隨著對準(zhǔn)確度和精度越來越高的要求，微弱信號檢測技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域變得至關(guān)重要，特別是在雷達(dá)、聲納、通信、工業(yè)測量、機械系統(tǒng)的故障分析等領(lǐng)域。一些具體的例子包括材料分析中熒光強度的測量，天文學(xué)中衛(wèi)星信號的接收，以及地震學(xué)中地震波形和波速的測量。然而，檢測微弱信號是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的，因為它通常淹沒在來自系統(tǒng)本身或來自外部環(huán)境的噪聲中。在本文中，我們將探討如何運用Moku鎖相放大器從大量背景噪聲中恢復(fù)弱小信號。

鎖相放大器通常用于提取非常小的振蕩信號，隔離出信號并濾除系統(tǒng)中的大部分不需要的噪聲。

以下通過簡單的位移測量演示鎖相放大器如何有效應(yīng)用于弱信號檢測，實驗設(shè)置如圖1所示。激光信號經(jīng)過調(diào)幅后（以10MHz作為調(diào)制頻率）被物體反射并被光電探測器探測到。物體位移的變化可以通過測量調(diào)幅信號的相位來確定。

Moku：Lab同時用于生成調(diào)制信號（輸出2）和測量光電探測器上檢測到的信號（輸入1）。

圖1示例實驗的光學(xué)設(shè)置

我們將使用鎖相放大器來處理信號，并通過測量從物體反射的調(diào)幅信號的相位，進而可以確定其位移。我們通過兩個實驗來展示鎖相放大器的性能，一個檢測強信號，另一個檢測弱信號。

強信號測量

首先要了解我們期望從這樣的系統(tǒng)測量什么信號，我們首先使用高反射率物體建立一個系統(tǒng)。在這種情況下，我們使用鏡子。

為了模擬運動物體，將鏡子安裝在機械平臺上，使其與激光器的距離以2Hz的頻率正弦移動并且位移為1cm。

光從鏡子反射并在光電探測器上檢測到。

為了獲取強信號產(chǎn)生的強度（以及跟弱信號進行對比），我們可以首先在Moku：示波器上觀察10 MHz調(diào)制信號。

圖2 在Moku示波器上測量的強10 MHz信號

圖2顯示了從光電探測器接收到的強烈、易觀測的信號。由于信號強且可觀察，因此可以直接簡單地測量該信號的相位，并推斷出鏡子的位移變化。以上過程我們也可以通過使用鎖相放大器來直接提取相位實現(xiàn)。

圖3為測量強信號Moku鎖相放大器設(shè)置

圖3顯示了Moku鎖相放大器的設(shè)置。在這種情況下，調(diào)制信號取自內(nèi)部本機振蕩器。然后，本機振蕩器將用于解調(diào)輸入信號以獲得輸出1上的相位信號。

圖4 Moku鎖相放大器測量的相位信號

圖4顯示了使用鎖相放大器直接測量到的相位變化。正如預(yù)期的那樣，相位呈現(xiàn)大約2 Hz頻率的正弦變化（用于驅(qū)動鏡子的信號），由此可以看出系統(tǒng)對鏡子位移的敏感性。

弱信號測量

在大多數(shù)情況下，物體反射如此大量光線非常罕見。更常見的情況是，光將會在物體上朝許多方向上發(fā)生非常擴散的漫反射，導(dǎo)致在光電探測器處接收的光很弱。在這些弱信號系統(tǒng)中，信號的檢測不那么明顯，需要使用更先進的信號處理技術(shù)。

為了證明這一點，我們再次設(shè)置實驗來檢測物體位移的變化。然而，這一次，我們使用擴散紙。與鏡子不同，從紙張反射的光在朝多方向散射，因而在光電探測器上檢測到的微弱光被系統(tǒng)的電子噪聲覆蓋。該紙再次以2Hz的正弦驅(qū)動，并作為模擬信號。

圖5 Moku示波器測量的10 MHz弱信號

我們再次使用Moku：示波器來查看光電探測器檢測到的10 MHz調(diào)制信號。圖5顯示了從光電探測器接收的漫反射信號。與鏡子的強反射不同，示波器上檢測到的信號與噪聲無法區(qū)分。

但是，信號仍然存在，可以使用鎖相放大器進行恢復(fù)。首先，我們調(diào)整輸入端增益。在這種情況下，我們在前端選擇+48 dB的數(shù)字增益。該增益利用數(shù)字信號處理的方法增加了信號的強度。在此階段，信號和噪聲都增加，導(dǎo)致無SNR（信噪比）變化。

圖6 為測量弱信號Moku鎖相放大器設(shè)置

現(xiàn)在該信號已經(jīng)被調(diào)整到了鎖相放大器的動態(tài)范圍內(nèi)，從而我們可以進一步消除噪聲。這個可以通過調(diào)整鎖相放大器中的低通濾波器參數(shù)來完成。在這種情況下，將濾波器調(diào)整為7 Hz - 剛好高于2 Hz注入信號。這將從測量中消除盡可能多的噪聲。圖6顯示了Moku鎖相放大器參數(shù)的設(shè)置。結(jié)果如圖7所示。

圖7 Moku鎖相放大器測量的相位信號

我們看到，該信號可以在測量中被清楚地觀察到。對于測量中仍然存在的一些噪聲，并且可以通過降低低通濾波器截止頻率來進一步優(yōu)化，從而消除更多噪聲?？傊?，該實驗表明通過調(diào)整Moku鎖相放大器的一些關(guān)鍵參數(shù)，我們能夠檢測出擴散物體的位移。

Moku:Lab 鎖相放大器技術(shù)參數(shù)

概要

Moku:Lab數(shù)字鎖相放大器支持雙相解調(diào)(XY/R?)頻率范圍DC-200MHz，動態(tài)儲備高達(dá)100 dB。同時集成來雙通道示波器和數(shù)據(jù)記錄器，可以高達(dá)500 MSa/s采樣率實時觀測信號，并可以高達(dá)1MSa/s速率記錄數(shù)據(jù)。

主要特點

· 優(yōu)于80 dB動態(tài)儲備

· 直觀的數(shù)字信號處理示意框圖

· 內(nèi)置探測點用于信號監(jiān)測和數(shù)據(jù)記錄

· 支持內(nèi)部和外部解調(diào)模式，包括PLL(鎖相環(huán))

· 雙相解調(diào)

· 可切換矩形（X/Y）或極坐標(biāo)（R/ θ）

· 內(nèi)置PID控制器

典型參數(shù)

· 解調(diào)頻率范圍：1 mHz 到200 MHz

· 頻率分辨率：3.55 μHz

· 相移精度：0.001°

· 輸入增益：-20 dB / 0 dB / + 24 dB / + 48 dB

· 輸入阻抗：50 Ω / 1 MΩ

· 可調(diào)時間常數(shù)：40 ns 到0.6 s

· 濾波器滾降斜率：6 dB/12 dB 倍頻程

· 輸出增益范圍：± 80 dB

· 本機振蕩器輸出頻率高達(dá)200 MHz，可調(diào)振幅

· 超快數(shù)據(jù)采集：快照模式高達(dá)500 MS/s，連續(xù)采集高達(dá)1MS/s

除了鎖相放大器，Moku:Lab還免費集成了示波器、頻譜分析儀、波形發(fā)生器、相位表、數(shù)據(jù)記錄器、激光鎖頻/穩(wěn)頻、PID控制器、波特分析儀、數(shù)字濾波器、任意波形發(fā)生器、FIR濾波器生成器十二個專業(yè)儀器功能于一臺設(shè)備。

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　　審核編輯：湯梓紅