【技术】波形时域变化对频域的影响

时间： 2021-08-09 来源：韬略科技

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频谱是“将电磁波分析成正弦波分量，并按波长排列这些分量的结果” 也就是“把具有复杂成分的东西分析成简单的成分，并按特征量的大小排列这些成分……”。这是一个比较实际的解释，但仔细考虑后，可以看出它是合理的，在此处考虑的频谱是电信号的频谱。韬略科技将使用频谱分析仪获得的数据解释频谱，该频谱分析仪沿水平轴绘制频率，沿垂直轴绘制功率或电压。

图 1

1.频谱基础

假设以下电信号是开关信号，从下图开始解释。左图表示为脉冲波形，其特征是tw（脉冲宽度）和ts（上升时间/下降时间）。中间的图形表示从傅里叶变换获得的理论脉冲波形的频谱。这是一种常见的频谱，随着频率的升高，振幅衰减，衰减斜率随tw和ts而变化。

右边的图表显示了当脉冲ts变慢（增加）时频谱的变化。当斜率变化到-40db/dec时，1/πts的频率点降低，最终结果是振幅减小。简单地说，当ts变慢时，频谱振幅衰减。

图 2

从这里开始，我们将使用实际的频谱分析仪数据来观察频谱的变化以及频率和其他参数的变化。这里应该注意的是频谱随信号波形的变化而变化的方式。

2.波形变化和频谱变化

下面的第一个图表显示了默认条件，用作比较的基础。如波形所示，条件是幅度为10 V，频率为400 kHz，占空比为50％，tr / tf（上升时间/下降时间）为10 ns。中心图显示第n次谐波和振幅（V）。对于作为基波的一次谐波，即400 kHz分量，振幅最大，并且频谱出现在奇数次谐波的频率处。

图 3

仅奇数谐波的存在是占空比为50％的频谱的特征。每个分量的大小是谐波次数乘以基波分量的倒数，例如，三次谐波的幅度是基波幅度的1/3，而n次谐波是1 / n的基波幅度。右边的图是幅度的对数图，单位为dBμV。这里dBμV是电压比的分贝值，以1μV电压作为参考。

（1）在下面的频谱中，频率更改为2 MHz。从频率与幅度（dBμV）图中可以清楚地看出，当频率较高时，整体幅度增加。

图 4

（2）在下面的频谱中，tr和tf都减慢（增加）到100 ns。

如上面的示意图所解释的，-40dB / dec衰减开始的频率点降低，并且频谱幅度衰减。

图 5

（3）这是占空比从50％降低到20％的频谱。

占空比不再是1：1，因此出现偶数次谐波，但本质上峰值没有变化。通过使脉冲宽度tw变窄，基波频谱的振幅衰减。

图 6

（4）下面的频谱是只有tr（上升时间）减慢的情况。

由于tr较慢，与tr相关的分量会从较低频率衰减。

图 7

总而言之，当频率较低而上升/下降时间较慢时，频谱会衰减。

从EMC的角度来看，较低的频谱幅度是有利的，具体规律总结如下：

（1）提高频率 ⇒频谱幅度整体增加；

（2）减慢上升/下降时间 ⇒-40dB / dec衰减开始的频率点降低，频谱的振幅衰减；

（3）改变占空比 ⇒偶次谐波出现，但对频谱峰值没有影响，基波频谱衰减；

（4）仅减少上升时间 ⇒tr相关的分量会从较低频率衰减；

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