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      為什么鎖相放大器會具有很強的噪聲抑制能力

      發布時間:2022-04-15      點擊次數:104
        鎖相放大器不容易受到噪聲影響的原因,是因為很好地利用了噪聲(白噪聲)與目的信號(正弦波)之間在性質上的差別。在這里,我們一方面整理白噪聲的性質和正弦波的性質,一方面解說為什么鎖相放大器會具有很強的噪聲抑制能力。
        1、平坦的頻譜
        在寬闊的頻率范圍內,該信號具有幾乎相同的頻譜。信號的瞬時電平成為預測不到的隨機的值。
        2、隨著頻帶寬度不同測量電壓會改變
        在用毫伏計測量白噪聲時,得到的測量值和白噪聲所具有的頻譜帶寬(BandWidth: B.W.)的平方根以及電平成比例。測量得到的電壓值,與下圖中的淺藍色部分的面積成比例。
        即使對于同樣的噪聲,如果用帶通濾波器(BPF)來限制所通過的頻帶,那么測量所得的電壓值就會不同。
        把測量所得的噪聲電壓(Vrms),除以頻帶寬度的平方根,就得到用表示噪聲大小的單位、也即稱作噪聲電壓密度(V/√Hz)來衡量的值。頻道寬度如果縮小到1/100,那么測量所得的噪聲電壓就縮小到1/10。
        3、頻譜非常集中
        1kHz正弦波信號的頻譜,只存在于1kHz的位置,其他地方的頻譜的電平都為零。
        4、與頻帶寬度無關,測量所得電壓保持一定的值
        因為頻譜是集中分布的,所以不受頻帶寬度的影響,測量所得的電壓保持一定的值。但是,必須要使信號頻率存在于所取的頻帶之內。用交流電壓表所測量的電壓值,與頻帶寬度無關,是上圖中的V。那么,在正弦波上疊加了白噪聲以后會怎么樣呢?
        即使白噪聲與正弦波進行加法運算所得的信號,測量所得的電壓對于頻帶寬度所具有的各種性質也不會有變化。所以,當帶通濾波器的頻帶寬度變狹窄時,就會有以下結果:
        想要測量的信號的電平不變;白噪聲的強度減??;交流聲等頻率不同的成分也當然被削弱。
        從以上這些結果可知,為了測量被噪聲所掩埋的信號,應該將帶通濾波器的頻帶寬度變窄。如果將頻帶寬度縮小到1/N,那么噪聲就減小到1/√N,而信號卻不改變,其結果SN比(信噪比)改善為1/√N。
        但是,這樣的帶通濾波器也是有一個限度的。為了說明鎖相放大器利用了噪聲與目的信號所具有的不同性質,所以不容易受到噪聲的影響」,前面已解說了以下幾個要點:
        噪聲(白噪聲)的性質;正弦波的性質;從白噪聲與正弦波合成的信號中,使用帶通濾波器可以使目的信號(正弦波)從噪聲中浮現出來。
        5、使通帶變狹窄的限度
        使用帶通濾波器只讓想要測量的頻率信號通過,可以抑制噪聲,讓目的信號浮現出來。但是,使帶通濾波器的通帶寬度變窄,這也是有限度的。
        在帶通濾波器中,中心頻率與通帶寬度的比值稱作Q值,作為衡量帶通濾波器的濾波尖銳程度的一項指標來使用。
        Q值越大,通帶寬度就越窄,抑制噪聲的能力就越強。但是,一般的濾波器所能夠實現的Q值,大約在100左右。對于1kHz的中心頻率,相應的通帶寬度的限界大約在10Hz左右。Q值不能任意增大的原因,在于組成濾波器的零部件的精確度和時間/溫度的穩定性是有限的。
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