極低信噪比信號的處理，從鎖相放大器談起

　　通常來說信噪比越大，夾雜在有效信號中的噪聲便越小，可以提取到的有效信號質(zhì)量就會越好;一般的信號系統(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，提取的信號相對于噪聲信號是非常小的，有沒有可能檢測這種微弱信號呢?

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

　　通常來說信噪比越大，夾雜在有效信號中的噪聲便越小，可以提取到的有效信號質(zhì)量就會越好;一般的信號系統(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，提取的信號相對于噪聲信號是非常小的，有沒有可能檢測這種微弱信號呢?

　　一、極低信噪比信號的處理，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。簡單來說，鎖相放大器就是利用了積化和差的三角函數(shù)變換，如果一個頻率為α的正弦函數(shù)和一個頻率為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，那我們就會得到平均值是幅值乘積的一半。

　　鎖相測量方法可提取以參考頻率為中心的指定頻帶內(nèi)的信號，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 的動態(tài)儲備，意味著這些放大器可以在噪聲幅值超過期望信號幅值百萬倍的情況下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量。

　　幾十年來，隨著科技的不斷發(fā)展，研究人員已經(jīng)針對鎖相放大器研發(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?

　　基于鎖相放大器可提取淹沒在噪底內(nèi)的小信號，用于進(jìn)行各種物理量測量，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，噪聲會不斷增加。例如，運(yùn)算放大器具有1/f 噪聲，而光學(xué)測量易受因環(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)行的測量可提高信噪比，從而可檢測到較弱信號。例如，將光源調(diào)制到幾千赫茲有助于測量原本會淹沒在噪底內(nèi)的反射光。通過調(diào)制可以使信號遠(yuǎn)離噪聲源，而調(diào)制激勵信號的方法有多種，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)制信號恢復(fù)至直流，同時(shí)抑制與參考信號不同步的各信號。運(yùn)用這種技術(shù)的設(shè)備稱為鎖定放大器。下圖顯示了一個簡單的鎖定放大器應(yīng)用。用一個調(diào)制為1 kHz 的光源照射測試表面。再由光電二極管測量測試表面反射的光線，其強(qiáng)度與表面的污染程度成比例。參考信號和測量信號都是正弦波，并且頻率和相位相同，但幅度不同。驅(qū)動光電二極管的參考信號具有固定幅度，而測量信號的幅度會隨反射光量而變化。

　　兩個正弦波相乘所得的結(jié)果是一個具有和頻與差頻形式頻率分量的信號。這里，兩個正弦波具有相同的頻率，因此結(jié)果是一個直流信號和一個兩倍于原始頻率的信號。負(fù)號表示它具有180°的相移。低通濾波器會濾除信號中直流分量以外的所有分量。

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