生物電阻抗測量系統(tǒng)中弱信號(hào)檢測技術(shù)研究--EIT 中弱信號(hào)檢測理論

其中V 1（t）為輸入信號(hào)，V 2（t）為與V 1（t）周期相同的參考信號(hào)，同步開關(guān)受V 2（t）

產(chǎn)生的控制信號(hào)控制，保證V 1（t）在累積器中同相的累積起來。

要保證做到同相累積，則要根據(jù)不同的被檢測信號(hào)波形，確定不同的參考信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用同步累積法的時(shí)候，必需滿足以下條件：信號(hào)應(yīng)為周期信號(hào)，有適當(dāng)?shù)睦鄯e器，能做到同相累積。

2.3.4雙路消噪法

雙路消噪法的原理是利用兩個(gè)通道對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行不同的處理，然后設(shè)法消去共同的噪聲，最后得到有用的信號(hào)。如圖2.6所示。

假設(shè)輸入信號(hào)頻率為f 0的正弦波，并混有強(qiáng)的噪聲，將其送入上下兩個(gè)通道。進(jìn)入上通道的信號(hào)經(jīng)過放大器后，再經(jīng)過一個(gè)中心頻率為f 0的窄帶帶通濾波器，變成正弦波加窄帶噪聲，這個(gè)信號(hào)通過正向檢波積分后輸出一個(gè)正極性直流電壓，上面疊加了隨機(jī)起伏的成分。進(jìn)入下通道的信號(hào)經(jīng)過放大器后，再經(jīng)過一個(gè)中心頻率為f 0的帶阻濾波器或陷波器，于是正弦波被濾掉，剩下噪聲。噪聲通過負(fù)向檢波積分器后，輸出一個(gè)在某個(gè)負(fù)電平上下隨機(jī)起伏的電壓量。上下兩通路各自檢波積分后的輸出同時(shí)送給一個(gè)加法器，于是正負(fù)極性的噪聲電平要抵消一部分，剩下很小的起伏電壓，從而使得輸出信噪比得到提高。加法器出來的信號(hào)，最后再通過一個(gè)閾值電路進(jìn)行計(jì)數(shù)。加法器通?？梢宰龀煽烧{(diào)，使得無正弦波而僅有噪聲時(shí)，加法器的輸出略為正，但是不超過閾值電路的閾值電平，因而計(jì)數(shù)器通常無計(jì)數(shù)。但考慮到加法器輸出的電壓有起伏，所以，有時(shí)會(huì)有高于閾值的脈沖電壓通過閾值電路產(chǎn)生本底計(jì)數(shù)，但由于噪聲的統(tǒng)計(jì)性，本底計(jì)數(shù)的次數(shù)在某個(gè)一定的時(shí)間內(nèi)t是一個(gè)恒定值，可以通過實(shí)驗(yàn)測出這個(gè)時(shí)間t.如果輸入信號(hào)中有正弦波存在，那么在這個(gè)時(shí)間t內(nèi)的計(jì)數(shù)就會(huì)增加。所以，通過觀察t時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)的變化，就可以判斷正弦波信號(hào)是否存在。

由于信號(hào)與噪聲性質(zhì)完全不同，信號(hào)一般為變化規(guī)律的量，而噪聲是一些隨機(jī)量，滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律。根據(jù)這個(gè)條件，可以采用雙路消噪法進(jìn)行信號(hào)檢測。當(dāng)隨機(jī)性的噪聲從兩路到達(dá)加法器時(shí)，噪聲極性正好相反，經(jīng)過加法器相加后把噪聲消除。只有少數(shù)噪聲才通過閥值電路而產(chǎn)生本底計(jì)數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，本地計(jì)數(shù)時(shí)間較長時(shí)為恒定值，可以先測出其值，然后從總計(jì)數(shù)中把它減掉，得到信號(hào)計(jì)數(shù)。

但是這種方法只能檢測到微弱的正弦信號(hào)是否存在，而不能復(fù)現(xiàn)其波。

2.3.5窄帶濾波法

窄帶濾波法的原理是利用信號(hào)的功率譜密度較窄，而噪聲的功率譜相對(duì)很寬的特點(diǎn)。利用一個(gè)窄的帶通濾波器，將有用信號(hào)的功率提取出來。由于窄帶通濾波器只讓噪聲功率的很小一部分通過，而濾掉了大部分的噪聲功率，所以輸出信噪比能得到很大的提高。

假若噪聲為白噪聲，其功率譜密度為常數(shù)N 0，K v為窄帶濾波器的增益，讓白噪聲通過一個(gè)帶寬為B=f 2 -f l的濾波器后，輸出噪聲電壓的均方值為：

上式可看出：噪聲輸出總功率與系統(tǒng)的帶寬成正比，能夠通過減小系統(tǒng)帶寬來減小輸出的白噪聲功率。即通頻帶越越窄，噪聲電壓均方值越小，抑制噪聲的能力越強(qiáng)，從而達(dá)到信號(hào)檢測的目的。

假若噪聲為1/f噪聲，通過與上述相同的系統(tǒng)之后，其輸出噪聲即由1/f噪聲產(chǎn)生的輸出噪聲功率為：

上式可看出：通過減小通頻帶B來減小輸出端的1/f噪聲功率。

窄帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)方式很多。常見的有雙T選頻，LC調(diào)諧，晶體窄帶濾波器，鎖定放大器和取樣積分器等。其中雙T選頻可以做到相對(duì)帶寬等于千分之幾左右，晶體窄帶濾波器可以做到萬分之幾左右。即使這樣，這些濾波器的帶寬還是較寬，因?yàn)檫@種方法不能檢測深埋在噪聲中的信號(hào)，通常它只用在對(duì)噪聲特性要求不是很高的場合。

窄帶濾波法能減少噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響，濾除通頻帶以外的噪聲，提高信號(hào)的信噪比。但是，由于濾波器的中心濾波頻率不穩(wěn)定，不能滿足更高的濾除噪聲的要求。此外，若信號(hào)極其微弱，淹沒在噪聲之中，那么窄帶濾波器的輸出信號(hào)雖然噪聲電壓均方值小了，信噪比也提高了，但是微弱信號(hào)仍然被噪聲所淹沒。