微弱信号检测学习总结报告

1 本课程的基本构成

本课程目录：

第1章 微弱信号检测与随机噪声

第2章 放大器的噪声源和噪声特性

第3章 干扰噪声及其抑制

第4章 锁定放大

第5章 取样积分与数字式平均

第6章 相关检测

第7章 自适应噪声抵消

本课程分为七章：

第一章主要介绍随机噪声的统计特性，是后续各章的理论基础。

第二章主要介绍电路内部固有噪声源及其特性，对各种有源器件的噪声性能进行分析，并阐述低噪声放大器设计中需要考虑的几个问题。

第三章介绍干扰噪声的来源、特点及各种耦合途径，并详细介绍屏蔽和接地对于各种干扰噪声的抑制作用，以及其他一些常用的抗干扰措施和微弱信号检测电路设计原则。

第四~七章分别为锁定放大、取样积分与数字式平均、相关检测、自适应噪声抵消，分别介绍这几种方法的理论基础、设计实现以及一些应用实例。

因此本课程（微弱信号检测）基本构成：微弱信号检测与随机噪声，放大器的噪声源和噪声特性、干扰噪声及其抑制、锁定放大、取样积分与数字式平均、相关检测、自适应噪声抵消。

2 本课程研究的基本问题

微弱信号是相对背景噪声而言的，其信号幅度的绝对值很小、信噪比很低（远小于1）的一类信号。如果采用一般的信号检测技术，那么会产生很大的测量误差，甚至完全不能检测。微弱信号检测的主要目的是提高信噪比。微弱信号检测是测量技术中的一个综合性的技术分支，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。微弱信号检测技术研究的重点是：如何从强噪声中提取有用信号，探索采用新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。

本课程（微弱信号检测）研究噪声的来源和统计特性，分析噪声产生的原因和规律，运用电子学和信号处理方法检测被噪声覆盖的微弱信号，并介绍几种行之有效的微弱信号检测方法和技术。

3 学习本课程（微弱信号检测）后了解、掌握了哪些内容

通过对微弱信号这门课程的学习，我掌握的内容主要有以下几个方面：

（1）了解了常规小信号检测的手段和方法，即滤波、调制放大与解调、零位法、反馈补偿法。

（2）掌握了随机噪声及其统计特征。

①随机信号的概率密度函数

对于连续取值的随机噪声，概率密度函数(PDF)P(x)表示的是噪声电压x（t）在t时刻取值为x的概率。对于所有x都有。t时刻噪声电压取值在a与b之间的概率为

    

而且 

            

一种重要的概率密度函数是正态分布概率密度函数，又称为高斯分布，自然发生的许多随机量属于高斯分布。另一种重要的概率密度函数是均匀分布概率密度函数。

②随机噪声的均值、方差和均方值

均值  

方差   

均方差   

③随机噪声的相关函数

自相关函数    

互相关函数   

④随机噪声的功率谱密度函数及其特点

功率谱密度函数   

（3）了解了几种常见的随机噪声及其统计特征：白噪声、限带白噪声、窄带白噪声。

（4）掌握了放大器的噪声源和噪声特性及其抑制方法，了解了低噪声放大器的设计。

①放大器的噪声源

电子系统内部的固有噪声源，例如电阻的热噪声、阻容并联电路的热噪声、PN结的散弹噪声、l/f噪声、爆裂噪声等。

外部干扰噪声，干扰噪声种类很多，它可能是电噪声，通过电场、磁场、电磁场或直接的电气连接藕合到敏感的检测电路。这些都是电磁兼容性所涉及的领域；干扰噪声的本源也可能是机械性的，例如，通过压电效应.机械振动会导致电噪声；甚至温度的随机波动也可能导致随机的热电势噪声。

②放大器的噪声特性

放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系如下：

      

图1 高噪声放大器和低噪声放大器

③噪声抑制方法

A消除或削弱干扰源；

B设法使检测电路对干扰噪声不敏感；

C使噪声传输通道的耦合作用最小化。

（6）了解了一些微弱信号检测的方法和技术，比如锁相放大，取样积分，相关检测，自适应噪声抵消等。

4         为了达到对微弱信号的检测，在具体技术方面需要解决哪些问题

（1）锁定放大器应用

锁定放大器(LIA)是微弱信号检测的重要手段，已经被广泛应用于物理、化学、生物医学、天文、通信、电子技术等领域的研究毛作中。

在锁定放大器应用中需要考虑下列几个问题：

 1) LIA的功能相当于一种抑制噪声能力很强的交流电压表，其输人是正弦波或方波交流信号，输出是正比于输人波形幅值的直流信号。如果被测信号不是交流信号，则需要用调制或斩波的方式将其变换成交流信号。

 2)在实际应用中，LIA中PSD，后续的LPF常用积分器来实现，积分器的时间常数决定了LIA的等效噪声带宽，也决定了LIA所实现的信噪改善比SNIR。积分器的时间常数越大，等效噪声带宽越窄，SNIR越大，所需的测量时间也就越长。所以，对于强度变化缓慢的信号，例如光谱、电子衍射等的测量，可采用长的时间常数；而对于强度变化较快的信号，积分时间常数的选择要与信号的变化速度相适应，在不损失有用信号的条件下，尽量提高输出的信噪比。

3)要根据信号和噪声的具体情况适当地分配LIA的交流增益和直流增益，如果信号的动态范围较大，而噪声又不很严重，就应该使LIA工作在高稳定状态;如果噪声严重，为了使LIA能够正常上作，则必须使LIA协调在高储备状态。

4)测量系统良好的屏蔽与接地是LI发挥其效用的必要条件。

5)LIA的参考信号输人必须是与被测信号相关的同频信号。如果确实不能获得合适的同频参考信号，则可用锁相环进行自动频率跟踪检测。

6) LIA的信号输人前置级放大器的工作参数必须认真选择，根据放大器的噪声因子图(NF图)，在给定的工作频率下进行输人电阻匹配，以获得最佳噪声特性。

（2）取样积分与数字式平均技术

要恢复淹没在噪声中的脉冲波形时，需要使用此种方法。

在取样积分与数字式平均技术应用中需要考虑下列几个问题：

1）门积分的选取：在信号幅度较小的情况下，采用线性门积分有利；而在信号幅度较大时，为了防止电路进入非线性区导致测量误差，必须采用指数式门积分器。所以，在具体的门积分应用中，要根据实际检测情况和要求选择合适的门积分方式。

2）取样积分器工作方式的选择：取样积分器的工作方式可分为定点式和扫描式两种，一般将这两种工作方式组合在同一仪器中，有用户选择使用哪种工作方式。定点工作方式用于检测信号波形上某一特定位置的幅度，而扫描工作方式用于恢复和记录被测信号的波形。

3）取样积分器参数的选择：一般需要考虑的参数有：取样脉冲宽度Tg、时基锯齿波宽度Tb、积分器时间常数Tc=RC的选择、慢扫描时间Ts，要根据实际情况进行选择。

（3）相关检测

在实际应用中，使用的相关检测设备有多种类型，主要分成：

1）模拟式相关器：两路信号都是模拟量。

2）数字式相关器：首先将两路信号量化为数字量，再进行相乘和累加平均的运算，一般是在微处理器和累加器上实现运算。

3）混合式相关器：其特点是，一路信号为模拟量，另一路信号为量化的数字量。

4）修正的混合式相关器：为了克服混合式相关器输出的偏差，在数字通道人为叠加伪随机信号，再进行相关运算，这种方式有一定的理论价值，但实用性较差。

5微弱信号检测技术实际应用

（1）    锁相放大器在微波特性研究中的应用

原理：微波天线方向图测量系统的中心设备一般是由一台锁相放大器和一台微波分析仪构成。本实验选用两台微波分析仪，其中一台用其发射天线，向外发射微波，另一台用其接收天线，接收微波信号，这样就打破了常规的只能在固定范围内测量微波天线方向图的束缚，可以测量随距离变化的微波方向图，测试电路如图2所示。速调管电源选用方波调制，调制电压输出用电阻分压作为锁相放大器的参考信号。速调管的发射电压受到调制，输出为方波调制的微波信号，工作频率为9. 37GHZ，由发射天线发射。待测天线作为接收天线，通过匹配器件由晶体检波器检波，输给锁相放大器作为待测信号，这样就满足了锁相放大器待测信号和参考信号频率相同的条件，可实现互相关运算。由接收天线转台改变天线的方向，测得天线的方向图。

图2 微波天线方位测量原理图

（2）    取样积分器用于检测表面及亚表面的微小缺陷

零件或材料的表面及亚表面处是一般体声波无损检测的盲区，因此探测表面及亚表面缺陷要利用声表面波(SAW)。声表面波在表面及亚表面缺陷处会产生反射。在时域上反射波的大小、形状和在频域中反射波的频率特性(频谱)与缺陷的性质有关。一般地说，SAW的频率愈高，能探测到愈近表面的缺陷。图3所示为用激光探针法探测表面及亚表面缺陷对声表面波的反射系数的检测装置框。

光电二极管的输出信号经放大，同时分别送入Boxcar(进行信号处理)与示波器(观察波形)。因为在探测微小缺陷时，光电二极管接收到的反射波信号很微弱，仅有几个微伏(峰--峰值)，深埋于系统噪声中，因此必须采用取样积分器(Boxcar)提取之。为了达到取样积分器的输入电平，将这微弱的电信号放大几万倍，然后输入取样积分器的“观察信号输入”端。另一方面，已调高频信号分路输入取样积分器的“参考信号输入”端作为触发基准，以消除脉冲信号发生器的同步信号与已调高频信号在初相位上的随机误差，保证取样积分器的参考信号与已调高频信号的相位同步.取样积分器的输出接至X-Y记录仪，描画出声表面波的主波和反射波。依据反射波的大小、形状等性质，即可知道表面、亚表面存在的缺陷情况。

图3 检测装置框图

（3）    微弱激光信号的数字相关检测技术

数字相关检测基本原理：

微弱信号检测技术能测量传统观念认为不能测到的微弱量,所以获得迅速的发展和普遍的重视。相关检测技术是实现微弱激光信号提取的最有效方法之一。其基本原理如图4所示：

图4相关检测技术原理

为了克服数字相关检测基本技术要预先测量信号相移的弊端,可以在其理论基础之上加以改进，将参考信号的相位移动90°，使用两个相关器,检测会比较方便.这种检测方法被称为双通道数字相关性检测，或数字正交相关检测,其原理如图5所示

图5 数字正交相关检测原理

第二篇：微弱信号检测报告书

20xx年四川省大学生电子设计TI杯竞赛

设计报告

作者：日期：

摘要

本装置是基于超外差原理对微弱信号进行幅值检测，主要由PGA，低通滤波器，DDS，带通滤波器，高精度A/D，恒增益运算放大器，峰值检波，MSP430-Launchpad组成。其中，由恒增益放大器与单片机进行第一次检测判断并控制PGA放大倍数，再将PGA产生信号与DDS信号进行混频，经带通滤波器后，由峰值检波检测峰值，交由A/D检测，并由单片机显示结果。

关键词：超外差；微弱信号；幅值检测

Abstract

Thisdevicedetectedtheweaksignalamplitudebasedonthesuperheterodyneprinciple.ItisformedmainlyofthePGA,low-passfilter,DDS,band-passfilter,high-precisionA/D,fixed-gainoperationalamplifier

thispeakdetectorMCUandandMSP430-Launchpad.Duringprosession,the

fixed-gainoperationalamplifierdetectedthesignalamplitudeatfirstanddeterminethemagnificationofPGA.Next,thesignalwitchisproducedbythemixingofthesignalwhichareformedofDDSandtheoutputofPGA.And,themixedsignalwhitchhasbeendealedbyband-passfilterisdetectedbypeakdetectortogotthenumberofthepeak.Last,theMCUdisplaythepeakbythedetectionofA/D.

Keywords:Superheterodyne;weaksignals;amplitudedetection

目录

一．方案论证--------------------------------------------4

1.方案比较和选择

信号提取方式---------------------------------------4A/D选取-------------------------------------------4信号峰值获取---------------------------------------5波形产生-------------------------------------------5

2.总体方案设计---------------------------------------5

二．理论分析与计算--------------------------------------6

1.超外差电路设计-------------------------------------6

2.峰值检测设计---------------------------------------7

三．电路设计

混频电路-------------------------------------------7峰值检测电路---------------------------------------8滤波器电路-----------------------------------------8系统软件与流程框图---------------------------------8

四．测试方案与测试结果----------------------------------10

测试仪器-------------------------------------------10测试方案及数据记录---------------------------------10

五．总结------------------------------------------------11

六．参考文献--------------------------------------------11

一．方案论证

1.方案比较和选择

（1）信号提取方式：

方案一：采用锁相放大器原理。锁相放大器要求待测信号频率已知，但由于本题原始信号频率未知，所以只能采用扫频法进行相干波选择。但扫频电路制作麻烦，效果不好，短时间内难以实现。

方案二：采用超外差技术。利用DDS信号与待测信号进行相乘变频，产生差频信号，经窄带滤波器提取信号。最后，利用提取信号和原始信号的幅度已知关系得出原信号幅度。

方案三：采用自相关检测原理，通过延时电路，将延时信号与原始信号相乘，去除不相关频率成分，再经滤波获得相关数据，经过对应公式换算，得出信号幅值。但由于此方法过于复杂，此题没有必要使用自相关检测。

方案选择：题目要求信号频率：500hz~2Khz,噪声信号带宽在25Khz左右，信号频率范围已知且很窄，且滤波器短时间制作实现可能性极高，因此，在规定时间内，采用方案二。

（2）A/D选取

方案一：采用TI公司的16位ADS1115IDGSR。该A/D为低速高精度A/D。采样速率较低，但获取峰值精度很高。

方案二：采用Launchpad内部A/D。该A/D为单片机内部集成A/D。信号噪声干扰较小，但测量精度有限。

方案选择：因为题中被测信号频率较低，所以采用外部A/D所受

的干扰与内部A/D相差可忽略。题中要求误差不超过5%，对精度要求较高，所以采用方案一。

(3)信号峰值获取

方案一：等效采样。该方法为信号每周期只采样某一点。经N个周期，采集到信号对应N个幅值，类似于等间隔采样。所以采集到信号峰值存在不可避免的误差。

方案二：峰值检波。通过电容充放电和二极管单向导通原理构成检波电路。可以很准确的直接输出信号峰值。

方案选择:检波电路搭建简单且题目对信号幅值精度要求很高，为达到幅值精度要求，采用方案二

(4)波形产生

方案一：利用模拟振荡电路产生载波，此种方式由于模拟器件的误差影响，频率难以精确稳定，且谐波较多，难以作为载波信号。

方案二：采用DDS芯片产生正弦波信号，由于采用数字频率合成原理产生的波形，频率较稳定精确，几乎可以忽略谐波的影响，对于作为信号的载波将非常理想。

方案选择：因为超外差原理对载波依赖性较大，且模拟震荡高频电路搭建困难。因此，选择方案二。

2.总体方案设计

系统由信号放大档位判决部分，超外差电路和幅值检测部分组成。微弱信号通过信号放大档位判决部分决定超外差电路对微弱信号的放大倍数。并通过超外差电路对待测信号进行提取，最后通过幅值

检测部分进行信号幅值检测并显示。

图一系统框图

二．理论分析与计算

1.超外差电路设计

超外差技术是利用本地产生的振荡波与输入信号混频，将输入信号频率变换为某个预先确定的频率，最后通过滤波器滤出源信号的方法。这种方法是为了适应远程通信对高频率、弱信号接收的需要，在外差原理的基础上发展而来的。本地振荡器产生频f1的等幅正弦信号，输入信号是一中心频率为fc的已调制频带有限信号,通常f1>fc。这两个信号在混频器中变频，输出为差频分量,称为中频信号，fi=f1-fc为中频频率。输出的中频信号除中心频率由fc变换到fi外，其频谱结构与输入信号相同。因此，中频信号保留了输入信号的全部有用信息。超外差原理如图1所示。基于此原理，电路设计框图如下：

这里因为噪声具有随机性，其平均值为零。因此当经过带通滤波器后，输出的为带宽很窄的信号。此时，噪声幅值与功率会大幅度衰减，从而达到提取待测信号，降低噪声的目的。

2.峰值检测设计

峰值检测电路是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Vo=Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。其效果如下：

其主要原理是利用电容充放电，和二极管反向截至，从而达到峰值检测目的。该电路主要分为4个模块：电压存储器（一个电容器，用来存储保持最近峰值，它存储电荷的功能使它充当一个电压存储器），二极管（用来进一步对电容充电的单向电流开关），电压跟随器（能够使电容电压跟踪输入电压的器件），能将输出周期性清零的开关。

三．电路设计

1.硬件电路设计

（1）混频电路

利用MC1496构成调制电路

（2）峰值检测电路

利用TI的OPA2227构成峰值检波电路

（3）滤波器电路

这里采用TI的TL082芯片及相关电阻电容，构成巴特沃兹低通和带通滤波器，为保证500Hz到2KHz频带内信号没有衰减，所以选用截止频率为2.5K的高Q值低通滤波器。由于载波信号所产生的信号为100KHz所以带通滤波器的中心频率为100K

2.系统软件与流程框图

单片机控制流程图

单片机首先初始化键盘，液晶。然后判断检测按键是否按下，若按下则开始检测，否则等待检测按键按下。检测时，先通过恒定增益放大器进行初次采样，从而判断PGA放大倍数。PGA配置完成后，进行二次采样，单片机内部对二次采样值进行处理显示。

四．测试方案与测试结果

1.测试仪器

TDS1012B型100MHz数字存储示波器；

F40型DDS函数发生器；

2.测试方案及数据记录

（1）噪声均方根电压值测试

测量方法：将音频噪声由电脑输出后，经外部放大器放大。将放大后噪声用示波器测量。

测量结果：噪声均方根电压值为1.02V，带宽约为1Mhz。

（2）纯电阻分压网络测试

测量方法：将叠加噪声的未衰减信号与已衰减信号用示波器同时显示出来，比较二者峰峰值

测量结果:衰减前峰峰值：6.02V，衰减后54mV。可知衰减系数为110左右，符合要求。

（3）检测电路输入阻抗测试

因为信号放大电路采用OP27芯片搭建，该芯片为运算放大器，显然输入阻抗大于1M欧姆，符合要求。

（4）加法器带宽测量

测量方法：通过改变函数发生器的正弦波频率，将加法器波形输入到示波器中，进行波形观察，来判断带宽范围。

测量结果：经函数法生器频率变化，发现在1.5Mhz左右，波形无明显失真。（因为出现的是叠加噪声的正弦波，所以只能判断是否存在明显失真。）

（4）正弦信号幅值检测频率(hz)1K1K1K1K1K1K1K2K2K0.5K0.5K

实际峰峰值(V)2.01.81.51.21.00.80.52.01.02.01.0

测量峰峰值(V)1.991.781.521.231.010.940.940.540.510.430.40

五．总结

经过三天两夜的制作调试，系统基本达到了题目基本要求。但在1KHZ以外的频率和1V以下的信号测量时，表现为测量值基本不变。这说明提取信号时，噪声滤除不彻底。采用自相关检测的延时性一类电路对信号噪声过滤将达到更好的结果。我们将在一段时间以后，重新制作一次，这将促进我们更加深入学习与此相关的知识。

六．参考文献

[1]塞尔吉欧刘树棠等《电路设计》西安交通大学出版社.

[2]张辉曹丽娜《通信原理》科学出版社.

[3]高晋占《微弱信号检测》清华大学出版社.

[4]于洪珍《通信电子电路》清华大学出版社.