在你的电子噪声功率谱密度分析

测试和测量涉及许多不同的任务,和噪声分析的一个重要任务。在某些情况下,在复杂的系统会导致严重的噪音设备失败,它可能不是明显的噪音表现如何简单地通过观察时域的离散信号。这就是噪声功率谱密度成为描述噪声源识别和的一个重要工具。

这个标准信号处理技术往往是教的连续函数,但实际测量电子信号是离散的。在这里,我们将重点介绍如何计算噪声功率谱密度和如何使用这个识别噪声源作为设备测试的一部分,EMC测试,或者在模拟。

噪声源考虑电路/ PCB设计

在之前的文章中,我们观察了热噪声对噪声功率谱和功率谱密度的测量电路。特别是,我们看如何计算热波动电压/电流戴维南等效电阻,它告诉你的热噪声测量的输出纯电阻电路。我们还研究了如何计算电路中的电压/电流波动与任意的导纳。这是特别有用的用于检查热噪声的影响,在电路设计中,特别是在低层次的电路。

还有其他噪声源考虑在任何设计和预测这些噪声源的影响在其他领域的电路可能非常耗时。全3 d FDTD或FDFD解决者可以用来模拟时域信号会在不同的地方在你的设备没有热噪声排放测试。这些时域信号不太有用的比频域功率谱和功率谱密度。特别是,噪声功率谱密度(即。,从随机和确定的EMI来源)可以帮助你确定哪些EMI和噪声源的设计为在特定的点在空间噪声测量。这是有效地测试时所完成的EMC认证。

如果你有一个噪声在时域测量,你可以把这个信号功率谱和功率谱密度,然后可以用来识别主要噪声源。可能导致失败的辐射噪声来源中,EMC测试强瞬变(在信号和电源rails),未压制的时钟谐波、空腔共振和散热器较差的孤立。在进行了EMI的测试中,你可能会观察从所有这些噪声源强峰,以及热噪声、散粒噪声,1 / f噪声或其他随机的来源。

一个嘈杂的信号之间的关系及其功率谱密度。

计算离散信号的功率谱密度

现在我们来看看离散采样信号在时域,因为这些通常被认为是在测试和测量,以及在模拟。但是,您可以将下面的方程积分和使用它们连续信号;我们将离开这个读者基本练习。离散或连续信号的功率谱密度在时域遵循几个简单的关系。有两种路线计算任何离散时间函数的功率谱密度:

利用离散傅里叶变换

考虑一个任意的时域信号x (t)每Δt秒采样。采样窗口包含N样品和总时间T = NΔt的长度。的

功率谱密度的离散傅里叶变换

利用自相关

一个简洁的定义是利用Weiner-Khinchin定理,即x (t)的自相关函数和功率谱密度是傅里叶变换对。是正常写x (t)作为样本数量的函数n。只要噪声源(即遵循一个固定的过程。、时不变),功率谱密度可以计算使用以下方程:

离散信号的自相关函数

功率谱密度年代(f)是离散傅里叶变换的自相关函数R (k):

功率谱密度的自相关函数

这里给出的自相关过程也适用于确定交叉功率谱密度,使用两个离散信号之间的互相关计算交叉功率谱密度在上面的方程。

频率离散化和单位

由于被分析信号是离散的时间,频率也必须离散。我们信号x (t)与N样本聚集在一个时间窗口,和f的值在上面的方程仅限于以下一组N频率。下面的第n个离散频率值的定义,取决于采样频率:

在上面的方程离散频率值

假设你的信令单元在V,那么功率谱密度的单位是V2 /赫兹,和功率谱的单位是V2。功率谱密度通常在W / Hz, dBm / Hz,或其他dB-related单位。电子测量带宽有限和离散,这让一些限制数量的信息你可以从一个信号在时域提取。同样,一个信号的离散化可能小于逆测量仪的带宽。你应该忽视所有的数据在一个功率谱密度图上方的带宽。

实际的噪声功率谱密度的测量

时识别噪声源,强烈的贡献/辐射排放进行测试(电磁兼容测试),典型的做法是使用一个频谱分析仪,或一个示波器实时自动运行快速傅里叶变换在附近。类似的测试,也可用于板测试通过连接输入通道的兴趣和观察信号在时间和频率域。

只看一个时域跟踪一个示波器对快速识别常见的信号完整性问题很重要,如瞬态响,问题过度传输线阻抗不匹配(例如,梯级信号响应与数字信号),和过多的损失。看看本文的末尾的形象例如,所有三个效应存在。电源完整性也是如此;瞬态电源总线上的铃声可以在时域中看到。低频噪声在时域技术上可以看到,但它可能不是明显的从一个示波器跟踪它往往发生在更长的时间比你测量间隔时间。

如果你有在时域的结果,然后你可以很容易地将其转换到频域中使用上述过程。然而,这只告诉你各种噪声源的频率,它不告诉你任何他们之间的关系。因果关系是非线性电路的一个重要方面,噪音从一个部分的系统可以产生不同类型的噪声在另一个系统的一部分。

这两个噪音信号将被推迟了一段时间,通常由两个系统块之间的距离除以光速。确定不同的噪声频率成分之间的因果关系仍是一个活跃的信号处理研究领域,并有可能成为更重要的是在各种先进的电子系统。

测试和测量印刷电路板开发过程的重要组成部分,和噪声功率谱密度是你需要测量许多重要点。一旦你确定噪声源和确定所需的设计变化,消除它们,您可以快速修改你的设计,当你有了正确的工作PCB设计和分析软件。的设计工具快板PCB设计者从节奏融入一个全套的分析工具。这些工具非常适合设计和模拟你的董事会的所有方面的功能。

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