n0 ＝ 0 信噪比改善（SNIR）＝ 2 输入信噪比 Vsi2 / Eni
如图 6(a) 所示，假设变压器是理想的，初级线圈与 次级线圈的匝数比为1：n，那么由初级变换到次级的信 号电压为nus、噪声电压为nunt、源电阻为n2Rs，如图 6(b) 所示。选择合适的n，可实现噪声匹配。
(a)电路连接及噪声源 图 6
(b)等效电路 变压器噪声匹配电路
4.微弱信号检测方法
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微弱信号检测课件2(高晋占_--清华大学出版)
例：用三个放大器串级联接来放大微小信号，其功率增 益和噪声系数如下表：
放大器 功率增益 K A 10dB A K B 12dB B C
K C 20dB
噪声系数F1
FA 1.6
FB 2.0
FC 4.0
如何联接才能使总的噪声系数最小？ 解：三个放大器中F最小的放大器A应该用作第一级。两 种联接排列：(a) A、B、C 或 (b) A、C、B增益换算为 倍数： K A 10倍，K B 15.849 倍，K C 100 倍。
S sh f 2qIdc
式中：
q 电子电荷；
I dc 流过PN结的平均直流电流。
3．散弹噪声电流的功率 P sh
Psh 2qIdc df 2qIdc B
B
4．散弹噪声电流的有效值（均方根值）为
I sh 2qIdcB
上式表明，单位带宽方根的
I sh
只是 I dc 的函数。
2 F B b1
12
K F I B f iN 2qI B f
当频率足够高时,忽略 1 f 噪声
12
2qIC eN 4kTrbb 2 gm iN 2qIB
12
（2）等效输入电压噪声随 I C 变化曲线
2 S ni f I n f 2 n
V Hz A 2 Hz
f f V A Hz Hz
2
2. 平方根谱密度 eN S nv f En
iN S ni f I n
2.3.2 放大器噪声性能分析
1．放大器的等效输入噪声
输入电路的总噪声功率：
2 2 2 2 2 Eni Vt 2 En I n Rs2 4 KTRs f En I n Rs2
微弱信号检测101页PPT
微弱信号检测
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
微弱信号检测的三种非线性方法(共8张PPT)
式中 T(k)为待测信号(xìnhào)，fs 为被测信号T(k)的采样频率; fe 为系统的激励频率; p 为强化系数; fd 为检测频率。
第六页，共八页。
差分 振子法 (chà fēn)
1.当被测信号 T( k)中包含 fd 这一频 率(pínlǜ)成分时, 相图收敛为极限环, 如下图所示：
2.当被测信号 T( k)中不包含 fd 这 一频率(pínlǜ)成分时, 相图收敛为极点图,
式中 k 为阻尼比,f cosωt 为周期策动力。 (1)f1<f<f2时：系统进入混沌状态； (2)f>f2时： 系统进入大周期状态。
第四页，共八页。
混沌 振子法 (hùndùn)
将混有噪声的待检测信号 sn( t) =acosωt+n( t)对周期策动力 的扰动加入( jiārù)到系统中,如下所示:
目前，非线性系统的微弱信号检测方法主要 有三种： 1.随机共振法； 2.混沌振子法； 3.差分振子法。
第一页，共八页。
随机 共振法 (suí jī)
SR 系统包含 3 个不可缺少的要素: （1）双稳态非 线性系统; （2）被测微弱信号; （3）噪声。
当仅在小周期信号或弱噪声驱动下都不足以使双 稳态系统的输出在 2 个稳态之间跳跃(tiàoyuè),即系统 不能产生随机共振;
先将 f设在阀值 f2 左邻域, 此时系统处于(chǔyú)混沌状态
1.当待测信号只存在噪声n(t)， 而a=0则f+a<f2，系统仍处于混
沌状态：
2.当待测信号存在噪声n(t)和信号 acosωt，及a>0则f+a>f2，系统处于
大周期状态：
因此,可通过观察系统的相图变化实现微弱信号的检测。
第六页，共八页。
差分 振子法 (chà fēn)
1.当被测信号 T( k)中包含 fd 这一频 率(pínlǜ)成分时, 相图收敛为极限环, 如下图所示：
2.当被测信号 T( k)中不包含 fd 这 一频率(pínlǜ)成分时, 相图收敛为极点图,
式中 k 为阻尼比,f cosωt 为周期策动力。 (1)f1<f<f2时：系统进入混沌状态； (2)f>f2时： 系统进入大周期状态。
第四页，共八页。
混沌 振子法 (hùndùn)
将混有噪声的待检测信号 sn( t) =acosωt+n( t)对周期策动力 的扰动加入( jiārù)到系统中,如下所示:
目前，非线性系统的微弱信号检测方法主要 有三种： 1.随机共振法； 2.混沌振子法； 3.差分振子法。
第一页，共八页。
随机 共振法 (suí jī)
SR 系统包含 3 个不可缺少的要素: （1）双稳态非 线性系统; （2）被测微弱信号; （3）噪声。
当仅在小周期信号或弱噪声驱动下都不足以使双 稳态系统的输出在 2 个稳态之间跳跃(tiàoyuè),即系统 不能产生随机共振;
先将 f设在阀值 f2 左邻域, 此时系统处于(chǔyú)混沌状态
1.当待测信号只存在噪声n(t)， 而a=0则f+a<f2，系统仍处于混
沌状态：
2.当待测信号存在噪声n(t)和信号 acosωt，及a>0则f+a>f2，系统处于
大周期状态：
因此,可通过观察系统的相图变化实现微弱信号的检测。
[微弱信号检测][课件][第02章][同步相干检测][锁定放大器的工作原理]
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1n1 cos2n 2 t 0
n 1
2n 1
2n 1
n 1
1n1 cos2n t n(t ) 4Vr
0
2n 1
n 1
1n1 cos2n 1 t
0
第二项所表示的和频项被滤除，讨论第三项
（1）如果n(t)为单频信号，其频率为Wn，那么只有
n 0 LPF
Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST
17
(2)如果n(t)为宽带噪声或x(t)的高次谐波，其频率为Wn的分量
Vn cos(nt ) 与方波相乘结果为：
uau (t ) Vn cos(nt ) 2VrVn
4Vr
n
2n 1 cos2n 1 t
n 1 0 0
1
n 1
2n 1 cos( 2n 1 )t
Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST
11
4.X(t)为正弦波含窄带噪声，r(t)为正弦波 x(t ) Vs cos0t n(t )
Sn : n B / 2 ~ n B / 2范围内恒为 0 / 2 N
4Vr
2n 1
n 1
1n1 cos2n 1 t
0 0
2n 1
n 1
1n1 cos2n 2 t 2VsVr
微弱信号检测与锁定放大器ppt课件33页PPT
相关检测的矢量解释
参考信号： – 可看成是基矢(正弦波)或基矢的线性组
合（非正弦波，如方波） 检测信号： – 可看成是由多个正弦信号的线性组合 旋转坐标系，ωR – 检测信号绕参考信号作相对转动
相关检测的矢量解释
检测结果(对基矢投影)： – 被检信号与参考信号相对稳定不动；
有稳定输出--直流 – 被检信号与参考信号有相对运动；有
相关测量 – 锁定放大器，同步积分器，数字滤波
器等 – 抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高
锁定放大器的工作原理
1962年第一台仪器问世，发现俄歇效应。 据统计，已在几百种场合中得到应用。 在弱信号探测仪器中锁定放大器是一个 非常重要的品种。 信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当 于Q值=108）。
相关检测
乘法器
x(t) S(t) n(t)
信号通道
延迟
参考通道
x(t ) S(t )n(t )
积分器
Rss(τ)
相关检测
设有信号S(t)，通过如上图所示的功 能器件，则有：
R () T 1[S (t) n (t)[S ](t ) n (t )d ] t
RSS ()Rn(n)
如果参考信号是“干净”的，则只剩下第 一项。
V t0
V t0
t
t 外外外外
量型：两个正交的参考信号
VS (t)
VP
(t) 低通
VO
(t)
VS(t)
VS
VR (t)
(t) VP (t)低通
V VOO’(t()t)
V VRR’(t()t)
锁定放大器的改进
正弦化型：参考信号正弦化，消除多窗 口 – 多基矢
f
微弱信号检测：噪声与低噪声设计 PPT
F SNR i SNR o
噪声系数F的用途：可检测的最小信号
输出最小信噪比SNR0=Pso/Pno达到一定的指标。
F
Pno
Pni
Pso Psi
Psi SNRoPni
PsiFSNoR Pni Ei Psi FSNoR Pni
例：放大器的输入噪声只有信号源电阻Rs=1K欧的热噪声，温 度为17℃，放大器等效噪声带宽B=1KHz，噪声系数F=2，要求 SNR0=10，试求系统可检测的最小信号Ei。
4k T s fR
4k T s fR
Rs 0,
F
F 0 Rs
RsoEn/In
F1Fm2i n1RRssoRRsso
Fm
in1
eNiN 2k Tf
噪声Байду номын сангаас子NF
NF10lgF
NF=0,即F=1，为理想无噪声放大器。
NF越大，放大器性能越差
不同放大器的NF随Rs/Rso变化的曲线
级联放大器的噪声系数
开路热噪声电流有效值：
It 4kT/BR
串联等效电压有效值：Et串2=4KTB（R1＋R2）
E t2 串 Ee t1 e t22E e t2 1 e t2 2 2 e t1 e t2
E e t2 1 E e t2 2 E 2 e t12 t2
et1和et2互不相关
E t 2 串 E e t 2 1 E e t 2 2 E t 2 1 E t 2 2
E n 2 i E t 2 E n 2 I n 2 R s 2 4 ks T f E n 2 R I n 2 R s 2
高噪声放大器
低噪声放大器
最佳源电阻与噪声匹配
P no
FP no K p4k T s fR E n 2In 2R S 21E n 2In 2R S 2
微弱信号检测课件4(高晋占_--清华大学出版)
0.5V n cosn 0 t 0.5Vn cosn 0 t
信号与噪声的和频项 信号与噪声的差频项
经低通，第二项、第三项被滤除
u0 t 0.5Vs cos 加 n 0 LPF 带宽的噪声
4.
xt 为正弦波含窄带噪声， r t 为正弦波
2VrVn
4Vr
噪声中频率为 n的分量Vn cosnt ，它与方波相乘的结果 为
uan t 2VrVn
2n 1
n 1
1n1 cos2n 1 t
0
1n1 cos 2n 1 t n 0
n 1
1 1 H 2 n 1 2n 1 1 2 RC
4．5 锁定放大器性能指标与动态协调
4.5.1 LIA的主要性能指标
1．过载电平OVL：使LIA任一级出现过载的输入信号电 平，为允许噪声峰值 2. 最小可测信号MDS(Minimum Discernible Signal)： 输出能辨别的最小输入信号，是测量下限。取决于系统漂 移（温漂、时漂）。 3．满刻度输出时的输入电平FS：表征灵敏度,取决于增益。 为允许信号峰值。 4．输入总动态范围= OVL / MDS (dB) 5．输出动态范围= FS / MDS (dB) 6．动态储备= OVL / FS (dB)
4.6.1 阻抗微小变化的测量
当被测阻抗变化为 Z x Z x时，
Z1 Z x Z x Z 2 Z 3 xt E Z1 Z 2 Z3 Z x Z x
电桥的平衡条件为： Z1Z x Z2 Z3 相对变化量较小时，略 去分母中的 Z x：
Z1Z x Z x 1 xt E Z1 Z 2 Z3 Z x Z 2 Z3 Z x 1 Z 1 Z 1 x
第八章 微弱信号检测
31
测量技术的分类
非相关测量
普通的电压表，示波器，频率计等 使用方便，用途广泛
相关测量
锁定放大器，同步积分器，光子计数器,数 字滤波器等
抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高
32
取样积分器
取样积分器(Boxcar)， 是一种微弱信号检测系统。 它在原理上是很古老的，它利用周期性信号的重 复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次， 然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取 样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。 因为信号提取(取样)是经过多次重复的，而噪声 多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信 噪比，再现被噪声淹没的信号波形。
17
典型电阻器的总噪声
18
各种电阻的噪声指数
19
半导体二极管的散粒噪声
半导体二极管中的散粒噪声是在接通电压 后，电流通过PN结产生的。在不同时刻通 以PN结位垒的载流子的数目是随机的,时多 时少，因而造成电流的起伏。这种由于位 垒中载流子的散粒性所产生的噪声，称为 散较噪声。
20
半导体三极管的内部噪声
7
在检测系统中，可以处理的最高信号电平受电路特性的限 制，但最小可检测电平取决于噪声。也就是说，噪声限制 了传感器的分辨率和系统的动态范围。
当一个系统的信号扰动很大，在无法区分是干扰还是噪 声时，可先加以屏蔽。频率高于1000Hz或阻扰大于1000 欧时，一般采用金属导体屏蔽，如铝或铜等。对于低频扰 动或低阻抗的情况，可采用磁屏蔽，如铁镍导磁合金等。 此外，也可先给前置放大器单独供电如有效果，说明噪声 主要来自外部干扰，则可进一步采取屏蔽措施。如果还不 能减少扰动，就应认为噪声主要是系统内部元部件的随机 的基本噪声。
RSS ()Rn(n)
测量技术的分类
非相关测量
普通的电压表，示波器，频率计等 使用方便，用途广泛
相关测量
锁定放大器，同步积分器，光子计数器,数 字滤波器等
抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高
32
取样积分器
取样积分器(Boxcar)， 是一种微弱信号检测系统。 它在原理上是很古老的，它利用周期性信号的重 复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次， 然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取 样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。 因为信号提取(取样)是经过多次重复的，而噪声 多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信 噪比，再现被噪声淹没的信号波形。
17
典型电阻器的总噪声
18
各种电阻的噪声指数
19
半导体二极管的散粒噪声
半导体二极管中的散粒噪声是在接通电压 后，电流通过PN结产生的。在不同时刻通 以PN结位垒的载流子的数目是随机的,时多 时少，因而造成电流的起伏。这种由于位 垒中载流子的散粒性所产生的噪声，称为 散较噪声。
20
半导体三极管的内部噪声
7
在检测系统中，可以处理的最高信号电平受电路特性的限 制，但最小可检测电平取决于噪声。也就是说，噪声限制 了传感器的分辨率和系统的动态范围。
当一个系统的信号扰动很大，在无法区分是干扰还是噪 声时，可先加以屏蔽。频率高于1000Hz或阻扰大于1000 欧时，一般采用金属导体屏蔽，如铝或铜等。对于低频扰 动或低阻抗的情况，可采用磁屏蔽，如铁镍导磁合金等。 此外，也可先给前置放大器单独供电如有效果，说明噪声 主要来自外部干扰，则可进一步采取屏蔽措施。如果还不 能减少扰动，就应认为噪声主要是系统内部元部件的随机 的基本噪声。
RSS ()Rn(n)
微弱信号检测
AV
4.3.2 相关检测原理
为了将被噪声所淹没的信号检测出来，人们研究各种信号及噪声的规律，发现信号与信号的延时相乘后累加的结果可以区别于信号与噪声的延时相乘后累加的结果，从而提出了“相关”的概念。 由于相关的概念涉及信号的能量及功率，因此先给出功率信号和能量信号的相关函数。
一. 引言
f1(t)与f2(t)是能量有限信号 f1(t)与f2(t)为实函数 f1(t)与f2(t)为复函数 f1(t)与f2(t)是功率有限信号 f1(t)与f2(t)为实函数 f1(t)与f2(t)为复函数
1．时域相关与频域的窄带化技术 利用时域中周期信号的相关性而噪声的随机、不相关性（或弱相关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声背景下提取周期信号的“相关检测”。这相当于在频率中窄带化滤除干扰和噪声。特别适用窄带信号。例如锁定放大器。 2．平均积累处理 对于一些宽带周期信号应用上述方法处理效果不佳，一种根据时域特征用取样平均来改善信噪比并能恢复波形的取样积分器可获得良好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波形，每周期如在固定的取样间隔内取样m次积累则信噪比改善。因为“信号电压幅值为线性叠加”（有规律的周期信号）而“噪声功率为矢量相加”（无规律的随机信号）。
4.3.0 概述 4.3.1 信噪比改善（SNIR） 4.3.2 相关检测原理 4.3.3 锁定放大器 4.3.4 取样积分器
4.3 微弱信号检测
4.3.0 概 述
一.微弱信号检测定义
前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些基本方法，如采用低噪声放大器不会对被探测的辐射信号产生噪声“污染”；但如果光辐射信号非常微弱或者背景噪声或干扰的影响很大，造成通过光电检测放大电路后进入信号处理系统输入端的信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之中，这时要想将信号检测出来，必须根据信号和噪声的不同特点，借助一些特殊的微弱信号检测方法将信号与噪声分离，将信号从噪声中提取出来。
4.3.2 相关检测原理
为了将被噪声所淹没的信号检测出来，人们研究各种信号及噪声的规律，发现信号与信号的延时相乘后累加的结果可以区别于信号与噪声的延时相乘后累加的结果，从而提出了“相关”的概念。 由于相关的概念涉及信号的能量及功率，因此先给出功率信号和能量信号的相关函数。
一. 引言
f1(t)与f2(t)是能量有限信号 f1(t)与f2(t)为实函数 f1(t)与f2(t)为复函数 f1(t)与f2(t)是功率有限信号 f1(t)与f2(t)为实函数 f1(t)与f2(t)为复函数
1．时域相关与频域的窄带化技术 利用时域中周期信号的相关性而噪声的随机、不相关性（或弱相关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声背景下提取周期信号的“相关检测”。这相当于在频率中窄带化滤除干扰和噪声。特别适用窄带信号。例如锁定放大器。 2．平均积累处理 对于一些宽带周期信号应用上述方法处理效果不佳，一种根据时域特征用取样平均来改善信噪比并能恢复波形的取样积分器可获得良好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波形，每周期如在固定的取样间隔内取样m次积累则信噪比改善。因为“信号电压幅值为线性叠加”（有规律的周期信号）而“噪声功率为矢量相加”（无规律的随机信号）。
4.3.0 概述 4.3.1 信噪比改善（SNIR） 4.3.2 相关检测原理 4.3.3 锁定放大器 4.3.4 取样积分器
4.3 微弱信号检测
4.3.0 概 述
一.微弱信号检测定义
前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些基本方法，如采用低噪声放大器不会对被探测的辐射信号产生噪声“污染”；但如果光辐射信号非常微弱或者背景噪声或干扰的影响很大，造成通过光电检测放大电路后进入信号处理系统输入端的信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之中，这时要想将信号检测出来，必须根据信号和噪声的不同特点，借助一些特殊的微弱信号检测方法将信号与噪声分离，将信号从噪声中提取出来。
A题-微弱信号检测装置PPT课件
2012年15TI杯竞赛 试题解析
微弱信号检测装置（A题）
1 微弱信号检测技术
❖ 滤波（如：匹配滤波器） ❖ 相关检测（如：锁相放大器） ❖ 平均（如：取样积分器）
2 锁相放大器
Lock-in amplifiers（锁定放大器） ——用来检测微弱的交流信号。利用互相关原理， 使输入待测的周期信号与频率相同的参考信号在相 关器中实现互相关，从而将深埋在噪声中的周期信 号携带的信息检测出来。
微弱信号检测电路的设计要点
❖ 采用锁相放大器 ❖ 参考信号的产生 ❖ 双通道锁相放大器 ❖ 锁相放大器的时间常数 ❖ 直流放大器
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
1000 50V
锁相放大器
0.01Hz
10nV 1000
10V
5nV / Hz 0.01Hz
1000 0.5V
锁相放大器的工作原理
Vs sin(st s ) Vr sin(rt r )
当 s = r 时:
PSD: phase-sensitive detection
LPF
Vpsd
Vpsd VsVr sin(st s ) sin(rt r )
例如：正弦信号：10 nV@10KHz，增益为1000 输入噪声（噪声电压密度） ：5 nV/Hz
带宽 输出正弦信号 输出噪声信号
低噪放大器 100kHz
低噪放大器+ 带通滤波100Hz10nV 1000
10V
10nV 1000
10V
5nV / Hz 100kHz 1000 1.6mV
微弱信号检测装置（A题）
1 微弱信号检测技术
❖ 滤波（如：匹配滤波器） ❖ 相关检测（如：锁相放大器） ❖ 平均（如：取样积分器）
2 锁相放大器
Lock-in amplifiers（锁定放大器） ——用来检测微弱的交流信号。利用互相关原理， 使输入待测的周期信号与频率相同的参考信号在相 关器中实现互相关，从而将深埋在噪声中的周期信 号携带的信息检测出来。
微弱信号检测电路的设计要点
❖ 采用锁相放大器 ❖ 参考信号的产生 ❖ 双通道锁相放大器 ❖ 锁相放大器的时间常数 ❖ 直流放大器
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
1000 50V
锁相放大器
0.01Hz
10nV 1000
10V
5nV / Hz 0.01Hz
1000 0.5V
锁相放大器的工作原理
Vs sin(st s ) Vr sin(rt r )
当 s = r 时:
PSD: phase-sensitive detection
LPF
Vpsd
Vpsd VsVr sin(st s ) sin(rt r )
例如：正弦信号：10 nV@10KHz，增益为1000 输入噪声（噪声电压密度） ：5 nV/Hz
带宽 输出正弦信号 输出噪声信号
低噪放大器 100kHz
低噪放大器+ 带通滤波100Hz10nV 1000
10V
10nV 1000
10V
5nV / Hz 100kHz 1000 1.6mV