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系统电源噪声的频谱分析及其辐射发射趋势预测

                                                                          胡为东  美国力科公司上海代表处       

【摘要】

本文介绍了力科示波器在对信号的处理运算以及FFT分析方面的一些特点，并尝试通过对电源噪声的频谱分析来分析系统在各频段可能的辐射发射变化趋势，为定性查找潜在的辐射发射源提供参考。

【关键词】

FFT   辐射发射 Lecroy   频谱

一、电源平面噪声的FFT频谱分析

 信号的FFT变换主要用于得到信号的频谱图，以便分析信号的频域特征，在频域里分析信号有利于观察到更多更精确的信号本质特征，如信号的谐波、信号的相位变化等。

下图1所示为时域和频域之间的关系图：

           图b)为时域图。    图c)为频域图，其中每条线代表了一个正弦波。 图1 时域与频域之间的转换关系图 

 当单板的辐射发射能量超过一定的范围时，通常不能满足国际规定的一些辐射发射标准规定，如CALSS A和CLASS B等。辐射源主要来自于单板上的高速信号的高次谐波分量尤其是高速时钟信号。通常在调试单板的辐射发射能力时需要使用很多频域的仪器，如EMSCAN、频谱分析仪等，如需要更加精确的得到单板辐射发射能力的定量指标，则需要在微波暗室中进行试验测量。有时候在单板生产之前为了粗略的估计单板的辐射发射强度，也会使用一些频域仿真软件如Ansoft HFSS,Siwave等分析软件来对整个系统或者系统的某一部分进行建模，从而模拟系统的辐射发射情况，在使用仿真软件时，准确的辐射发射源通常很难得到。

 事实上，在单板上各种频率能量对外部空间辐射能量的同时，单板上的电源平面或者地平面也同样会以某种方式受到这些信号的影响，那么电源噪声的频谱中也应该包含或者体现出各种高频信号的频谱以及其强度的大小。那么在单板的调试阶段，我们是否可以通过分析电源噪声的频谱来粗略的定性的分析各种频点可能的辐射发射能量的大小呢？如果这种方法具有一定的可行性的话，那么将大大方便我们的调试——我们可以借助当今高端数字示波器的长存储+极快的信号处理速度+强大的FFT分析功能来进行调试。

下图为某一个电源噪声的频谱，在时域里只能看到随机振荡的噪声信号，看不到任何关于时钟信号的信息，但是对其时域波形进行FFT变换分析，我们可以很清楚的看到某一时钟信号（下图2中体现出来的时钟信号为31MHZ左右）及其谐波分量，而且可以看到其频谱能量的大致强度（定性值），通常情况下这些谐波能量越强，其对外辐射的能量越强的可能性也越大，如果在单板的改版前后进行一些对比积累分析再加上长期的数据积累分析，也许可以得到更加合理的趋势预测，这里只是一个猜想，提出一个思路。如果能得到一些比较合理的趋势的话，应该能为我们预测单板的辐射发射情况提供很大的方便。同时这些数据或许还可以用于电磁场仿真软件中作为辐射发射源，进一步仿真预测单板和系统的近场和远场的辐射发射强度，最终达到在单板制板前就能够进行预测，这样就可以为节省成本、缩短研发周期。

        图2 电源噪声频谱中观察到的31MHZ的时钟信号频谱及其谐波分量

                图3 电源噪声频谱中观察到的22MHZ时钟信号频谱及其谐波分量 

       若要得到更低频率的频谱以及以更高的分辨率进行观察，则需要示波器有能力分析很长的数据以及以更高的采样率进行采样，另外当示波器在长存储高采样状态下进行FFT分析，示波器的速度将会受到很大的影响。当前Lecroy新出的WP 7 ZI以及WM 8 ZI系列示波器凭借顶级的CPU（四核）硬件系统以及64位Vista操作系统，再加上Lecroy独有的XstreamII信号处理技术，使得其在长存储数据处理方面速度优势非常明显，对100MS甚至更长的数据进行FFT运算只需要数秒的时间。

二、力科示波器在FFT分析方面的特点

1、最长的可分析存储深度

 为了观察到较低频段的信号频谱以及得到较高的频谱分辨率，需要采集足够多的数据进行FFT分析。那么是不是采集存储深度越深，用于FFT分析的数据就越多呢？其实情况并非如此，很多示波器可用于FFT运算的点数是有一定的限制的，也就是说虽然能够采集到很多数据，但是只有一部分可以真正的用于FFT运算，通常把能够真正用于运算的最大数据存储深度叫做可分析存储深度。当然，对于需要用第三方软件来处理数据而只需要借助示波器来捕获的话，更大的采集内存能够提供更多的采集数据，也就是说采集内存深度在此时才更有意义。力科示波器的最大采集存储深度即为最大可分析存储深度，最长可达到512MS的可分析存储深度。

2、可以提供更高的采样率

Lecroy新出的WP 7 ZI系列示波器可以提供在同类别示波器中最高的采样率，可达40GS/S；WM 8 ZI系列示波器则可以提供高达80GS/S的采样率。

对于100MS甚至更深的数据量进行FFT运算通常只需要数秒的时间；对于100MS的数据进行眼图测试，通常也只需20秒左右的时间。

4、非常便捷的高级频谱分析仪选件

Lecroy的最新款示波器WP760 ZI新增了一个频谱分析仪选件，该选件的操作界面非常类似于R&S等频谱仪，可以很便捷的设定center frequency、span范围等，且可以实时显示峰值点的频率值及对应幅度值大小，操作起来非常方便简洁，界面如下图4所示： 

                 图4  Lecroy WP760ZI新增的频谱分析仪选件

下图5为某一系统的辐射发射结果图，我们看到在低频段（30MHZ-70MHZ范围以内）能量有点超标：

           图5 某系统的辐射发射图

测得相应电源平面上的电源噪声频谱为：

             图6 某系统的电源噪声频谱图

     从电源的FFT频谱分析图上可以比较明显的看到，确实在低频段30MHZ左右出现明显的峰值，和实际的辐射发射测试结果确有一定的对应关系。