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数字信号线噪声抑制[转载]

2019年8月16日 Zeng Weibin 硬件设计

1-1.简介

在我的大学时期,每当在计算机旁收听调频收音机时,收音机总会发出噪声。当时,我并不知道原因所在,甚至从未想过加入公司后我会面临这个问题。当我开始涉足实际的噪声抑制工作时,往往非常困难,有时甚至花费数月时间。主要原因在于:

  • (1)不知道噪声是从哪里产生的(噪声源)以及噪声是如何传导的;
  • (2)适当的噪声抑制方法难以掌握。

当正确的噪声抑制方法尚未明确时,各种想法在我脑海中闪现:例如,也许当时处理的零部件是错误的,我应该处理另一个零部件。某种噪声抑制方法(如滤波)对一套设备有效,却对另一套设备不起作用,也并非罕见事件,令我有些不知所措。

因此,我觉得有必要探讨系统化的噪声抑制方法进以及正确的滤波器选择方法。作为我研究的一部分,我研究了不同电路对相同噪声滤波器的噪声抑制效果差异的原因和其他因素,并将其作为具体示例进行了总结。本文将进行详述。

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1-2.数字信号噪声的成因及对策

在我学生时代碰到的噪声中,计算机的时钟频率约为4MHz。但是,例如在日本,用于调频广播的频段为76MHz或更高。噪声源的时钟频率不会与广播频率重叠。那问题为什么会出现呢?数字信号是由基波正弦波和其整数倍的谐波组成的方波,如图A所示。方波的上升越急剧,其包含的高次谐波分量越高。这意味着实际的数字信号具有与调频广播频带重叠的谐波分量,从而导致调频收音机的声音中产生噪声。

图A. 数字信号波形的频率成分

因此,基本的噪声抑制方法就是消除数字信号的谐波。当谐波被消除时,波形的上升时间和下降时间会延迟(波形变形)。因此,必须选择一种滤波器,将谐波消除到不妨碍电路工作的适当程度。

图B. 根据频率分离信号和噪声

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1-3.典型的噪声滤波器及使用示例

1-3-1.典型的噪声滤波器

您会想到以电容器、电阻器和铁氧体磁珠作为用于信号线的典型滤波器。以下简单描述其功能:

  • – 电容器
    随着频率升高,电容器阻抗降低。因此,通过信号线和接地线之间的并联连接(并联),信号的高频分量(噪声)被旁路到接地线。
  • – 电阻器
    吸收能量的电阻分量。
  • – 铁氧体磁珠
    铁氧体磁珠是一种电感器。随着频率升高,其阻抗上升。因此,它与信号线串联以吸收或反射噪声。在普通电感器中,电抗分量X占主导地位,但为了增加能量损耗,选择可以增加电阻分量R的铁氧体材料用作铁氧体磁珠。因此,铁氧体磁珠的噪声抑制效果比普通电感器更佳。电抗分量X是无损分量。
图A. 用于信号线的典型滤波器

专题:什么是滤波器插损?

为了显示滤波器的效果,使用插损特性(IL)。这样可以表明滤波器的安装在多大程度上衰减了信号。该方法在MIL-STD202等中作了规定。请注意,这些值是在输入/输出阻抗为50ohms的情况下测得的。如果实际电路的阻抗不是50ohms,滤波器的效果将会不同。

滤波器插损特性

专题:什么是滤波器的截止频率?

截止频率是以下频率:(1)可以通过滤波器平衡的功率(2)不能通过滤波器的功率。

换言之,就是输出功率为输入功率1/2时的频率。由于W为V2/R,因此电压为1/√2。如果问及滤波器的适当截止频率,我的回答是,截止频率比基本频率高出大约3至5倍。这是因为应该保留大约3次到5次谐波以保持方波。但是,如果电路的输入/输出阻抗不是50ohms,截止频率将会不同,所以这只是作为指引。

示波器规格中的1GHz频带表示该截止频率,以便参考。这意味着是以3dB的衰减观察1GHz信号。由于信号在探针处也发生衰减,有必要使用带宽比测得频率范围更宽的测量设备。

滤波器截止频率

专题:什么是特性阻抗?

大家应该经常听到,电视天线电缆的特性阻抗为75ohms,测量设备的特性阻抗为50ohms。简言之,特性阻抗表示每单位长度的阻抗。如果由电阻分量引起的损耗可以忽略不计,则可以从(1)每单位长度的电容(F/m)和(2)每单位长度的电感(H/m)计算得出。分子和分母都有(/m)并被取消,这令人难以理解。

什么是传输线特性阻抗?

1-3-2.电容器、电阻器和铁氧体磁珠的插损

图A显示了电容器、电感器和电阻器的插损特性。它们用50ohm系统测得。其形状类似于阻抗曲线。

图B显示数字信号电路等效电路的例子。在本例中,输出电阻为20ohms,输出电容为10pF,负载电容为5pF。这意味着它不是50ohm的系统。

图A. 电容器、电阻器和铁氧体磁珠的插损示例
图B. 数字信号等效电路(IC LVC)示例
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