微弱信号检测第九章.pdf

第九章 取样积分器 锁定放大器用于对淹没在噪声中的正弦信号幅度及相位测 量。但是,在很多科学研究中,还经常会遇到对淹没在噪声 中的周期短脉冲波形的检测。例如生物医学中遇到的血流、 脑电或心电信号测量，发光物质受激后所发出的荧光波形 测量，核磁共振信号测量等。这些信号的共同特点是信号 微弱，具有周期重复的短脉冲波形（最短可到ps量级）。 对于这类信号测量，可用取样积分器这种仪器来实现。 对淹没于噪声中的周期脉冲信号测量，主要是对波形的恢 复，必须在信号出现的时间内对信号进行等间隔取样，其取 样的时间间隔应符合取样定理的要求。然后，对这些信号进 行多次取样，并加以平均，以期抑制混于信号中的噪声，恢 复脉冲信号各时刻的数值，从而得到完整的波形恢复。根据 这种取样及积累平均（又称积分）原理制成的仪器，称为积 分器。本章将介绍这类一起的原理、性能及使用方法。 9.1 取样积分器的基本原理 图9-1 （a ）为取样积分器电路，其中，输入信号 x(t)=s(t)+n(t) ；s(t)为被测信号， n(t)为观测噪声。r(t)为 与s(t) 同频的参考信号（不一定为正弦波）。 每隔周期T进行一次采样，因此在电容C上的电压就得到取 样信号的积累（积分）n次积累平均，则输出 1 n−1 1 n−1 1 n−1 ( ) ( ) ( ) u x t =+kT s t +kT + n t kT + 0 ∑ 0 ∑ 0 ∑ 0 n k 0 n k 0 n k 0 对白噪声形式的观察噪声，由于不同时刻噪声值不 相关，则有 1 n−1 ( ) n t +kT ≈ 0 ∑ 0 n k 0 故输出 1 n−1 =+ ( ) ( ) s t u kT s t 0 ∑ 0 0 n k 0 与前述噪声中信号参量估计中介绍的最大似然估计式 ˆ 1 n m ∑xi n i 1 完全一致，因此这是一种很好的信号波形恢复方法。基于此 原理制成的取样积分器，方法简单，效果良好。 对噪声中周期脉冲信号的恢复有两个过程； 即信号波形的周期取样及积累平均 （当电容为积累元件 时，为积分过程）。 9.1.1周期信号的取样 根据取样定理，取样间隔应满足 1 Δ≤ 2f c 这里，fc为x(t) 的最高频率。 取样门脉冲宽度Tg不能太宽。可推得 0.42 T ≤ g f c 它说明，Tg越小，则可以恢复的信号频率越高。当要恢复 的信号有很陡的上升沿时，Tg必须很窄。 A/D转换取样时间不能很短，一般为μs级，因此被恢复 信号的频率也不能很高，仅为几十到几百kHz。 9.1.2 取样信号的积累平均 对同一信号多次定点取样，信号s(t +kt),噪声 0 n(t0+