微弱信号检测的ADC技术应用浅析

在医学、生物学、天文学等领域，常常需要对微弱信号进行检测，以获取更多有用的未知信息。这种有用的信号常见的如化学分子、光谱、温湿度等。由于信号本身的微弱或者是深埋在强大的背景噪声里，需要用一些特殊的手段、技术才能检测到。随着技术的不断纵深化，检测技术得到快速发展，且层出不穷。在这些技术中，以同步累加压缩带宽获取高信噪比最为常见，应用也最为广泛。

在前期，同步累加通过模拟积分器来实现。数码相机的CCD （Charge-Coupled Device）就是很好的模拟积分器，从其直接得到最终的有用信号。不过，随着计算机技术的快速发展，这种技术直接用全数字的方法就可以实现。模拟数字转换器ADC （Analog-Digital Converter ）是连接模拟技术和数字技术的桥梁，所以它在同步采样累加这种微弱信号的检测技术中起着重要的作用。

微弱信号检测就是把信号从噪声中提取出来，而采用一种方法来提高信噪比，则是检测的有效途径。在数字技术中，模拟数字转换器ADC的比特数，即ADC的分辨率提高可以有效地改善检测信号的信噪比，直接增加ADC的分辨率可以检测更为微弱的信号[1]。但是，如果通过增加ADC的比特数来增加检测信号的信噪比，一方面会减小处理带宽；另外一方面也会增加技术成本。所以从ADC技术层面来看，在不增加ADC的位数的情况下，采用抖动技术（dithering）与过采样和平均技术（Over-sampling and Averaging）可以有效地提高信噪比。

2 ADC技术在微弱信号检测中的应用

微弱信号检测，从广义来讲，就是从背景噪声中提

微弱信号检测的ADC技术应用浅析

夏淑丽

中国矿业大学信电学院 江苏徐州 221116 徐州工业职业技术学院 江苏徐州 221006

摘 要 在微弱信号检测中，以提高检测信号的信噪比来获取有用信号。重点介绍ADC在微弱信号检测中提高检测手段的2种技术——抖动技术与过采样和平均技术，并做简单总结。关键词 微弱信号检测；同步累加；ADC；抖动技术

中图分类号：TN911.23 文献标识码：A 文章编号：1671-4X（2008）22-0098-03

Brief Analysis of ADC Technique’s Application in Weak Signal Detection //Xia Shuli

Abstract In the weak signal detection, it is useful to gain the wanted signals by enhancing the signal-to-noise ratio. This article puts emphasis on two kinds of technologies that ADC used to promote the examination method in the weak signal detection: The vibration technology and the sampling and the average technology. There is a simple summary in the end.

Key words weak signal detection；synchronization to accumulate；ADC；vibration technology Author’s address

1 School of Information and Electrical Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221116

2 Xuzhou College of Industrial Technology, Xuzhou, Jiangsu 221006

取有用的信号。同步采样累加技术就是通过对采样信号进行累加和平均，以压缩带宽的方式减小噪声的分量，提高信噪比，以达到检测信号的目的[1]。ADC技术在这方面的运用有2个很重要的指标，一个是比特数，即ADC的分辨率；另一个是动态范围，也就是最大可实现的信噪比。这2个指标的关系式[2]：

（dB）

其中，

DR 为ADC的动态范围，max )(N

S

为最大的信噪比，B 为ADC的有效比特数。增加ADC的比特数，可以增加检测信号的信噪比，且ADC每增加1比特，信噪比就增加6 dB。

下面介绍在不增加ADC物理的比特数情况下，提高信噪比的两种技术：1）抖动技术；2）过采样和平均技术。

2.1 抖动（dithering）技术

2.1 抖动（dithering）技术 如果一个信号或者其自身的变化量，小于ADC最小的量化单位q，一般无法检测到信号或信号的变化部分。比如一个幅度为0.1微伏量级的信号通过最小的量化单位q为微伏量级的ADC，是无法得出正确的结果的。

在不增加ADC的位数的情况下，在输入信号中掺入一定幅度的随机噪声，可以正确检测到这种微弱信号的。具体过程为：首先，在检测的信号中加入一定幅度的随机噪声，使得这个微弱信号至少能在2个相邻的量化台阶间随机起伏；然后对ADC的输出进行有限次数的累加平均，便可以检测到这个微弱的信号。这种通过掺入随机噪声使得微小信号可检测的技术称之为噪声抖动技术。

噪声抖动技术，其实质在于通过这种噪声的随机起

伏，提高ADC的测量比特数，改善ADC的测量信噪比，简单的原理可以通过图1所示ADC的直方图来说明。

假设信号s (t )为)sin()(10t A A t s ω⋅+=，其中正弦信号的峰—峰值为2A 1，且小于N比特 ADC最小的量化单位q，则其输出可以为图1中（a）所示，ADC输出码N对应A 0，正弦信号的峰—峰值因小于ADC最小的量化单位q 而被忽略，不能被正确检测。

如果在信号输入端掺入一定幅度的随机噪声，使得正弦信号能在ADC的量化台阶之间随机起伏，则此刻ADC 的输出码如图1（b）所示。在ADC中的N-2、N-1、N+1、N+2码有对应的输出，是因为加入的随机噪声抖动的缘故。这种由于噪声抖动引起ADC输出码N附近也有输出，等效于不加噪声时的信号s(t )通过一个M-bit的ADC(M>N)产生的效果，如图1（c）所示。这就说明正是噪声的抖动增加了ADC的测量分辨率。

噪声抖动技术特点：1)提高ADC测量分辨率和动态范围；2)抑制信号的谐波干扰。

不仅噪声抖动可以提高ADC检测微弱信号的能力，微弱信号叠加上一个大信号，同样也可以检测到，这种技术被称之为“大信号抖动”技术，原理跟噪声抖动类似，就不重复说明。过采样和平均技术2.2 过采样和平均技术 顾名思义，过采样和平均技术就是通过提高ADC的采样速率，并对ADC的输出进行累加平均，以达到提高信噪比的目的。简单的原理借用图2来加以说明。

在图2中，如果把一个N比特的ADC采样速率提高为原来的4W 倍，并对ADC的输出结果，每隔4W 个采样进行累加平均一次，再输出。这样就可以把ADC的比特数从原来的N比特提高到N+W比特，有效地提高信噪比。

在图2中，ADC的采样速率为4W f s ，经过4W 个采样进行累加平均后，其数据的流量降为f s 。这样可以把采样速率为4W f s 的N比特的ADC，等效为采样速率为的f s N+W比特的ADC。ADC的物理比特数为N比特，实际的处理比特数提高W比特，信噪比改善6W dB。

这个过程的具体推导比较复杂，已经超出本文的范围，就不再详述。

采用过采样和平均技术，可以提高ADC的有效处理的比特数，不过这种技术是在一定的条件下才适用，也就是在信号输入端的等效噪声或是认为加入的噪声应该是：1）白噪声或接近于白噪声；2）噪声幅度

不能小于ADC的量化噪声；3）噪声的峰—峰值要使得信号至

少能在ADC的2个量化台阶之间随机起伏。

3 结束语

抖动技术和过采样技术在微弱信号检测中的应用，

图2 过采样和平均技术原理图

第 22 期

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陆扬：无线局域网技术在高校教学中的应用

1 引言

目前，随着成本的降低，大量便携式计算机开始进入高校校园，高校师生成为笔记本电脑的重要拥有人群，他们对在校园内能随时随地接入互联网的需求也越来越高。那么，在教室、实验室、办公区等场合如何突破网络节点，实现多人同时上网呢? 这些传统有线校园网的瓶颈问题，可以通过无线局域网技术轻松解决，从而满足师生员工随时随地无障碍获取信息的需求。

2 无线局域网概述

无线局域网( Wireless LAN，简称WLAN)，利用电磁波在空中发送和接受数据，不需要物理线缆连接，通过无线电波实现计算机网络，减少了电缆连接，增加了网络适应性和网络接入的地域性，扩充了网络应用的可能性。无线局域网是在有线局域网的基础上，通过无线访问节点的无线信号发射接受器( Access Point，简称AP)、无线网卡等设备实现的无线网络通信。无线电波在空中进行传播，只要在AP信号覆盖的范围内，所有的无线终端都可以接收到无线信号。AP主要的功能是将有线网络信号转换为无线网络信号并发送传播。

无线网络的优势在于：采用无线联网技术，具有高度的空间自由性和网络灵活性，避免了大规模铺设网线，有效地削减了施工费用，并且建设周期很短，可以作为有线网络的重要补充和备份。

3 无线局域网在高校教学中的应用和管理

目前，成熟的无线局域网技术以其安装布线灵活、区域重构快速、移动服务用户等多方面优越性广泛应用于高校的教学工作。

方便教师实现小组移动教学3.1 方便教师实现小组移动教学 现在教学正在逐渐推广应用小组合作学习，这种教学模式可以更好地满足学无线局域网技术在高校教学中的应用

陆扬

淮海工学院现代教育技术中心 江苏连云港 222005

摘 要 简要介绍无线局域网技术的特点，通过对高校校园网及其用户进行分析，提出无线局域网技术在高校教学中的具体应用。

关键词 无线局域网；高校校园网；应用

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1671-4X（2008）22-0100-01

生协作学习和个别学习的需要，对提高教学质量有一定的促进作用。但是，小组合作学习也无可避免地带来教育成本的提高。把无线局域网技术引入到多媒体教室之中，利用设备便于移动、学生可以任意组合、灵活方便的特点，教师可以很方便地统筹组织不同规模、不同方式的教学活动，不受地组织小组合作学习，从而提高教育质量和教育资源的利用率。每个小组的成员之间或小组之间可以进行合作探索学习，真正实现真实世界与数字化虚拟世界高度融合，使得学习活动既立足于课堂，又走出课堂，从而提高教师与学生、学生与学生之间的交互性。

学生利用无线局域网技术实现随时随地学习3.2 学生利用无线局域网技术实现随时随地学习 对于学习者个人来说，无线局域网技术为学生的自习提供了一个方便查询资料的网络环境。学习者可以在无线网络覆盖的范围内随意检索图书馆的网上资料、服务器的教案、寝室电脑里的作业等。同时也方便学生访问校园网教学课件等内容，实现网络教学。

安全问题 3.3 无线局域网在高校的教学中有极大的应用前景，但在实际使用时仍然要注意安全问题。一般来说，无线比有线的安全性要差，这是因为信号传达和接受是以无线电波为媒介的，具有弥散的特点，信号难以和控制，发射的数据可能到达预期之外的地方。这在很大程度上增加了黑客入侵的几率，因为原则上任何人都可以在一定范围内通过无线网络接入互联网。使用时可以采取身份认证策略和动态密钥管理以加强管理，利用有关设备加强对入侵者的网络监测，发现未经授权的接入点，并根据需要阻止或断掉客户机。

总之，无线局域网技术通过合理的运用可以更好地改善高校教学工作的开展，是高校有线局域网的有益补充。

都是以提高ADC的有效比特数为目的，其实质就是提高检测信号的信噪比，从而检测出微弱信号。近几年，ADC 本身的性能不管是分辨率还是工作带宽，都得到的长足

发展。这些性能的提高，有效结合抖动技术和过采样技术，将使检测到更加微弱的有用信号变为现实，这2种技术在微弱信号检测技术中将发挥更为重要的作用。

参考文献

[1]高占晋.微弱信号检测[M].北京:清华大学出版社,2004:103,132[2]Tsui J.宽带数字接收机[M].北京:电子工业出版社,2002:165