隨著對準確度和精度越來越高的要求，微弱信號檢測技術(shù)已經(jīng)在很多領域變得至關重要楚午，特別是在雷達昭齐、聲納、通信矾柜、工業(yè)測量阱驾、機械系統(tǒng)的故障分析等領域。一些具體的例子包括材料分析中熒光強度的測量怪蔑，天文學中衛(wèi)星信號的接收里覆，以及地震學中地震波形和波速的測量。然而缆瓣，檢測微弱信號是相當具有挑戰(zhàn)性的喧枷，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。在本文中弓坞，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弱小信號隧甚。
隨著對準確度和精度越來越高的要求，微弱信號檢測技術(shù)已經(jīng)在很多領域變得至關重要渡冻，特別是在雷達戚扳、聲納、通信族吻、工業(yè)測量帽借、機械系統(tǒng)的故障分析等領域。一些具體的例子包括材料分析中熒光強度的測量超歌，天文學中衛(wèi)星信號的接收砍艾，以及地震學中地震波形和波速的測量。然而巍举，檢測微弱信號是相當具有挑戰(zhàn)性的脆荷，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。在本文中懊悯，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弱小信號简烘。
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定枷。
以下通過簡單的位移測量演示鎖相放大器如何有效應用于弱信號檢測孤澎，實驗設置如圖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欠窒。物體位移的變化可以通過測量調(diào)幅信號的相位來確定覆旭。
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）退子。
圖1示例實驗的光學設置
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)幅信號的相位型将，進而可以確定其位移寂祥。我們通過兩個實驗來展示鎖相放大器的性能，一個檢測強信號七兜，另一個檢測弱信號丸凭。
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)腕铸。在這種情況下惜犀，我們使用鏡子。
為了模擬運動物體狠裹，將鏡子安裝在機械平臺上虽界，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涛菠。
為了獲取強信號產(chǎn)生的強度（以及跟弱信號進行對比）莉御，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俗冻、易觀測的信號排宰。由于信號強且可觀察抖棘，因此可以直接簡單地測量該信號的相位肆氓，并推斷出鏡子的位移變化筐钟。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)枪萄。
圖3為測量強信號Moku鎖相放大器設置
圖3顯示了Moku鎖相放大器的設置笼恰。在這種情況下其垄，調(diào)制信號取自內(nèi)部本機振蕩器刷钢。然后人乓，本機振蕩器將用于解調(diào)輸入信號以獲得輸出1上的相位信號勤篮。
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。正如預期的那樣色罚，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）碰缔，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)情況下戳护，物體反射如此大量光線非常罕見金抡。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腌且，導致在光電探測器處接收的光很弱梗肝。在這些弱信號系統(tǒng)中，信號的檢測不那么明顯铺董，需要使用的信號處理技術(shù)巫击。
為了證明這一點，我們再次設置實驗來檢測物體位移的變化。然而坝锰，這一次粹懒，我們使用擴散紙。與鏡子不同顷级，從紙張反射的光在朝多方向散射凫乖，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)動弓颈，并作為模擬信號帽芽。
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恨豁。與鏡子的強反射不同嚣镜，示波器上檢測到的信號與噪聲無法區(qū)分。
但是橘蜜，信號仍然存在菊匿，可以使用鎖相放大器進行恢復。首先计福，我們調(diào)整輸入端增益跌捆。在這種情況下，我們在前端選擇+48 dB的數(shù)字增益象颖。該增益利用數(shù)字信號處理的方法增加了信號的強度佩厚。在此階段，信號和噪聲都增加说订，導致無SNR（信噪比）變化抄瓦。
圖6 為測量弱信號Moku鎖相放大器設置
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陶冷。這個可以通過調(diào)整鎖相放大器中的低通濾波器參數(shù)來完成钙姊。在這種情況下，將濾波器調(diào)整為7 Hz - 剛好高于2 Hz注入信號埂伦。這將從測量中消除盡可能多的噪聲煞额。圖6顯示了Moku鎖相放大器參數(shù)的設置。結(jié)果如圖7所示沾谜。
圖7 Moku鎖相放大器測量的相位信號
我們看到膊毁，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基跑，并且可以通過降低低通濾波器截止頻率來進一步優(yōu)化婚温，從而消除更多噪聲∠狈瘢總之栅螟，該實驗表明通過調(diào)整Moku鎖相放大器的一些關鍵參數(shù)栈顷，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嵌巷，動態(tài)儲備高達100 dB萄凤。同時集成來雙通道示波器和數(shù)據(jù)記錄器，可以高達500 MSa/s采樣率實時觀測信號搪哪，并可以高達1MSa/s速率記錄數(shù)據(jù)靡努。
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（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200 MHz晓折，可調(diào)振幅
· 超快數(shù)據(jù)采集：快照模式高達500 MS/s惑朦，連續(xù)采集高達1MS/s
除了鎖相放大器，Moku:Lab還免費集成了示波器漓概、頻譜分析儀漾月、波形發(fā)生器、相位表胃珍、數(shù)據(jù)記錄器梁肿、激光鎖頻/穩(wěn)頻、PID控制器觅彰、波特分析儀吩蔑、數(shù)字濾波器、任意波形發(fā)生器填抬、FIR濾波器生成器十二個專業(yè)儀器功能于一臺設備烛芬。
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