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编辑推荐

本书所讲述的微弱信号检测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的技术学科。

内容简介

　　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，对推动很多领域的发展具有重要的应用价值。对于淹没在强背景噪声中的微弱信号，运用电子学和近代信号处理手段抑制噪声，进而从噪声中提取和恢复有用的微弱信号，是《微弱信号检测（第2版）》的主要内容。《微弱信号检测（第2版）》涉及利用随机噪声理论分析和解释电子系统内部噪声和外部干扰噪声的产生和传播问题，并详细介绍各种不同噪声的抑制方法，以及锁相放大、取样积分、相关检测、自适应降噪等应用技术。《微弱信号检测（第2版）》可作为自动化、电子工程、物理、化学、生物医学工程、核技术、测试技术与仪器等专业的研究生和高年级本科生的教材，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。

作者简介

　　高晋占，清华大学教授，工学博士。1970年毕业于清华大学并留校任教，1979-1982年由教育部选派到荷兰Delft大学电机系学习。多次承担国家自然科学基金项目及科技攻关项目的研究工作，在多相流检测、微弱信号检测以及智能仪表领域达到先进水平。在国内外学术刊物上发表文章多篇。曾在“智能仪器设计基础》、《数据采集和监控中的微机应用》和《微型计算机应用技术》等书中编写部分章节，主编《注册工程师执业资格考试复习教程一公共基础部分》。

目录

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与协方差函数
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 白噪声与有色噪声
1.4.2 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 放大器的噪声指标与噪声特性
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
2.2.3 放大器的噪声模型
2.2.4 放大器的噪声特性
2.3 二极管和双极型晶体管的噪声特性
2.3.1 半导体二极管的噪声模型
2.3.2 双极型晶体管的噪声模型
2.3.3 双极型晶体管的等效输入噪声
2.3.4 双极型晶体管的噪声因数频率分布
2.4 场效应管的噪声特性
2.4.1 场效应管的内部噪声源
2.4.2 场效应管的噪声等效电路与噪声特性
2.5 运算放大器的噪声特性
2.5.1 运算放大器的等效输入噪声模型
2.5.2 运算放大器的噪声性能计算
2.6 低噪声放大器设计
2.6.1 有源器件的选择
2.6.2 偏置电路与直流工作点选择
2.6.3 噪声匹配
2.6.4 反馈电路对噪声特性的影响
2.6.5 高频低噪声放大器设计考虑
2.7 噪声特性测量
2.7.1 噪声功率和有效值测量
2.7.2 噪声功率谱密度测量
2.7.3 噪声系数测量
2.7.4 其他噪声特性的测量和计算
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
3.2.2 电场耦合
……
第4章 锁定放大
第5章 取样积分与数字式平均
第6章 相关检测
第7章 自适应噪声抵消
附录A 常用常数
附录B 线性二端口网络的噪声模型
附录C 磁场薄屏蔽层中的多次反射
参考文献

精彩书摘

　　第2章 放大器的噪声源和噪声特性
　　对于电子噪声，通常有两种定义：一种是由于电荷载体的随机运动所导致的电压或电流的随机波动，另一种是污染或干扰有用信号的不期望的信号。第二种噪声定义的范围更广，它既包括电路内部产生的噪声，也包括来自电路外部的干扰。这种叠加在有用信号上的外部干扰噪声可能是随机的，也可能是确定性的。本书将采用广义的噪声概念。
　　由组成检测电路的元件产生的内部噪声称之为固有噪声，它是由电荷载体的随机运动所引起的。例如，散弹噪声就是流过势垒（如半导体PN结）的电流的随机成分，它是由载流子随机越过势垒所引起的。热力引起的载流子的随机运动是热噪声的根源，其幅度取决于温度，也与导体的电阻值有关，即使没有电流流过导体，热噪声依然存在。
　　本章分析和论述电路内部的固有噪声，第3章分析和论述外部干扰噪声。
　　2．1 电子系统内部的固有噪声源
　　为了把微弱信号幅度放大到人们可以感知的幅度，必须使用放大器和其他电路对其进行处理。但是，电子系统内部几乎所有的器件本身往往就是噪声源，在放大微弱信号的同时，这些噪声源产生的噪声同样会被放大。即使电子系统外部的所有干扰噪声都被有效地抑制掉，放大器也会输出一定幅度的噪声。在各种测试系统中，固有噪声的大小决定了系统的分辨率和可检测的最小信号幅度。电子系统内部的固有噪声具有随机的性质，其瞬时幅度不可预测，只能用概率和统计的方法来表述其大小和特征，例如用均方值、概率密度函数、功率谱密度函数等进行描述。
　　长期以来，人们对电子系统内部的固有噪声进行了大量的理论分析和实验研究，详细介绍这些成果超出了本书的范围，这里只是适当地介绍固有噪声源的特性，以便用于推演电路元件的噪声模型，以及说明电路和系统中固有噪声的分析方法。
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前言/序言

第1章

微弱信号检测与随机噪声

1.1微弱信号检测概述

第1章微弱信号检测与随机噪声

1.1微弱信号检测概述

“微弱信号”不仅意味着信号的幅度很小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，“微弱”是相对于噪声而言的。为了检测被背景噪声覆盖着的微弱信号，人们进行了长期的研究工作，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统计特性，以寻找出从背景噪声中检测出有用信号的方法。

微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就需要采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号，从而满足现代科学研究和技术开发的需要。微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型和传感原理，也不是相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。

对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动、微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅度,以期指示被测量的大小。但是，由于被测量的信号微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往要比有用信号的幅度大得多，放大被测信号的过程同时也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和各种外部干扰噪声，因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的。只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。为了达到这样的目的，必须研究微弱信号检测的理论、方法和设备。

为了表征噪声对信号的覆盖程度，人们引入了信噪比（signal�瞡oise ratio，简记为SNR）的概念，信噪比指的是信号S与噪声N之比，即

SNR=S/N（1��1）

信噪比可以是电压或电流的有效值比值，一般表示为SNRV或SNRI； 也可以是功率比值，一般表示为SNRP。微弱信号检测的关键是提高信噪比。评价一种微弱信号检测方法的优劣，经常采用两种指标： 一种是信噪改善比SNIR（signal noise improvement ratio），另一种是有效的检测分辨率。SNIR定义为

SNIR=SNRoSNRi（1��2）

式中，SNRo是系统输出端的信噪比，SNRi是系统输入端的信噪比。SNIR越大，表明系统抑制噪声的能力越强。因为SNRV和SNRp之间为平方关系，相应的SNIR之间也是平方关系。所以，在述及信噪比或信噪改善比时，必须说明是哪一种。

微弱信号检测的另一种指标是检测分辨率，它的定义是检测仪器示值可以响应与分辨的输入量的最小变化值。检测分辨率不同于检测灵敏度，后者定义为输出变化量Δy与引起Δy 的输入变化量Δx之比，即灵敏度等于Δy/Δx。也就是说，灵敏度表示的是检测系统标定曲线的斜率。一般情况下，灵敏度越高，分辨率越好。但是，提高系统的放大倍数可以提高灵敏度，但却不一定能提高分辨率，因为分辨率要受噪声和检测误差的制约。

表1��1对比了常规检测方法与微弱信号检测方法所能达到的最高分辨率和SNIR（有效值），表中最后一行是专门从事微弱信号检测仪器生产的吉时利（Keithley）公司的产品近年能够达到的指标。从这些指标中可以看出微弱信号检测技术发展的大致水平。

表1��1检测的最高分辨率

检测量

电压/nV电流/nA温度/K电容/pF微量分析/克分子SNIRV

常规检测方法1030.110-40.110-510

微弱信号检测方法0.110-55×10-710-510-8105

吉时利公司10-310-810-6

抑制噪声以提高信噪比的研究工作由来已久，可以说从电子器件和电子学诞生的年代开始，人们一直在探索抑制噪声的技术。自从1962年第一台锁相放大器问世的四十多年来，经过很多科学工作者的不懈努力，微弱信号检测技术得到了长足的发展，信噪改善比SNIR得到不断提高。到20世纪80年代末，微弱信号检测的SNIRV可达105，近年在一些专门检测领域（例如微弱电流）SNIRV已能达到107，从而推动了物理、化学、电化学、天文、生物、医学等学科的发展。目前，微弱信号检测的原理、方法和设备已经成为很多领域中进行现代科学研究不可缺少的理论和手段，而未来科技的发展也必将对微弱信号检测技术提出更高的要求。

1.2常规小信号检测方法

1.2常规小信号检测方法

与微弱信号相比，小信号的信噪比要高得多，其检测技术也要成熟得多。但是，就提高信噪比，从而检测出被噪声污染的有用信号这一点来看，小信号检测与微弱信号检测具有一定的共同之处。经过多年的研究和实践，人们已经掌握了一些行之有效的小信号检测方法，其中的一些方法还被成功地应用到检测仪器仪表产品之中。了解这些小信号检测的成熟手段和方法，对于微弱信号检测具有一定的参考价值。

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