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，我們是否可以通過分析電源噪聲的頻譜來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