系統(tǒng)電源噪聲的頻譜分析及其輻射發(fā)射趨勢(shì)預(yù)測(cè)

一、電源平面噪聲的FFT頻譜分析

信號(hào)的FFT變換主要用于得到信號(hào)的頻譜圖，以便分析信號(hào)的頻域特征，在頻域里分析信號(hào)有利于觀察到更多更精確的信號(hào)本質(zhì)特征，如信號(hào)的諧波、信號(hào)的相位變化等。

下圖1所示為時(shí)域和頻域之間的關(guān)系圖：

圖a)為時(shí)間、頻率與幅值之間的三維關(guān)系。

當(dāng)單板的輻射發(fā)射能量超過(guò)一定的范圍時(shí)，通常不能滿足國(guó)際規(guī)定的一些輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如CALSS A和CLASS B等。輻射源主要來(lái)自于單板上的高速信號(hào)的高次諧波分量尤其是高速時(shí)鐘信號(hào)。通常在調(diào)試單板的輻射發(fā)射能力時(shí)需要使用很多頻域的儀器，如EMSCAN、頻譜分析儀等，如需要更加精確的得到單板輻射發(fā)射能力的定量指標(biāo)，則需要在微波暗室中進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。有時(shí)候在單板生產(chǎn)之前為了粗略的估計(jì)單板的輻射發(fā)射強(qiáng)度，也會(huì)使用一些頻域仿真軟件如Ansoft HFSS,Siwave等分析軟件來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)或者系統(tǒng)的某一部分進(jìn)行建模，從而模擬系統(tǒng)的輻射發(fā)射情況，在使用仿真軟件時(shí)，準(zhǔn)確的輻射發(fā)射源通常很難得到。

事實(shí)上，在單板上各種頻率能量對(duì)外部空間輻射能量的同時(shí)，單板上的電源平面或者地平面也同樣會(huì)以某種方式受到這些信號(hào)的影響，那么電源噪聲的頻譜中也應(yīng)該包含或者體現(xiàn)出各種高頻信號(hào)的頻譜以及其強(qiáng)度的大小。那么在單板的調(diào)試階段，我們是否可以通過(guò)分析電源噪聲的頻譜來(lái)粗略的定性的分析各種頻點(diǎn)可能的輻射發(fā)射能量的大小呢？如果這種方法具有一定的可行性的話，那么將大大方便我們的調(diào)試——我們可以借助當(dāng)今高端數(shù)字示波器的長(zhǎng)存儲(chǔ)+極快的信號(hào)處理速度+強(qiáng)大的FFT分析功能來(lái)進(jìn)行調(diào)試。

下圖為某一個(gè)電源噪聲的頻譜，在時(shí)域里只能看到隨機(jī)振蕩的噪聲信號(hào)，看不到任何關(guān)于時(shí)鐘信號(hào)的信息，但是對(duì)其時(shí)域波形進(jìn)行FFT變換分析，我們可以很清楚的看到某一時(shí)鐘信號(hào)（下圖2中體現(xiàn)出來(lái)的時(shí)鐘信號(hào)為31MHZ左右）及其諧波分量，而且可以看到其頻譜能量的大致強(qiáng)度（定性值），通常情況下這些諧波能量越強(qiáng)，其對(duì)外輻射的能量越強(qiáng)的可能性也越大，如果在單板的改版前后進(jìn)行一些對(duì)比積累分析再加上長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累分析，也許可以得到更加合理的趨勢(shì)預(yù)測(cè)，這里只是一個(gè)猜想，提出一個(gè)思路。如果能得到一些比較合理的趨勢(shì)的話，應(yīng)該能為我們預(yù)測(cè)單板的輻射發(fā)射情況提供很大的方便。同時(shí)這些數(shù)據(jù)或許還可以用于電磁場(chǎng)仿真軟件中作為輻射發(fā)射源，進(jìn)一步仿真預(yù)測(cè)單板和系統(tǒng)的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射發(fā)射強(qiáng)度，最終達(dá)到在單板制板前就能夠進(jìn)行預(yù)測(cè)，這樣就可以為節(jié)省成本、縮短研發(fā)周期。

圖2 電源噪聲頻譜中觀察到的31MHZ的時(shí)鐘信號(hào)頻譜及其諧波分量

圖3 電源噪聲頻譜中觀察到的22MHZ時(shí)鐘信號(hào)頻譜及其諧波分量