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。对于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**噪声,进而从噪声中提取和恢复有用的微弱信号,是本书讨论的主要内容。本书涉及利用随机噪声理论分析和解释电子系统内部噪声和外部干扰噪声的产生和传播问题,并详细介绍各种不同噪声的**方法,以及锁相放大、取样积分、相关检测、自适应降噪、混沌检测等应用技术。 本书可作为自动化、电子工程、物理、化学、生物医学工程、核技术、测试技术与仪器等专业的研究生和高年级本科生的教材,也可供涉及电子噪声、低噪声设计、电磁兼容性、微弱信号检测的工程技术人员参考。

第5章 取样积分与数字式平均 对于淹没在噪声中的正弦信号的幅度和相位,可以利用第4章中介绍的锁定放大器进行检测
。但是如果需要恢复淹没在噪声中的脉冲波形,则锁定放大器是无能为力的。脉冲波形的快速上升沿和快速下降沿包含丰富的高次谐波分量,锁定放大器输出级的低通滤波
器会滤除这些高频分量,导致脉冲波形的畸变。对于这类信号的测量,必须使用其他的有效
方法,取样积分与数字式平均就是这样的方法。
早在20世纪50年代,国外的科学家就提出了取样积分的概念和原理。1962年,加利福尼亚大
学劳伦茨实验室的Klein用电子技术实现了取样积分,并命名为BOXCAR积分器。为
了恢复淹没于噪声中的快速变化的微弱信号,必须把每个信号周期分成若干个时间间隔,间
隔的大小取决于恢复信号所要求的精度。然后对这些时间间隔的信号进行取样,并将各周期
中处于相同位置(对于信号周期起点具有相同的延时)的取样进行积分或平均。积分过程常
用模拟电路实现,称之为取样积分; 平均过程常通过计算机以数字处理的方式实现,称之为
数字式平均。
多年来,取样积分在物理、化学、生物医学、核磁共振等领域得到了���泛的应用,对于恢
复淹没在噪声中的周期或似周期脉冲波形卓有成效,例如,生物医学中的血流、脑电或心电
信号的波形测量,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,并研制出
多种测量仪器。对于非周期的慢变信号,常用调制或斩波的方式人为赋予其一定的周期性,
之后再进行取样积分或数字式平均处理。随着集成电路技术和微型计算机技术的发展,以微
型计算机为核心的数字式信号平均器的应用越来越广泛。
5.1取样积分的基本原理 5.1取样积分的基本原理
取样积分包括取样和积分两个连续的过程,其基本原理示于图51。周期为T的被测信号s(t
)叠加了干扰噪声n(t),可测信号x(t)=s(t) n(t)经过放大输入到取样开关K。r(t)是与被测
信号同频的参考信号,也可以是被测信号本身。触发电路根据参考信号波形的情况(例如幅
度或上升速率)形成触发信号,触发信号经过延时后,生成一定宽度Tg的
取样脉冲,控制取样开关K的开闭,完成对输入信号x(t)的取样。
图51取样积分基本原理
取样积分的工作方式可分为单点式和多点式两大类。单点式取样在每个信号周期内只取样和
积分一次,而多点式取样在每个信号周期内对信号取样多次,并利用多个积分器对各点取样
分别进行积分。单点式电路相对简单一些,但是对被测信号的利用率低,需要经过很多信号
周期才能得到测量结果; 与此相反,多点式电路相对复杂一些,对被测信号的利用率高,经
过不太多的信号周期就可以得到测量结果。
单点式取样又可以分为定点式和扫描式两种工作方式。定点式工作方式是反复取样被测信号
波形上某个特定时刻点的幅度,例如被测波形的*大点或距离过零点某个固定延时点的幅度
。扫描工作方式虽然也是每个周期取样一次,但是取样点
沿着被测波形周期从前向后逐次移动,这可以用于恢复和记录被测信号的波形。
门积分器是取样积分器的核心,它的特性对于系统的整体特性具有决定性作用。门积分器
不同于一般的积分器,由于取样门的作用,在开关K的控制下,积分仅在取样时间内进行,
其余时间积分结果处于保持状态。根据实现电路的不同,图51中的积分器可以分为线性门
积分器和指数式门积分器。

目录 第1章微弱信号检测与随机噪声 1.1微弱信号检测概述 1.2常规小信号检测方法 1.2.1滤波 1.2.2调制放大与解调 1.2.3零位法 1.2.4反馈补偿法 1.3随机噪声及其统计特征 1.3.1随机噪声的概率密度函数 1.3.2随机噪声的均值、方差和均方值 1.3.3随机噪声的相关函数与协方差函数 1.3.4随机噪声的功率谱密度函数 1.4常见随机噪声 1.4.1白噪声与有色噪声 1.4.2窄带噪声 1.5随机噪声通过电路系统的响应 1.5.1随机噪声通过线性系统的响应 1.5.2非平稳随机噪声通过线性系统的响应 1.5.3随机噪声通过非线性系统的响应 1.6等效噪声带宽 1.6.1等效噪声带宽的定义 1.6.2等效噪声带宽的计算方法 习题 第2章放大器的噪声源和噪声特性 2.1电子系统内部的固有噪声源 2.1.1电阻的热噪声 2.1.2PN结的散弹噪声 2.1.31/f噪声 2.1.4爆裂噪声 2.2放大器的噪声指标与噪声特性 2.2.1噪声系数和噪声因数 2.2.2级联放大器的噪声系数 2.2.3放大器的噪声模型 2.2.4放大器的噪声特性 2.3二极管和双极型晶体管的噪声特性 2.3.1半导体二极管的噪声模型 2.3.2双极型晶体管的噪声模型 2.3.3双极型晶体管的等效输入噪声 2.3.4双极型晶体管的噪声因数频率分布 2.4场效应管的噪声特性 2.4.1场效应管的内部噪声源 2.4.2场效应管的噪声等效电路与噪声特性 2.5运算放大器的噪声特性 2.5.1运算放大器的等效输入噪声模型 2.5.2运算放大器噪声性能计算 2.6低噪声放大器设计 目录 目录 2.6.1有源器件的选择 2.6.2偏置电路与直流工作点选择 2.6.3噪声匹配 2.6.4反馈电路对噪声特性的影响 2.6.5高频低噪声放大器设计考虑 2.7噪声特性测量 2.7.1噪声功率和有效值测量 2.7.2噪声功率谱密度测量 2.7.3噪声系数测量 2.7.4二端口等效输入噪声测量 2.7.5其他噪声特性的测量 2.7.6噪声发生器 习题 第3章干扰噪声及其** 3.1环境干扰噪声 3.1.1干扰噪声源 3.1.2干扰噪声的频谱分布 3.2干扰耦合途径 3.2.1传导耦合 3.2.2电场耦合 3.2.3磁场耦合 3.2.4电磁辐射耦合 3.3屏蔽 3.3.1场传播与波阻抗 3.3.2屏蔽层的吸收损耗 3.3.3屏蔽层的反射损耗 3.3.4屏蔽效果分析 3.4电缆屏蔽层接地 3.4.1电缆屏蔽层和芯线之间的耦合 3.4.2电缆屏蔽层接地**电场耦合噪声 3.4.3电缆屏蔽层接地**磁场耦合噪声 3.5电路接地 3.5.1电路的接地方式 3.5.2放大器输入信号回路接地 3.5.3防护屏蔽 3.6其他噪声**技术 3.6.1隔离 3.6.2共模扼流圈 3.6.3信号线和电源线的抗干扰措施 习题 第4章锁定放大 4.1概述 4.2相敏检测 4.2.1模拟乘法器型相敏检测器 4.2.2电子开关型相敏检测器 4.3锁定放大器的组成与部件 4.3.1锁定放大器的基本组成与部件 4.3.2正交矢量型锁定放大器 4.3.3外差式锁定放大器 4.3.4微机化数字式相敏检测器 4.4旋转电容滤波及其在锁定放大器中的应用 4.4.1旋转电容滤波器的工作原理 4.4.2基于旋转电容滤波器的同步外差锁定放大器 4.5锁定放大器的性能指标与动态协调 4.5.1锁定放大器的主要性能指标 4.5.2动态范围与动态协调 4.6锁定放大器应用 4.6.1阻抗测量 4.6.2放大器噪声系数测量 4.6.3其他应用 习题 第5章取样积分与数字式平均 5.1取样积分的基本原理 5.1.1线性门积分 5.1.2指数式门积分 5.2指数式门积分器分析 5.2.1取样过程频域分析 5.2.2指数式门积分器电路频域分析 5.2.3指数式门积分器的输出特性 5.2.4指数式门积分的信噪改善比 5.3取样积分器的工作方式 5.3.1定点工作方式 5.3.2扫描工作方式 5.4取样积分器的参数选择及应用 5.4.1取样积分器的参数选择 5.4.2基线取样与双通道取样积分器 5.4.3多点取样积分器系统 5.4.4取样积分器应用实例 5.5数字式平均 5.5.1数字式平均的原理及实现 5.5.2数字式平均的信噪改善比 5.5.3数字式平均的频域分析 5.5.4数字式平均算法 习题 第6章相关检测 6.1概述 6.2相关函数的实际运算及误差分析 6.2.1相关函数的实际运算 6.2.2运算误差分析 6.3相关函数算法及实现 6.3.1递推算法 6.3.2继电式相关算法 6.3.3极性相关算法 6.3.4其他相关算法 6.4相关函数峰点位置跟踪 6.5相关检测应用 6.5.1噪声中信号的恢复 6.5.2延时测量 6.5.3泄漏检测 6.5.4运动速度测量 6.5.5流速测量 6.5.6系统辨识 习题 第7章自适应噪声抵消 7.1自适应噪声抵消原理 7.1.1简述 7.1.2基于*小MSE准则的自适应噪声抵消原理 7.1.3自适应FIR维纳滤波器 7.2*陡下降法 7.2.1*陡下降法的递推公式 7.2.2*陡下降法的性能分析 7.3*小均方算法 7.3.1LMS算法的原理 7.3.2LMS算法的性能分析 7.4其他自适应算法 7.4.1归一化LMS算法 7.4.2LMS符号算法 7.5卡尔曼滤波 7.5.1标量信号的卡尔曼滤波 7.5.2向量信号的卡尔曼滤波 7.6自适应滤波器应用 7.6.1消除心电图的工频干扰 7.6.2胎儿心电图检测 7.6.3涡街流量检测中机械振动噪声的** 7.6.4窄带信号和宽带信号的分离 7.6.5自适应回声抵消 习题 第8章混沌检测介绍 8.1混沌概述 8.2典型混沌动力学模型 8.3混沌判别方法 8.3.1Lyapunov指数 8.3.2Melnikov方法 8.3.3其他混沌判别方法 8.4利用Duffing混沌系统检测微弱信号 8.4.1信号幅度检测 8.4.2信号频率检测 8.4.3混沌与线性电路混合检测系统 附录A常用常数 附录B线性二端口网络的噪声模型 附录C磁场在薄屏蔽层中的多次反射 附录D部分习题答案 参考文献