極低信噪比信號(hào)的處理，從鎖相放大器談起

　　通常來(lái)說(shuō)信噪比越大，夾雜在有效信號(hào)中的噪聲便越小，可以提取到的有效信號(hào)質(zhì)量就會(huì)越好;一般的信號(hào)系統(tǒng)信噪比達(dá)到 100dB 以上 ,音響系統(tǒng)就可以達(dá)到 120-130dB 左右; 而當(dāng)信噪比在達(dá)到 -50 或者 更低至-60dB一下的情況下，提取的信號(hào)相對(duì)于噪聲信號(hào)是非常小的，有沒(méi)有可能檢測(cè)這種微弱信號(hào)呢?

　　信號(hào)調(diào)理電路中，信噪比(SNR)是一個(gè)非常重要的概念，它是指一個(gè)電子信號(hào)系統(tǒng)中信號(hào)和噪聲之間的比例(信噪比 = 10lg (Ps/Pn)，Ps為信號(hào)的有效功率，Pn為 噪聲的有效功率)。這里面的信號(hào)指的是來(lái)自設(shè)備外部需要通過(guò)這臺(tái)設(shè)備進(jìn)行處理的電子信號(hào)，噪聲是指經(jīng)過(guò)該設(shè)備后產(chǎn)生的原信號(hào)中并不存在的無(wú)規(guī)則的額外信號(hào)(或信息)，并且該種信號(hào)并不隨原信號(hào)的變化而變化。

　　通常來(lái)說(shuō)信噪比越大，夾雜在有效信號(hào)中的噪聲便越小，可以提取到的有效信號(hào)質(zhì)量就會(huì)越好;一般的信號(hào)系統(tǒng)信噪比達(dá)到 100dB 以上 ,音響系統(tǒng)就可以達(dá)到 120-130dB 左右; 而當(dāng)信噪比在達(dá)到 -50 或者 更低至-60dB一下的情況下，提取的信號(hào)相對(duì)于噪聲信號(hào)是非常小的，有沒(méi)有可能檢測(cè)這種微弱信號(hào)呢?

　　一、極低信噪比信號(hào)的處理，從鎖相放大器談起

　　這種應(yīng)用可以求助于鎖相放大器，鎖相放大器(也有稱為相位檢測(cè)器)是一種可以從干擾極大的環(huán)境(信噪比可低至-60dB，甚至更低)中分離出特定載波頻率信號(hào)的放大器。

　　鎖相放大器是根據(jù)正弦函數(shù)的正交性原理工作。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，鎖相放大器就是利用了積化和差的三角函數(shù)變換，如果一個(gè)頻率為α的正弦函數(shù)和一個(gè)頻率為β的正弦函數(shù)相乘的話，假設(shè)此時(shí)他們的相位也是相同的，那我們就會(huì)得到平均值是幅值乘積的一半。

　　鎖相測(cè)量方法可提取以參考頻率為中心的指定頻帶內(nèi)的信號(hào)，有效濾除所有其他頻率分量。如今，市面上最好的鎖相放大器具有高達(dá)120 dB 的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備，意味著這些放大器可以在噪聲幅值超過(guò)期望信號(hào)幅值百萬(wàn)倍的情況下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。

　　幾十年來(lái)，隨著科技的不斷發(fā)展，研究人員已經(jīng)針對(duì)鎖相放大器研發(fā)出諸多不同的應(yīng)用方法。如今的鎖相放大器主要用作精密交流電壓儀和交流相位計(jì)、噪聲測(cè)量單元、阻抗譜儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀以及鎖相環(huán)中的鑒相器。

SR810/SR830鎖相放大器

　　二、如何從極低信噪比中分離出特定載波頻率信號(hào)?

　　基于鎖相放大器可提取淹沒(méi)在噪底內(nèi)的小信號(hào)，用于進(jìn)行各種物理量測(cè)量，例如極小的電阻、明亮背景下的光吸收或反射量，或者存在于高噪聲電平下的應(yīng)變。在很多系統(tǒng)中，隨著頻率趨近于零，噪聲會(huì)不斷增加。例如，運(yùn)算放大器具有1/f 噪聲，而光學(xué)測(cè)量易受因環(huán)境光條件變化而產(chǎn)生的噪聲影響。在遠(yuǎn)離低頻噪聲處進(jìn)行的測(cè)量可提高信噪比，從而可檢測(cè)到較弱信號(hào)。例如，將光源調(diào)制到幾千赫茲有助于測(cè)量原本會(huì)淹沒(méi)在噪底內(nèi)的反射光。通過(guò)調(diào)制可以使信號(hào)遠(yuǎn)離噪聲源，而調(diào)制激勵(lì)信號(hào)的方法有多種，本文不做贅述。

　　窄帶帶通濾波器可濾除目標(biāo)頻率以外的所有其他頻率，使原始信號(hào)得以恢復(fù)，但使用分立元器件設(shè)計(jì)所需的濾波器可能很難。另一種方法是考慮使用同步解調(diào)器，該器件可將調(diào)制信號(hào)恢復(fù)至直流，同時(shí)抑制與參考信號(hào)不同步的各信號(hào)。運(yùn)用這種技術(shù)的設(shè)備稱為鎖定放大器。下圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的鎖定放大器應(yīng)用。用一個(gè)調(diào)制為1 kHz 的光源照射測(cè)試表面。再由光電二極管測(cè)量測(cè)試表面反射的光線，其強(qiáng)度與表面的污染程度成比例。參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)都是正弦波，并且頻率和相位相同，但幅度不同。驅(qū)動(dòng)光電二極管的參考信號(hào)具有固定幅度，而測(cè)量信號(hào)的幅度會(huì)隨反射光量而變化。

　　兩個(gè)正弦波相乘所得的結(jié)果是一個(gè)具有和頻與差頻形式頻率分量的信號(hào)。這里，兩個(gè)正弦波具有相同的頻率，因此結(jié)果是一個(gè)直流信號(hào)和一個(gè)兩倍于原始頻率的信號(hào)。負(fù)號(hào)表示它具有180°的相移。低通濾波器會(huì)濾除信號(hào)中直流分量以外的所有分量。

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