基于simulink鎖相放大器微弱信號檢測仿真研究

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1、基于Simulink鎖相放大器微弱信號檢測仿真研究摘要：介紹了鎖相放大器檢測微弱信號的原理，并用Simulink對其進(jìn)行了仿真實現(xiàn)，分析了白噪聲及諧波噪聲對信號的影響，從提高輸出信噪比的角度對檢測參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了分析，為鎖相放大器的設(shè)計提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：鎖相放大器微弱信號檢測Simulink信噪比中圖分類號:TN98文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號:1007-9416(2012)11-0051-031＞引言微弱信號檢測技術(shù)是利用一系列信號處理方法，來提取和測量強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號，從而提高檢測系統(tǒng)輸出信號的信噪比，需要研究噪聲幅度、頻率

2、、相位等的規(guī)律，同時分析信號頻譜、相干性等特點［1］。鎖相放大器(Lock-inAmplifier,LIA)在微弱信號檢測方面顯示出優(yōu)秀的性能，它利用互相關(guān)檢測原理，將待測信號和參考信號在相關(guān)器中實現(xiàn)互相關(guān)，實現(xiàn)對信號的窄帶化處理，能有效地抑制噪聲，實現(xiàn)對信號的檢測和跟蹤，在科學(xué)研究的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［2,3］。2、鎖相放大器檢測微弱信號的原理2.1相關(guān)接收鎖相放大器采用互相關(guān)接收技術(shù)，使儀器抑制噪聲的性能提高了好幾個數(shù)量級。在相關(guān)接收中，可以把兩個接收信號函數(shù)和以的相關(guān)函數(shù)表示為：(1)其物理意義為，兩個信號相乘對時間再對

3、事件取平均值，為兩信號間的延遲時間。因為接收的信號中包含有用信號成分以及噪聲成分，那不妨設(shè)上述兩個信號可以表示成：，。所以式(1)可以表示成：最后可以簡化為：(2)其中，，，分別為信號對信號、信號對噪聲、噪聲對噪聲的相關(guān)函數(shù)。由于噪聲和信號是相互獨(dú)立的，噪聲之間也是相互獨(dú)立的，則有，，，因此式(2)可以化簡為：(3)上式的物理意義為：兩個有用信號都是和噪聲混在一起的，但總的相關(guān)函數(shù)卻等于兩個有用信號的相關(guān)函數(shù)，即表示通過相關(guān)器(乘法器)之后可以把噪聲濾去。2.2鎖相放大器的原理正交矢量型鎖相放大器實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。正交矢量

4、型鎖相放大器是利用兩個正交的分量計算出幅度和相位，即采用兩個同頻率的參考信號和，為經(jīng)過移相后的參考信號，它們的相位相差90度，分別與輸入信號相乘得到和，兩束信號經(jīng)過低通濾波器后分別得到兩束直流信號和。(1)有用信號幅值：，其中參考信號的幅度已知，即可求得有用信號的幅值。(2)相位信息：可獲得參考信號與有用信號的相位差。(3)信噪比的計算：假定有用信號的功率為，噪聲的功率為，定義以下式子為信號的信噪比(SNR)o,其中。3、Simulink仿真鎖相放大器檢測微弱信號是提取和測量強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號，為了分析白噪聲及諧波噪聲對有用信號

5、的影響，用Simulink對其進(jìn)行了仿真，從優(yōu)化輸出信噪比的角度對檢測參數(shù)設(shè)置，包括頻率和幅度參數(shù)，為鎖相放大器的設(shè)計提供了參考依據(jù)。Simulink仿真框圖如圖2所示：2.1仿真一設(shè)置輸入信號頻率為10000rad/rec,帶限高斯白噪聲的噪聲功率noisepower=5,采樣時間0.1秒，諧波噪聲幅度設(shè)定為10,正弦型，頻率為100000rad/rec,參考信號輸入幅度為50,頻率為10000rad/reco輸入信號的幅度為0.1時,可以得到如圖3所示的鎖相幅度輸出信號，如圖4所示的鎖相相位信息輸出信號。輸入信號的幅度為1.0時

6、，可以得到如圖5所示的鎖相幅度輸出信號，如圖6所示的鎖相相位信息輸出信號。3.2仿真二輸入信號頻率10000rad/rec,參考信號幅度50,帶限高斯白噪聲的噪聲功率noisepower=5,采樣時間0.1秒，諧波噪聲幅度設(shè)定為10,正弦型，頻率為100000rad/rec,輸入信號幅度從0.1-2.0變化，得到信噪比如表1所示。3.3仿真三參考信號幅度50,帶限高斯白噪聲的噪聲功率noisepower=5,采樣時間0.1秒；諧波噪聲幅度設(shè)定為10,正弦型，頻率為100000rad/rec,輸入信號幅度為1.0,信噪比隨輸入信號頻率

7、變化：10KHz-20KHz,得到信噪比隨輸入信號頻率變化的情況如表2所示。當(dāng)頻率為20KHz時，得到如圖7所示的鎖相幅度輸出信號，如圖8所示的鎖相相位信息輸出信號。4、結(jié)果分析通過對鎖相放大器檢測微弱信號原理分析與研究，不難發(fā)現(xiàn)鎖定放大器具有卓越的微弱信號檢測能力。從提高輸出信噪比的角度，利用Simulink對檢測參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了仿真設(shè)計分析，為鎖相放大器的設(shè)計提供了參考依據(jù)：參考信號的幅度與被檢測有用信號的幅度之間要保證一定的比例；被檢測信號在進(jìn)入乘法器之前需要進(jìn)行放大濾波；參考信號與被檢測有用信號關(guān)聯(lián)性越好，即頻率越接近或相同，

8、越容易被檢測；鎖相放大器不僅能夠檢測有用信號的幅值信息，也能夠檢測相位信息。參考文獻(xiàn)[1]章克來，朱海明?微弱信號檢測技術(shù)[J]?航空電子技術(shù)，2009,02：30-36.[2]向英，吳先球?鎖相放大器的軟件實現(xiàn)與參數(shù)測量[J].計算