微弱信号检测技术文稿演示
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微弱信号检测的进展
美国吉时利(KEITHLEY)仪器公司是当前世界 上微弱信号检测的先驱，水平如下
物理量 电流 电压 来自百度文库阻 电容 电荷 温差
检测灵敏度 1×10-17 A 1×10-12 V 1×10-10 Ω
1×10-17 F 1×10-17 C 1×10-6 ℃
§6.1 随机信号分析回顾
概述
微弱信号检测
任务：提高检测系统输出信号的信噪比，检测被噪 声淹没的微弱有用信号。 途径：
▪ 隔离噪声源，降低传感器噪声 ▪ 采用先进的信息提取方法（本章重点） 方法： ▪ 分析噪声产生的原因和规律（如噪声幅度、频率、
相位等） ▪ 研究被测信号的特点（频谱与相关性等） ▪ 采用信息论、电子学和计算机分析等方法进行信
1. 信噪比SNR
信噪比 (SNR)信号中 信含 号有 功的 率噪＝ 声N S功率
SNR越高，测量误差越小。 微弱信号检测的目的就是使SNR1或SNR1 2. 信噪改善比SNIR
信噪改 (SN善 I) R比 输 输入 出端 端＝ 信 信 S Soi 噪 噪 N Nio 比 比
SNIR越高，测量系统检测微弱信号的能力越强
ej2fd
Rxy
Sxyf
ej2fdf
特性：S (f)与R ()是一对傅立叶变换对，满足
Wiener-Khintchine定理 功率谱密度的物理意义
R x0x 2 T l i T 1 m T 2 T 2x2(t)d t sx(f)df
Sx(f) 曲线下的面积即为信号x(t)的平均功率，即
如50HZ工频干扰、 电台广播、电视信号、宇宙 射线等，可以通过采取适当的屏蔽、滤波或元件 合理配置等措施，来减小和消除干扰。
噪声：由于材料或器件的物理原因所 产生的扰动。
如导电阻内的热噪声、 晶体管内的散粒噪声。由 大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位都是随机的， 大多属于随机噪声。
二、信噪比和信噪改善比
有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。 如输入信号的信噪比为10-2或者更小，即 信号完全淹没在噪声之中。
有用信号的幅度绝对值很小，如检测v、 nV乃至pV量级的电压信号；检测每秒钟 多少个光子的弱光信号与图象。
概述
科学研究中经常常需要检测极微弱的信号， 例如：
生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电 天文学中的星体光谱 化学反映中的物质生成过程 物理学中表面物理特性 光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱 微机电系统（MEMS）的微位移、微力、微电流、 电压等
x 0
x
意义：提供了随机信号沿幅值域分布的曲线
随机噪声概率密度函数的特点
大多数噪声瞬时幅度的概率分布属正态分布
p x 1 ex2a22
2
四、相关函数
自相关函数： RxxT l i m T 1 T 2T 2xtxtdt
互相关函数： RxyT l i m T 1 T 2T 2xty*tdt
0
2 lim1 Tx2tdt
T x T 0
方差：信号的波动分量
正平方根为标准差σx
三者关系：
2 x T l i m T 10Txtx2dt
x2
x2
2 x
三、概率密度函数
定义：信号幅值落在指定区间内的概率
n
Txt1t2 tn ti i1
P[xx(t)xx]lim Tx T T
p(x)lim P [xx(t)x x]
三、几种常见的电子噪声
噪声种类 热噪声
散粒噪声 低频噪声
接触噪声
特点
功率谱密度在很宽的 频率范围内恒定，为 白噪声
频率增加，功率谱减 小。由于功率谱密度 与频率有关，所以也 叫色噪声
微弱信号检测中需要处理的绝大多数是随机噪声。
1. 电阻中的热噪声(约翰逊噪声，1928年发现)
温度处于绝对温度以上时，即使不接电源，任何电 阻两端都会有噪声电压。 原因：电阻中载流子的随机热运动引起 特点：由于电阻中载流子的热运动的随机性，热 噪声电压是随机的
一、能量有限信号和功率有限信号
能量有限信号
f(t)2dt
一般非周期信号属于能量有限信号 功率有限信号
lim1
T 2
|
f(t)|2dt
T T T2
如周期信号、阶跃信号等
二、均值、均方值、方差
均值：信号的常值分量
均方值：信号的平均功率， 正平方根为均方根值 (有效值)
x
1 lim
TT
Txtdt
Sx(f) 表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称
功率密度函数。
六、放大器及线性网络的带宽
使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值
f 1 Gf df G0 0
式中： G(f)——功率增益的频谱函数 G0——最大功率增益 f——系统带宽
§6.2 噪声基本知识
一、干扰和噪声 干扰：可以消除或减小的外部扰动。
Rxx0T l i m T 1 T 2T 2x2td t
2 x
信号平均功率
其它性质在相关检测中具体讨论
用途：度量信号波形的相似程度， 提取信号中的周期成份
五、自功谱率密度谱：密度R Sx xx xf SR xxx xfe e j2j2ffddf
互谱密度：
Sxyf
Rx y
微弱信号检测技术文稿演示
微弱信号检测技术
第六章 微弱信号检测技术
§6.1 随机信号分析主要概念回顾 §6.2 噪声的基本知识 §6.3 窄带滤波法（了解） §6.4 同步累积法（了解） §6.5 同步相干检测（重点内容） §6.6 取样积分（重点内容） §6.7 屏蔽与接地技术（自学）
概述
微弱信号的定义
奈奎斯特利用热力学理论和实验，得到热噪声电压 的有效值：
Et 4kTRf
k: 波尔兹曼常数 1.38×10－23J/K， T: 绝对温度(K) R: 电阻值(Ω)， Δf: 系统带宽（Hz）
电阻中的热噪声
例如：R=1k Ω, Δf =105Hz，T=300K，则
Et=1.12μV
在微弱信号检测中，需要考虑热噪声 噪声功率（有效值的平方－均方值）P正比于
△f，则功率谱密度为常数，所以热噪声是一 种白噪声。 降低措施：
可以通过减小T、 Δf 降低热噪声电压
电阻热噪声等效电路
2. 散粒噪声
由于阴极发射电子的无规律性或PN结载流子的起伏所 造成的，仅存在于有源器件中。
使器件中流动的电流不再平滑、连续，而是随机变化。
散粒噪声的电流有效值：
q: 电子电荷，q=1.6×10-19C
微弱信号检测的进展
美国吉时利(KEITHLEY)仪器公司是当前世界 上微弱信号检测的先驱，水平如下
物理量 电流 电压 来自百度文库阻 电容 电荷 温差
检测灵敏度 1×10-17 A 1×10-12 V 1×10-10 Ω
1×10-17 F 1×10-17 C 1×10-6 ℃
§6.1 随机信号分析回顾
概述
微弱信号检测
任务：提高检测系统输出信号的信噪比，检测被噪 声淹没的微弱有用信号。 途径：
▪ 隔离噪声源，降低传感器噪声 ▪ 采用先进的信息提取方法（本章重点） 方法： ▪ 分析噪声产生的原因和规律（如噪声幅度、频率、
相位等） ▪ 研究被测信号的特点（频谱与相关性等） ▪ 采用信息论、电子学和计算机分析等方法进行信
1. 信噪比SNR
信噪比 (SNR)信号中 信含 号有 功的 率噪＝ 声N S功率
SNR越高，测量误差越小。 微弱信号检测的目的就是使SNR1或SNR1 2. 信噪改善比SNIR
信噪改 (SN善 I) R比 输 输入 出端 端＝ 信 信 S Soi 噪 噪 N Nio 比 比
SNIR越高，测量系统检测微弱信号的能力越强
ej2fd
Rxy
Sxyf
ej2fdf
特性：S (f)与R ()是一对傅立叶变换对，满足
Wiener-Khintchine定理 功率谱密度的物理意义
R x0x 2 T l i T 1 m T 2 T 2x2(t)d t sx(f)df
Sx(f) 曲线下的面积即为信号x(t)的平均功率，即
如50HZ工频干扰、 电台广播、电视信号、宇宙 射线等，可以通过采取适当的屏蔽、滤波或元件 合理配置等措施，来减小和消除干扰。
噪声：由于材料或器件的物理原因所 产生的扰动。
如导电阻内的热噪声、 晶体管内的散粒噪声。由 大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位都是随机的， 大多属于随机噪声。
二、信噪比和信噪改善比
有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。 如输入信号的信噪比为10-2或者更小，即 信号完全淹没在噪声之中。
有用信号的幅度绝对值很小，如检测v、 nV乃至pV量级的电压信号；检测每秒钟 多少个光子的弱光信号与图象。
概述
科学研究中经常常需要检测极微弱的信号， 例如：
生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电 天文学中的星体光谱 化学反映中的物质生成过程 物理学中表面物理特性 光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱 微机电系统（MEMS）的微位移、微力、微电流、 电压等
x 0
x
意义：提供了随机信号沿幅值域分布的曲线
随机噪声概率密度函数的特点
大多数噪声瞬时幅度的概率分布属正态分布
p x 1 ex2a22
2
四、相关函数
自相关函数： RxxT l i m T 1 T 2T 2xtxtdt
互相关函数： RxyT l i m T 1 T 2T 2xty*tdt
0
2 lim1 Tx2tdt
T x T 0
方差：信号的波动分量
正平方根为标准差σx
三者关系：
2 x T l i m T 10Txtx2dt
x2
x2
2 x
三、概率密度函数
定义：信号幅值落在指定区间内的概率
n
Txt1t2 tn ti i1
P[xx(t)xx]lim Tx T T
p(x)lim P [xx(t)x x]
三、几种常见的电子噪声
噪声种类 热噪声
散粒噪声 低频噪声
接触噪声
特点
功率谱密度在很宽的 频率范围内恒定，为 白噪声
频率增加，功率谱减 小。由于功率谱密度 与频率有关，所以也 叫色噪声
微弱信号检测中需要处理的绝大多数是随机噪声。
1. 电阻中的热噪声(约翰逊噪声，1928年发现)
温度处于绝对温度以上时，即使不接电源，任何电 阻两端都会有噪声电压。 原因：电阻中载流子的随机热运动引起 特点：由于电阻中载流子的热运动的随机性，热 噪声电压是随机的
一、能量有限信号和功率有限信号
能量有限信号
f(t)2dt
一般非周期信号属于能量有限信号 功率有限信号
lim1
T 2
|
f(t)|2dt
T T T2
如周期信号、阶跃信号等
二、均值、均方值、方差
均值：信号的常值分量
均方值：信号的平均功率， 正平方根为均方根值 (有效值)
x
1 lim
TT
Txtdt
Sx(f) 表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称
功率密度函数。
六、放大器及线性网络的带宽
使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值
f 1 Gf df G0 0
式中： G(f)——功率增益的频谱函数 G0——最大功率增益 f——系统带宽
§6.2 噪声基本知识
一、干扰和噪声 干扰：可以消除或减小的外部扰动。
Rxx0T l i m T 1 T 2T 2x2td t
2 x
信号平均功率
其它性质在相关检测中具体讨论
用途：度量信号波形的相似程度， 提取信号中的周期成份
五、自功谱率密度谱：密度R Sx xx xf SR xxx xfe e j2j2ffddf
互谱密度：
Sxyf
Rx y
微弱信号检测技术文稿演示
微弱信号检测技术
第六章 微弱信号检测技术
§6.1 随机信号分析主要概念回顾 §6.2 噪声的基本知识 §6.3 窄带滤波法（了解） §6.4 同步累积法（了解） §6.5 同步相干检测（重点内容） §6.6 取样积分（重点内容） §6.7 屏蔽与接地技术（自学）
概述
微弱信号的定义
奈奎斯特利用热力学理论和实验，得到热噪声电压 的有效值：
Et 4kTRf
k: 波尔兹曼常数 1.38×10－23J/K， T: 绝对温度(K) R: 电阻值(Ω)， Δf: 系统带宽（Hz）
电阻中的热噪声
例如：R=1k Ω, Δf =105Hz，T=300K，则
Et=1.12μV
在微弱信号检测中，需要考虑热噪声 噪声功率（有效值的平方－均方值）P正比于
△f，则功率谱密度为常数，所以热噪声是一 种白噪声。 降低措施：
可以通过减小T、 Δf 降低热噪声电压
电阻热噪声等效电路
2. 散粒噪声
由于阴极发射电子的无规律性或PN结载流子的起伏所 造成的，仅存在于有源器件中。
使器件中流动的电流不再平滑、连续，而是随机变化。
散粒噪声的电流有效值：
q: 电子电荷，q=1.6×10-19C