時域分析和頻域分析

2021-01-14 電子工程專輯

一開始，看到論壇裡這個問題，第一反映就是時域分析數字電路設計更關心，頻域分析模擬或者微波設計更關心。光這麼說，還不準確。

時域分析時，給定激勵的頻率，由驅動器和負載模型定義信號的變化沿和輸入輸出阻抗特性，仿真出信號通過PCB上信號傳輸線經過反射後的波形。然而，實際情況往往和仿真不一樣：首先，實際信號的頻率並不一定，變化沿也和模型描述有差異，造成信號頻譜差異，這樣他們通過傳輸線後的頻譜特性必然會不同；其次，時域仿真時的信號是經過負載阻抗和驅動器內阻之間多次反射後的波形，實際的驅動器和負載的阻抗和模型定義的也不同，也會造成波形變化。綜上所述，時域仿真存在太多偶然因素，有局限性。

頻域分析，信號源是等幅掃頻信號，驅動端為理想輸出，內阻為0。負載為開路，內阻無窮大。考察的結果是傳輸通道頻域的傳輸，反射特性。這時候，儘管不知道實際的輸出輸入波形，但通過通道特性，可以考察傳輸線究竟對於哪些頻率的信號影響更大，這些頻率是否落在實際信號轉折頻率以內。但是，沒有反映實際輸出輸入波形，不直觀，也有局限性。

可見，時域頻域分析缺一不可。在實踐中，由於信號的頻譜的高次諧波能量逐漸降低的，當數位訊號頻率較低，轉折頻率（fknee）內有效頻譜在1GHz以內時，這個頻段內，PCB信號線的頻域特性穩定，加上模型能夠提供的極限參數，通過時域最壞情況就可以了。

當信號頻率進一步提高，到GHz以上，或者轉折頻率（fknee）內有效頻譜在1GHz以上，通常由於趨膚效應和介質損耗，通道特性隨頻率變化，導致信號畸變，這時候就有必要做頻域分析，考察高次諧波的畸變。這個頻段內，即使做時域分析，也需要使用PRBS偽隨機序列碼激勵源，使通過信號為平坦的頻譜。而解決眼圖閉合問題，常常採用的預加重和均衡技術，實際上就是頻率選擇濾波器，放大容易損耗的高頻分量或者抑制通過後的信號低頻分量。這時候，不作頻域掃描都不行。

另外，對於電源完整性PI分析，通常電源上的噪聲類似高斯白噪聲，分析這種問題只有考察電源傳輸線的頻域特性了。

本文由電子工程專輯專家博主「李寶龍」原創，未經其本人允許不得轉載！

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