电源噪声对模拟信号处理器件的影响分析
电源噪声对模拟信号处理器件的影响分析
电源噪声对模拟信号处理器件的性能有着重要影响。本文将从无杂散动态范围（SFDR）、信噪比（SNR）和相位噪声（PN）三个方面，深入探讨电源噪声对信号处理系统性能的具体影响，并通过实际案例帮助读者理解这些概念。
概述
一个干净的电源系统对于精密信号链采集系统而言至关重要。电路设计中，应当尽可能减少或隔离各电源域（模拟、数字、串行数字和I/O）中产生的噪声，以实现出色的动态性能。
最近阅读了ADI的技术文章：多少电源噪声可以接受？，在此总结记录。
文章目录
概述
一、如何评价信号链电源系统性能
二、电源噪声对模拟信号处理器件的影响
1、无杂散动态范围（SFDR）
2、信噪比（SNR）
3、相位噪声（PN）
一、如何评价信号链电源系统性能
在工程上，并不存在一系列绝对性指标来评价某个系统性能的优劣，而应以实际情况因地制宜。以电源系统为例，可从两方面考虑：
电源噪声如何影响模拟信号处理器件。通常分析信号的特征，可从时域、频域两方面入手，电源噪声对信号的影响也是从这两方面结合来看的。这方面主要考虑三个参数：无杂散动态范围(SFDR) 、信噪比(SNR) 、相位噪声(PN)。
系统对于电源噪声的灵敏度如何。通俗讲，若信号处理系统对电源噪声极其敏感，如RF系统、通信系统等，则应重视电源系统的设计。相对来讲数字信号对于电源噪声灵敏度没有那么高，则可在此优化成本上的考虑。这方面主要考虑两个参数：电源抑制比（PSRR）、电源调制比（PSMR）。PSRR表示器件在一定频率范围内衰减电源引脚噪声的能力。而电源调制比与PSRR相似，但有一个关键不同点。PSRR衡量电源缺陷直接耦合到器件输出的程度，而PSMR衡量电源缺陷（纹波和噪声）如何被调制到信号上。关于PSRR是众所周知的，无需赘述；PSMR貌似是ADI提出的理论，有兴趣可阅读这篇文章：PSMR与PSRR有何不同。
下面讨论电源噪声影响模拟信号处理器件的相关指标。
二、电源噪声对模拟信号处理器件的影响
电源噪声对模拟信号处理器件的影响可通过三个测量参数进行量化：
- 无杂散动态范围(SFDR)
- 信噪比(SNR)
- 相位噪声(PN)
1、无杂散动态范围（SFDR）
电源噪声可耦合到任何模拟信号处理系统的目标信号中。电源噪声的影响大小取决于其在频域中相对目标信号的强度。无杂散动态范围（Spurious-Free Dynamic Range，SFDR）是衡量模拟电路、信号处理系统或数字转换器（ADC或DAC）的性能的一个指标。它用于描述在所感兴趣的频率范围内，系统能够输出或接收的最大有效信号幅度与由系统引入的非线性失真（杂散）幅度之间的差异。
换句话说，SFDR代表能与大干扰信号区分开来的最小信号，数值上表示为，在输出信号中除了所期望信号之外的所有杂散分量的峰值幅度与所期望信号的峰值幅度之间的比值。这些杂散分量通常由非线性失真、时钟抖动、干扰等因素引起。
SFDR通常以分贝（dB）为单位表示。较高的SFDR值表示系统能够有效地抑制非线性失真和杂散分量，提供更清晰和准确的输出信号。对于ADC或DAC等信号处理设备，较高的SFDR值通常被认为是一个良好的性能指标。
SFDR计算式为：
S F D R = 20 × l o g [ 目标信号 杂散信号 ] SFDR=20×log[\frac{目标信号}{杂散信号}]SFDR=20×log[杂散信号目标信号 ]
SFDR = 无杂散动态范围(dB)
目标信号 = 目标信号幅度的均方根值（峰值或满量程）
杂散信号 = 频谱中最高杂散幅度的均方根值
图1.使用(a)干净电源和(b)噪声电源两种情况下，AD9208高速ADC的SFDR
电源纹波耦合到目标信号可产生干扰杂散信号，从而降低SFDR。图1比较了采用干净电源和噪声电源供电两种情况下，AD9208高速ADC的SFDR性能。在这种情况下，当1 MHz电源纹波作为调制杂散出现在ADC的快速傅立叶变换(FFT)频谱输出的目标信号频率附近时，电源噪声会使SFDR降低约10 dB。
2、信噪比（SNR）
信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）是衡量信号与噪声水平之间的关系的指标，在数学上定义为目标信号电平与所有噪声频谱分量（前五次谐波和直流除外）之和的比值，其中：
S N R = 20 × l o g [ 目标信号 频谱噪声 ] SNR=20×log[\frac{目标信号}{频谱噪声}]SNR=20×log[频谱噪声目标信号 ]
SNR = 信噪比(dB)
目标信号 = 载波信号的均方根值（峰值或满量程）
频谱噪声 = 除前五次谐波之外的所有噪声频谱分量的均方根和
可见，SFDR取决于频谱中的最高杂散，而SNR则取决于频谱内的总噪声。另外，SNR限制模拟信号处理系统识别低振幅信号的能力，并且理论上受系统中转换器分辨率的限制。
其原因有两个。一方面，SNR是信号与噪声之间的比值，它描述了信号的强度与噪声的强度之间的关系。当信号的振幅较低时，如果噪声的强度与信号的强度相当或更高，那么噪声就会掩盖住信号，使得信号难以被准确地辨识。因为在低振幅信号的情况下，信号的幅度与噪声的幅度非常接近，使得它们在观测过程中难以区分。这种噪声的存在会导致信号与噪声之间的差异变得模糊，从而降低了系统对低振幅信号的识别能力。
另一方面，系统中转换器的分辨率是指它能够表示的最小信号变化量，较高的分辨率意味着转换器可以更精细地测量信号的幅度变化。理论上讲，更高的分辨率可以提供更多的信号细节，并减小量化噪声对信号的影响，从而提高SNR值。而对于其它噪声，通常是无规律的，它在不同的采样点上具有随机性。当信号和噪声混合时，较高的分辨率可以使系统更容易区分信号和噪声之间的微小差异。通过将信号的细微变化映射到更多的分辨级别上，系统可以更好地将信号与噪声分离开来。因为噪声的随机性使其分布在整个量化范围内，而信号的变化通常具有一定的模式或结构。通过更高的分辨率，系统可以更好地捕捉到信号的模式或结构，从而在信号与噪声之间进行区分。
图2.使用(a)干净电源和(b)噪声电源两种情况下，AD9208高速ADC的SNR
噪声电源通过在载波信号中耦合并在输出频谱中添加噪声频谱分量，降低SNR。如图2所示，当1 MHz电源纹波在FFT输出频谱中产生频谱噪声分量时，AD9208高速ADC的SNR从56.8 dBFS降低到51.7 dBFS。
3、相位噪声（PN）
相位噪声是衡量信号频率稳定性的参数。理想情况下，振荡器应能够在一定时间段内产生一组特定的稳定频率。但是在现实中，信号中总是存在一些小的干扰幅度和相位波动。这些相位波动或抖动分布在频谱中的信号两侧。
相位噪声可采用多种方式定义。其中一种方式是，相位噪声定义为单边带（Single Sideband，SSB）相位噪声，这是一种常用定义，其使用目标信号偏移频率的功率密度与目标信号总功率的比值，其中：
S S B P N = 20 × l o g [ 边带功率密度 信号功率 ] SSB \quad PN=20×log[\frac{边带功率密度}{信号功率}]SSBPN=20×log[信号功率边带功率密度 ]
SSB PN = 单边带相位噪声(dBc/Hz)
边带功率密度 = 信号偏移频率下每1 Hz带宽的噪声功率(W/Hz)
信号功率 = 总信号功率(W)
对于模拟信号处理器件，通过时钟电源电压耦合到器件时钟中的电压噪声会产生相位噪声，进而影响内部本振的频率稳定性。在模拟信号处理器件中，时钟信号对于设备的正常运行非常关键。时钟信号用于同步各个模块的操作，确保它们按照正确的时间序列进行工作。但时钟信号本身也会受到来自电源的电压噪声的影响。当时钟信号的电源电压存在噪声耦合时，这种电压噪声会传播到时钟信号中，引起相位噪声。相位噪声会影响内部本振的频率稳定性。内部本振（Local Oscillator，LO）是指系统内部产生的用于调制和解调无线信号的基准频率信号。它是一种射频信号源，用于产生特定频率的振荡信号。它的稳定性对于信号处理的准确性和性能至关重要。时钟电源电压噪声会扩大LO频率在频谱中的范围，导致频率偏移。这意味着LO的频率不再是完全稳定的，而是存在一定的波动。这种频率波动会导致相位波动，即相位噪声。
在频谱中，由于时钟电源电压噪声引起的频率偏移导致了更多的能量分布在与目标信号频率相关的偏移频率上，导致与目标信号相对应的偏移频率下的功率密度会增加，即相位噪声的强度增加。
图3比较了由两个不同电源供电时ADRV9009 收发器的相位噪声性能。图3a显示两个电源的噪声频谱，图3b显示产生的相位噪声。两个电源都基于采用展频(SSFM)的稳压器。（SSFM是一种用于降低谐波噪声的技术。传统的转换器在工作时，其开关频率通常是固定的，而谐波分量则以倍数关系存在。这可能导致谐波频率集中在特定的频率点上，增加了系统中的噪声。与传统方法相比，SSFM通过将基频分布在一定范围内，来改善转换器的基波开关频率及其谐波的噪声性能。具体而言，SSFM通过微调开关频率的相位，使得基频在一定范围内进行微小的频率扫描。这种扫描使得基频在频谱中分布开来，而不仅仅集中在一个点上。这种频率分布的改变有助于降低谐波噪声。通过将基频在一定范围内分散，谐波分量也将分散在整个频谱范围内。这样，谐波噪声的能量被分散到更宽的频带中，减少了在特定频率点上的能量聚集，从而改善系统的噪声性能。）
图3.(a) 输出噪声量有显著差异的两个不同电源。(b) 分别由这两个电源供电时，ADRV9009产生的相位噪声性能
从图3a中可以看出，在1 MHz及其谐波处具有相对较宽的噪声峰值。需要注意的是，SSFM的三角波调制频率会产生低于100 kHz的噪声，峰值从2 kHz左右开始。这种噪声不难处理。添加一个低通滤波器以抑制高于1 MHz的噪声，添加一个LDO后置稳压器以减少整体本底噪声，特别是低于10 kHz的噪声（主要是SSFM产生的噪声）。通过添加额外滤波，整体电源噪声得以改善，增强了10 kHz偏移频率以下的相位噪声性能，如图3b所示。
本文原文来自CSDN