哈工大21系鞠教授《微弱信號與噪聲》

1、課程名稱：微弱光電信號檢測技術(shù)鞠有倫鞠有倫微弱信號檢測，高晉占，清華大學(xué)出版社激光實驗方法，馬祖光，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社微弱信號檢測，曾慶勇，浙江大學(xué)出版社光電探測技術(shù)，王清正，電子工業(yè)出版社軍用光電系統(tǒng)，高稚允，北京理工大學(xué)出版社現(xiàn)代軍用光學(xué)技術(shù)，王永仲，科學(xué)出版社激光光譜測量技術(shù)，陳揚骎，華東師范大學(xué)出版社光電信號檢測，吳杰，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社參考資料參考資料課程內(nèi)容課程內(nèi)容 微弱信號與噪聲微弱信號與噪聲 光輻射探測器光輻射探測器 光電信號的探測光電信號的探測 頻域信號檢測技術(shù)頻域信號檢測技術(shù) 時域信號檢測技術(shù)時域信號檢測技術(shù) 相關(guān)檢測技術(shù)相關(guān)檢測技術(shù) 自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)

2、 微弱光電信號檢測技術(shù)應(yīng)用微弱光電信號檢測技術(shù)應(yīng)用 高靈敏度高靈敏度APD、光纖鎖相環(huán)、光、光纖鎖相環(huán)、光學(xué)鎖相、單光子學(xué)鎖相、單光子APD、條紋管、條紋管APD、探測方法、環(huán)境控制、探測方法、環(huán)境控制第一章第一章 微弱信號與噪聲微弱信號與噪聲第一節(jié)第一節(jié) 微弱信號的簡要介紹微弱信號的簡要介紹信號的基本概念：信號的基本概念： 信號是信息的表現(xiàn)形式，信息是信號的具體內(nèi)容信號是信息的表現(xiàn)形式，信息是信號的具體內(nèi)容信號的來源：信號的來源： 1、自然和物理信號。、自然和物理信號。 2、人工產(chǎn)生信號經(jīng)自然的作用和影響而形成的信號、人工產(chǎn)生信號經(jīng)自然的作用和影響而形成的信號信號的含義：信號的含義： 信號代

3、表一個實際的物理信號或數(shù)學(xué)上的函數(shù)和序列信號代表一個實際的物理信號或數(shù)學(xué)上的函數(shù)和序列一、信號與噪聲一、信號與噪聲信號的分類：信號的分類：確定信號與隨機信號確定信號與隨機信號周期信號與非周期信號周期信號與非周期信號時間連續(xù)信號和時間離散信號時間連續(xù)信號和時間離散信號模擬信號與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號能量信號與功率信號能量信號與功率信號實信號與復(fù)信號實信號與復(fù)信號信號的描述方法：信號的描述方法： 數(shù)學(xué)描述：描述為一個或多個自變量的函數(shù)或數(shù)列數(shù)學(xué)描述：描述為一個或多個自變量的函數(shù)或數(shù)列的形式的形式 波形描述：按照函數(shù)隨自變量的變化關(guān)系，描述信波形描述：按照函數(shù)隨自變量的變化關(guān)系，描述信號的波形號

4、的波形10141013101210111010109108107106105104103102101110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10波長波長 / m長電磁振蕩長電磁振蕩波長：波長：10km以上以上頻率：頻率：3Hz-3kHz無線電波無線電波波長：波長：0.1m-10km頻率：頻率：3kHz-3GHz微波微波波長：波長：0.1mm-0.1m頻率：頻率：3GHz-3THzX射線射線波長：波長：0.001nm-100nm頻率：頻率：3 1014Hz-3 1020Hz千米波，千米波，波長：波長：1km頻率：頻率：30kHz40 m1000 m6 m3

5、 m760nm622nm597nm577nm492nm455nm380nm300nm200nm10nm遠(yuǎn)紅外光遠(yuǎn)紅外光中紅外光中紅外光近紅外光近紅外光紅光紅光橙光橙光黃光黃光綠光綠光藍(lán)光藍(lán)光紫光紫光近紫外光近紫外光遠(yuǎn)紫外光遠(yuǎn)紫外光極遠(yuǎn)紫外光極遠(yuǎn)紫外光極遠(yuǎn)紅外光極遠(yuǎn)紅外光紅外線紅外線可見光可見光紫外線紫外線信號與輻射譜信號與輻射譜光電信號光電信號光信號與電信號的關(guān)系光信號與電信號的關(guān)系米波，米波，波長：波長：1m頻率：頻率：30MHz毫米波，毫米波，波長：波長：1mm頻率：頻率：300GHz厘米波，厘米波，波長：波長：1cm頻率：頻率：30GHzTHz波波波長：波長：10 m-100 m頻率：頻

6、率：3THz-30THz 射線射線波長：波長：0.0001nm-0.1nm頻率：頻率：3 1018Hz-3 1022Hz宇宙宇宙射線射線波長：小于波長：小于6 10-13m頻率：大于頻率：大于3 1021Hz頻率：頻率：1014Hz頻率：頻率：1015Hz二、微弱信號二、微弱信號 微弱信號是相對于噪聲而言的，主要指被噪聲淹沒微弱信號是相對于噪聲而言的，主要指被噪聲淹沒的信號。的信號。微弱信號檢測技術(shù)的主要任務(wù)是提高信噪比。微弱信號檢測技術(shù)的主要任務(wù)是提高信噪比。其方法就是抑制噪聲，提高信噪比。其方法就是抑制噪聲，提高信噪比。 例如：例如：弱光、弱聲、小位移、小電容、微電弱光、弱聲、小位移、小電

7、容、微電流、微電壓、微振動、微壓力、微溫差等流、微電壓、微振動、微壓力、微溫差等信噪比信噪比SNR：SNR=S/NS：代表信號的有效值：代表信號的有效值N：代表噪聲的有效值：代表噪聲的有效值信噪改善比信噪改善比SNIR：SNIR=/SNRiSNRo：代表系統(tǒng)輸出端的信噪比：代表系統(tǒng)輸出端的信噪比SNRi：代表系統(tǒng)輸入端的信噪比：代表系統(tǒng)輸入端的信噪比檢測方法檢測方法檢測量檢測量電壓電壓/nV電流電流/nA溫度溫度/K電容電容/pFSNIR常規(guī)檢測方法常規(guī)檢測方法1e30.11e-40.110微弱信號檢測方法微弱信號檢測方法0.11e-55e-71e-51e5吉時利公司吉時利公司（從事微弱信號檢

8、測）（從事微弱信號檢測）1e-31e-81e-6檢測分辨率檢測分辨率：檢測儀器示值可以分辨的最小輸入量的變化值檢測儀器示值可以分辨的最小輸入量的變化值3、常規(guī)小信號檢測方法、常規(guī)小信號檢測方法濾波：窄帶濾光片濾波：窄帶濾光片調(diào)制放大與解調(diào)：無線電廣播調(diào)制放大與解調(diào)：無線電廣播零位法：歐姆表零位法：歐姆表反饋補償法反饋補償法第二節(jié)第二節(jié) 噪聲及其功率譜密度噪聲及其功率譜密度一、噪聲的引入一、噪聲的引入噪聲噪聲：由于材料或器件本身的物理原因所產(chǎn)生的擾動：由于材料或器件本身的物理原因所產(chǎn)生的擾動干擾干擾：可以減少或消除的外部擾動：可以減少或消除的外部擾動 。 1、干擾與噪聲、干擾與噪聲2、信號與噪聲

9、、信號與噪聲信號與噪聲是相對的概念、定義信號與噪聲是相對的概念、定義噪聲噪聲干擾噪聲干擾噪聲內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲人為造成的：無線電發(fā)射、電火花人為造成的：無線電發(fā)射、電火花自然造成的：大氣擾動、宇宙射線、雷電自然造成的：大氣擾動、宇宙射線、雷電人為造成的：人為造成的：50Hz干擾、系統(tǒng)寄生反饋、自激干擾干擾、系統(tǒng)寄生反饋、自激干擾固有噪聲：元器件固有噪聲，熱噪聲、固有噪聲：元器件固有噪聲，熱噪聲、3、噪聲的分類、噪聲的分類二、噪聲的統(tǒng)計特性二、噪聲的統(tǒng)計特性222)(21)(axexP2xTTxdtTxa01limTTdtxTx02221lim噪聲概率密度函數(shù)噪聲概率密度函數(shù)噪聲的均方值噪聲的均方

10、值噪聲的平均值噪聲的平均值噪聲的均方根值噪聲的均方根值噪聲的統(tǒng)計分布噪聲的統(tǒng)計分布三、隨即噪聲的功率譜密度及相關(guān)函數(shù)三、隨即噪聲的功率譜密度及相關(guān)函數(shù) 隨機過程：噪聲電壓不僅每一瞬間取值是隨機的，隨機過程：噪聲電壓不僅每一瞬間取值是隨機的，且噪聲電壓隨時間變化也是隨機的且噪聲電壓隨時間變化也是隨機的 平穩(wěn)隨機過程：系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，不同時刻噪聲平穩(wěn)隨機過程：系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，不同時刻噪聲的概率分布規(guī)律是一樣的，反應(yīng)噪聲的統(tǒng)計特性的概率分布規(guī)律是一樣的，反應(yīng)噪聲的統(tǒng)計特性fffPfsf),(lim)(0),(ffPf是指頻率f處，帶寬為 的噪聲平均功率 噪聲功率譜密度：s(f)表示單位頻帶內(nèi)噪聲功率

11、隨頻率的變化情況 噪聲功率譜曲線S(f)所覆蓋的面積在數(shù)值上等于噪聲的總功率21)(ffNdffSP白噪聲白噪聲限帶白噪聲限帶白噪聲窄帶噪聲窄帶噪聲紅噪聲紅噪聲藍(lán)噪聲藍(lán)噪聲 平穩(wěn)隨機過程的相關(guān)函數(shù) TTTdttxtxTR)()(21)(lim相關(guān)函數(shù)的特點：相關(guān)函數(shù)的特點： 只與時間差有關(guān)，與計算的起點無關(guān)只與時間差有關(guān)，與計算的起點無關(guān) 由于絕大多數(shù)噪聲相互獨立，相關(guān)函數(shù)隨時間差的增加而由于絕大多數(shù)噪聲相互獨立，相關(guān)函數(shù)隨時間差的增加而衰減，衰減越快，表示隨機過程在時間上相關(guān)性越小衰減，衰減越快，表示隨機過程在時間上相關(guān)性越小 ，對噪聲而言，時間差趨近于無窮大時對噪聲而言，時間差趨近于無窮大

12、時 ，相關(guān)函數(shù)趨于，相關(guān)函數(shù)趨于0 時間差趨于時間差趨于0時，為噪聲的自身相關(guān)，此時，相關(guān)函數(shù)具時，為噪聲的自身相關(guān)，此時，相關(guān)函數(shù)具有最大值。也是噪聲函數(shù)的平均值。有最大值。也是噪聲函數(shù)的平均值。 2221)0(limxdtxTRTTT 從傅里葉變換可知，平穩(wěn)隨機過程中的功率譜函數(shù)S(f)與其自相關(guān)函數(shù)還存在著一對傅里葉變換關(guān)系，即是維納一欣辛（WienerKhintchine）關(guān)系： dfefSdeSRdeRSfjjj2)()(21)()()(四、等效噪聲帶寬四、等效噪聲帶寬 等效噪聲帶寬是在相同的輸入噪聲功率情況下，與實際線性電路輸出噪聲功率相等的理想矩形通帶系統(tǒng)的帶寬。線性熊的等效噪聲

13、帶寬：功率增益曲線對頻率的積分除以曲線的最大幅度。因此噪聲帶寬又可以代表噪聲的大小。fN：噪聲帶寬，G0：噪聲增益的最大值，G(f)：噪聲增益頻率譜函數(shù)。00)(1dtfGGfN 當(dāng)噪聲功率正比于噪聲電壓的平方，噪聲功當(dāng)噪聲功率正比于噪聲電壓的平方，噪聲功率帶寬可表示為：率帶寬可表示為：0220)(1dffKKfVVNKV0：噪聲電壓最大增益系數(shù)：噪聲電壓最大增益系數(shù)KV(f)：噪聲電壓增益系數(shù)頻率譜函數(shù)：噪聲電壓增益系數(shù)頻率譜函數(shù)000/NNiiiVffNSNSSNIR000/NNiiPiPPPPffNSNSSNIR電壓信噪改善比 功率信噪改善比 2221212/1222121)()(21)(21)(21)()(21limlimuudttutuTdttuTdttuTdttutuCTTTTTTTTTTTTtTTTTTTtTTtdtuuTuudtuudtudtu