微弱信号检测概论.docx
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微弱信号检测概论闫振华【摘要】本文主要介绍微弱信号检测的基本理论,并给出一种实现微弱信号检测的装置。分别简介了检测理论中用到的关键技术,如为纳滤波,匹配滤波器,微弱信号放大,信号检测等。【关键词】微弱信号滤波信号判决Weak signal detection IntroductionYAN Zhen-hua[Abstract]This paper describes thebasic theory ofweak signal detection, and gives an implementationof weak signal detectiondevices.Introductionofkey technologieswereused indetection theory, such as thesodiumfilter,matched filter, weak signal amplification, signaldetection.[keywords]Weak signal Filtering Signaljudgment1.引言微弱信号检测是发展高新技术、探索及发现新的自然规律的重要手段,对推动很多领域?的发展具有重要的应用价值。将淹没在强背景噪声中的微弱信号,运用电子学和近代信号处理手段抑制噪声,进而从噪声中提取和恢复有用的微弱信号。相关检测技术是一种对信号的时域信息分析和识别的检测方法,主要是对信号和噪声进行相关性分析。相关检测是频域的窄带化处理方法,是一种积分过程的相关测量。它利用信号和外加参考信号的相关特性,而这种特性是随机噪声所不具备。微弱信号中的相关检测是利用信号在时间轴上前后的相关性来度量的。实际中相关函数的运算通常利用模拟器件锁相放大器在一定时间内对信号积分而得到的相关函数。对于微弱信号检测来说,如能有效克服噪声,就可以提高信号检测的灵敏度。电路中噪声是一种连续型随机变量,即它在某一时刻可能出现各种可能数值。电路处于稳定状态时,噪声的方差和数学期望一般不再随时间变化,这时噪声电压称为广义平稳随机过程。若噪声的概率分布密度不随时间变化,则称为狭义平稳随机过程(或严格平稳随机过程)。2.微弱信号检测的实现方案在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值,采用MSP430G2553作为系统的数据采集芯片,实现微弱信号的检测并显示正弦信号的幅度值的功能。电路分为加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路、以及数码管显示电路组成。当所要检测到的微弱信号在强噪音环境下,系统同时接收到函数信号发生器产生的正弦信号模拟微弱信号和PC机音频播放器模拟的强噪声,送到音频放大器INA2134,让两个信号相加。再通过由电位器与固定电阻构成的纯电阻分压网络使其衰减系数可调(100倍以上),将衰减后的微弱信号通过微弱信号检测电路,检测电路能实现高输入阻抗、放大、带通滤波以及小信号峰值检测,检测到的电压峰值模拟信号送到MSP430G2553内部的10位AD转换处理后在数码管上显示出来。图1微弱信号检测与显示总流程图图2微弱信号检测电路子流程图3.锁定放大器正弦信号是测量中最常遇到的一种信号。对于这种信号,要测量的是它们的幅度和相位。在微弱信号检测领域中,由于信号幅度很小(通常为10-12V到10-9V量级),而伴随的噪声却很大,从而给信号的精确测量带来很大的困难。要实现对噪声中的微弱正弦信号测量,必须采用噪声信号参量估计中的最大似然估计,振幅和相位估计可以用互相关器来实现,这种互相关器又称为相关解调器或相敏检波器(PSD)。完成正弦信号幅度及相位检测的相关检测装置被称为锁定放大器(LIA)。下面介绍相关解调器的基本原理设接受信号为 (1)式中为被测量的正弦信号幅度;n(t)为观察噪声。可以用最大似然估计来对噪声中的正弦信号幅度进行估计,即 (2) 信号振幅的最大似然估计为 (3)式中为;,其中用代入即可算出。上式表明,幅度估计可以通过与同频正弦信号互相关得到。如下面给出的相关解调器的原理图 图3 相关解调器原理图则又由于正弦信号与噪声不相关,故 (4)显然,如果能做到,即参考信号与被测量信号同相位,则将达到最大值,从而可以实现对最准确测量。4.滤波器被噪声污染的信号波形恢复称为滤波。这是信号处理中经常采用的主要方法之一,具有十分重要的应用价值。现在,在各种信号检测仪器中均离不开各种滤波器,它起到了排除干扰,分出信号的功能。常用的滤波器是采用电感、电容等分立元件构成(例如,RC低通滤波器、LC谐振回路等),它对于滤去某些干扰谱线(例如,电源50Mz滤波,收音机、电视机中干扰的滤波),有较好的效果。对于混
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