2014年《微弱信号检测》复习参考
微弱信号检测-1
干扰噪声及其抑制技术 在干扰频率1MHz，干扰源电压5V， 在干扰频率1MHz，干扰源电压5V，寄生电容 1MHz 5V 0.01pF的情况下 干扰输入电压为31.4mV 的情况下， 31.4mV。 0.01pF的情况下，干扰输入电压为31.4mV。 3.14V 100倍 100倍
电场耦合 对放大器的干扰
干扰噪声及其抑制技术 4、磁场耦合干扰的抑制
（a）双绞线相邻结产生的感应电动势相互抵消 ）
（b）利用大面积的地线减少互感 ）
（c）减小干扰源 di /dt ）
干扰噪声及其抑制技术 高导磁材料
图11 利用铁磁物质屏蔽抑制磁场干扰 (a)屏蔽干扰源； 屏蔽干扰源； (b)屏蔽敏感电路 屏蔽干扰源 屏蔽敏感电路
d v = - ∫ B.dA dt A
干扰噪声及其抑制技术 3、经互感耦合
电磁耦合 示意图 等效电路图
互感 干扰电压
干扰源电流
U nc = j ω MI n
干扰噪声及其抑制技术 互感耦合对交流电桥的干扰
在干扰频率10kHz， 在干扰频率10kHz， 10kHz 干扰源电流10mA 10mA， 干扰源电流10mA，互 0.1µH的情况下， 感0.1 H的情况下， 干扰电压为62.8 62.8µV 干扰电压为62.8 V。
干扰噪声及其抑制技术
第一讲 干扰噪声及其抑制技术
工业现场干扰会造成检测电路失去测量精度甚至测量结 果失常。本章讨论常见的干扰类型、干扰传输途径以及干扰 果失常。本章讨论常见的干扰类型、干扰传输途径以及干扰 干扰类型 以及 抑制方法。 抑制方法。 把那些不需要的电压和电流， 把那些不需要的电压和电流，并在一定条件下形成危害电 路正常工作的电量信号（干扰电压和干扰电流），称为“噪声” ），称为 路正常工作的电量信号（干扰电压和干扰电流），称为“噪声”， 或者“干扰” 或者“干扰”。 通常，以干扰电量为对象进行研究时，多使用“噪声” 通常，以干扰电量为对象进行研究时，多使用“噪声”这 个词；以干扰电量所造成的危害作用为对象进行研究时， 个词；以干扰电量所造成的危害作用为对象进行研究时，多使用 干扰”这个词。 “干扰”这个词。 我们把设备或系统中除去有用信号以外的所有电磁信号称 为电磁噪声（简称噪声）。由电磁噪声引发不期望得到的结果， ）。由电磁噪声引发不期望得到的结果 为电磁噪声（简称噪声）。由电磁噪声引发不期望得到的结果， 称为电磁干扰（简称干扰）。 称为电磁干扰（简称干扰）。 噪声是原因，干扰是后果。 噪声是原因，干扰是后果。
《微弱信号检测》课件
实验结果的评估与验证
评估指标
根据实验目的确定评估指标，如信噪比 、检测限等。
VS
验证方法
采用对比实验、重复实验等方法对实验结 果进行验证，确保结果的可靠性和准确性 。
CHAPTER 05
微弱信号检测的未来发展
新技术的应用与探索
人工智能与机器学习
01
利用人工智能和机器学习技术，对微弱信号进行自动识别、分
微弱信号的特点包括幅度小、信噪比 低、不易被察觉等。由于其容易被噪 声淹没，因此需要采用特殊的检测技 术才能提取出有用的信息。
微弱信号检测的重要性
总结词
微弱信号检测在科学研究、工程应用和日常生活中具有重要意义。
详细描述
在科学研究领域，微弱信号检测是研究物质性质、揭示自然规律的重要手段。在工程应用中，微弱信号检测可用 于故障诊断、产品质量控制等方面。在日常生活中，微弱信号检测的应用也非常广泛，如医疗诊断、环境保护等 。
智能制造
将微弱信号检测技术应用于智能 制造领域，实现设备故障预警、 产品质量控制等。
THANKS
[ 感谢观看 ]
研究新的信号处理算法，提高微弱信号的提取、处理 和辨识能力。
集成化与微型化
实现微弱信号检测设备的集成化和微型化，便于携带 和应用。
微弱信号检测与其他领域的交叉融合
生物医学工程
将微弱信号检测技术应用于生物 医学工程领域，如生理信号监测 、医学影像处理等。
环境监测
将微弱信号检测技术应用于环境 监测领域，实现对噪声、振动、 磁场等的微弱变化进行检测和分 析。
小波变换法
总结词
多尺度分析、自适应能力强
详细描述
小波变换法是一种时频分析方法，能够将信号在不同尺度上进行分解，从而在不同尺度 上检测微弱信号的存在和特性。这种方法自适应能力强，能够适应不同特性的微弱信号
第八微弱信号检测讲课文档
第42页，共97页。
3．扫描式取样积分器
扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号 波形上延时取样，可以恢复被测信号波形。 它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样 脉冲控制下作同步积累这两个过程。
扫描式取样积分器可得到形状与输入的 被测信号相同，而在时间上大大放慢了的 输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声 中提取信号并恢复波形。
第7页，共97页。
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。
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噪声电压不仅某一瞬间取值是随机的，且 噪声电压随时间变化也是随机的、故称为 随机过程。但系统处于稳态时，不同时刻 噪声的概率分布规律是一样的，因此又称 为平稳随机过程。
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平稳随机过程的另一个重要特征量是它的 相关函数 。它表示随机过程二个不同时
间上的相关性，其定义
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取样积分器通常有两种工作模式，即定 点式和扫描式。定点式取样积分器是测量 周期信号的某一瞬态平均值；
扫描式取样积分器则可以恢复和记录被 测信号的波形。下面分别讨论这两种模式。
微弱信号检测
“微弱信号检测”资料合集目录一、微弱信号检测与采集技术的研究二、微弱信号检测技术三、微弱信号检测技术综述四、基于小波熵的微弱信号检测方法研究五、基于锁相放大器的微弱信号检测研究六、微弱信号检测及机械故障诊断系统研究七、基于自适应变尺度频移带通随机共振降噪的EMD多频微弱信号检测八、基于混沌理论的微弱信号检测原理及其在金属探测器中的应用研究九、微弱信号检测的盲源分离方法及应用研究微弱信号检测与采集技术的研究微弱信号检测与采集技术是当前科学研究领域中的重要研究方向之一，其应用前景广泛，涉及到的领域也非常多样化。
在本文中，我们将探讨微弱信号检测与采集技术的基本原理、研究现状、挑战和未来的发展趋势。
一、微弱信号检测与采集技术的基本原理微弱信号检测主要是通过放大、滤波、数字化等手段，对信号进行处理和分析，以便提取出有用的信息。
而采集技术则是通过特定的传感器和采样电路，将待测信号转换为电信号或其他可测信号，以便进行后续的处理和分析。
二、研究现状随着科学技术的不断发展，微弱信号检测与采集技术也在不断进步。
目前，国内外研究者已经开发出多种针对不同应用场景的微弱信号检测与采集技术。
例如，基于量子限幅放大器技术的微弱光信号检测、基于超导量子干涉器件的微弱磁场检测、基于锁定放大器的微弱电信号检测等。
这些技术的不断发展和应用，为许多领域的研究和实践提供了强有力的支持。
三、挑战然而，微弱信号检测与采集技术的发展也面临着许多挑战。
首先，由于微弱信号往往被噪声所淹没，如何提高信噪比、降低噪声对信号检测的影响是亟待解决的问题。
其次，微弱信号的采集技术需要高灵敏度、低噪声的传感器和采样电路，如何提高传感器的性能和降低采样电路的噪声也是一个重要的挑战。
四、未来的发展趋势未来，微弱信号检测与采集技术的发展将更加多元化和交叉性。
首先，随着数字化技术的发展，采用高速数据采集和数字信号处理技术将成为未来微弱信号检测与采集技术的发展趋势之一。
微弱信号的放大--备战2014电赛
于30MHz。
双极型放大器的电压噪声通常在其等效 源阻抗小于200Ω时占主导地位。 较大的输入偏置电流（80nA）以及相对 较大的电流噪声使双极型放大器非常适合源 阻抗较低的应用。
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CMOS 输入运算放大器的噪声 噪声电压主要由高频区通道电阻的热噪 声及低频区的低频噪声所造成，CMOS放大器 的转角频率(corner frequency)比双极放大 器高，而宽带噪声也远比双极放大器高；噪 声电流主要由输入门极漏电的射击噪声所产 生，CMOS放大器的噪声电流远比双极放大器 低，但温度每升高10(C，其噪声电流便会增 加约40%。
输出端出现的噪声
用电压噪声en来度量。电压噪声源和电
流噪声源都能产生噪声。运算放大器所
有内部噪声源通常都折合到输入端，即
看作与理想的无噪声放大器的两个输入 端相串联或并联不相关或独立的随机噪
声发生器。
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图1. 一个噪声双端口网络可以表示为一个无噪 声双端口网络加外部电流噪声源In1和In2
斯噪声。
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运算放大器等效输入噪声源的功率谱密度分布
Se(f)/(nV2/Hz)
2 eN
Si(f)/(pA2/Hz)
噪声电压的平方 根谱密度，单位 为 V / Hz
噪声电流的平方 根谱密度，单位 A / Hz 为
2 iN
fA fce
fB
f
fA fci
fB
f
电压源的 功率谱密度分布
电流源的 功率谱密度分布
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图3. 放大器和相关噪声成份的实例
23
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放大器电路的总噪声取决于放大器本身、 外部电路阻抗、增益、电路带宽和环境温度等 参数。电路的外部电阻所产生的热噪声也是总 噪声的一部分。 特定频率下运算放大器总输入噪声
微弱信号检测 第二章
0
S(w)
w0 放大
w
S(w)
w0 PSD
w
0
w0
w
微
弱
信
号
检
测
一、锁定放大器的工作原理
锁定放大器的基本结构示意图
信号输入
信号通道 参考通道 x(t)
PSD
up(t)
LPF
uo(t)
参考输入
r(t)
信号通道— 对调制的信号(正弦或方波)输入进行交流放大 到足于推动PSD工作的电平,并要滤除部分干扰 和噪声,同时为找到最佳输入阻抗匹配。 参考通道— 对参考输入(正弦或方波，可以是外部输入的 周期信号，也可就是进行调制的载波或用于斩 波的信号)进行放大，满足PSD工作的电平, 同 时对参考输入进行移相处理，以达到最佳检测 效果。
(四) x(t)为和r(t)均为方波
S
4V r (t )
2 n 1 cos[(2 n 1) t ]
0 n 1
1
r
图解得： 随着θ的变化，up(t)的占空 比随之线性变化，而up(t)的平均值 正比于占空比，如用积分器作为LFP， up(t) 则相敏检测器的输出uo(t)也与θ成 正比。
微
弱
信
号
检
测
S(w) 调制
锁定放大器对信号频谱的迁移 (a) 调制过程：将低频信 号乘以频率频率ω 0的正弦 波，从而使频谱迁移到调 制频率ω0的两边。
(b) 信号放大：采用交流 选频放大，可避免把1/f 噪声和低频漂移也放大。 (c) 信号解调：用相敏检 测器(PSD)将频谱回迁到 直流(ω =0)的两边,再用 窄带低通滤波器滤除噪声, 得高信噪比的放大信号。 0
n 1 n 1 2 VS 1
2014年《微弱信号检测》复习参考
2014年硕士研究生考试-微弱信号复习题参考一、简答1、白噪声的特点。
白噪声的功率谱密度为常数，各种频率成分的强度相等；理想的白噪声具有无限带宽，因而能量是无穷大，实际上，我们将有限带宽的平整讯号视为白噪声，使得在数学分析上更方便；白噪声在数学处理上很方便，是系统分析的有力工具。
2、自相关函数的特点（1）对实信号，自相关函数是τ的偶函数，即)()(ττ-=x x R R（2）当0=τ时，)(τx R 具有最大值，即)()0(τx x R R ≥（3）)0(x R 反映随机噪声的平均功率，即22)]([)0(x t x E R x ==（4）如果)(t x 包含某种周期性分量，则)(τx R 包含同样周期的周期性分量。
若)(t x 是周期为T 的随机信号，即)()(T t x t x +=，则)()(T R R x x +=ττ也是周期为T 的函数。
（5）互不相关的两个随机噪声之和的自相关函数等于两个随机噪声自相关函数之和，即如果)()()(t y t x t z +=，则)()()(τττy x z R R R +=。
（6）对于平稳的随机噪声，)(τx R 仅与时间差τ有关，而与计算时间的起点无关。
（7）当∞→τ时，自相关函数反映随机噪声直流分量的功率，即2)(x x R μ=∞。
3、小信号检测方法中，调制放大与解调的原理。
调制过程一般用变增益放大器或非线性放大器实现两个信号的相乘过程，得到的是两个信号的和频分量和差频分量。
也就是说，调制输出信号的频谱集中在载波频率的两边，可以对其进行交流放大。
解调过程可以用检波器或相敏检测器实现，该过程是把放大后的调制信号再和载波信号相乘一次，实现频谱的第二次搬移。
然后利用低通滤波器滤除高频分量和附加噪声，即可得到放大的被测信号。
4、抑制各部分电路经地线相互耦合的干扰噪声的常用措施。
①选用低功耗器件，减少流经地线的电流；②在高噪声电路中增设电源滤波电容，使其流经地线的电流变得平滑；采用横截面积较大的地线，以减少地线阻抗；④根据电路特点选择合适的接地方式。
微弱信号检测练习思考题
《微弱信号检测》练习题1、证明下列式子：（1）R xx(τ)=R xx(-τ)（2）∣ R xx(τ)∣≤R xx(0)2x(t)x(t-τ)≤x2(t)+x2(t-τ)∣ R xx(τ)∣≤R xx(0)（3）R xy(-τ)=R yx(τ)（4）| R xy(τ)|≤[R xx(0)R yy(0)]2、设x(t)是雷达的发射信号，遇目标后返回接收机的微弱信号是αx(t-τo)，其中α«1，τo是信号返回的时间。
但实际接收机接收的全信号为y(t)= αx(t-τo)+n(t)。
（1）若x(t)和y(t)是联合平稳随机过程，求R xy(τ)；（2）在（1）条件下，假设噪声分量n(t)的均值为零且与x(t)独立，求R xy(τ)。
3、已知某一放大器的噪声模型如图所示，工作频率f o=10KHz，其中E n=1μV，I n=2nA，γ=0，源通过电容C与之耦合。
请问：（1）作为低噪声放大器，对源有何要求？（2）为达到低噪声目的，C为多少？4、如图所示，其中F1=2dB，K p1=12dB，F2=6dB，K p2=10dB，且K p1、K p2与频率无关，B=3KHz，工作在To=290K，求总噪声系数和总输出噪声功率。
5、已知某一LIA的FS=10nV，满刻度指示为1V，每小时的直流输出电平漂移为5⨯10-4FS；对白噪声信号和不相干信号的过载电平分别为100FS和1000FS。
若不考虑前置BPF的作用，分别求在对上述两种信号情况下的Ds、Do和Di。
6、下图是差分放大器的噪声等效模型，试分析总的输出噪声功率。
7、下图是结型场效应管的噪声等效电路，试分析它的En-In模型。
8、R1和R2为导线电阻，R s为信号源内阻，R G为地线电阻，R i为放大器输入电阻，试分析干扰电压u G在放大器的输入端产生的噪声。
9、如图所示窄带测试系统，工作频率f o=10KHz，放大器噪声模型中的E n=μV，I n=2nA，γ=0，源阻抗中R s=50Ω，C s=5μF。
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2014年硕士研究生考试-微弱信号复习题参
考
一、简答
1、白噪声的特点。
白噪声的功率谱密度为常数，各种频率成分的强度相等；理想的白噪声具有无限带宽，因而能量是无穷大，实际上，我们将有限带宽的平整讯号视为白噪声，使得在数学分析上更方便；白噪声在数学处理上很方便，是系统分析的有力工具。
2、自相关函数的特点
（1）对实信号，自相关函数是τ的偶函数，即)()(ττ-=x x R R
（2）当0=τ时，)(τx R 具有最大值，即)()0(τx x R R ≥
（3）)0(x R 反映随机噪声的平均功率，即22)]([)0(x t x E R x ==
（4）如果)(t x 包含某种周期性分量，则)(τx R 包含同样周期的周期性分量。
若)(t x 是周期为T 的随机信号，即)()(T t x t x +=，则)()(T R R x x +=ττ也是周期为T 的函数。
（5）互不相关的两个随机噪声之和的自相关函数等于两个随机噪声自相关函数之和，即如果)()()(t y t x t z +=，则)()()(τττy x z R R R +=。
（6）对于平稳的随机噪声，)(τx R 仅与时间差τ有关，而与计算时间的起点无关。
（7）当∞→τ时，自相关函数反映随机噪声直流分量的功率，即2)(x x R μ=∞。
3、小信号检测方法中，调制放大与解调的原理。
调制过程一般用变增益放大器或非线性放大器实现两个信号的相乘过程，得到的是两个信号的和频分量和差频分量。
也就是说，调制输出信号的频谱集中在载波频率的两边，可以对其进行交流放大。
解调过程可以用检波器或相敏检测器实现，该过程是把放大后的调制信号再和载波信号相乘一次，实现频谱的第二次搬移。
然后利用低通滤波器滤除高频分量和附加噪声，即可得到放大的被测信号。
4、抑制各部分电路经地线相互耦合的干扰噪声的常用措施。
①选用低功耗器件，减少流经地线的电流；
②在高噪声电路中增设电源滤波电容，使其流经地线的电流变得平滑；
采用横截面积较大的地线，以减少地线阻抗；
④根据电路特点选择合适的接地方式。
5、电路接地技术中，混合接地的好处
答：混合接地既包含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性。
对于于低频地电流，小电容阻抗很大，该方式相当于并行单点接地；对于高频地电流，小电容阻抗很小，该方式相当于多点接地。
6、比较正交矢量型锁定放大器与单路锁定放大器比有何好处？ 答：正交矢量型锁定放大器，利用两个正交的分量计算出幅度s V 和相位θ，这样可以避免对参考信号做可变移相，也可以避免移相对测量准确性的影响。
由()0.5cos o s r u t V V θ=和2()cos s r
o V V u t θπ=知，单路相
敏检测器的输出()o u t 正比于cos θ，因此θ的测量误差会直接传递为被测量幅度s V 的测量误差，这种误差对于单路相敏检测器很难解决，
而正交矢量型锁定放大器可以避免这个问题。
7、简述
1f 噪声及其特点 答：1f
噪声是由两种导体的接触点电导的随机涨落引起的，凡有导体接触不理想的器件都存在1f 噪声，所以1f
又叫做接触噪声。
因为其功率谱密度正比于1f ，频率越低1f
噪声越严重，所以通常又称之为低频噪声。
特性：
1f 噪声的功率谱密度函数()f S f 正比于工作频率f 的倒数，()f
f K S f f =，频率越低，功率谱密度越大，当频率低到一定程度时，1f
噪声的幅度趋向于常数，当频率高于某一数值，与热噪声和散弹噪声这些白噪声相比，1f 噪声可以忽略；1f 噪声的功率21ln f f f P K f =，功率不像热噪声和散弹噪声那样正比于带宽，而是取决于频率上下限之比；1f
噪声的幅度分布为高斯分布。
8、简述平面波的屏蔽效果
答：对于远场中的电磁辐射平面波，屏蔽层的总损耗是吸收损耗和
反射损耗的综合结果，随着频率f升高，反射损耗减少，吸收损耗
增大。
在中频段屏蔽效果比较差，对于低频平面波，屏蔽效果主要
来自反射损耗，对于高频平面波，屏蔽效果主要来自吸收损耗，在
射频情况下，吸收损耗和反射损耗都起衰减作用，由于射频情况下
集肤深度下，这时候可以使用较薄的屏蔽层。
9、噪声系数的物理意义及其同可检测最小信号的关系
答：噪声系数F表征放大器在放大信号的同时，有使得输出噪声增
加的程度，F越大，说明放大器内部噪声源在输出端产生的噪声功
率占输出总噪声功率的比重越大。
给定输出信噪比SNR、器件噪声
系数F和输入噪声的功率可确定可检测最小信号与噪声系数间的关
系为
10、说出至少三种噪声匹配的方法
答：通过选用与信号源输出电阻相等的放大器，可以是系统实现噪
声匹配，也可以通过改变放大器输入级的工作条件来调整放大器的，在检测系统中经常使用元电阻很低的传感器，也可以利用变压器改
变信号源呈现在放大器输入端的阻抗实现噪声匹配，也可以采有源
器件并联方法
11、抑制电源尖峰脉冲干扰中压敏电阻的作用及原理
答：有效地抑制尖峰干扰和电网出现的浪涌电压，当艳敏电阻两端
的电压低于其标称电压时，压敏电阻的阻值接近无穷大，内部几乎
无电流流过，对电路的正常工作没有影响：当压敏电阻两端的电压
高于其标称电压时，压敏电阻将迅速击穿导通，并由高阻状态变为
低阻状态，工作电流也急剧增大，从而给尖峰干扰提供了一个低阻
通路。
当其两端电压再次低于标称额定电压时，压敏电阻又能恢复
为高阻状态。
12、简述取样积分的原理
答：取样积分包括取样和积分两个连续的过程，基本原理如下图所
示
二、计算题
一、 将三个放大器级联接来放大微小信号，它们的功率增益和噪声
系数如下表所示
解：按照规则，3个放大器中噪声系数最小的放大器A 应该作为第一级，选择放大器B 或者C 有两种可能，分别对应于两种排列方式：
A 、
B 、
C 或A 、C 、B 由2-31式
321112
11F F F F K K K --=++ （1）A 、B 、C 排列
11 1.718C B A A
A B
F F F F K K K --=
++= （2）A 、C 、B 排列
11 1.900C B A A A C
F F F F K K K --=++= 二、 如果信号源输出电阻s R =10Ω，工作频率f =1kHz 。
选用的前置
放大器为OP07。
试求匹配变压器的匝数比和能够达到的信噪改善比SNIR 。
解：运算放大器OP07在f =1kHz 时的等效输入噪声平方根谱密度为10/N e nV =，0.1/N i pA =电阻
N so N
e R i ==100（k Ω）
匹配变压器匝数比
n ==100 当不使用变压器时，放大器的噪声系数为22216254N N s s
e i R F kTR +=+≈ 当使用变压器时，放大器可以达到最小噪声系数min 112.52N N e i F kT
=+= 功率信噪改善比为 6255012.5p SNIR == 电压信噪改善比为
7.07V SNIR =
可见，利用匹配变压器使得放大器输出信噪比有了大幅度提高。
三、 电场耦合噪声
四、磁场耦合干扰。