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編輯推薦

本書所講述的微弱信號檢測是利用近代電子學和信號處理方法從噪聲中提取有用信號的一門新興的技術學科。

內容簡介

　　微弱信號檢測是發展高新技術、探索及發現新的自然規律的重要手段，對推動很多領域的發展具有重要的應用價值。對於淹沒在強背景噪聲中的微弱信號，運用電子學和近代信號處理手段抑製噪聲，進而從噪聲中提取和恢復有用的微弱信號，是《微弱信號檢測（第2版）》的主要內容。《微弱信號檢測（第2版）》涉及利用隨機噪聲理論分析和解釋電子係統內部噪聲和外部乾擾噪聲的産生和傳播問題，並詳細介紹各種不同噪聲的抑製方法，以及鎖相放大、取樣積分、相關檢測、自適應降噪等應用技術。《微弱信號檢測（第2版）》可作為自動化、電子工程、物理、化學、生物醫學工程、核技術、測試技術與儀器等專業的研究生和高年級本科生的教材，也可供涉及電子噪聲、低噪聲設計、電磁兼容性、微弱信號檢測的工程技術人員參考。

作者簡介

　　高晉占，清華大學教授，工學博士。1970年畢業於清華大學並留校任教，1979-1982年由教育部選派到荷蘭Delft大學電機係學習。多次承擔國傢自然科學基金項目及科技攻關項目的研究工作，在多相流檢測、微弱信號檢測以及智能儀錶領域達到先進水平。在國內外學術刊物上發錶文章多篇。曾在“智能儀器設計基礎》、《數據采集和監控中的微機應用》和《微型計算機應用技術》等書中編寫部分章節，主編《注冊工程師執業資格考試復習教程一公共基礎部分》。

目錄

第1章 微弱信號檢測與隨機噪聲
1.1 微弱信號檢測概述
1.2 常規小信號檢測方法
1.2.1 濾波
1.2.2 調製放大與解調
1.2.3 零位法
1.2.4 反饋補償法
1.3 隨機噪聲及其統計特徵
1.3.1 隨機噪聲的概率密度函數
1.3.2 隨機噪聲的均值、方差和均方值
1.3.3 隨機噪聲的相關函數與協方差函數
1.3.4 隨機噪聲的功率譜密度函數
1.4 常見隨機噪聲
1.4.1 白噪聲與有色噪聲
1.4.2 窄帶噪聲
1.5 隨機噪聲通過電路係統的響應
1.5.1 隨機噪聲通過綫性係統的響應
1.5.2 非平穩隨機噪聲通過綫性係統的響應
1.5.3 隨機噪聲通過非綫性係統的響應
1.6 等效噪聲帶寬
1.6.1 等效噪聲帶寬的定義
1.6.2 等效噪聲帶寬的計算方法
第2章 放大器的噪聲源和噪聲特性
2.1 電子係統內部的固有噪聲源
2.1.1 電阻的熱噪聲
2.1.2 PN結的散彈噪聲
2.1.3 1／f噪聲
2.1.4 爆裂噪聲
2.2 放大器的噪聲指標與噪聲特性
2.2.1 噪聲係數和噪聲因數
2.2.2 級聯放大器的噪聲係數
2.2.3 放大器的噪聲模型
2.2.4 放大器的噪聲特性
2.3 二極管和雙極型晶體管的噪聲特性
2.3.1 半導體二極管的噪聲模型
2.3.2 雙極型晶體管的噪聲模型
2.3.3 雙極型晶體管的等效輸入噪聲
2.3.4 雙極型晶體管的噪聲因數頻率分布
2.4 場效應管的噪聲特性
2.4.1 場效應管的內部噪聲源
2.4.2 場效應管的噪聲等效電路與噪聲特性
2.5 運算放大器的噪聲特性
2.5.1 運算放大器的等效輸入噪聲模型
2.5.2 運算放大器的噪聲性能計算
2.6 低噪聲放大器設計
2.6.1 有源器件的選擇
2.6.2 偏置電路與直流工作點選擇
2.6.3 噪聲匹配
2.6.4 反饋電路對噪聲特性的影響
2.6.5 高頻低噪聲放大器設計考慮
2.7 噪聲特性測量
2.7.1 噪聲功率和有效值測量
2.7.2 噪聲功率譜密度測量
2.7.3 噪聲係數測量
2.7.4 其他噪聲特性的測量和計算
第3章 乾擾噪聲及其抑製
3.1 環境乾擾噪聲
3.1.1 乾擾噪聲源
3.1.2 乾擾噪聲的頻譜分布
3.2 乾擾耦閤途徑
3.2.1 傳導耦閤
3.2.2 電場耦閤
……
第4章 鎖定放大
第5章 取樣積分與數字式平均
第6章 相關檢測
第7章 自適應噪聲抵消
附錄A 常用常數
附錄B 綫性二端口網絡的噪聲模型
附錄C 磁場薄屏蔽層中的多次反射
參考文獻

精彩書摘

　　第2章 放大器的噪聲源和噪聲特性
　　對於電子噪聲，通常有兩種定義：一種是由於電荷載體的隨機運動所導緻的電壓或電流的隨機波動，另一種是汙染或乾擾有用信號的不期望的信號。第二種噪聲定義的範圍更廣，它既包括電路內部産生的噪聲，也包括來自電路外部的乾擾。這種疊加在有用信號上的外部乾擾噪聲可能是隨機的，也可能是確定性的。本書將采用廣義的噪聲概念。
　　由組成檢測電路的元件産生的內部噪聲稱之為固有噪聲，它是由電荷載體的隨機運動所引起的。例如，散彈噪聲就是流過勢壘（如半導體PN結）的電流的隨機成分，它是由載流子隨機越過勢壘所引起的。熱力引起的載流子的隨機運動是熱噪聲的根源，其幅度取決於溫度，也與導體的電阻值有關，即使沒有電流流過導體，熱噪聲依然存在。
　　本章分析和論述電路內部的固有噪聲，第3章分析和論述外部乾擾噪聲。
　　2．1 電子係統內部的固有噪聲源
　　為瞭把微弱信號幅度放大到人們可以感知的幅度，必須使用放大器和其他電路對其進行處理。但是，電子係統內部幾乎所有的器件本身往往就是噪聲源，在放大微弱信號的同時，這些噪聲源産生的噪聲同樣會被放大。即使電子係統外部的所有乾擾噪聲都被有效地抑製掉，放大器也會輸齣一定幅度的噪聲。在各種測試係統中，固有噪聲的大小決定瞭係統的分辨率和可檢測的最小信號幅度。電子係統內部的固有噪聲具有隨機的性質，其瞬時幅度不可預測，隻能用概率和統計的方法來錶述其大小和特徵，例如用均方值、概率密度函數、功率譜密度函數等進行描述。
　　長期以來，人們對電子係統內部的固有噪聲進行瞭大量的理論分析和實驗研究，詳細介紹這些成果超齣瞭本書的範圍，這裏隻是適當地介紹固有噪聲源的特性，以便用於推演電路元件的噪聲模型，以及說明電路和係統中固有噪聲的分析方法。
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前言/序言

第1章

微弱信號檢測與隨機噪聲

1.1微弱信號檢測概述

第1章微弱信號檢測與隨機噪聲

1.1微弱信號檢測概述

“微弱信號”不僅意味著信號的幅度很小，而且主要指的是被噪聲淹沒的信號，“微弱”是相對於噪聲而言的。為瞭檢測被背景噪聲覆蓋著的微弱信號，人們進行瞭長期的研究工作，分析噪聲産生的原因和規律，研究被測信號的特點、相關性以及噪聲的統計特性，以尋找齣從背景噪聲中檢測齣有用信號的方法。

微弱信號檢測技術的首要任務是提高信噪比，這就需要采用電子學、信息論、計算機和物理學的方法，以便從強噪聲中檢測齣有用的微弱信號，從而滿足現代科學研究和技術開發的需要。微弱信號檢測技術不同於一般的檢測技術，它注重的不是傳感器的物理模型和傳感原理，也不是相應的信號轉換電路和儀錶實現方法，而是如何抑製噪聲和提高信噪比，因此可以說，微弱信號檢測是一門專門抑製噪聲的技術。

對於各種微弱的被測量，例如弱光、弱磁、弱聲、小位移、小電容、微流量、微壓力、微振動、微溫差等，一般都是通過相應的傳感器將其轉換為微電流或低電壓，再經放大器放大其幅度,以期指示被測量的大小。但是，由於被測量的信號微弱，傳感器的本底噪聲、放大電路及測量儀器的固有噪聲以及外界的乾擾噪聲往往要比有用信號的幅度大得多，放大被測信號的過程同時也放大瞭噪聲，而且必然還會附加一些額外的噪聲，例如放大器的內部固有噪聲和各種外部乾擾噪聲，因此隻靠放大是不能把微弱信號檢測齣來的。隻有在有效地抑製噪聲的條件下增大微弱信號的幅度，纔能提取齣有用信號。為瞭達到這樣的目的，必須研究微弱信號檢測的理論、方法和設備。

為瞭錶徵噪聲對信號的覆蓋程度，人們引入瞭信噪比（signal�瞡oise ratio，簡記為SNR）的概念，信噪比指的是信號S與噪聲N之比，即

SNR=S/N（1��1）

信噪比可以是電壓或電流的有效值比值，一般錶示為SNRV或SNRI； 也可以是功率比值，一般錶示為SNRP。微弱信號檢測的關鍵是提高信噪比。評價一種微弱信號檢測方法的優劣，經常采用兩種指標： 一種是信噪改善比SNIR（signal noise improvement ratio），另一種是有效的檢測分辨率。SNIR定義為

SNIR=SNRoSNRi（1��2）

式中，SNRo是係統輸齣端的信噪比，SNRi是係統輸入端的信噪比。SNIR越大，錶明係統抑製噪聲的能力越強。因為SNRV和SNRp之間為平方關係，相應的SNIR之間也是平方關係。所以，在述及信噪比或信噪改善比時，必須說明是哪一種。

微弱信號檢測的另一種指標是檢測分辨率，它的定義是檢測儀器示值可以響應與分辨的輸入量的最小變化值。檢測分辨率不同於檢測靈敏度，後者定義為輸齣變化量Δy與引起Δy 的輸入變化量Δx之比，即靈敏度等於Δy/Δx。也就是說，靈敏度錶示的是檢測係統標定麯綫的斜率。一般情況下，靈敏度越高，分辨率越好。但是，提高係統的放大倍數可以提高靈敏度，但卻不一定能提高分辨率，因為分辨率要受噪聲和檢測誤差的製約。

錶1��1對比瞭常規檢測方法與微弱信號檢測方法所能達到的最高分辨率和SNIR（有效值），錶中最後一行是專門從事微弱信號檢測儀器生産的吉時利（Keithley）公司的産品近年能夠達到的指標。從這些指標中可以看齣微弱信號檢測技術發展的大緻水平。

錶1��1檢測的最高分辨率

檢測量

電壓/nV電流/nA溫度/K電容/pF微量分析/剋分子SNIRV

常規檢測方法1030.110-40.110-510

微弱信號檢測方法0.110-55×10-710-510-8105

吉時利公司10-310-810-6

抑製噪聲以提高信噪比的研究工作由來已久，可以說從電子器件和電子學誕生的年代開始，人們一直在探索抑製噪聲的技術。自從1962年第一颱鎖相放大器問世的四十多年來，經過很多科學工作者的不懈努力，微弱信號檢測技術得到瞭長足的發展，信噪改善比SNIR得到不斷提高。到20世紀80年代末，微弱信號檢測的SNIRV可達105，近年在一些專門檢測領域（例如微弱電流）SNIRV已能達到107，從而推動瞭物理、化學、電化學、天文、生物、醫學等學科的發展。目前，微弱信號檢測的原理、方法和設備已經成為很多領域中進行現代科學研究不可缺少的理論和手段，而未來科技的發展也必將對微弱信號檢測技術提齣更高的要求。

1.2常規小信號檢測方法

1.2常規小信號檢測方法

與微弱信號相比，小信號的信噪比要高得多，其檢測技術也要成熟得多。但是，就提高信噪比，從而檢測齣被噪聲汙染的有用信號這一點來看，小信號檢測與微弱信號檢測具有一定的共同之處。經過多年的研究和實踐，人們已經掌握瞭一些行之有效的小信號檢測方法，其中的一些方法還被成功地應用到檢測儀器儀錶産品之中。瞭解這些小信號檢測的成熟手段和方法，對於微弱信號檢測具有一定的參考價值。

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