微弱信号检测第三章.ppt

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1、第三章 周期性微弱信号检测方法,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,1,干扰,F1引入噪声,信号,能量信号/功率信号,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,3,归一化能量,定义：信号电压（电流）加到一欧姆电阻上所消耗的能量,实函数,能量有限信号：,一般的非周期信号,能量信号/功率信号,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,4,周期信号，阶跃函数，随机信号,平均功率,定义：信号电压（电流）加到一欧姆电阻上所消耗的功率,归一化能量积分为无穷大,实函数,功率有限信号：,相关函数,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,5,能量有限信号，互相关函数定义：,相关函数,苏州大学物理科学与技

2、术学院,微弱信号检测,6,相关函数,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,7,功率有限信号相关函数定义：,相关函数定义也适用于实函数的情况,相关函数,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,8,相关函数的性质：,实函数的情况：,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,9,两相互独立的随机过程的互相关函数为常数，等于两个随机函数的平均值的乘积,相关检测器（相关接收机）,自动计算相关函数的仪器,自相关检测,互相关检测,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,10,自相关检测,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,11,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院

3、,微弱信号检测,12,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,13,发送信号的周期已知,在接收端发出与发送信号同频的“干净”的本地信号,输入信号,本地信号,相关,提高电路抗干扰性能,互相关检测,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,14,理论上：互相关接收比自相关接收更有效实际上：两者检测能力相差不大,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,15,相敏检波器,乘法器,PSD,输入两同频信号,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,16,和频项，用低通滤波器滤除,相乘：,差频项,两信号同频：直流输出,正比于相位差的余弦值相敏,两正弦波输入：,相敏

4、检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,17,信号频率,噪声频率,信号中有噪声：,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,18,通过相敏检波器后输出：,只有体现相差的直流输出,加低通滤波器,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,19,方波做参考信号：,参考信号：1V方波,方波的基波频率,傅氏级数展开：,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,20,包含参考信号所有奇次谐波所产生的相敏直流输出：PSD谐波响应,输出：,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,21,锁定放大器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,22,锁定放大器,锁定

5、放大器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,23,相关器,大幅度压缩等效噪声带宽,锁定放大器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,24,信号通道,锁定放大器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,25,参考通道,第三章 周期性微弱信号检测方法,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,26,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,27,相关器,理论上,实际应用,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,28,待定常数,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,29,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,30,相关器,苏州大学物理科学与技术学

6、院,微弱信号检测,31,相关器输出,输入信号的基波振幅,被测信号和参考信号之间的相位差的余弦,相位差,输出幅度,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,32,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,33,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,34,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,35,相关器能抑制偶次谐波,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,36,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,37,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,38,相关器奇次谐波输出频率响应,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检

7、测,39,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,40,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,41,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,42,5.输入信号为与参考信号同频的方波,相关器输出直流电压：信号幅度乘以积分器的直流放大倍数，且与两方波的相位差成线性关系,当输入信号幅值恒定时，相关器成为相敏检波器，即输出幅度和相位成线性关系,相关器的等效噪声带宽,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,43,基波：,奇次谐波附近：,相关器的等效噪声带宽,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,44,相关器的积分常数选择,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,4

8、5,输出信噪比,对快速信号的响应,积分时间下限,相关器的积分常数选择,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,46,积分时间上限,需求：不失真在全频谱内，各频率分量按原来的比例恢复,载波频率需远大于缓慢变化信号的最高频率,相关器电路举例,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,47,第三章 周期性微弱信号检测方法,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,48,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,49,同步积分器,原理图,等效电路,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,50,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,51,两个积分器,同步积分器

9、,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,52,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,53,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,54,对比相关器输出：,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,55,同步积分器,输出方波幅度，正比于：1）输入信号幅度2）相位差余弦3）放大倍数,可测量输入信号幅度和相位（需要定标移相器）,同步积分器,同步积分器能抑制偶次谐波,正半周对电容器充电的电荷等于在负半周释放的电荷，相互抵消,同步积分器,输出幅度正比于该谐波输入振幅的1/(2n+1)、相位差的余弦、同步积分器的放大倍数,同步积分器,同步积分器,各奇次谐波附近

10、是带通滤波器，带宽由RC决定。RC越大，通带越窄，积分时间越长,同步积分器,同步积分器是随参考信号频率而变化的方波匹配滤波器，积分长度越长，带宽越窄，抑制噪声能力越强,同步积分器,输出方波幅度正比于输入方波幅度，且是相位差的线性函数,方波鉴相器,同步积分器,同步积分器,同步积分器,6.输入信号为调幅方波,同步积分器,物理过程：采用同步开关控制的积分器，同频信号同相的分别对两电容充电。而噪声以及其他干扰由于频率、相位随机，在电容上的充、放电会相互抵消,输入：正弦或方波，输出：方波,同步积分器,两者同相,同步积分器,两者有相位差,同步积分器,输入信号为参考信号偶次谐波,同步积分器,输入信号为参考信

11、号奇次谐波,同步积分器,同步积分器是随参考信号频率而变化的方波匹配滤波器，积分长度越长，带宽越窄，抑制噪声能力越强,两级串联，抑制噪声能力如何？,二,同步积分器串联,第一级同步积分器输出电压幅值稳态解：,同步积分器串联,输出方波幅值稳态解：,同步积分器串联,基波频率的输出方波电压幅度：,同步积分器串联,3dB/倍频程,6dB/倍频程,两级同步积分器串联使用，比一级积分器具有更强的噪声抑制能力,同步积分器串联,同步积分器等效噪声带宽,同步积分器等效噪声带宽,结论：,二级同步积分器串联的等效噪声带宽是一级同步积分器等效噪声带宽的一半,同步积分器前加选频放大器，对输入是正弦波的情况，对总的性能有利,

12、同步积分器等效噪声带宽,同步积分器电路举例,第三章 周期性微弱信号检测方法,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,80,开关频率为f0的方波控制双刀双掷开关,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器,交流方波,旋转电容滤波器,正负半周性能对称：只讨论正半周,为使噪声带宽较窄，积分时间常数一般取较大（低通），因此和频项可忽略,输入电压振幅,旋转电容滤波器,输出信号振幅正比于输入信号的振幅以及信号与开关信号之间相位差的余弦,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器抑制偶次谐波,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器,输出为调幅方波,旋转电容滤波器,梳状滤波器允许基波及奇次谐波通过，抑制偶次谐波。时间常数越

13、大，越接近理想方波匹配滤波器,与同步积分器性能类似,旋转电容滤波器,增加时间常数RC，可以使噪声带宽减小，从而提高抑制噪声的能力,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,94,数字化滤波器看书，做整理,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,95,几种典型的锁定放大器简介,相关器为核心：,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,96,相关器为核心的LIA,改善信号通道信噪比：混频器+晶体滤波器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,97,同步积分器为核心的LIA,输入：正弦波或方波输出：同频方波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,98,两级联用

14、的LIA,同步积分器+相关器,等效电路：,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,99,两级联用的LIA,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,100,两级联用的LIA,对不等于参考频率的信号，以12dB/倍频程衰减,同步积分器：抑制噪声相关器：交流变直流解调,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,101,两级联用的LIA,相关器：抑制噪声同步积分器：窄带跟踪滤波器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,102,外差式LIA,相关器前的滤波器截止频率附近相位特性不稳定,相关器为相敏输出,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,103,外差式LIA,锁相环：,苏州大学物理科学与技

15、术学院,双相LIA,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,105,同步外差LIA,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,106,锁定放大器的动态范围及动态协调,满刻度信号输入电平FS(Full-Scale),最小可检测信号电平MDS（Minimum Discernable Signal）,过载电平OVL（overload）,测试方法：信号反相,输入动态范围,输出动态范围,动态储备,苏州大学物理科学与技术学院,临界电平动态范围定义,极限指标,过载首先出现在峰值出不用均方根、有效值来度量,苏州大学物理科学与技术学院,临界电平动态范围定义,抑制能力,苏州大学物理科学与技术学院,临界电平动态范

16、围定义,内部噪声特性,苏州大学物理科学与技术学院,临界电平动态范围定义,输入总动态范围=动态储备+输出动态范围,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,111,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,112,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,113,交流增益上升,高稳定状态,锁定放大器的动态协调,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,114,锁定放大器的动态协调,交流增益下降,高储备状态,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,115,锁定放大器的动态协调,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,116,宽带锁定放大器（第一类）,限带锁定放大器（第二类）,苏州大学物理科学与

17、技术学院,微弱信号检测,117,信号通道内插入滤波器或同步积分器，可以扩大动态范围,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,118,动态范围与频率的关系,频率轴：信号频率与参考频率比值,宽带锁定放大器：,不能抑制同频干扰、噪声,相关器：交流输入、直流输出,锁定放大器,锁定放大器应用,锁定放大器的输入信号：来自传感器,传感器参数,前置放大器的工作参数选择,锁定放大器：相关检测同频参考信号,动态协调,屏蔽、接地,阻抗微小变化的测量交流电桥+锁放,应用举例：,阻抗微小变化的测量交流电桥+锁放,正交矢量型锁定放大器,实部,虚部,电桥的分布电容、分布电感对检测结果有较大影响,阻抗微小变化的测量变压器桥

18、（20世纪70年代之后）,Zx为被测阻抗，Zr为同类型的已知参考阻抗，两者近似相等,电流/电压转换模块，输入阻抗近似为0，增益为K,参考输入：-u,调节相位,检测结果,优质低损耗铁芯,阻抗微小变化的测量运放桥（20世纪80年代之后）,测量放大器噪声系数,K接A,K接B,调整f0、Rs,微分电导测量,某些待检测信号近似于直流量,直流放大器零点漂移,直流背景噪声,信号的斩波调制：,光学斩波调制器：斩光盘,信号的斩波调制：,信号的斩波调制：,典型的锁定放大器光谱测量系统,信号的斩波调制：,源补偿测试系统,LIA调制检测法：,双探测器双光束检测系统,LIA调制检测法：,双频双光束检测系统,LIA调制检测法：,