CN110161310B - 一种基于差频调制锁相的微弱信号检测方法 - Google Patents

一种基于差频调制锁相的微弱信号检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微弱信号检测方法，具体是一种基于差频调制锁相的微弱信号检测方法，解决了现有锁相放大器带宽窄、超高频锁相难以实现的问题。包括输入信号部分、混频器、低通滤波器、锁相放大器以及参考信号输入。输入信号包括被测信号和混频信号，其中混频信号与被测信号频率相差10KHz，二者经过混频器相乘，再通过低通滤波器得到差频信号，之后再通过锁相技术得到差频信号的幅值和相位，根据被测信号与差频信号之间的数学关系实现超高频微弱信号的幅值和相位检测。可用于检测电磁感应电流、雷达信号、声音、心率等微弱信号，在医学检测、空间电磁感应检测等领域有广泛的应用前景。

Description

一种基于差频调制锁相的微弱信号检测方法
技术领域
本发明涉及一种微弱信号检测方法，具体是一种基于差频调制的微弱信号检测方法。
背景技术
微弱信号检测技术在航空航天、科学研究、环境监测、军事以及化学分析等高精测量方面有着广泛的应用和迫切的需求。锁相放大技术运用正交性原理，将非选定频率的信号(即噪声)去除而选定频率的信息得以保留，因此具有很强的抗噪声能力，使得锁相放大器在微弱信号检测领域有着不可比拟的优势。
锁相放大器是一种用于测量动态信号的电子仪器,是一种对微弱信号进行检测的技术它的主要组成部分有振荡器，混频器和低通滤波器。它的最基本、最常用的功能是从被噪声淹没的信号中测出某一频率的信号的相位和幅值。锁相放大技术，根据已知参考信号只与被测信号相关，而与噪声特性无关的特性，求出被测信号的幅值和相位。最初的锁相环为纯模拟电路，其带宽窄，对于频率越来越高的电磁信号已经不能适应，随着数字技术的发展，数字锁相环应运而生，然而对于几百兆甚至上G频率的微弱电磁信号，数字锁相仍然无法满足要求。因此开发一种能够实现宽带宽、超高频率的微弱信号检测方法十分必要。
发明内容
本发明为了解决现有利用锁相技术对微弱信号检测带宽窄的问题，提出一种基于差频调制锁相的微弱信号检测方法
本发明所采用的技术方案是：一种基于差频调制锁相的微弱信号检测方法，包括输入信号、混频器、低通滤波器、锁相放大器以及参考信号，所述输入信号包括被测信号和混频信号，按照如下的步骤实现对高频微弱信号的输入信号的幅值和相位检测
步骤一、根据被测信号
Figure BDA0002067917870000011
的频率w1用第一信号发生装置产生混频信号
Figure BDA0002067917870000012
式中，A、w1、
Figure BDA0002067917870000013
分别为被测信号的幅值、频率和相位，B、w2、
Figure BDA0002067917870000014
分别为混频信号的幅值、频率和相位，t为时间参数；
步骤二、被测信号
Figure BDA0002067917870000015
和混频信号
Figure BDA0002067917870000016
在混频器相乘，
Figure BDA0002067917870000017
式中，
Figure BDA0002067917870000018
为高频部分信号，
Figure BDA0002067917870000019
为低频部分信号；
步骤三、将式(1)混频结果经过低通滤波之后得到式(1)所示差频信号即式(1)低频部分信号
Figure BDA0002067917870000021
式中，设差频信号频率w＝w1-w2，差频信号相位
Figure BDA0002067917870000022
步骤四、根据上述所得差频信号频率w，用第二信号发生装置产生参考信号
Figure BDA0002067917870000023
和
Figure BDA0002067917870000024
式中，C、w、
Figure BDA0002067917870000025
分别为参考信号的幅值、频率和相位；
步骤五、将差频信号和参考信号输入锁相放大器，
Figure BDA0002067917870000026
Figure BDA0002067917870000027
式中
Figure BDA0002067917870000028
和
Figure BDA0002067917870000029
为高频部分信号，
Figure BDA00020679178700000210
和
Figure BDA00020679178700000211
为直流部分信号；
步骤六：将式(3)和式(4)经过低通滤波之后得到(3)和式(4)直流部分信号，
Figure BDA00020679178700000212
Figure BDA00020679178700000213
其中f1为式(3)所对应直流部分信号，f2为式(4)所对应直流部分信号；
步骤七：根据上述所得结果推导得到被测信号的幅值(7)和相位信息(9)。
Figure BDA00020679178700000214
Figure BDA00020679178700000215
Figure BDA00020679178700000216
设置B为2Vpp，w2＝2π*(w1/2π-10KHz)，
Figure BDA0002067917870000031
C为2Vpp，
w＝w1-w2＝2π*10KHz，相位
Figure BDA0002067917870000032
其中混频器模块的功能为：实现被测信号与混频信号相乘，输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。混频器通常由非线性元件和选频回路构成。从频谱观点看，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。
其中锁相放大器的功能为：通过被测信号与同频的参考信号相关，解算出被测信号的幅值和相位信息，最常用的功能是从被噪声淹没的信号中提取出某一频率信号的相位和幅值信息。
本发明所具有的有益效果为：本发明方法是对锁相放大器用于微弱信号检测的有益补充，单纯使用锁相放大器进行超高频率的微弱信号检测需要模拟或数字器件具有很宽的带宽，对器件参数要求比较高，现有器件还不能满足要求，而且高频器件成本较高，该方法使得微弱信号检测系统带宽增大，成本降低。
附图说明
图1为本发明微弱信号检测原理示意框图；
图2为本发明中混频信号低通滤波之后差频结果。
具体实施方式
下面实施例结合附图对本发明作进一步详细的描述。
本发明所用微弱信号检测使用高频混频器和普通锁相放大器通过数学计算实现。
一种基于差频调制锁相的微弱信号检测装置，所用信号发生器采用苏州普源RIGOLDG4162型号，混频器采用美国ADI公司LTC5562型号，锁相放大器采用美国AMETEK公司Mode 7270DSP Lock-in Amplifier。
所用信号发生器带宽160MHz，采样率500MSa/s，输入幅值范围：≤20MHz：1mVpp至10Vpp；≤70MHz：1mVpp至5Vpp；≤120MHz：1mVpp至2.5Vpp；≤160MHz：1mVpp至1Vpp；
所用混频器带宽7GHz，输入信号频率范围：0～7GHz。
所用锁相放大器带宽250KHz，输入信号频率范围：1mHz～250KHz。
如图1所示，被测信号和混频信号频率相差10KHz，二者经过混频器相乘，再通过低通滤波器得到差频信号，之后再通过锁相技术得到差频信号的幅值和相位，根据被测信号与差频信号之间的数学关系实现超高频微弱信号的幅值和相位检测。
所述微弱信号检测方法按照如下步骤进行：
步骤一：首先根据被测信号
Figure BDA0002067917870000033
的频率w1用信号发生装置产生混频信号
Figure BDA0002067917870000034
式中，A、w1、
Figure BDA0002067917870000041
分别为被测信号的幅值、频率和相位，B、w2、
Figure BDA0002067917870000042
分别为混频信号的幅值、频率和相位。
步骤二：将上述被测信号与混频信号带入公式(1)计算混频之后的结果；
Figure BDA0002067917870000043
式中
Figure BDA0002067917870000044
为高频部分，
Figure BDA0002067917870000045
为低频部分。
步骤三：将上述混频结果经过低通滤波之后得到式(2)所示低频部分；
Figure BDA0002067917870000046
步骤四：根据上述所得低频部分频率w1-w2，用信号发生装置产生锁相参考信号
Figure BDA0002067917870000047
和
Figure BDA0002067917870000048
式中，C、w、
Figure BDA0002067917870000049
分别为锁相参考信号的幅值、频率和相位，其中，w＝w1-w2。
步骤五：将上述式(2)和步骤四中锁相参考信号输入锁相放大器，带入公式(3)和公式(4)得到信号相关结果；
Figure BDA00020679178700000410
Figure BDA00020679178700000411
其中，w＝w1-w2，
Figure BDA00020679178700000412
式中
Figure BDA00020679178700000413
为高频部分，
Figure BDA00020679178700000414
为直流部分。
步骤六：将上述信号相关结果(3)和(4)经过低通滤波器之后得到式(5)和式(6)所示直流部分，
Figure BDA00020679178700000415
Figure BDA00020679178700000416
其中f1为式(3)所对应直流部分，f2为式(4)所对应直流部分。
步骤七：根据上述所得结果推导得到被测信号的幅值(7)和相位信息(9)。
Figure BDA0002067917870000051
Figure BDA0002067917870000052
Figure BDA0002067917870000053
如图1中微弱信号检测原理示意图所示，其中被测微弱信号
Figure BDA0002067917870000054
信号幅值A＝200mVpp，信号频率w1＝2πf＝2π*120MHz，初始相位
Figure BDA0002067917870000055
混频信号
Figure BDA0002067917870000056
为方便解算设置B＝2Vpp，信号频率w2＝2π(120MHz+10k)，初始相位
Figure BDA0002067917870000057
参考信号
Figure BDA0002067917870000058
为方便解算设置C＝2Vpp，信号频率w2＝2π*10k，初始相位
Figure BDA0002067917870000059
如图2所示，图2为输入信号混频经低通滤波之后差频结果，从图中可以看出，输入信号与混频信号经过混频并经过低通滤波器之后，得到了输入信号与混频信号的差频结果，实现了输入信号降频。
AMETEK公司Mode 7270DSP Lock-in Amplifier输出结果中频率显示为10.000019Hz，幅值显示为70.52mV(仪器为有效值显示)，相位显示为30.38°，准确得到了输入高频信号的幅值和相位信息，利用窄带宽锁相放大器实现了高频微弱信号检测。

Claims (2)

1.一种基于差频调制锁相的微弱信号检测方法，包括输入信号、混频器、低通滤波器、锁相放大器以及参考信号，所述输入信号包括被测信号和混频信号，其特征在于：按照如下的步骤实现对高频微弱信号的输入信号的幅值和相位检测
步骤一、根据被测信号
Figure FDA0002739175310000011
的频率w1用第一信号发生装置产生混频信号
Figure FDA0002739175310000012
式中，A、w1、
Figure FDA0002739175310000013
分别为被测信号的幅值、频率和相位，B、w2、
Figure FDA0002739175310000014
分别为混频信号的幅值、频率和相位，t为时间参数；
步骤二、被测信号
Figure FDA0002739175310000015
和混频信号
Figure FDA0002739175310000016
在混频器相乘，
Figure FDA0002739175310000017
式中，
Figure FDA0002739175310000018
为高频部分信号，
Figure FDA0002739175310000019
为低频部分信号；
步骤三、将式(1)混频结果经过低通滤波之后得到式(1)所示差频信号即式(1)低频部分信号
Figure FDA00027391753100000110
式中，设差频信号频率w＝w1-w2，差频信号相位
Figure FDA00027391753100000111
步骤四、根据上述所得差频信号频率w，用第二信号发生装置产生参考信号
Figure FDA00027391753100000112
和
Figure FDA00027391753100000113
式中，C、w、
Figure FDA00027391753100000114
分别为参考信号的幅值、频率和相位；
步骤五、将差频信号和参考信号输入锁相放大器，
Figure FDA00027391753100000115
Figure FDA00027391753100000116
式中
Figure FDA00027391753100000117
和
Figure FDA00027391753100000118
为高频部分信号，
Figure FDA00027391753100000119
和
Figure FDA00027391753100000120
为直流部分信号；
步骤六：将式(3)和式(4)经过低通滤波之后得到(3)和式(4)直流部分信号，
Figure FDA00027391753100000121
Figure FDA0002739175310000021
其中f1为式(3)所对应直流部分信号，f2为式(4)所对应直流部分信号；
步骤七：根据上述所得结果推导得到被测信号的幅值(7)和相位信息(9)。
Figure FDA0002739175310000022
Figure FDA0002739175310000023
Figure FDA0002739175310000024
2.根据权利要求1所述的一种基于差频调制锁相的微弱信号检测方法，其特征在于：设置B为2Vpp，w2＝2π*(w1/2π-10KHz)，
Figure FDA0002739175310000025
C为2Vpp，w＝w1-w2＝2π*10KHz，相位
Figure FDA0002739175310000026
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