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弱信号检测技术(2006-10-21 19:40:43) 转载标签： 杂谈分类： MSN搬家 弱信号检测技术简介 作者：Wildog 2004年12月 科学技术发展到今天，人类对客观世界的认识越来越细微、越来越深入。极端条件下的物理实验已经成为人类认识自然的重要手段，而这些经常离不开及其微弱信号的检测。同时生产、生活的发展也经常要求用到弱信号检测技术。这里的弱信号通常指的是一些非常微弱的物理量，如弱光、弱声、弱磁、微小位移，温度等等，这些微弱物理量一般都要通过各种传感器转换成电信号来进行检测。但这种弱电信号常常淹没在很强（往往上千倍 数十万倍甚至更强）的背景噪声中，而且弱信号本身也往往存在涨落，这种涨落也构成噪声。因此从如此强的背景噪声中检测出所需要的信号，便成了一门很重要的技术。要做到弱信号检测，便离不开低噪声电子学。低噪声电子学是一门新兴的技术性科学，从1972 年起，人们便开始大力研究低噪声器件、设计低噪声电路，探索弱信号检测的新方法。在现代社会的生活、生产各领域，低噪声电子学的应用都是很广泛的。例如石油勘探、地震波的探测、地下核爆炸的检测、卫星信号的接收、医学仪器等等。下面从几个方面对弱信号检测技术做简单介绍：一、 噪声的来源与性质对一个信号检测系统而言，所谓噪声，从广义上来说，是指除本系统意图传输的信号之外的所有规则和不规则的干扰。它包括系统内部的噪声和外部干扰。其中内部噪声往往带有随机性，不同于外部环境的干扰。1、内部噪声：内部噪声主要来自元器件本身的噪声以及电路各部分相互耦合所形成的干扰。从一般性质来看，内部噪声一般分为热噪声、低频噪声、散弹噪声三类。热噪声是由导体中载流子随机热运动引起的。这种热运动的瞬时波动在导体两端会形成电势差，即噪声电压。对一个电阻元件，有V 2 n R =4 k T R f 其中V n R 为热噪声电压，R 为电阻值，k 为玻尔茨曼常数，T为温度（开尔文）， f为噪声带宽。热噪声往往在整个带宽内有均匀的噪声谱，因此又叫白噪声。低频噪声通常又称为1/f 噪声、过量噪声、闪烁噪声。在晶体管中这种噪声是由于载流子在半导体表面能态上的产生与复合引起的。在电阻内是由于电流流过不连续介质而产生的。在低频时，这种噪声要比热噪声大得多。对低频噪声，一般有 V 2 n R = K0 f/f f 为频率，K0 为与器件有关的常数。但是在低频噪声中还有一种猝发噪声 （ Burst Noise ）。它使低频工作的放大器输出端突然出现大脉冲信号，其宽度和幅度都是随机的，这点需要引起注意。散弹噪声是由器件内电流不均匀引起的。散弹电流的均方根值为In = 2eIDDf 其中ID 为器件内流过的直流电流，f 为带宽。下面对各元器件所引起的噪声作简单介绍1） 晶体管晶体管除了有热噪声、散弹噪声1/f 噪声外，还存在分配噪声。载流子从发射极进入基区后，一部分在基区复合形成基极电流，另一部分被输送到集电极形成集电极电流。由于复合过程是随机的，存在一定涨落，使各电流的分配发生波动，从而引起分配噪声。下图是晶体管的大致噪声谱2） 场效应管场效应管的噪声来源主要有沟道中多数载流子随机热运动所引起的沟道噪声、栅极漏电流流过栅源PN 结产生的散弹噪声、1/f 噪声等。场效应管的噪声谱与晶体管类似。3） 电阻对电阻，除了热噪声外还有大量的过量噪声（即1/f噪声）。高频时热噪声占优势，而低频时1/f 噪声占优势。电阻的过量噪声电压 VnR =k0I DC2 R2 / f 。 由上式可以看出，降低电阻两端电压，即减少电流是减少1/f 噪声的有效办法。噪声也往往与电阻的生产工艺有关，金属膜电阻是一种比较好的低噪声电阻。4） 电容由于实际中的电容不同于理想器件，它存在一定的串联电阻和并联等效损耗电阻。这些都是噪声的贡献源。这种噪声主要在低频端，过量噪声占主要地位。而且要注意的是，在电路中往往用到电解电容这种比较理想的大电容器件。它作为旁路电容能很有效地抑制噪声，但是作为耦合电容则可能会增加噪声。主要是由于电解电容存在极性，如果反偏后则会产生尖峰噪声。5） 二极管二极管有正反两种接法。正偏时主要存在散弹噪声。反偏（如稳压管等）主要存在散弹噪声。在低噪声放大中不适合采用击穿二极管作耦合或偏置元件。6） 电源电源的噪声一方面来自电压纹波（除电池外），另一方面来自串联内阻所引起的电压波动。内部噪声还有电路自身的自激震荡，耦合器件的相互干扰（如变压器漏磁）等等，好的电路设计和元件合理的布局有助于降低这些噪声。2、 外部噪声：外部噪声即外部环境的干扰，来源有很多。对不同的系统不同的环境都不太一样。例如最典型的外部噪声有50 赫兹及其高次谐波引起的工频干扰，外部强电磁干扰（如附近电台的干扰、太阳活动引起的磁暴）等等，对于这些外部干扰应该具体情况具体分析，不能一概而论。而且要指出的是，很多噪声也是检测方法本身所固有而且无法消除的，不好简单地归为外部噪声或是内部噪声。例如地面对卫星弱信号的检测，由于卫星相对地面的运动造成多普勒效应引起信号频率变化等。二、噪声的抑制我们要从强大的噪声中检测出弱信号，最终目的就是要提高信噪比，抑制噪声。这里讲的抑制噪声主要还是指抑制电子系统的噪声。降低噪声主要有以下几种办法：1）合适的原理设计合适的原理、合适的元件值可以使电路效率大大提高，使噪声降到最低。这一点是不言而喻的。2） 根据电路对噪声的要求选用合适器件。而且最好使器件工作在额定状态（如电压、电流、频率等最好在正常合适范围内），这也有利于减少噪声。例如对电阻而言，可以选用阻值稳定、温度系数小的低噪声电阻。前文中提到金属膜电阻是一种比较好的低噪声电阻，使用时应注意不要将电阻引线拉得过紧，焊接时烙铁不能过热，以免引线与电阻体结合部分变松，加大噪声。对晶体管二极管的器件而言，应该要注意工作环境温度的影响。如果有必要可以考虑使用专门的低噪声器件。对耦合变压器而言，应该尽量减少漏磁，做好屏蔽，并且尽量远离前放大级。对电源而言，就要求采用输出稳定、纹波小的供电电源，如果要求较高，可以在前端放大电路采用专门电池供电，甚至可以采用多个电源，减少前后之间由电源而引起的耦合。电池即将耗尽时，会引起很大噪声，应该及时更换。3） 对电路合理布局。以多级防大电路为例，主要有以下几个原则：尽量做好屏蔽，减少外界干扰。甚至有必要和有可能的话，可以使电路在屏蔽室中工作。低噪声放大器应该要有自己的电源，不应该和别的电路合用电源，特别不能和脉冲电路合用电源。各级放大电路不能排成 U 字形或回字形，使输入输出在同一端，这样很容易引起震荡。电源插头不应该在输入信号一侧，否则容易引起工频干扰甚至电源变压器漏磁干扰（如果用到变压器的话）。对微弱信号，输入接口最好采用屏蔽式插头，而且信号线也应该尽量做好屏蔽。输入端和输出端应该用地隔开，避免不必要的耦合。而且有必要的话，输入可以采用浮地，即两个地分开，只有输出地接到仪器外壳和其它电路。以上都是降低噪声的基本方法。实践中还有其他很多办法，在此不一一列举。二、 弱信号的检测每个信号都有周期和非周期之分。周期信号具有重复性，前后信号有相关性，而非周期信号前后不相关，没有重复性。对非周期信号弱信号的检测要比周期弱信号检测难得多。非周期信号的检测非周期信号与噪声并无多大差别，都具有不可重复性，因此只有充分降低检测系统本身的噪声，才能比较有效地检测到非周期弱信号。前面已经讲到降低噪声的一些方法，下面再有针对性地讲述其他几种办法：1）可以降低（或稳定）前置放大电路的工作温度。前置放大主要是对弱信号作用，它极大地影响了整个电路的噪声抑制能力。采用场效应管（本身噪声比较低），并且使前（几）级放大电路工作在低温或（同时）恒温状态下，可以很大程度降低噪声。但要注意温度降低后器件参数变化。2）输入电路确保噪声匹配。即信号源等效阻抗等于放大器有效匹配阻抗。高输入阻抗可以采用场效应管，低输入阻抗的可以用低噪声晶体管。二者不能匹配的，可以采用变压器耦合进行匹配。3）可以多个放大器并联。即使各放大器输入、输出端各自并联。由于各放大器本身的噪声是不相关的，因此并联后，共同噪声有叠加抵消的效果。对N 个放大器并联，并联后的噪声电压 V n“ = V n / N 1 / 2 . 而且这样并联还可以改变输入阻抗，匹配较低的信号源阻抗。4）压缩系统的频带。如果确知信号的大致频带范围，特别是当信号频带较窄时，可以使用窄带滤波器，把信号频率检出，滤掉大部分噪声功率。从而改善信噪比。5）自适应法当输入信号中伴随有干扰时，如果能够找到一条通道，在该通道中噪声或干扰与输入信号中的干扰一样。则可以把两个通道的量相抵消，最后得到比较干净的信号。这种办法非常有效，而且应用也非常广泛。例如对孕妇的胎儿心电信号的检测，胎儿心电信号往往淹没在母亲的心电信号中，用自适应法却能很好地检测出这种弱信号。关于自适应理论，这里不再详述。周期性信号的检测1） 同步积累法由于周期信号具有重复性，而噪声往往具有随机性，积累后噪声的涨落可以部分抵消。每叠加N 次，信噪比可以改善N1/2 倍。恰当选择积累次数，可以使淹没的信号被发掘出来。但是积累法要求有一个与输入信号相干的参考信号，即每次开始积累时相位要保持稳定。因此这个方法又叫相干检测。2） 锁相放大锁相放大（Lock-in）在电信、无线电定位、测量等领域有广泛的应用。常用的锁相放大包括窄带放大、鉴相器、积分器。信号v1 先经窄带放大而被预选，以改善信噪比，再与参考信号vs 一起进入鉴相器（通常用乘法器），当两个输入频率相等时，称为锁定，输出一个与 v1 ，vs 及其相位差有关的直流（或相对低频）信号。这样就得到了所需信号各频率分量的幅值。也就是将信号检测出来。具体原理这里不详细讲述。以上提到了弱信号检测的许多方法，这些方法都不是孤立的，可以根据情况联合使用。例如在检测周期信号时，如果配合使用非周期信号检测的一些降噪方法，可以起到事半功倍的效果。而且，对不同的检测标准，不同情况，应该从可行性、设计成本等方面综合考虑，以达到最优。总结：弱信号的检测是一个非常有趣的课题，它已经不单是一门技术学科