系統(tǒng)電源噪聲的頻譜分析及其輻射發(fā)射趨勢預測

一、電源平面噪聲的FFT頻譜分析

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

下圖1所示為時域和頻域之間的關系圖：

圖a)為時間、頻率與幅值之間的三維關系。

當單板的輻射發(fā)射能量超過一定的范圍時，通常不能滿足國際規(guī)定的一些輻射發(fā)射標準規(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的高次諧波分量尤其是高速時鐘信號。通常在調試單板的輻射發(fā)射能力時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，則需要在微波暗室中進行試驗測量。有時候在單板生產(chǎn)之前為了粗略的估計單板的輻射發(fā)射強度，也會使用一些頻域仿真軟件如Ansoft HFSS,Siwave等分析軟件來對整個系統(tǒng)或者系統(tǒng)的某一部分進行建模，從而模擬系統(tǒng)的輻射發(fā)射情況，在使用仿真軟件時，準確的輻射發(fā)射源通常很難得到。

事實上，在單板上各種頻率能量對外部空間輻射能量的同時，單板上的電源平面或者地平面也同樣會以某種方式受到這些信號的影響，那么電源噪聲的頻譜中也應該包含或者體現(xiàn)出各種高頻信號的頻譜以及其強度的大小。那么在單板的調試階段，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試——我們可以借助當今高端數(shù)字示波器的長存儲+極快的信號處理速度+強大的FFT分析功能來進行調試。

下圖為某一個電源噪聲的頻譜，在時域里只能看到隨機振蕩的噪聲信號，看不到任何關于時鐘信號的信息，但是對其時域波形進行FFT變換分析，我們可以很清楚的看到某一時鐘信號（下圖2中體現(xiàn)出來的時鐘信號為31MHZ左右）及其諧波分量，而且可以看到其頻譜能量的大致強度（定性值），通常情況下這些諧波能量越強，其對外輻射的能量越強的可能性也越大，如果在單板的改版前后進行一些對比積累分析再加上長期的數(shù)據(jù)積累分析，也許可以得到更加合理的趨勢預測，這里只是一個猜想，提出一個思路。如果能得到一些比較合理的趨勢的話，應該能為我們預測單板的輻射發(fā)射情況提供很大的方便。同時這些數(shù)據(jù)或許還可以用于電磁場仿真軟件中作為輻射發(fā)射源，進一步仿真預測單板和系統(tǒng)的近場和遠場的輻射發(fā)射強度，最終達到在單板制板前就能夠進行預測，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的時鐘信號頻譜及其諧波分量

圖3 電源噪聲頻譜中觀察到的22MHZ時鐘信號頻譜及其諧波分量