光电信号处理课件.ppt
《光电信号处理课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光电信号处理课件.ppt(50页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、关于光电信号处理关于光电信号处理现在学习的是第1页,共50页1.低噪声电子设计的适用范围低噪声电子设计的适用范围前述降低噪声前述降低噪声方法使用的方法使用的前提是要求在电信号处理的输入前提是要求在电信号处理的输入端有足够大的信噪比端有足够大的信噪比,处理的结果是使信噪比不至于变坏。,处理的结果是使信噪比不至于变坏。如果在信号处理系统的输入端,信噪比已很糟糕,甚至如果在信号处理系统的输入端,信噪比已很糟糕,甚至信号信号深埋于噪声之中深埋于噪声之中,这时要想将信号检测出来,仅用低噪声电子,这时要想将信号检测出来,仅用低噪声电子设计的方法就不行了。必须根据设计的方法就不行了。必须根据信号和噪声的不同
2、特点信号和噪声的不同特点,采用,采用相应的方法相应的方法将信号与噪声分离将信号与噪声分离。现在学习的是第2页,共50页2.微弱信号检测的途径微弱信号检测的途径根据噪声的特性和不同信号的特点,根据噪声的特性和不同信号的特点,微弱信号检测的途径一般有三条微弱信号检测的途径一般有三条:一是一是降低传感器与放大器的固有噪声降低传感器与放大器的固有噪声,尽量提高其信噪比;,尽量提高其信噪比;二是研制适合弱检原理并能满足特殊需要的二是研制适合弱检原理并能满足特殊需要的器件器件;三是研究并采用各种三是研究并采用各种弱信号检测技术弱信号检测技术,通过各种手段提取信号。,通过各种手段提取信号。这这三者缺一不可三
3、者缺一不可。现在学习的是第3页,共50页4.4.1信噪比改善(信噪比改善(SNIR)在在介介绍绍微微弱弱信信号号检检测测的的一一般般方方法法之之前前,先先介介绍绍信信噪噪比比改改善善(SNIR)的定义:的定义:信噪比改善(信噪比改善(SNIR)是)是衡量弱检仪器的一项重要性能指标。衡量弱检仪器的一项重要性能指标。信噪比改善的信噪比改善的定义定义为为 现在学习的是第4页,共50页从数学表达式看,从数学表达式看,SNIR似乎是噪声系数似乎是噪声系数NF的倒数,但的倒数,但实质实质上两者是有差别上两者是有差别的。的。噪声系数是对窄带噪声而言的噪声系数是对窄带噪声而言的,并且得到结论,并且得到结论NF
4、1。这个结论的。这个结论的产生是由于产生是由于假设了输入噪声的带宽小于或等于放大系统的带宽假设了输入噪声的带宽小于或等于放大系统的带宽;实际上输入噪声的带宽要大于放大系统的带宽实际上输入噪声的带宽要大于放大系统的带宽,因而噪声系数,因而噪声系数NF便有可能要小于便有可能要小于1,同时又考虑到实际的情况,因此而给出信噪,同时又考虑到实际的情况,因此而给出信噪比改善的概念。比改善的概念。现在学习的是第5页,共50页信噪比改善(信噪比改善(SNIR)Eni是位于信号源处放大系统的等效输入噪声,是位于信号源处放大系统的等效输入噪声,假定假定Eni是白噪声是白噪声,其功率谱密度为常数:其功率谱密度为常数
5、:fin为输入噪声的带宽。为输入噪声的带宽。白噪声白噪声SNIR表示式:表示式:现在学习的是第6页,共50页那么那么 为放大系统的增益。为放大系统的增益。得:得:是放大系统对信号的功率增益,我们可以取中频区是放大系统对信号的功率增益,我们可以取中频区最大值,即最大值,即所以:所以:现在学习的是第7页,共50页而而 即系统的即系统的等效噪声带宽等效噪声带宽。故可得:故可得:放放大大系系统统的的信信噪噪比比改改善善等等于于输输入入噪噪声声的的带带宽宽Bi与与系系统统的的等等效效噪噪声声带带宽宽Bn之比。之比。因此,因此,减小系统的等效噪声带宽,可以提高信噪比改善。减小系统的等效噪声带宽,可以提高信
6、噪比改善。现在学习的是第8页,共50页例:有一个信号掩埋在噪声中例:有一个信号掩埋在噪声中,若输入信噪比:,若输入信噪比:那那么么只只要要检检测测放放大大系系统统的的等等效效噪噪声声带带宽宽做做得得很很小小,使使BnBi,就就可可能能将此信号检测出来。将此信号检测出来。例如,若例如,若 而而 Bi=100KHz,Bn=1KHz。则则 由此可见,输出端信噪比得到改善,信号远大于噪声,信号被检测由此可见,输出端信噪比得到改善,信号远大于噪声,信号被检测出来出来。现在学习的是第9页,共50页4.4.2最大信噪比原理最大信噪比原理为获得最大的输出信噪比,考虑系统频率函数与输入信号之间为获得最大的输出信
7、噪比,考虑系统频率函数与输入信号之间的关系。的关系。td时刻系统输出的功率信噪比时刻系统输出的功率信噪比现在学习的是第10页,共50页最大信噪比为:最大信噪比为:当输入为均匀频谱噪声时,输当输入为均匀频谱噪声时,输出的最大信噪比出的最大信噪比此时,此时,最大信噪比与信号波形无关最大信噪比与信号波形无关,表征了输入信号的能量特征称,表征了输入信号的能量特征称为为“能量对比率能量对比率”。根据施瓦茨不等式的共轭平行条件可求出系统最大输出信噪比条根据施瓦茨不等式的共轭平行条件可求出系统最大输出信噪比条件:件:现在学习的是第11页,共50页匹配滤波器匹配滤波器系统最大输出信噪比条件:系统最大输出信噪比
8、条件:满足上式的信号处理系统称为满足上式的信号处理系统称为匹配滤波器匹配滤波器。特点特点如下:如下:1)匹配滤波器的)匹配滤波器的幅频特性幅频特性与信号的与信号的幅度频谱幅度频谱成正比例。成正比例。2)在每一信号频率上,匹配滤波器的)在每一信号频率上,匹配滤波器的相位与信号的相位符号相反相位与信号的相位符号相反,使得使得信号的能量被完全吸收信号的能量被完全吸收。3)匹配滤波器)匹配滤波器引入了一个与频率成线性关系的相位变化引入了一个与频率成线性关系的相位变化,它代表着一个,它代表着一个恒定的延时恒定的延时td。4)匹配滤波器的)匹配滤波器的脉冲响应为输入信号在时间轴上相对于某时刻脉冲响应为输入
9、信号在时间轴上相对于某时刻td的反转的反转。可以采用可以采用互相关的方法实现互相关的方法实现。现在学习的是第12页,共50页4.4.3窄带滤波法窄带滤波法原理原理:利用利用信号的功率谱密度较窄信号的功率谱密度较窄而而噪声的功率谱相对很宽噪声的功率谱相对很宽的特点;的特点;用一个用一个窄的带通滤波器窄的带通滤波器,将有用信号的功率提取出来。,将有用信号的功率提取出来。由于窄带通滤波器只让噪声功率的很小一部分通过,而由于窄带通滤波器只让噪声功率的很小一部分通过,而滤掉滤掉了大部分的噪声功率了大部分的噪声功率,所以输出信噪比能得到很大的提高。,所以输出信噪比能得到很大的提高。现在学习的是第13页,共
10、50页对一个白噪声来说,当其通过一个电压传输系数为对一个白噪声来说,当其通过一个电压传输系数为Kv,带宽,带宽为为B=f2-f1的系统后,则的系统后,则输出噪声输出噪声为为:由上式可以看出:由上式可以看出:噪声输出总功率与系统的带宽成正比噪声输出总功率与系统的带宽成正比。因而可以通过因而可以通过减小系统带宽减小系统带宽来减小输出的白噪声功率。来减小输出的白噪声功率。现在学习的是第14页,共50页例如:例如:1/f 噪声通过与上相同的系统之后,其输出噪声功率为噪声通过与上相同的系统之后,其输出噪声功率为:由上式可见,仍然可以通过由上式可见,仍然可以通过减小通频带减小通频带B来减小输出端的来减小输
11、出端的1/f 噪噪声功率声功率。现在学习的是第15页,共50页如如图图有有限限正正弦弦信信号号及及白白噪噪声声的的功功率率谱谱密密度度曲线曲线使用了窄带通滤波器后使用了窄带通滤波器后窄窄带带通通滤滤波波器器在在上上述述(白白噪噪声声)条条件件下的信噪比改善为下的信噪比改善为现在学习的是第16页,共50页输出端信号功率输出端信号功率 Ps0:输出端噪声功率输出端噪声功率 Pn0:即:即:也就是:也就是:Bf和和Bn的关系,有点差别但不大。的关系,有点差别但不大。Bn为窄带通滤波器的等效噪声带宽为窄带通滤波器的等效噪声带宽,Bi为输入噪声的带宽为输入噪声的带宽,即使是白噪,即使是白噪声,它也有一个
12、带宽,实际上并不是到无穷大。声,它也有一个带宽,实际上并不是到无穷大。现在学习的是第17页,共50页窄带通滤波器的窄带通滤波器的实现方式实现方式:常见的有常见的有双双T选频,选频,LC调谐,晶体窄带滤波器调谐,晶体窄带滤波器等。等。双双T选频选频可以做到相对带宽等于千分之几左右。可以做到相对带宽等于千分之几左右。晶体窄带滤波器晶体窄带滤波器可以做到等于万分之几左右。但即使是这样,这些滤可以做到等于万分之几左右。但即使是这样,这些滤波器的带宽还嫌太宽,因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号,通波器的带宽还嫌太宽,因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号,通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。常它
13、只用在对噪声特性要求不很高的场合。更好的方法是用更好的方法是用锁定放大器锁定放大器和和取样积分器取样积分器,这在后面再作理论。,这在后面再作理论。现在学习的是第18页,共50页4.4.4双路消噪法双路消噪法 原理原理:利用两个通道对输入信号进行不同的处理,然后设法消去利用两个通道对输入信号进行不同的处理,然后设法消去共同的噪声,最后得到有用的信号。共同的噪声,最后得到有用的信号。特点特点:这种方法:这种方法只能用来检测只能用来检测微弱的正弦波信号微弱的正弦波信号是否存在是否存在,并并不能复现波形不能复现波形。现在学习的是第19页,共50页双路消噪法的原理框图双路消噪法的原理框图这个方法这个方法
14、能够检测输入信噪比小于能够检测输入信噪比小于1/10的正弦波信号的存的正弦波信号的存在在。现在学习的是第20页,共50页4.4.5 同步累积法同步累积法基基本本原原理理:利利用用信信号号的的重重复复性性和和噪噪声声的的随随机机性性,对对信信号号重重复复测测量量多多次次,使使信信号号同同相相地地累累积积起起来来,而而噪噪声声则则无无法法同同相相累累积积,使信噪比得到改善。,使信噪比得到改善。显然,测量次数越多,则信噪比的改善越明显。显然,测量次数越多,则信噪比的改善越明显。现在学习的是第21页,共50页若测量次数为若测量次数为n,则,则累积的信号累积的信号等于:等于:其中其中 为为累积信号的平均
15、值累积信号的平均值,另一方面,重复测量几次后,根据各次噪声的不相关性,则另一方面,重复测量几次后,根据各次噪声的不相关性,则累积累积的噪声的噪声等于:等于:式中最后的式中最后的En为累积噪声的均方根值为累积噪声的均方根值。现在学习的是第22页,共50页得到信噪比为得到信噪比为:测量次数测量次数n越大,则信噪比的改善越明显越大,则信噪比的改善越明显。而增加测量次数,就。而增加测量次数,就意味着延长测量时间,所以意味着延长测量时间,所以信噪比的改善是以耗费时间换来的信噪比的改善是以耗费时间换来的。为了便于数值计算,可以改写输出信噪比与输入信噪比之间的关为了便于数值计算,可以改写输出信噪比与输入信噪
16、比之间的关系系:由此可得由此可得:现在学习的是第23页,共50页根根据据输输入入信信噪噪比比的的大大小小以以及及对对输输出出信信噪噪比比的的数数值值要要求求,可可算出重复测量的次数算出重复测量的次数n。例如,若已知例如,若已知 ,要求,要求则则:现在学习的是第24页,共50页同步累积器的原理框图同步累积器的原理框图同步累积器的原理框图如图所示同步累积器的原理框图如图所示:其中其中V1(t)为输入信号,)为输入信号,V2(t)为与)为与V1(t)周期相同的参考信)周期相同的参考信号,同步开关受号,同步开关受V2(t)产生的控制信号控制,能)产生的控制信号控制,能保证保证V1(t)在累)在累积器中
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光电 信号 处理 课件
限制150内