工學(xué)微弱信號(hào)課件

h《微弱信號(hào)檢測及處理》講義微弱信號(hào)檢測.清華大學(xué)出版社,2004曾慶勇.微弱信號(hào)檢測(第二版).浙江大學(xué)出版社,1994學(xué)術(shù)會(huì)議論文集特殊電量測量.機(jī)械工業(yè)出版社,2000h隨機(jī)噪聲微弱信號(hào)存在于宏觀和微觀世界中。例如生物學(xué)中生物電和生物磁；光學(xué)測被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)的目的。與微弱信號(hào)相比，小信號(hào)的信噪比要高得多。從提高信噪比，從而檢測出被。適用范圍：噪聲與信號(hào)頻譜不重疊情形。設(shè)計(jì)濾波器通帶僅覆蓋有用信號(hào)頻譜范圍h。通濾波器，有效抑制通帶外各種頻率噪聲，對(duì)有用信號(hào)同頻率噪聲無能為力，設(shè)計(jì)高Q值窄帶濾波器較為困難且不穩(wěn)定；帶阻濾波器，抑制某一特定頻率的干擾放大，各級(jí)放大器間可利用隔直電容耦合，傳感器和前級(jí)放大器低頻噪聲和緩慢漂移不會(huì)傳輸?shù)胶蠹?jí)放大器，消除了影響；通過解調(diào)和低通濾波器濾除高頻分量聲，獲得放大后的有用信號(hào)。比量的大小就表征了被測量的大??；被測量和對(duì)比量在傳輸過程中分別疊加了干擾噪聲n(t)和n(t)，被測量和對(duì)比量傳輸過程越相似，對(duì)比相減過程中，n(t)和1212n(t)1被測量n(t)2對(duì)比量調(diào)整+-零位指示反饋補(bǔ)償法H和H分別為兩個(gè)變換環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，n(t)和n(t)為兩個(gè)變換環(huán)節(jié)引入的1212nn(t)變換12++H1n(t)xHy2hn(t)1被量y+n(t)1被量y++HA變換12++2H21x器xKFy=y=HHx+HHn+Hn1212122y=++12F12F112F12F12F12Fxnny=+1+2KAKAHKFF1Ft12微弱信號(hào)舉例：弱光、弱磁、弱聲、小位移、小電容、微流量、微壓力、微生物學(xué)：細(xì)胞發(fā)光特性、光合作用、生物電、生物磁天文學(xué)：星體光譜化學(xué)：物質(zhì)生成過程物理：表面物理特征光學(xué)：光學(xué)聲譜、脈沖瞬態(tài)光譜干擾—來自于非被測信號(hào)或非測量系統(tǒng)的外部擾動(dòng)，有規(guī)律，可以減少或z宇底00h微弱信號(hào)檢測中，需要處理的主要是基本噪聲，絕大多數(shù)為隨機(jī)噪聲。隨機(jī)噪聲：前后獨(dú)立的平穩(wěn)隨機(jī)過程，任何時(shí)刻的波形、幅度和相位隨機(jī)T0T)w能用來度量噪聲。T0T)wGx效值，可用來度量噪聲。p(x)xxn信號(hào)的頻域特征描述—頻譜(幅度譜和相位譜)、能量譜和功率譜。隨機(jī)噪聲信號(hào)不能用確定時(shí)間函數(shù)描述，只能用功率譜描述頻域特性。nnn編f)0編fhnn2nnn2n通常情況下，系統(tǒng)帶寬受限，上面積分限改為f和f。2*電子器件中的1/f噪聲，S(f)~1/f，很強(qiáng)的低頻噪聲，稱為低頻噪聲nfSf)~f2，很強(qiáng)的高頻噪聲，稱為高頻噪聲或藍(lán)nnS(f)低頻噪聲高頻噪聲n010131014f(Hz) 刻取值的相關(guān)性(功率有限信號(hào))nTTT/2nnnnTTT/2nR(0)lim1T/2n(t)n(t)dt2—噪聲的均方值(噪聲功率)nn●對(duì)于白噪聲之類的隨機(jī)噪聲，噪聲脈沖間的時(shí)間相關(guān)性極小，呈現(xiàn)函數(shù)●對(duì)于白噪聲之類的隨機(jī)噪聲，噪聲脈沖間的時(shí)間相關(guān)性極小，呈現(xiàn)函數(shù)nhnT0T0n2幾-wnn-wnnnn0n過程中的相關(guān)性(功率有限信號(hào))xyT)wT-T/2yxT)wT-T/2●R(T)僅與時(shí)間差T有關(guān)，而與計(jì)算時(shí)間t的起始點(diǎn)無關(guān)xyyxxyxyxyxy 五、隨機(jī)噪聲通過(線性)電路系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)檢測裝置中，被測信號(hào)機(jī)噪聲均要通過各種電路進(jìn)行處理(包括放大器、。xx(t)h(t)y(t)H(jO)h2H(j)=j+h(t)ejtdt,h(t)=1j+H(j)ejtd21、x(t)為確定性信號(hào)傅立葉變換X(j)和Y(j)滿足一下關(guān)系：Y(j)=X(j)H(j)2、x(t)為隨機(jī)噪聲致無法得到輸入與輸出傅立葉變換，上面關(guān)系不再有效，這時(shí)只能采用分析統(tǒng)計(jì)它們之間的關(guān)系。xxyxS()滿足以下關(guān)系：yS()=H(j)H*(j)S()=H(j)2S()yxxyxS()=N/2，求濾波器輸出y(t)的功率譜密度S()和功率P。x0yyRx(t)Cy(t)=1+jRC=1+(RC)2解：H=1+jRC=1+(RC)2Sy()=H(j)2Sx()=yy2y41+(RC)2yy2y41+(RC)2P=N0j+1du六、放大器及線性網(wǎng)絡(luò)的(等效)噪聲帶寬00nA200fn00h微弱信號(hào)檢測中，關(guān)心輸出噪聲功率的大小，等效噪聲帶寬概念方便輸出噪H(f)2A2A0??AA2/20?ffnf(Hz)ffnc0y00n帶cRC(低通濾波器)的等效噪聲帶寬Rv(t)ivv(t)io解：H(f)=，A=1(直流增益，f=0)1+(2fRC)20nA01+(2RCf)24RCnA01+(2RCf)24RC0半功率點(diǎn)帶寬(截止頻率)：f=nN/2n0nN/2n0nNB0O0hN功率譜密度：S(O)=0，N為單邊功率譜密度Nn20nwnw2nn●明顯特征：白噪聲不同時(shí)刻取值互不相關(guān)，對(duì)從白噪聲中提取信號(hào)極為有xsnT0Te0R(0)-R(w)e0R(0)-R(w)nnT越大，R(T)越大，表示該噪聲不同時(shí)刻的相關(guān)性越大；對(duì)白噪聲，T=0ene11011B1BT密度：密度：S(O)=0G(O)nn0k)w爪n2hnNo2OO一Oo0o●窄帶噪聲從波形來看也有一定特點(diǎn)，這是因?yàn)檎瓗г肼暈樵肼暯?jīng)窄帶帶通0調(diào)頻波。往往要經(jīng)過檢波或鑒頻才能提取需要的信息。0八、信號(hào)噪聲比(SNR)及信噪改善比(SNIR)SN2、信噪改善比：信號(hào)通過一個(gè)放大器或測試系統(tǒng)，信噪比得到改善的程度3、白噪聲情況：當(dāng)系統(tǒng)為單位增益時(shí)(S=S)，噪聲電壓正比于噪聲帶寬的平oiiinoSNIR=oPPS/N編fiPiPno (x2=P=j+wS(f)df=jf2N0df)n一wnf2結(jié)論：系統(tǒng)的輸出噪聲帶寬越窄，則信噪比改善越有效。為提高信噪改善比，在保證