微弱信号检测

　　微弱信号是淹没在噪声中的信号、微弱信号检测的主要目的是提高信噪比。本书研究噪声的来源和统计特性，分析噪声产生的原因和规律，运用电子学和信号处理方法检测被噪声覆盖的微弱信号，并介绍几种行之有效的微弱信号检测方法和技术。全书共分7章，主要内容有：微弱信号检测与随机噪声，放大器的噪声源和噪声特性、干扰噪声及其抑制、锁定放大、取样积分与数字式平均、相关检测、自适应噪声抵消。本书可作为自动化、电子工程、物理、化学、生物医学工程、测试技术与仪器等专业的研究生和高年级本科生教材，也可供有关专业工程技术人员自学和参考。本书前言信息时代需要获取信息，许多科学研究和工程技术的信息需要用检测的方法来获取。当被测信号非常微弱时，易被噪声淹没，对它们的检测往往变得十分困难。微弱信号检测就是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号的一门新兴技术学科。微弱信号检测技术在许多领域具有广泛的应用，例如物理学、化学、电化学、生物医学、天文学、地学、磁学等。微弱信号检测所针对的检测对象，是用常规和传统方法不能检测到的微弱量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、微流量、微振动、微温差、微压差以及微电导、微电流等。随着科学技术的发展，对微弱信号进行检测的需要日益迫切，可以说，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，对推动相关领域的发展具有重要意义。前言“微弱信号”不只意味着信号的幅度很小，而主要指的是被噪声淹没的信号，“微弱”是相对于噪声而言的。只有在有效地抑制噪声的条件下放大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。因此，微弱信号检测是一门专门针对噪声的技术，其主要任务是提高信噪比。为了从噪声中提取出有用的信号，就需要研究噪声的来源和性质，分析噪声产生的原因和规律，以及噪声的传播途径，有针对性地采取有效措施抑制噪声，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，以寻找出从背景噪声中检测出有用信号的理论和方法。本书分为7章。第1章介绍随机噪声的统计特性，这是后续各章的理论基础。第2章介绍电路内部固有噪声源及其特性，对各种有源器件的噪声性能进行分析，并阐述低噪声放大器设计中需要考虑的几个问题。第3章介绍干扰噪声的来源、特点及各种耦合途径，并详细介绍屏蔽和接地对于各种干扰噪声的抑制作用，以及其他一些常用的抗干扰措施和微弱信号检测电路设计原则。经过多年的研究和实践，科技工作者提出和发展了一些从噪声中提取微弱信号的有效方法和技术，包括锁定放大、取样积分、相关检测、自适应噪声抵消等。本书第4章到第7章分别介绍这些方法的理论基础、设计实现以及一些应用实例。微弱信号检测技术仍在持续发展，新的研究成果不断涌现。例如，基于人工神经网络、小波变换、混沌理论的微弱信号检测理论和方法都已经取得可喜的进展，限于篇幅本书不予介绍。本书可用作自动化、电子工程、物理、生物医学工程、测试技术与仪器等专业的研究生和高年级本科生教材，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。由于作者水平有限，书中难免存在缺点和错误，殷切希望广大读者批评指正。

　　高晋步，副教授，清华大学工学博士。1970年毕业于清人结大学并留校任教，1979-1982年被教育部选派到荷兰Delft大学电机系这习。现任九三学社北京市委高教委员会副主任。多次承担国家自我科学基金项目及七五、八五科技攻关项目的研究工作，在多相流检测与微弱信号检测领域达到先进水平。在国内外学术刊物上发表论文多篇。曾在《智能仪器设计基础》和《微型机应用》等书中编写部分章节，翻译著作2部。

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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
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
1. 4. 2 限带白噪声
1. 4. 3 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
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. 2 PN结的散弹噪声
2. 1. 3 1／f噪声
2. 1. 4 爆裂噪声
2. 2 放大器的噪声系数
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. 3 放大器的噪声性能分析
2. 3. 1 放大器的噪声模型
2. 3. 2 放大器的噪声特性
2. 4 二极管和双极型晶体管的噪声特性
2. 4. 1 半导体二极管的噪声模型
2. 4. 2 双极型晶体管的噪声模型
2. 4. 3 双极型晶体管的等效输入噪声
2. 4. 4 双极型晶体管的噪声因数频率分布
2. 5 场效应管的噪声特性
2. 5. 1 场效应管的内部噪声源
2. 5. 2 场效应管的噪声等效电路与噪声特性
2. 6 运算放大器的噪声特性
2. 6. 1 运算放大器的等效输入噪声模型
2. 6. 2 运算放大器的噪声性能计算
2. 7 低噪声放大器设计
2. 7. 1 有源器件的选择
2. 7. 2 偏置电路与直流工作点选择
2. 7. 3 噪声匹配
2. 7. 4 反馈电路
2. 7. 5 高频低噪声放大器设计考虑
第3章 干扰噪声及其抑制
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 传导耦合与公共阻抗耦合
3. 2. 2 电源耦合
3. 2. 3 电场耦合
3. 2. 4 磁场耦合
3. 2. 5 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
3. 4 屏蔽电缆的接地
3. 4. 1 电缆屏蔽层和芯线之间的耦合
3. 4. 2 电缆屏蔽层接地抑制电场耦合噪声
3. 4. 3 电缆屏蔽层接地抑制磁场耦合噪声
3. 4. 4 屏蔽层接地点的选择
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. 6 其他噪声抑制技术
3. 6. 1 隔离
3. 6. 2 纵向扼流变压器
3. 6. 3 信号线和电源线滤波
第4章 锁定放大
4. 1 概述
4. 1. 1 锁定放大器中的频谱迁移
4. 1. 2 锁定放大器的工作原理
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
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 旋转电容滤波器的性能
4. 4. 3 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 动态范围与频率的关系
4. 5. 3 动态协调
4. 6 锁定放大器应用
4. 6. 1 阻抗微小变化的测量
4. 6. 2 放大器噪声系数测量
4. 6. 3 其他应用
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 数字式平均的频域描述
5. 5. 4 数字式平均算法
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 运动速度及流速测量
6. 5. 5 系统辨识
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 自适应噪声抵消原理
7. 1. 3 自适应FIR维纳滤波器
7. 2 最陡下降法
7. 2. 1 最陡下降法的递推公式
7. 2. 2 最陡下降法的性能分析
7. 3 最小均方算法
7. 3. 1 最小均方算法的原理
7. 3. 2 最小均方算法的性能分析
7. 4 其他自适应算法
7. 4. 1 归一化最小均方算法
7. 4. 2 最小均方符号算法
7. 5 自适应滤波器应用
7. 5. 1 消除心电图的工频干扰
7. 5. 2 胎儿心电图检测
7. 5. 3 涡街流量检测中机械振动噪声的抑制
7. 5. 4 窄带信号和宽带信号的分离
7. 5. 5 自适应回声抵消
附录A 常用常数
附录B 线性二端口网络的噪声模型
参考文献