微弱信号检测绪论&第一章

微
弱
信
号
检
测
■通常将干扰和噪声统称为噪声 电子噪声
自然噪声
人为噪声
电路噪声
天 体 噪 声
空 间 噪 声
点 火
电 机
感 应
热 噪 声
散 粒 噪 声
闪 烁 噪 声
微
弱
信
号
检
测
二、噪声的统计特性
微弱信号检测技术中的噪声：主要是基本噪声，重点是随 机噪声。 随机噪声— 是一种前后独立的平稳随机过程，在任何时 刻它的幅度、波形及相位都是随机的。 随机噪声的特点： 服从一定的统计分布规律。多数噪声 瞬时幅度的概率分布是正态的。 1 即概率密度: P ( X ) e 2 1 x lim xdt 其中: x T 1 x lim x dt T
Si/Ni
放大器
功率放大系数KP Δf、PNA
Si/Ni
nA
ni
P
噪声系数的特点: (1)噪声系数常用dB来表示，称噪声因数。 NF 10 log F (dB) (2噪声系数对纯电感没意义。 (3)噪声系数与器件的通带有关。 (4)噪声系数只适用于线性电路。一般仅用于衡量系统前 置放大级，即微弱信号放大电路部分的噪声特性。
微
弱
信
号
检
测
第一章 噪声与低噪声 测试系统的设计
一、干扰与噪声
§1-1 噪声的基本概念
干扰— 来自检测系统外部的扰动。 主要干扰源： 电网、电磁波、静电和雷电等。 主要抗干扰措施： 屏蔽、滤波、器件的合理配置及线路合理 布局等。低频-磁屏蔽；高频-导体屏蔽。 噪声— 检测系统内部材料或器件的物理原因产生的扰动。 主要措施： 常规的检测技术和微弱信号检测技术。
微
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信
号
检
测
2
两级RC网络级联:
| K ( f ) | | K (f) | | K (f) || K ( f ) |
V 1 2 1
1 噪声带宽 f 8 RC 0.64 信号带宽 f 2RC N级RC网络级联时,随着N的增加,Δ fN越接近Δ f0.7
N 0.7
例2 LC谐振回路
f 0
P( f , f ) f
即在某频域内的噪声功率:
x P
2 N

f2
f1
s ( f ) df
白噪声— 在一定频率范围内具有恒定的功率密度。
有(红)色噪声— 功率密度随频率的减小而上升。
蓝噪声—
功率密度随频率的减小而上升。
微
弱
信
T
号
2T
检
T
测
特征量2-相关函数R(て): 1 R ( ) lim x(t ) x(t ) dt
( x ) 2 2
2
2
2
T
T
0
T
2
2
2
T
0
■σ 是衡量系统噪声大小的基本量。工程上取±3σ 。
微
弱
信
号
检
测
三、随机噪声的功率谱密度及相关函数
频谱分析法 能量谱或功率谱分析法 随机信号— 能量谱或功率谱分析法 平稳随机过程— 在任何时刻,噪声的概率分布规律完成一 样的随机过程。 周期信号或非周期信号 特征量1-噪声功率密度: s ( f ) lim
2 2 ex DC 2
f
K—与工艺有关的常数
IDC—流过电阻的直流电流 则有在f1∽f2频段内的均方值噪声电压:
u u ( f ) df kI R ln( f
2 f2 2 2 2 ex f1 ex DC


2
f)
1
微
均方根噪声电压(uV)
弱
103
信
号
检
测
典型电阻中的总噪声
102
10 0
10
102
103 104 频率(Hz)
105
106
由图可知: f>1kHz时，热噪声占优势 f<1kHz时，1/f噪声占优势 过剩噪声的噪声指数— 电阻两端每一伏的直流压降在十 倍频程内产生的均方根噪声微伏值。
测 u 10 K 过剩噪声的噪声指数NI: NI (uV / V ) V f
T T 1 2 T T T 2 2 T 1 T 2
1
2
T
T
1
2
T
2
2
1
2
C=0 不相关 C≠0 相关
u u u
2 2 1 2 1
2
2 2
u (u u )
2
2 2 1 2
u u 2C
u
2 1
u
2 2
微
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信
号
检
测
一、热噪声的特点及计算公式
主要原因： 电子的热运动。
弱检技术 0.1nV 10-14A 提高 104 104
微
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号
检
测
二、微弱信号检测的基本方法及内容
检测过程： 分析信号本质 明确检测对象 确定检测方案
检测方案： 包括测量原理、方法和使用仪器。 检测方法： (一)降低传感器与放大器的固有噪声，提高信噪比； (二)研制适合微弱检测原理满足特殊要求的器件； (三)利用微弱检测技术，通过各种手段提取信号。 ■三者缺一不可，但重点是第三点。 即研究其检测的技术方法。
R1 (Un12) 1/2 R2 (Un22) 1/2 R=R1+R2
(Un2) 1/2= (Un12+ Un22) 1/2
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检
测
同样，同温度电阻并联时： 电路中噪声所消耗的总功率为各噪 声源单独作用时消耗功率之和。 则有: I I I 4kTG f 4kTG f 4kTGf
R
i
测
K2VO
e
C
e
K2VO/2
o
0
fC
Δf N
f(Hz)
e 1 K (f) e 1 jRC
o V i
| K ( f ) |
V
2 V
1 1 (RC)
2
f
N
1 K
2 0
V 0
K
0

( f ) df
1 f 4 RC 2
0
1 f 2RC
特征频率=信号的带宽Δ f0.7
nt 2 N
微
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号
检
测
二、电阻噪声的等效电路及噪声计算
电阻串联时：①假定两电阻温度相同
②噪声源互不相关
故: 电路中噪声所消耗的总功率为各噪声源单独 作用时消耗功率之和。 则有: u u u 4kTR f 4kTR f 4kTRf
2 2 2 n n1 n2 1 N 2 N N
T
相关函数R(て)的特性: (1)R(て)仅与时间差て有关,而与计算的时间起点无关。
(2)因为大多数噪声相互独立，所以て→∞时，R(て)→0。 (3)当て=0时，R(て)为自相关函数，具有最大值：
1 R (0 ) lim 2T
T

T
T
x (t ) dt x
2
2
平稳随机过程的噪声功率密度S(f)与R(て)的转换关系 :
微
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测
常用微弱信号检测技术： (一)频域的窄带化技术：适用检测频域信号，主要原理 是相干检测法，采用的仪器主要是锁相放大器。 (二)时域信号的平均处理技术：适用检测时域信号,主要 原理取样平均,采用的仪器主要是BOXCAR积分器。 (三)离散量的计数统计技术：适用检测随机的或概率分 布的离散信号,主要原理计数统计,采用的仪器主要是可调 阀值的甑别电路等。 (四)单次信息的并行检测技术：适用检测一次性瞬间信 号,主要通过Hadman数学变换或Fourier变换原理,采用的 仪器主要是传感器阵列和高速多通道采集器等。 (五)自适应噪声抵消系统：适用检测有噪声引入点的信 号系统,主要通过噪声信号相抵消得原理,采用的仪器主要 是信号混频叠加器等。
微
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号
检
测
二、半导体二极管的散粒噪声
电流通过PN结时，在不同时刻通过PN结势垒的 载流子的数目是随机的，时多时少，因而造成 电流的起伏。 散粒噪声： 由PN结势垒中载流子的散粒性所产生的噪声， 称为散粒噪声。 二极管的正向电流: 产生原因—
I I e
O
qu K T
1
注意：正向和反向电流均有载流子的扩散和漂移运动，均 产生噪声，故噪声要叠加。 正向偏置时,正向电流的的散粒噪声: i 2q( I I )f
S ( )



R ( )e

j
d
j
1 R ( ) 2
S ( )e
dBiblioteka Baidu S ( f )e

j 2 f
df
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号
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测
四、放大器及线性网络的噪声带宽
噪声带宽— 功率增益曲线对频率的积分除于曲线的最 大幅度。
f
N
1 G
G( f )df
微
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号
检
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微弱信号检测
——多媒体教学
东南大学仪器科学与工程学院
金伟明 副教授 Tel: 83792607-802 Email: jinwm@seu.edn.cn
微
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测
主要 参考书
①曾庆勇编著，《微弱信号检测》 第二版，浙 江大学出版社
②高晋占主编，《微弱信号检测》，清华大学 出版社 ③陈佳圭主编，《微弱信号检测》 ，中央广播 电视大学出版社 ④林理忠，宋敏编著，《微弱信号检测学导论》， 中国计量出版社
微
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绪
论
一、微弱信号检测技术的发展
微弱信号检测技术— 采用电子学、信息论和物理学的方法， 分析噪声产生的原因和规律，研究被测 信号的特点和相干性，检测被背景噪声 覆盖的弱信号。 产生和发展： 宏观和微观世界研究的深入和发展。 应用范围： 主要信号： 生物、力学、地质、环保、医学、天文学及材 料等领域。 电、位移、振动、光、磁、声和热等。
S(f)(V2/Hz)
§1-2 电阻的热噪声和过剩噪声
R(无噪声) (Unt2) 1/2
(Int2) 1/2
Δf N
R
0
1013
2
1014
f(Hz)
实践证明:
s( f ) 4kTR(V
2 nt N
2 2 nt
Hz)
N
则有: 也可:
u s( f )f 4kTRf u I 4kTGf R
微
弱
信
号
检
测
一、噪声系数
§1-3 半导体器件的噪声特性
输出总噪声功率 放大器无噪声时的输出 噪声功率
si
信噪比— 衡量信号本身的质量 问题：能否用它来一设备的噪声特性能？ 噪声系数定义为： F
no no
P P P F PK PK P
ni P ni P
no ni no
si
RS PNi PSi Si/Ni
信号带宽 噪声带宽
f
f
0.7
f /Q
0
f
0
1 2 LC
N


2
f
0 .7
微
弱
信
号
检
测
五、噪声源的相关性
比较两噪声源波形的相似 相关系数C 性 1 相关系数定义： u (t ).u (t ) d t 2T C lim 1 1 u ( t ) d t u ( t ) d t 2T 2T 1 u (t ).u (t )dt lim 2T 1 u .u
0

K2VO
0
Δ fN--噪声带宽
G0—最大功率增益

K2VO/2
G(f)—功率增益的频率函数
0 fC Δf N f(Hz)
又因功率增益正比于电压增益,所以有: 1 f K ( f ) df K
2 N 2 V V 0 0
KV(f)—电压增益的频率函数,K0—最大电压增益
微 弱 信 号 检 例1 RC电路的噪声带宽
2 6 ex 12 DC
微
弱
信
号
检
典型电阻的噪声指数
u NI常用db表示： NI 20log( )(db) （十倍频程内） V
2 ex DC
-40
-30
-20
-10
0
10
(db)
普通合成碳 热膜x级合成碳 普通碳膜 普通金属膜 y级金属膜 102Ω以下 z级金属膜 102-105Ω 105Ω以上 线绕
电信号的特征量：振幅、相位、频率、波形及功率等。
微
弱
信
号
检
测
信噪比(SNR）： SNR S N 信噪比改善(SNIR）： SNIR 功率信噪比改善：
(S N ) (S N ) S N SNIR S N
OP OP P iP iP
OUT
IN
微弱信号检测灵敏度的提高：
电压 常规检测 1μV 电流 0.1nA 温度 ≥0.1mK 5×10-7K 103 电容 0.1pF 10-5pF 104 微量分析 10-5mol 10-8mol 103 噪声抑制 SNIR=10 SNIR=105 104
P P P P PK P P P
si P si so
放大器
功率放大系数KP
ni
Si/Ni
si
P P 1 P P SNIR
si ni so no
P
微
弱
ni
信
no P
号
检
测
RS PNi PSi
P 由F PK 又P K P P P 得F 1 PK
no p ni
nA
2 2 2 n n1 n2 1 N 2 N N
R1 (In12) 1/2
R2 (In22) 1/2
R=R1//R2
(In2) 1/2= (In12+ In22) 1/2
☆理想的阻抗元件电感、电容不产生热噪声
☆实际阻抗元件的实部也会产生热噪声
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二、电阻的过剩噪声
过剩噪声— 电阻的基本热噪声之外的多余噪声。 主要原因： 电流流过导体时，由于导体本身密度的不均匀 性等构成的导电率的不均匀性。 特点: 过剩噪声通常有1/f噪声之频谱密度，即均方噪 声电压随着频率的下降而增大。 当带宽为1时，经验公式有： u ( f ) kI R