生物电阻抗测量系统中弱信号检测技术研究--EIT 中弱信号检测理论

双路消噪法的原理是利用两个通道对输入信号进行不同的处理，然后设法消去共同的噪声，最后得到有用的信号。如图2.6所示。

假设输入信号频率为f 0的正弦波，并混有强的噪声，将其送入上下两个通道。进入上通道的信号经过放大器后，再经过一个中心频率为f 0的窄带带通滤波器，变成正弦波加窄带噪声，这个信号通过正向检波积分后输出一个正极性直流电压，上面叠加了随机起伏的成分。进入下通道的信号经过放大器后，再经过一个中心频率为f 0的带阻滤波器或陷波器，于是正弦波被滤掉，剩下噪声。噪声通过负向检波积分器后，输出一个在某个负电平上下随机起伏的电压量。上下两通路各自检波积分后的输出同时送给一个加法器，于是正负极性的噪声电平要抵消一部分，剩下很小的起伏电压，从而使得输出信噪比得到提高。加法器出来的信号，最后再通过一个阈值电路进行计数。加法器通常可以做成可调，使得无正弦波而仅有噪声时，加法器的输出略为正，但是不超过阈值电路的阈值电平，因而计数器通常无计数。但考虑到加法器输出的电压有起伏，所以，有时会有高于阈值的脉冲电压通过阈值电路产生本底计数，但由于噪声的统计性，本底计数的次数在某个一定的时间内t是一个恒定值，可以通过实验测出这个时间t.如果输入信号中有正弦波存在，那么在这个时间t内的计数就会增加。所以，通过观察t时间内计数的变化，就可以判断正弦波信号是否存在。

由于信号与噪声性质完全不同，信号一般为变化规律的量，而噪声是一些随机量，满足统计规律。根据这个条件，可以采用双路消噪法进行信号检测。当随机性的噪声从两路到达加法器时，噪声极性正好相反，经过加法器相加后把噪声消除。只有少数噪声才通过阀值电路而产生本底计数。根据统计规律，本地计数时间较长时为恒定值，可以先测出其值，然后从总计数中把它减掉，得到信号计数。

但是这种方法只能检测到微弱的正弦信号是否存在，而不能复现其波。

2.3.5窄带滤波法

窄带滤波法的原理是利用信号的功率谱密度较窄，而噪声的功率谱相对很宽的特点。利用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功率提取出来。由于窄带通滤波器只让噪声功率的很小一部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以输出信噪比能得到很大的提高。

假若噪声为白噪声，其功率谱密度为常数N 0，K v为窄带滤波器的增益，让白噪声通过一个带宽为B=f 2 -f l的滤波器后，输出噪声电压的均方值为：

上式可看出：噪声输出总功率与系统的带宽成正比，能够通过减小系统带宽来减小输出的白噪声功率。即通频带越越窄，噪声电压均方值越小，抑制噪声的能力越强，从而达到信号检测的目的。

假若噪声为1/f噪声，通过与上述相同的系统之后，其输出噪声即由1/f噪声产生的输出噪声功率为：

上式可看出：通过减小通频带B来减小输出端的1/f噪声功率。

窄带通滤波器的实现方式很多。常见的有双T选频，LC调谐，晶体窄带滤波器，锁定放大器和取样积分器等。其中双T选频可以做到相对带宽等于千分之几左右，晶体窄带滤波器可以做到万分之几左右。即使这样，这些滤波器的带宽还是较宽，因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常它只用在对噪声特性要求不是很高的场合。

窄带滤波法能减少噪声对有用信号的影响，滤除通频带以外的噪声，提高信号的信噪比。但是，由于滤波器的中心滤波频率不稳定，不能满足更高的滤除噪声的要求。此外，若信号极其微弱，淹没在噪声之中，那么窄带滤波器的输出信号虽然噪声电压均方值小了，信噪比也提高了，但是微弱信号仍然被噪声所淹没。