功率谱密度与FFT:噪声分析的视角
关键的外卖
FFT离散噪声样本自相关函数的提醒随机随机信号的因果关系。
噪音的两个不同的频率可以有相同的PDF,但PSD将是不同的。
噪声PSD的计算给出了归一化频率分布噪声的能力,帮助设计师修改电路设计,布局和结构降噪。
频域分析说明了噪声的控制系统输出的频率。
我记得“噪音”的来源在几年前我参加了一个音乐类。我试图鼓励我唱歌的本能,但是每次我试着,我与我的歌手同步。这是一个提醒的声音完全可以毁了一个过程的结果。这的确是一个尴尬的经历,我自愿退出音乐实践。早期识别噪声源和步骤来取消对系统输出的影响是非常重要的在电路设计和分析。随机噪声的能力降低了电路的性能和最终会损害产品在市场上的声誉。
噪声功率谱密度(PSD)分析是一种强大的工具识别电路的谐波和电磁排放。PSD表明噪音信号的力量分布在频率。测量噪声在时域和转换成频域就像从散装大量未经处理的数据中提取有用的信息。的描述噪声PSD分析利用快速傅里叶变换(FFT)的离散噪声信号的自相关函数。
FFT方法是有效地估计噪声占主导地位的光谱信息的权力。噪声分布的估计通过PSD分析帮助硬件工程师调整电路设计,系统的工作原理下满意地指定感兴趣的带宽。让我们探索PSD分析及其贡献让我们多氯联苯那么容易受到噪音。我们将从frequency-based分类的噪音。
噪声类型的概述
噪声的电路可以产生的内部和外部。噪声信号叠加到电路电源,接地线,开关或其他设备。系统的工作温度也传播噪声热噪声。基于频谱,噪声可以分为:
宽带噪声:一个广泛的振幅和频率成分存在于这种类型的噪音。
脉冲噪声:两边的大幅上涨,指数衰减频带。断断续续的,很难检测和分析。
Frequency-specific噪音:这种类型的噪声特征是恒定频率和噪声幅度依赖于距离的影响从噪声源位置。
现在,我们看到了各种频率噪声的存在,让我们来看看条款描述噪声。
解释概率密度函数❲PDF❳, PSD和功率谱
在同一时间或另一个,说我们都是安全连接电压探针在我们手指DSO屏幕上观察波形。每一次,观察到的噪声信号在幅度和形状不同。这表明噪声的不确定的性质,以及它是如何难以预测其影响系统电压或电流在考虑。但是,这并不意味着我们不得不离开噪音无人值守。
噪声消除过程始于抽样随机噪声信号的系统。噪声幅度直方图是一个很好的近似方法,给出了系统中各种噪声振幅的可能性。概率密度函数(PDF)是普遍的所有这类系统中的噪声直方图。下的面积PDF的概率是所有可能的噪声振幅和总是一个统一的价值。从PDF功能,我们可以计算均值,方差,标准差的噪声样本。PDF估计噪声的平均功率,但其频率分布无关。然而,我们的降噪的任务是集中在抑制噪声振幅测量某些频率的输出量。
PSD表达式提供了一种简化的解决方案通过提供平稳噪声的信号功率分布频率。PDF描述随机噪声而PSD的行为给出了谐波噪音信号的信息。PSD,用S❲f❳连续和离散时间信号的x❲t❳可以给出:
当我们限制了PSD在一定频率范围内,ω1对ω2——它给的功率谱频率带宽,可以来源于PSD格式如下:
PSD的概念是一个潜在的方面提高信噪比(信噪比)电路的性能。
自相关函数展开的二分法和FFT功率谱密度
PSD的离散噪声信号的FFT的自相关函数R (k)。
从上面的讨论,我们知道PSD给出了噪声权力❲W❳❲赫兹❳与频率。噪音的抽样巩固噪声振幅出现在足够的时间和转换分析从连续到离散时间域。对于离散时间信号,FFT计算是最方便的工具光谱噪声功率分布。然而,我们去FFT计算FFT的自相关函数,而不是直接离散噪声信号。为什么! ?
我们为什么要这样做?因为等随机随机信号的噪声,过去和现在值统计分析来预测未来的事件。相关函数是一个统计函数,调查两个随机函数之间的相似性。当我们测量随机离散函数的相似性与自身x❲n❳vs x❲n - k❳,相关函数变成一个自相关函数。自相关函数是最好的统计量来表示因果关系的随机噪声信号,因此,找到在PSD计算。自相关函数R (k)降低总平均噪声功率当我们测量x❲n❳本身的相似性,我。e,将k = 0。
迈向Noise-Compatible电路设计
噪声服从是一种竞争激烈的电子产品市场的基准。例如,开发、设计和制造阶段的电子电路应符合IEC 61000系列标准减少电磁辐射的影响。热噪声等噪声、波动、EMI、RFI、相声等是不可避免的,他们中断或扭曲电路信号。疏忽或延迟在敏感噪声对策控制系统甚至可以导致临时关闭过程。电路设计的一般规则是采用噪声幅度范围和频率范围中描述的产品标准IEC或CISPR实现噪声设备兼容。
噪声信号的乏味任务与PSD分析可以更容易识别。认识到噪音拥挤在特定频率或带宽从PSD情节完全停止了噪声在不同电路网络的猜测。PSD曲线绘制在尖峰电流和电压可以隔离噪音的频率在瞬态和稳态操作的设备。的位置电容器,电源和其他在电路交换设备能引起信号干扰和PSD情节可以帮助优化董事会结构和布局。它可以起到至关重要的作用在过滤的发展计划和抗噪声取消(ANC)系统。PSD情节保护信号/功率电路布局的完整性通过感应电源/地的声音。
你期望的高信噪比值模拟电子设计中或低误码率值只与噪声抑制在集成电路是可实现的。频域分析是一种经典的电路实现降噪技术的先决条件。
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