微弱信号检测教程

《微弱信号检测教程》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、混沌检测等应用技术。

 

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，是本书的主要内容。《微弱信号检测教程》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。 本书可作为自动化、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。

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，在微弱信号检测、智能仪表以及船舶通信导航领域达到先进水平。在国内外学术刊物上发表文章多篇，著有《微弱信号检测》《电子噪声与低噪声设计》等图书，主编《注册工程师执业资格考试复习教程》。曾任清华大学自动化系学术委员会委员、工信部船舶通信导航专家组组长等职。

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

习题

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

2.1.2PN结的散弹噪声

2.1.31/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运算放大器的噪声特性

2.3.1运算放大器的等效输入噪声模型

2.3.2运算放大器噪声性能计算

2.4低噪声放大器设计

2.4.1有源器件的选择

2.4.2偏置电路与直流工作点选择

2.4.3噪声匹配

2.4.4反馈电路对噪声特性的影响

2.4.5高频低噪声放大器设计考虑

2.5噪声特性测量

2.5.1噪声功率和有效值测量

2.5.2噪声功率谱密度测量

2.5.3噪声系数测量

2.5.4二端口等效输入噪声测量

2.5.5其他噪声特性的测量

2.5.6噪声发生器

习题

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

3.2.3磁场耦合

3.2.4电磁辐射耦合

3.3屏蔽

3.3.1场传播与波阻抗

3.3.2屏蔽层的吸收损耗

3.3.3屏蔽层的反射损耗

3.3.4屏蔽效果分析

3.4电缆屏蔽层接地

3.4.1电缆屏蔽层和芯线之间的耦合

3.4.2电缆屏蔽层接地抑制电场耦合噪声

3.4.3电缆屏蔽层接地抑制磁场耦合噪声

3.5电路接地

3.5.1电路的接地方式

3.5.2放大器输入信号回路接地

3.5.3防护屏蔽

3.6其他噪声抑制技术

3.6.1隔离

3.6.2共模扼流圈

3.6.3信号线和电源线的抗干扰措施

习题

第4章锁定放大

4.1概述

4.2相敏检测

4.2.1模拟乘法器型相敏检测器

4.2.2电子开关型相敏检测器

4.3锁定放大器的组成与部件

4.3.1锁定放大器的基本组成与部件

4.3.2正交矢量型锁定放大器

4.3.3外差式锁定放大器

4.4锁定放大器的性能指标与动态协调

4.4.1锁定放大器的主要性能指标

4.4.2动态范围与动态协调

4.5锁定放大器应用

4.5.1阻抗测量

4.5.2放大器噪声系数测量

4.5.3其他应用

习题

第5章取样积分与数字式平均

5.1取样积分的基本原理

5.1.1线性门积分

5.1.2指数式门积分

5.2指数式门积分器分析

5.2.1取样过程频域分析

5.2.2指数式门积分器的输出特性

5.2.3指数式门积分的信噪改善比

5.3取样积分器的工作方式

5.3.1定点工作方式

5.3.2扫描工作方式

5.4取样积分器的参数选择及应用

5.4.1取样积分器的参数选择

5.4.2基线取样与双通道取样积分器

5.4.3多点取样积分器系统

5.4.4取样积分器应用实例

5.5数字式平均

5.5.1数字式平均的原理及实现

5.5.2数字式平均的信噪改善比

5.5.3数字式平均的频域分析

5.5.4数字式平均算法

习题

第6章相关检测

6.1概述

6.2相关函数的实际运算及误差分析

6.2.1相关函数的实际运算

6.2.2运算误差分析

6.3相关函数算法及实现

6.3.1递推算法

6.3.2继电式相关算法

6.3.3极性相关算法

6.4相关函数峰点位置跟踪

6.5相关检测应用

6.5.1噪声中信号的恢复

6.5.2延时测量

6.5.3泄漏检测

6.5.4运动速度测量

6.5.5流速测量

6.5.6系统辨识

习题

第7章自适应噪声抵消

7.1自适应噪声抵消原理

7.1.1简述

7.1.2基于最小MSE准则的自适应噪声抵消原理

7.1.3自适应FIR维纳滤波器

7.2最陡下降法

7.2.1最陡下降法的递推公式

7.2.2最陡下降法的性能分析

7.3最小均方算法

7.3.1LMS算法的原理

7.3.2LMS算法的性能分析

7.4其他自适应算法

7.4.1归一化LMS算法

7.4.2LMS符号算法

7.5卡尔曼滤波

7.5.1标量信号的卡尔曼滤波

7.5.2向量信号的卡尔曼滤波

7.6自适应滤波器应用

7.6.1消除心电图的工频干扰

7.6.2胎儿心电图检测

7.6.3涡街流量检测中机械振动噪声的抑制

7.6.4窄带信号和宽带信号的分离

习题

附录

参考文献

 

本书是在《微弱信号检测》（第3版）（以下称“原书”，ISBN为9787302530671）的基础上精简缩编而成。

《微弱信号检测》已历经3版十余次印刷，被多所高等院校用作研究生或高年级本科生教材，若干院校还将此书列入博士生招生或入学考试参考书目，作者特此感谢广大读者的认可。

经过多年的教学使用，作者发现，原书部分内容虽然对于科研和工程技术尚有参考价值，但却较少用于课堂教学，故在本书中删除。例如，原书中的窄带噪声的随机振幅和随机相位的概率密度函数、晶体管和场效应管的噪声特性、微机化数字式相敏检测器、旋转电容滤波器及其在锁定放大器中的应用、指数式门积分器电路频域分析、其他相关算法、自适应回声抵消、混沌检测等内容，均予以删除。

原书涉及集成芯片的内容，与本书主旨似有不符，本书只保留芯片型号，感兴趣的读者可以另行查阅相应的资料和数据。

原书中还有一些表述不乏啰嗦重复之处，也尽量加以删减。

各章后所附习题涉及基本概念、技术要点、数学基础、解题技巧等诸多方面，有利于读者巩固和深化课堂所学，也是检查知识点掌握情况的重要手段，还可以训练分析问题和解决问题的能力，有些应用题还涉及工程实际，附录C中给出了部分习题答案，均予以保留。

由于作者的知识水平和专业经验有限，书中肯定还存在许多缺点和不足，欢迎读者提出批评和意见。

 

高晋占
2022年11月于清华园