DSP(数字信号处理)在高频信号检测中的应用开发

利用约瑟夫森效应获取电磁信号的频谱信息是超导电子学的重要应用之一.为了解决高频信号频谱检测系统数据采集慢、体积庞大的问题,开发了基于DSP芯片的数据采集及处理系统.研究了系统硬件的搭建和相关程序的开发.用其检测98 GHz高频信号,并与HP34401数字万用表采集的结果进行了比较.使得系统更加小型化、集成化、硬件结构简单.     

千兆无源光网络上行光信号特性研究与检测方案

由于千兆无源光网络系统中的上行光信号采用高速突发模式,故对其特性的检测是实现实时光层监测的难点.详细分析了上行光信号的传输特性、帧开销及噪声模型.并在此基础上,设计了一种检测方案,该方案通过高阻抗的前置放大器将信号引出,不影响原系统的正常工作,从而满足了实时检测的需要;通过峰值检波电路将高频突发信号降为低频进行处理,大...     

超导约瑟夫森结在频谱信息检测中的应用

开展了利用超导约瑟夫森效应进行频谱检测的研究。利用小型制冷机得到液氮温区环境,并使探测系统小型化、智能化。利用DSP系统进行数据采集、信号处理及对整个测量系统的控制。改进后的系统检测了约100GHz微波辐照的响应,展示了超导约瑟夫森结在频谱信息检测中的优越性。     

基于光前置放大器的量子密钥分发融合经典通信方案

量子密钥分发融合经典通信方案将连续变量量子密钥分发和经典通信合并到了一起,为将来在现有的光网络上同时进行密钥分发和经典通信提供了一个有效的方法.然而,在量子信号上叠加一个经典信号将会给连续变量量子密钥分发系统引入过噪声从而大大降低系统的性能.本文提出基于光前置放大器的量子密钥分发融合经典通信方案,即在接收端插入光前置放大器来提升系统的性能.首先,在相同比特误码率条件下,光前置放大器对信号的放大能够降低对发送端经典信号调制振幅的要求,从而降低经典信号对量子信号的噪声影响;其次,光前置放大器能够补偿接收端探测器的不完美;再次,对于本地本振光的情形,放大器还能放大弱相位参考脉冲,从而降低参考脉冲散粒噪声带来的相位过噪声.在实际可达到的系统参数下,数值仿真结果表明本文提出的方案相比于原方案在安全密钥率和传输距离上都有很好的提升.这些结果表明本方案为量子密钥分发融合经典通信方案的进一步发展和实际应用提供了一个十分有效而实用的方法.     

基于传感器网络的广域噪声监测技术

设计了一种针对城市环境噪声的广域噪声传感器网络系统,采用微型前置放大器和数字化网络采集仪组成检测系统,完成噪声信号的接收和采集,并通过软件设计完成采集的噪声信号存储、分析、显示及处理,实现了对噪声分布的图像化展示。     

电子器件散粒噪声测试方法研究

本文分析了超导量子干涉器(SQUID)和超导-绝缘-超导(SIS)约瑟夫森结散粒噪声测试方法的应用局限性,提出了常规器件的散粒噪声测试方案.针对常规电子器件散粒噪声特性,研究了噪声测试基本条件,并建立了低温测试系统.通过采用双层屏蔽结构和超低噪声前置放大器,实现了较好的电磁干扰屏蔽和极低的背景噪声.在10 K温度下对常规二极管散粒噪声进行了测试,通过理论和测试结果对比分析,验证了测试系统的准确和可信性. 关键词： 散粒噪声 电子器件 噪声测试     

单光子计数─—弱光信号检测的有力手段

通常,在一些基本的科学研究领域,特别是在某些前沿学科,诸如分子生物学、高分辨率光谱学、表面物理学、非线性光学、束箔光谱学的研究等方面,都会遇到极微弱的光信息的检测问题.这里,光流强度通常比光电倍增管本身的热噪声水平(10-14瓦特)还要弱,以致于一般的直流检测方法已很难从这种噪声水平下检测出信号.因而常将弱光进行交流调制,利用锁相放大器来提取信息.这种方法是靠压缩系统信息带宽的方法来滤去噪声的.但是当噪声与信号有同样的频谱,或者信号是宽频谱时,锁相放大器便无能为力了.另外,由于模拟积分电路漂移的存在,积分时间往往只能…     

串联SQUID和不同圈数Washer输入线圈SQUID的制备与表征（英文）

超导量子干涉放大器常被用于读出微弱的磁通以及电流信号,可以将微弱信号转化成为大的电压信号.但是对于单个超导量子干涉放大器而言,其输出电压太小不能直接与室温放大器相连,我们考虑将相同参数的超导量子干涉放大器串联到一起,使其输出电压足够大并达到可直接与室温放大器连接的要求.我们已经制备并测试了约瑟夫森结,过阻尼约瑟夫森结,不同输入线圈的单个超导量子干涉放大器以及既有调制线圈又有反馈线圈的串联超导量子干涉放大器,获得了较好的伏安特性曲线,调制曲线以及将调制曲线进行傅里叶变换后的幅频特性曲线.通过分析约瑟夫森结的伏安特性曲线可知我们的制备工艺流程比较稳定.制备与测试超导量子干涉放大器对于以后将其应用于读出微弱信号领域具有重要的意义.     

基于数字锁相放大技术的强噪声背景下检测微弱信号教学实验

介绍了锁相放大技术在噪声背景下检测微弱交流信号的原理,研制出结合锁相放大器使用的微弱信号检测教学设备及其实验系统.利用OE1022型锁相放大器进行噪声中微弱交流信号测量实验,验证该系统功能.实验结果表明:使用该实验系统可以准确检测淹没在有效值比自身高104的白噪声中的微伏级交流信号.     

滤波器与随机共振结合检测微弱信号

基于双稳随机共振系统及滤波器的不同特性,本文提出了一种将两者结合起来检测微弱周期信号的方法,先用自适应前置滤波器对输入的弱周期信号及噪声进行滤波,再使其通过双稳随机共振系统,进而检测出弱信号。对比只有双稳随机共振的系统,仿真结果表明此时的输出信号中待测信号频谱幅度得到了很大的提高,且周围的干扰信号也得到了明显的削弱,即两者的结合使用可以更好的检测出微弱信号,这对强噪声背景下的信号检测有很强的实用性。     

Noise figure characterization of preamplifiers at NMR frequencies

A method for characterizing the noise figure of preamplifiers at NMR frequencies is presented. The noise figure of preamplifiers as used for NMR and MRI detection varies with source impedance and with the operating frequency. Therefore, to characterize a preamplifier's noise behavior, it is necessary to perform noise measurements at the targeted frequency while varying the source impedance with high accuracy. At high radiofrequencies, such impedance variation is typically achieved with transmission-line tuners, which however are not available for the relatively low range of typical NMR frequencies. To solve this issue, this work describes an alternative approach that relies on lumped-element circuits for impedance manipulation. It is shown that, using a fixed-impedance noise source and suitable ENR correction, this approach permits noise figure characterization for NMR and MRI purposes. The method is demonstrated for two preamplifiers, a generic BF998 MOSFET module and an MRI-dedicated, integrated preamplifier, which were both studied at 128MHz, i.e., at the Larmor frequency of protons at 3 Tesla. Variations in noise figure of 0.01dB or less over repeated measurements reflect high precision even for small noise figures in the order of 0.4dB. For validation, large sets of measured noise figure values are shown to be consistent with the general noise-parameter model of linear two-ports. Finally, the measured noise characteristics of the superior preamplifier are illustrated by SNR measurements in MRI data.     

高场核磁共振波谱仪宽带前置放大器的研制

宽带前置放大器是磁共振仪器的重要部件,其性能决定了整个仪器X核通道的检测灵敏度. 根据射频电路理论以及磁共振波谱仪整体性能指标的要求,设计并实现了可应用于高场核磁共振波谱仪的高性能宽带前置放大器. 实测结果表明,所研制的核磁共振波谱仪宽带前置放大器在15 MHz~300 MHz频率范围内,其工作性能达到：带内增益>38 dB,带内平坦度<1.5 dB,噪声系数基本保持在1.2 dB以下,射频开关切换时间<1.5 μs,具有带内增益平坦度高,噪声系数小,发射状态下放大器前端保护电路隔离度高,以及工作状态检测电路准确、简洁的特点. 同时高场核磁共振碳和磷等杂核实验显示,利用所研制的宽带前置放大器可检测到具有较高信噪比的NMR信号.     

基于ARM和CPLD的NMR谱仪前放控制设计

提出了一种基于ARM（Advanced RISC Machine,先进精简指令计算机）和CPLD（Complex Programmable Logic Device, 复杂可编程逻辑器件）的NMR（Nuclear Magnetic Resonance,核磁共振）谱仪前放控制系统设计方案. 该控制系统以ARM为控制核心、 CPLD为控制命令执行单元, 控制前置放大器和混频器的工作状态. 本电路包括以下主要功能：1) 前置放大器收发切换的门控信号电平转换;2) 氘梯度匀场时身频通道自动切换;3) 探头调谐的信息显示;4) 锁前放和混频器的配置. 该设计方案具有系统运行速度高、 控制灵活和成本低的优点,并且可以有效减小系统噪声,降低控制部件对前置放大器和混频器的干扰.     

极低温散粒噪声测试系统及隧道结噪声测量

介观体系输运过程中载流子的离散性导致了散粒噪声.通过测量散粒噪声可以得到传统的基于时间平均值的电导测量无法得到的随时间涨落信息,因而作为一种重要手段在极低温量子输运研究中得到了一定的应用.极低温环境下的噪声测量是一种难度很大的极端条件下的微弱信号测量,通常需要在低温端安装前置放大器并且尽量靠近待测器件以提高测量信噪比和带宽,因此对放大器的噪声水平和功耗都有严格的要求.提出了在稀释制冷机内搭建的散粒噪声测量系统,以及利用此套系统得到了在mK温区超导隧道结散粒噪声的测量结果.自行研制的高电子迁移率晶体管低温前置放大器采用整体封装,便于安装在商用干式稀释制冷机的4 K温区,本底电压噪声为0.25 nV/√Hz,功耗仅为0.754 mW.通过对隧道结进行散粒噪声测量,得到的Fano因子和理论计算吻合.     

一种新型低噪声大动态范围小型前端电路的研制

设计了一款小型化、低噪声、大动态范围的前端处理电路,包括电荷灵敏前放、成形放大电路、单道脉冲幅度分析电路。前放的等效输入噪声≤1.5 keV,动态范围可达0~11 V,积分非线性 ≤0.11%。该电路为模块化电路,当前放与主放模块构成系统时,其分辨可以达到0.12%。当前放、主放模块与中国科学院近代物理研究所制作的离子注入型硅探测器构成系统时,采用239Pu 源进行测试,测得在5.157 MeV时的能量分辨约为0.82%;当主放、单道脉冲幅度分析模块与中国科学院近代物理研究所制作的碘化铯晶体探测器构成系统时,采用60Co 源进行测试,对于能量为1.332 MeV 的 射线,测得其能量分辨约为7.9%。该电路可用于半导体探测器、光电倍增管及电子倍增器等探测器信号的处理。目前,小型前端电路已经应用于中国科学院近代物理研究所自行研制的便携式盐湖卤水铀、钍、钾快速测量仪的原型样机,达到了预期效果。A small dimension front-end circuit with low noise and wide output dynamic range is introduced in this paper. The front-end circuit is made up of a charge sensitive preamplifier, a shaping circuit and a single channel pulse height analyzer. The equivalent input noise is under 1.5 keV. The output integral nonlinearity is less than 0.11% within the dynamic range of 011 V. And the circuit can be suitable for different conditions by different modules. The resolution was about 0.12% with the charge sensitive preamplifier and the main amplifier. The energy resolution of 0.82% was achieved for 5.157 MeV -rays from a 239Pu source with the charge sensitive preamplifier, the main amplifier and anion-injection silicon detector designed by the Institute of Modern Physics(IMP). An energy resolution of 7.9% was achieved for 1.332 MeV rays from a stationary 60Co source with the main amplifier, the single channel pulse height analyzer and a CsI scintillator detector designed by the IMP. The front-end circuit has the features of wide output dynamic range, simple structure, high level of integration,small dimensions, low noise, fast rise time of the output pulse and excellent stability. The front-end circuit can be applied to signal processing of semiconductor detectors, photomultiplier tubes and electrons multiplier. And the front-end circuit had been applied to a prototype of the portable rapid measuring instrument designed by IMP for measuring Uranium, Thorium and Potassium in the salt lake brine with goodtest result.     

Sensitive signal detection using a feed-forward oscillator network

We present the results of an experimental investigation of a network of nonlinear coupled oscillators which are coupled in feed-forward mode. By exploiting the nonlinear response of each oscillator near its intrinsic Hopf bifurcation point, we have found remarkable amplification of small signals over a narrow bandwidth with a large dynamic range. The effect is exploited to extract a small amplitude periodic signal from an input time series which is dominated by noise. Specifically, we have used this relatively simple experimental system to measure responses with a bandwidth of approximately 1% of the central frequency, amplifications of approximately 60 dB, and a dynamic range of approximately 80 dB and can extract signals from a time series with a signal to noise ratio of approximately -50 dB.     

Performance of a dual-stage semiconductor laser amplifier for optical transmission repeater system

The performance of a dual-stage semiconductor laser amplifier consisting of a preamplifier and a power amplifier is evaluated theoretically and experimentally. The dual-stage optical amplifier can offer high-gain amplification with low noise figure by using a low-noise amplifier as a preamplifier. Using the dual-stage amplifier, 2.4 Gbits^–1 193 km optical fibre transmission was demonstrated. In addition, by applying an automatic power control system to the dual-stage amplifier, output power stabilization with wide dynamic range was obtained.     

CMOS图像传感器时间域噪声分析及其应用研究

针对目前CMOS探测器的噪声研究绝大部分采取频率域的分析方法,所得的结果对于实际的探测器应用指导性不强。从时间域出发,构建了全新的探测器噪声模型,分析了在探测器的不同工作时期内噪声量大小同时间的关系。给出了探测器工作时序的优化准则,积分时间越长,系统的信噪比增加,输出信号电压值增大,等效输入端信噪比不变,系统的动态范围减小;复位时间越短,输出噪声量越小,但是图像的滞后效应也就越严重,在对弱小目标进行成像时应该尽可能地减少复位时间,增大积分时间,对于亮目标成像,应该增大复位时间,减少积分时间。     

两路输入前置光放大星间微波光子链路优化

考虑到星间微波光子链路传输损耗大且多路微波信号之间交调干扰严重,利用前置光放大来提高链路的信号噪声失真比RSNDR。建立了两路输入前置光放大星间微波光子链路模型,推导出了RSNDR的解析表达式。通过优化马赫-曾德尔调制器的直流偏置相移,使得在给定输入射频信号功率条件下RSNDR最大,并进一步分析了前置光放大器参数对最优直流偏置相移和RSNDR的影响。仿真结果表明,前置光放大改变了影响RSNDR的主要因素,使信号放大的倍数大于噪声和三阶交调(IM3)放大的倍数,从而提高了链路的RSNDR。当前置光放大器增益为20dB、噪声系数为3dB时,最优的RSNDR比不加前置光放大器时提高24dB。前置光放大器增益和噪声系数对最优的RSNDR影响很大,而对最优的直流偏置相移几乎无影响。     

基于门控积分的光电导探测器标定方法

 为了用同步辐射光源完成对光电导探测器的标定工作，用门控积分方法代替基于高性能宽带示波器的高灵敏测量系统，改进了前端放大器，带宽达到了2.9 GHz，改进后的门控积分系统灵敏度达到2.8×10^-18 C/bit。在北京同步辐射装置进行了金刚石探测器的灵敏度动态标定实验，针对碳、铝、镍、铁多种薄滤波片进行了测量，获得了具有比较好的信噪比结果。从试验结果可以初步得出样品探测器在长波段响应（50～280 eV）比较灵敏，在原理上验证了这种方法的可行性。