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1第一篇、微弱信号检测技术的一般介绍一、微弱信号检测技术:1、概述:随着科学技术和生产的发展,需要测量许多物理量的微小变化。例如:微弱电压或电流。微弱磁场,微小温度变化,微小的电感,微小的电容,微小的位移,微小的振动,微弱的光等等。特别是极端条件下的微弱信号的测量。一般来讲,许多非电量的微小变化都通过传感器变成电信号进行放大,显示或记录。由于这些微小量的变化通过传感器转换成的电信号十分微弱。可能是10-6V、10-7V甚至是10-9V或更小。对于这些微弱信号的检测,噪声和干扰是主要矛盾,由于物质总是由带电的分子和原子组成,并物体总是存在于一定的温度条件下。带电粒子的热扰动则产生热噪声。另外,电子电路中的半导体器件的载流子的复合和再生所产生的噪声,受半导体表面状态影响的闪烁噪声,以及光的量子噪声等。这些噪声所代表的噪声电压可能把有用的微弱信号深深地淹没掉。除了上述这些噪声外,还有一些人为干扰和自然界的干扰。这些干扰和噪声来自于测量系统的外部。原则上可以采用电磁屏蔽的方法使降到昀小。但是,在实际工作中,要消除这些干扰或噪声,也不是轻而易举的事。微弱信号检测技术就是要研究、观察、记录科研和生产中各种物理量的微小变化,解决在噪声或干扰中检测有用的微弱信号问题。一个放大器或一个信号检测系统的基本任务就是在噪声或干扰背景中选出我们所需要的信号。然而,对于一般的宽带放大器而言。由于噪声、干扰和信号混在一起,它把无用的噪声、干扰和有用的信号一起放大。只有当信号大于噪声或干扰的情况下,这种放大器才能作为检测的有用工具。如果噪声或干扰大于有用信号,通过这种放大器之后,不但不能提取有用信号,放大器的输出还加进了放大器本身的噪声,使信号被噪声淹没得更深。即使放大器本身的噪声不考虑(所谓理想放大器),也不过只能维持放大器输入端的信噪比,因为这种放大器并没有从信号和噪声本身的特性出发,而只能从信号和噪声共有的特性平均功率的大小来区分信号和噪声。只有从信号和噪声本身的特性出发,针对信号和噪声的不同特性,充分利用它们本身的特性的基础上拟订检测方法,才是昀有效的,才有可能从噪声中检测信号。近几十年来,信息论的研究对信号和噪声本身的统计特性作了许多研究。为检测淹没在噪声背景中的微弱信号提供了理论基础。并提出了许多根据噪声和信号本身的不同特性,检测深埋在噪声背景中信号的方法。同时,现代电子技术的发展为实现这些方法创造了物质条件。2、微弱信号检测的几种经典方法:(1)、同步积累:积累法在原理上是很古老的,人们在日常生活实践中经常应用。这种方法的要点在于将信号多次重复。由于信号是周期性的重复,噪声不具有这特性,每个周期的信号受到噪声的干扰不同,只要把这些受到不同干扰的信号多次重复,互相对照,就可以识别信号的原形。信号重复次数越多,恢复的信号越接近于原信号,或者说系统抑制噪声的能力越强。由此可见,这种方法实际上就是接收设备中把重复的周期信号按某种方式累积起来。人们的经验表明:当两人在通电话时,由于通路噪声大听不清对方的话,发方常须重复几次,收方才能听清楚,这是简单的积累法。用信息论的观点来看,每次接收者从所听到的语句中得到的信息量不够,重复几次,信息量通过人的大脑积累到一定的数量后就明白了。对于信号检测,设信号是一串周期性的窄脉冲,周期为T,在检测时,可把通路接到一个分配器,分配器上的每一个出路都接到一个积累器,如图1-1所示。2图1-1、同步积累示意图这样,当分配器工作时,通路被轮流地接到每一积累器。如果分配器对工作周期(图1-1中“弧刷”转一圈)与信号的重复周期相同,则时间区间T就被分割为若干区。设积累器的数目是n,并设分配器从一个出路到另一个出路的过渡时间可以忽略,则通路接到每个积累器上的时间是ΔT=T/n由于分配器的工作周期与信号重复周期相同,所以在每次信号到来的那个时间区间,通路都恰好接在同一积累器j上。这种方法称同步积累。利用这种方法,只要信号重复的次数足够多,就可以把淹没在强噪声中的微弱信号提取出来,重复次数越多,提取微弱信号的能力越强,信号是周期性的,信号将按电压相加起来,输出信号正比于积累的次数m。Vso=mVsiVSo为输出信号电压,VSi为输入信号电压。对于噪声,由于是随机的,因此,在积累m次后应是按功率相加:VNo2=mVNi2VNo为输出噪声电压,VNi为输入噪声电压。则经过积累m次后的输出电压信噪比为:(1-1)可见,积累后电压信噪比提高了m倍。功率信噪比提高了m倍,由上式表明:原则上,不论输入信噪比是多低,只要积累次数m足够大,总可以使输出信噪比达到我们要求的数值。采用这种原理的微弱信号检测仪器为信号平均器(多点信号平均器,取样积分器Boxcar)。图1-2、多点信号平均器原理框图图1-2为多点信号平均器原理框图。(2)、相关接收:信号在时间轴上前后的相关性这一特点是利用作为微弱信号检测的基础。相关函数是线性相关的度量。用直接实现计算相关函数的方法就可以从噪声中检测信号。因此,用下式表3示的自相关函数Rxx(τ)是度量一个随机过程在时间t和t-τ两时刻线性相关的统计参数。它是所考虑t和t-τ两点间的时间间隔的函数。(1-2)与此相似,互相关函数Rxy(τ)是度量两随机过程之间相关程度的量。(1-3)式中τ是所考虑的两点间的时间间隔,x(t)是表示一个随机过程的函数。y(t)是另一个随机过程的函数。自相关函数Rxx(τ)是度量x(t)相对于时间τ的前后相关性,当函数x(t)内不包含周期性的分量,自相关函数Rxx(τ)将从τ=0的昀大值随τ的增大单调地下降,到τ→∞,趋近于函数x(t)平均值的平方。如果均值为0,则Rxx(τ)随着τ的增大而趋于0,表示不相关,很显然Rxx(0)为x(t)的平均功率。而Rxx(∞)为直流分量的功率。并自相关函数为偶数,有Rxx(τ)=Rxx(-τ)。互相关函数Rxy(τ)是度量两个随机过程x(t)和y(t)间的相关性的函数。如果两个随机过程的发生互相完全没有关系(例如信号与随机噪声)。互相关函数将是一个常数,等于两个随机函数的平均值的积,若其中有一个平均值为0,则互相关函数到处为0。函数x(t),y(t)并不限于不规则的函数,它也可以是有规则函数(周期函数)。当函数内包含有周期性的分量时,自相关函数内也将包含周期性的分量。若函数为纯周期性的则自相关函数也是纯周期性的。它包含原函数的基波与所有谐波。但失去了所有相位。具有相同基波频率的两个周期性函数,它们的互相关函数保存了它们的基波频率以及两者所共有的谐波,互相关函数中基波及谐波的相位为两个原函数的相位差。说明了相关函数的基本性质后,就可以介绍相关接收方法,相关接收设备实际上就是计算相关函数的仪器。自相关接收图1-3、自相关接收原理框图图1-3为自相关接收的原理框图。设混有噪声的信号fi(t)=Si(t)+ni(t)(1-4)输入到相关接收机,它被分成两路输入,其中一路将经过延迟设备,使它延迟一个时间τ,经过延迟的fi(t-τ)和未经延迟的fi(t)送到相乘电路,随后对乘积进行积分,取平均值这样就得到以τ为参数的相关函数。(1-5)因为噪声与信号为互不相关的,并且假设信号与噪声的平均值为0,根据相关函数的性质,有Rns(τ)=0,Rsn(τ)=0,则(4)式变成:R(τ)=Rss(τ)+Rnn(τ)(1-6)4理论上噪声在时间轴上前后可以认为是不相关的,但实际上τ不大时是部分相关的。随着τ的增大,Rnn(τ)→0,这样Rss(τ)就会突出。例如,若信号为一正弦函数:S(t)=VsiCOS(ωt+φ)(1-7)可以求得相关函数:(1-8)R(τ)将如图1-4所示,其中的虚线表示噪声的自相关函数。图1-4、正弦波中混着噪声的自相关函数互相关接收图1-5、互相关接收原理框图图1-5为互相关接收的原理框图。Rnn(τ)由图中清楚表明,当τ增大,周期性的信号被显示出来,噪声被除尽。在相关接收中由于自相关抗干扰能力没有互相关接收强,并且实现起来也没有互相关简单。在微弱信号检测的仪器中几乎都是采用互相关接收的原理。互相关接收对于已知重复周期信号的检测是十分有用的,设法在接收设备中产生一个和信号同步的信号作为参考信号,将这个参考信号与混有噪声的输入信号进行相关,就会得到比自相关强的抗干扰能力。微弱信号检测仪器锁定放大器就是采用相关接收的原理设计的仪器,可以作为相关接收的特例来讨论。(3)、匹配滤波器:上述介绍的两种方法都是在时间域中进行讨论和研究的方法。在无线电中许多问题在频率域中进行讨论和计算更为简单和直观。噪声不论是白噪声或其它有色噪声,都具有相当大的带宽。为讨论简单起见,设噪声具有平坦的电压频谱。或者说电压频率谱与频率无关,即所谓的白噪声。如果能设计一种滤波器,使输出信号为昀大,噪声为昀小,这种滤波器我们称为匹配滤波器。很显然,这种滤波器必须具有这种特性;要求滤波器的电压传输函数就是信号本身的频谱函数。使信号昀大地通过,而抑制噪声,使输出信噪比昀大。这样,问题就变成了要根据信号的频谱设计滤波器,使它的电压传输函数和信号的电压频谱函数一样。例如:对于单个矩形脉冲的频率谱呈(sixx)/x曲线分布,若设计出具有(sixx)/x通带特性的滤波器,将能得到昀大输出信噪比。对于周期信号,电压频谱是一些不连续5的线谱。如果我们可以在这些谱线处能设计成一些频带很窄的带通滤波器,使信号能通过,谱线外的噪声都给滤掉,就能从噪声背景中把信号检测出来。不过,实际使用要制造频带极窄的滤波器,并且要求稳定性特别高是困难的。再有,若频率和信号形状发生变化时,也要相应地滤波器响应发生变化,这样就使这种方法实现起来有困难,实用性不太大。但是,如果在不要求抑制噪声能力很强,信号频谱简单的场合,采用这种方法由于简单反而常被采用,例如:采用选频放大器放大正弦信号,可以抑制部分噪声。实际上,上述的同步积累和相关接收这两种方法,由时间域转到从频率域来理解和处理,就是一个匹配滤波器。这三种方法都可以归结为一个积分方程:(1-9)来表示,其中f(t)=s(t)+n(t),是接收设备输入端的信号s(t)和噪声n(t)的和。接收设备本身的噪声,可以折合到输入端,一起算到n(t)中去。φ(t)是决定于接收设备采用何种方法的加权函数。对于不同的方法加权函数不一样。这些方法能提高信噪比的基本原理都一样。它们的基础都是建立在信号出现的前一时刻和后一时刻之间,或信号与另一信号之间的依附性,或称相关性。而信号与噪声间是不相关的,同时噪声出现在时间轴上前后的相关性很弱这一点上,也就是说这些接收方法,充分利用了信号和噪声本身不同特性的基础上提出的。这样才有可能从噪声背景中检测信号,才能把信号和噪声区别开来。然而,信号和噪声的物理特性的区别,有时并不是信号所固有的。因此,信号的特性有时必须人为地赋予。例如:对信号调制,赋予信号具备与噪声所不具备的周期性。HB-511型现代模拟实验测试系统A分箱中的双相锁定放大器就是采用相关检测和同步积累检测方法设计的微弱信号检测仪器。它是目前用得昀多的仪器,适于对淹没在噪声背景中的正弦波或方波信号的检测。它的使用范围之广已遍及各个领域,使用十分普遍。6二、噪声:1、概述:电子电路中将有用信号之外的电信号称为噪声。这种噪声越小,输出信噪比越高。降低输出信号中的噪声,提高输出信噪比的技术是非常重要的技术,称为微弱信号检测技术。微弱信号检测技术,就是研究噪声与信号的不同特性,根据噪声与信号的不同特性,拟定检测方法,达到抑制噪声、提高输出信噪比的目的。要抑制和减小噪声,首先要了解噪声的性质,这里只介绍一些噪声特性的概念,不作数学指导,仅介绍噪声的一些基本概念。(1)、噪声的统计特性:定义:在广泛的意义上,可以认为噪声就是扰乱或干扰有用信号的某种不期望的扰动。包括自然界或“人为的”其它干扰和由电器系统的材料和器件物理温度产生的自然扰动。从原则上讲。前着可以采用适当的屏蔽,滤波或电路元件的配置等措施,往往可以使这些干扰减小或消除。后一部分是处于绝对零度以上的所有电导体中呈现的热噪声。这就是所谓真正的噪声
本文标题:微弱信号检测技术
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