弱信号检测资料整理.docx

一、理论1、定义微弱信号检测就是利用信号和噪声的某种差异区分信号和噪声,把淹没在噪声中的信号提取出来。(微弱信号检测的目的就是在强背景噪声中提取出有用信号。)微弱信号检测(WeakSignalDetection)技术主要是提高信号的信噪比，从噪声中检测出有用的微弱信号。提高检测系统输出信号的信噪比，是微弱信号检测技术的主要研究目标。一般采用信噪改善比SNIR(signalnoiseimprovementratio),判定一种微弱信号检测方法的优劣。SNIR值越大，表明抑制噪声的能力越强。信噪比改善(SNIR)：输出信噪比(SN)out与输入信噪比(SN)in之比。SNIR =(S"信噪比，即SNR(SignaltoNOiSeRaIiO),又称为讯噪比。狭义来讲是指放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高。通过计算公式我们发现，信噪比不是一个固定的数值，它应该随着输入信号的变化而变化，如果噪声固定的话，显然输入信号的幅度越高信噪比就越高。显然，这种变化着的参数是不能用来作为一个衡量标准的，要想让它成为一种衡量标准，就必须使它成为一个定值。于是，作为器材设备的一个参数，信噪比被定义为了“在设备最大不失真输出功率下信号与噪声的比率，这样，所有设备的信噪比指标的测量方式就被统一起来，大家可以在同一种测量条件下进行比较了。信噪比通常不是直接进行测量的，而是通过测量噪声信号的幅度换算出来的，通常的方法是：给放大器一个标准信号，通常是0.775VrmS或2Vp-plkHz,调整放大器的放大倍数使其达到最大不失真输出功率或幅度(失真的范围由厂家决定,通常是10%,也有1%),记下此时放大器的输出幅Vs,然后撤除输入信号，测量此时出现在输出端的噪声电压，记为Vn,再根据SNR=20LG(Vn/Vs)就可以计算出信噪比了。PS和Pn分别是信号和噪声的有效功率，根据SNR=IOLG(PsZPn)也可以计算出信号比。在C点测量输入信号的(SN)in(C点电压/不加信号源的C点电压)，在E点测量输出信号的(SN)oul(E点电压/不加信号源的E点电压)。二、微弱信号检测方法建议重点学习现代模拟电路实验(唐鸿宾，P150)；微弱信号检测与采集技术的研究微弱电信号检测方法回顾可参考方案1：相关检测信号与噪声有本质区别。信号是有规律的，能够重复，后续信号与早先信号是有关联的,信号可以用一个确定的时间函数来描述。噪声没有规律，是随机的，不能够重欠的，不同时刻的噪声之间(只要观察时间不太短)是没有关联的。噪声不能够用一个确定的时间函数来描述。因此，可以利用信号自身存在的规律性(相关性)来寻找信号，也可以利用一个与被测信号规律性部分相同的已知信号(二者之间也有相关性)来寻找被测信号，达到去除噪声的目的，这就是相关性原理的基本点。根据相关性原理而实现对信号的检测称为相关检测，相关检测用以最大限度地压缩带宽、抑制噪声，达到检测微弱信号的目的。相关检测法是利用待测信号的幅度在不同时刻具有周期性和背景噪声的随机性特点，采用自相关和互相关计算方法消除噪声，它主要可以分为自相关检测方法和互相关检测方法两种。相关检测技术是应用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声、检测出信号的一种技术。相关函数可用式(2-20)(2-25)计算。由于信号和噪声是相互独立的过程，根据自相关函数和互相关函数的定义，信号只与信号本身相关，与噪声不相关，而噪声之间一般也是不相关的。以相敏检波器为核心部件的锁定放大器(LlA,LOCk-inAmplifier)就是这一原理的典型应用。它能够测量到输入信噪比低达IO-'的微弱正弦量。1)、自相关检测实现自相关检测的原理框图如图2-1所示。图2-1向相关检测原理图若信号为一正弦函数s(t)=Vmcos(t+)可以求得输入信号x(t)的自相关函数旦(D=:嗫CoS侬+凡.(D随着时间T的增加，噪声的自相关函数Rnn(T)迅速衰减，而信号的自相关函数RSS(T)却是小衰减的周期函数，从而可检测出有用信号。2)、互相关检测如果发送信号的重复周期或频率已知，就可在接收端发出一重复周期与发送信号相同的“干净的”本地信号，将本地信号与混有噪声的输入信号进行互相关。可以这样理解，互相关接收的抗干扰性能比自相关接收好。如图2-3所示是实现互相关检测的原理框图。图2-3互相关检测原理图互相关检测只有输入信号与本地参考信号的相关输出，去掉了噪声项，因此它的输出信噪比SNR高。按理说，本地参考信号s2(t)与噪声间没有依附性，互相关函数Rns2(T)应该为0。但是，必须指出，此种情况只有在计算互相关函数求平均值时间比较长的时候，Rns2()才趋近于0,才有可能得到较高的输出信号噪声比。然而，当求平均值时间比较长时，有要求sl(t)与s2(。的重复周期严格一致，否则(两信号的频率不等)RXy(T)将变成起伏信号，平均值将下降，严重情况下可能为0。3)、相关解调由相关解调器的输出电压UO计算出正弦信号幅度Us,由于其输出与相位差中有关，所以相关解调器又称为相敏检波器(PSD)。显然，如果能做到=0,即参考信号与被测信号同相位，则UO将达到最大值，从而可以实现对US的最准确测量。从物理解概念来看，相关解调器所完成的互相关运算相当于把原来位于f附近的正弦信号及噪声转移到低频，因此完成积分运算的积分器起到了一个低通滤波器(LPF)的作用。当增大积分时间常数时，相当于减小了噪声带宽，因此噪声可以得到充分的抑制，从而提高了输出信噪比以及检测微弱正弦信号的能力。相敏检波器是锁定放大器的核心部件。从噪声中参量估计理论来看，它属于最大似然估计，因此是一种较好的估计方法。但是，要具体实现本电路.关键必须要有一个幅度恒定、与信号同频率的正弦参考信号。在很多锁定放大器的应用场合，这个参考信号可以用振荡器来得到，再使被测信号也具有这个频率，这样就实现了同频的要求.进而就可以完成在观测噪声中正弦信号幅度的检测。图2-4相美解调器原理图图3-5数字双通道相关解调器结构原理示意图=Kcos6,Q=Visin:.rs=P+0=tan-,(QII)双通道结构的数字相关解调器在检测微弱正弦信号时，完全不需要考虑被测正弦信号的相位问题(用于微弱信号检测的数字相关解调器设计在没有预先获知被测正弦信号与确切相位的情况下，仍然可以准确测量出被测信号的幅度值，即幅度的测量值与被测信号的u相位值是相互独立的。而且被测信号的相位值依然可以通过LH计算出来，尽管可能需要使用一些超越函数计算，如开方运算、反正切运算等，才能获得相位值。方案2：取样积分(可参考微弱信号检测，曾庆勇Pl07)输出图2.3 同步累枳器原理框图信号通常是周期重复的，而噪声是没有规律的随机信号。同步累积法是指对受到干扰的信号的固定点进行多次周期重夏测量，把每次测得的数据与信号同步、同相位的准确积累起来，则可使信号幅度越积越大。同时，由于噪声信号具有随机性，不同周期的对应点的值有正负之分，累积后可以将其中一部分噪声信号抵消，因此噪声的增长弱于信号增长。取样平均处理中某一时间间隔的信号幅值是利用取样方法得到的，而信号的平均是通过积分来实现的，所以这种方法常被称为“取样积分”。图2.4为取样积分器电路原理框图，其中的也)是与被测信号s(t)同频的参考信号，延时t后生成取样脉冲，作用到取样开关S,完成对输入信号x(t)=s+n的取样。由于每间隔周期T完成一次取样，所以在电容C上的电压便得到取样信号的积分。以防积累引起溢出现象，在计算机的存储器代替C的情况下,需要对存储信号做平均处理，因此又称为积累平均。图24取样枳分器原理图方案3：匹配滤波使用窄带滤波器，滤掉带宽噪声只让窄带信号通过（仅有及少量窄带噪声通过）。B越小，即通频带越窄，噪声电压均方值越小，抑制噪声能力越强。可把信号检测出来，对于任何单个脉冲信号（方波、正弦波等）可认为它的带宽为1,为了检测单次信号，滤波器带宽满足BM=MZ,且信噪比改善SNlRAfnt/cn,为噪声带宽）。窄带滤波法能减少噪声对有用信号的影响。滤除掉通频带以外的噪声，提高信号的信噪比。但是，由于一般滤波器的中心频率不稳定，不能满足更高的滤除噪声的要求。希望通过三种方案的分析对比，找出各自的优缺点；考察设计指标（有效信号：500-2KHz频率可变、20mV-2V幅度可变、只测幅度值（峰峰值？有效值？）从而得到选择双相锁定放大器（外差锁定放大器？）方案的结论。三、应注意的问题建议重点学习微弱信号检测（曾庆勇，P38）；微弱信号检测（高晋占，P99）可参考1、接地在微弱信号检测中，由于有用信号极其微弱，其量级通常达V,容易被强大的噪声所淹没，因此通常需要应用合理的屏蔽和接地技术，最大限度地降低外部的干扰、耦合等噪声。所以，正确掌握屏蔽和接地技术，对于微弱信号检测系统的设计有很重要的意义。一个测量系统总是由若干部件单元组成，各单元若电位不统一，会引起互相干扰。接地可以统一各单元的基本电位。这是接地的基本目标之一,另外，接地也可以滤除进线干扰，有时利用接地也可以节省一条信号线，当然接地也可以用于防雷击等等，我们这里主要关心统一各单元基本电位的接地。正确的接地可以克服干扰的影响，不得当的接地，甚至会加大干扰的影响，所以需要对不同的接地方法加以分析。常见的接地方法有：单点串联接地，单点并联接地，多点接地，浮点接地。2、屏蔽技术屏蔽是指用低电阻材料或磁性材料制成的容器将需要隔离的电路包围起来的方法。屏蔽按所要屏蔽的干扰对象一般可分为：静电屏蔽、电磁屏蔽和磁场屏蔽。屏蔽与接地密切相关,要期望有好的屏蔽效果，除了必须仔细考虑屏蔽层的接法外，还必须注意接地方式。图2-11屏蔽驱动电路如图2-11所示为由PGA204/205构成的屏蔽驱动电路。由抗干扰理论与实践证明，传输弱信号的电缆线的屏蔽层加上一定电位时,将大大减小由屏蔽层与芯线之间分布电容耦合引入的干扰。图中电路便是基于这种考虑，用运放OPAI77构成屏蔽层驱动器，输入信号来自于PGA204/205,由OPA177电压跟随器输出后加到屏蔽层，即屏蔽层电位被抬高到仪表放大器内部运放输出的电位，从而使电缆线上的干扰大大减小。3、噪声匹配4、过载3、4项2个问题可参考微弱信号检测（曾庆勇，P96）3、ADC位数、LSB误差及参考电压量程控制TI器件在高校中的应用和选型指南黄争P264,P2664、曲线拟合（LMS）数值分析，上网查资料PCB设计中各接口应尽量使用BNC接头、带屏蔽层的传输线；跳线可和地线一起，构成双绞线；信号线走线应尽量短，信号线与信号线之间的距离要尽量隔开，线之间可铺地线;各芯片的电源要注意滤波（加104电容）；软件控制AD采样时注意量程控制并做好数据的曲线拟合（LMS）处理。三、模块设计重点参考电阻层析成像测试系统中的微弱信号检测，双相位锁相放大电路设计;微弱信号检测与辨识机制研究有放大、滤波电路可以参考系统结构图图57正交矢量型锁相放大器结构微弱信号检测电路结构图显示电路结构图1、加法器使用仪表放大器的高性能加法器运放加法器增加系统所有通道上的噪声，仪表放大器加法器的失真为运放加法器的五分之一。2、纯电阻分压网络L形和定阻等比分压器的分析与设计可参考设计可控衰减系数的分压网络此次要考虑阻抗匹配的问题。图31形多档等比分压器3、前置放大（低噪声AC）对于微弱信号检测来说，前置放大器则是整个电路部分中噪声的主要来源。因此，仪器可检测的最小信号取决于前置放大器的噪声。OPA2227IKHz低噪声：3nVHz2运放OPA2134IKHz低噪声：8nVHz2运放TL084IKHz低噪声：18nVHz4运放4、滤波（带通滤波BPF）低通滤波器+高通滤波器构成带通滤波通过模拟开关4053选择R、C值，分段进行带通滤波MAX262或MAX7490程控带通滤波优先使用MAX7490E叵叵叵叵叵巨EA×XAMAX7490 MAX7491hOLP6=运 100Motch =f。Q =空R2hOBP-R2R1-R3R15、锁定放大器以相敏检波器（PSD）为核心部件的锁定放大器（LIA, LoCk-inAmplifier）就是这一原理 的典型应用。它能够测量到输入信噪比低达IO?的微弱正弦量。6、低通滤波利用Tl的辅助设计软件，基于OPA2227进行设计、仿真，要求做出系统的频率特性曲线（写报告用）。可参考基于ARM的前向散射式能见度仪的设计7、乘法器MU04W=O. 4V8、AD采样ADSl11516位9、显z5电路单片机数据处理（前期直接得到测量数据，从而在计算机上进行曲线拟合，得到方程常数；后期将测量到的数据代入方程得到结果）及显示其他（手册翻译）：低噪声运算放大器电路的设计需要仔细考虑各种可能的噪声贡献者：从信号源的噪声，噪声在运算生成放大器和反馈网络电阻的噪声。该电路的总噪声是根平方和所有噪声成分的组合。源阻抗的电阻部分产生的热噪声的阻力的平方根成正比。此函数绘制如图4所示。由于源阻抗通常是固定的，选择运算放大器的反馈电阴，以减少他们的贡献bution总噪声。图4显示了总噪声源同在一个单位增益配置的运算放大器（无反馈电阻网络，因此没有额外的噪声贡献）的阻抗不同。运算放大器本身的贡献电压噪声成分和目前的数字3。输入偏置电流取消。图4。在单位增益缓冲器配置OPA227的噪声性能。噪声性能图4显示了同在一个单位增益配置的运算放大器（无反馈电阻网络，因此没有额外的噪声贡献）不同源的阻抗总电路噪声。总电路噪声计算显示两种不同的运算放大器。OPA227具有非常低的电压噪声，低源阻抗（小于20K。）的理想选择。类似的高精度运算放大器，OPA277,有稍高的电压噪声，但较低的电流噪声。在温和的源阻抗（IokC至IoOkQ的），它提供了卓越的噪声性能。以上IOoK,场效应管输入，如运算放大器OPA132（非常低的电流噪声）可能提供更高的性能。总电路噪声的计算:公式所示。请注意，EN=电压噪声，=电流噪声，RS=源阻抗，k=波尔兹曼常数=1.3810-23K和TK温度计算噪声的更多细节，请参阅插入标题为“基本噪声计算。“噪声成分。电压噪声是通常作为组件的偏移电压随时间变化的MOD-ELEDo输入偏置电流随时间变化的组件NENT电流噪声为蓝本，并与源电阻反应，创建一个组件的噪声电压。ConSe经常对于一个给定的应用程序，最低的噪声运算放大器取决于源阻抗。对于低源阻抗，电流噪声可以忽略不计及电压噪声产生盟友占主导地位。高源阻抗，电流噪声可能会占据主导地位。图5U示了既与增益反相和同相运算放大器电路的配置。在增益电路配置，反馈网络电阻也有助于噪音。运算放大器的电流噪声的反应与反馈电阻，以创建额外的噪声成分。反馈电阻值一般都可以选择，以使这些噪声源可以忽略不计。总噪声的方程显示两种配置。Opa2134:低噪音OPA27和OPA37,如双极型运算放大器提供了一个更高的电流噪声的费用非常低的电压噪声。然而，OPA134系列运算放大器是独特的，提供非常低的电压噪声和电流噪声非常低。这提供了最佳的噪声性能的来源广泛，包括无功源阻抗，典型曲线，“电压噪声与源电阻”。2KC以上源电阻，运算放大器的贡献不大额外的噪声电压和电流在总噪声方程变得无足轻重源电阻长期占主导地位。2KQ以下，运算放大器的电压噪声超过电阻噪声占主导地位，但与其他如OP176音频运算放大器的COM比较有利。图2模式1显示的MAX7490/MAX7491S的配置。此模式提供2阶缺口，低通，带通滤波器功能。在所有三个输出的增益，Rl的值是成反比的。中心频率，FO,固定在fCLK/100。高Q带通滤波器，带通放大器的输出摆幅（即HC）BP不必跟踪Q）不超过可建。缺口和带通中心频率频率是相同的。缺口输出增靛是上方和下方的缺口中心频率相同。模式1,也可用于使高阶黄油价值低通滤波器，低Q缺口，多阶带通滤波器级联相同的开关电容部分获得。