實(shí)時(shí)頻譜分析在EMI診斷中的應(yīng)用

從第一次進(jìn)行無(wú)線傳輸開始，設(shè)計(jì)工程師就一直關(guān)注電磁干擾(EMI)。法規(guī)機(jī)構(gòu)已經(jīng)確立了EMI的限制，規(guī)定了符合性測(cè)試中使用的測(cè)量方法。這些方法已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，撰寫這些方法的目的，是滿足語(yǔ)音和視頻的模擬廣播需求以及撰寫時(shí)采用的測(cè)試方法，如CISPR平均方法和準(zhǔn)峰值檢波器。這些測(cè)量技術(shù)旨在對(duì)人的耳朵和眼睛分別接收聲音和視頻時(shí)提供可以接受的干擾水平。隨著數(shù)字調(diào)制數(shù)據(jù)傳輸和超寬帶(UWB)傳輸方法出現(xiàn)，加上高速數(shù)字時(shí)鐘形式的非預(yù)計(jì)輻射裝置的頻率日益提高，當(dāng)前EMI規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能全面解決目前存在的所有干擾類型及其對(duì)通信系統(tǒng)的影響。

突發(fā)在消費(fèi)電子和通信中偶發(fā)的短高頻干擾正變得越來(lái)越常見，例如，計(jì)算機(jī)中使用的與模式相關(guān)的擴(kuò)頻時(shí)鐘，以及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)行有噪聲的定期硬盤訪問周期的硬盤驅(qū)動(dòng)器。這些復(fù)雜的數(shù)字設(shè)備正日益接近以頻率捷變、基于分組模式運(yùn)行的無(wú)線通信系統(tǒng)。

隨著通信系統(tǒng)的干擾特點(diǎn)發(fā)生變化，測(cè)試設(shè)備也在變化。模擬電路以前實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在可以以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，測(cè)量速度不斷提高，我們可以更快地獲得測(cè)量結(jié)果。泰克公司推出的實(shí)時(shí)頻譜分析儀可以即時(shí)查看非常寬的頻譜跨度，而不會(huì)丟失頻段中的信息，從而可以發(fā)現(xiàn)、捕獲并測(cè)量對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)極具挑戰(zhàn)性的瞬態(tài)峰值。

診斷、預(yù)一致性和一致性測(cè)試
在電磁兼容性(EMC)領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)的不同階段會(huì)使用不同的設(shè)備和技術(shù)。在開發(fā)的早期階段，EMC設(shè)計(jì)技術(shù)與診斷相結(jié)合導(dǎo)致較低的EMI特征，對(duì)外部干擾和內(nèi)部干擾的靈敏度低。通常使用帶有相應(yīng)濾波器和檢波器的通用頻譜分析儀，確定設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)EMC的影響。通常直接在電路板上完成探測(cè)，或使用E場(chǎng)和H場(chǎng)探頭，確定設(shè)計(jì)優(yōu)化的影響和屏蔽效果。當(dāng)然，診斷在保證優(yōu)秀的EMC性能方面沒有限制；通常要求對(duì)系統(tǒng)集成進(jìn)行全面診斷和調(diào)試，為保證所有RF子系統(tǒng)達(dá)到要求的性能水平，并且不會(huì)被集成系統(tǒng)的其他部分劣化。在系統(tǒng)集成后進(jìn)行預(yù)一致性測(cè)試，以確定設(shè)計(jì)中的問題區(qū)域。滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并不要求進(jìn)行預(yù)一致性測(cè)試，預(yù)一致性測(cè)試的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)潛在問題，降低一致性測(cè)試階段發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。使用的設(shè)備可以是非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，如果在測(cè)試結(jié)果中增加充足的余量，其精度和動(dòng)態(tài)范圍可以低于標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)。預(yù)一致性測(cè)試可以在認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室中使用快速測(cè)量技術(shù)完成，這些測(cè)量技術(shù)旨在“迅速查看”問題區(qū)域；預(yù)一致性測(cè)試也可以在臨時(shí)地點(diǎn)由工程設(shè)計(jì)人員完成。預(yù)認(rèn)證通常采用包含相應(yīng)濾波器和檢波器的通用頻譜分析儀，因?yàn)樗鼈兲峁┝丝焖贉y(cè)量工具，這些工具通常已經(jīng)用于設(shè)計(jì)流程中，不要求額外的資本開支。如果在這個(gè)階段發(fā)現(xiàn)問題，那么要求進(jìn)行進(jìn)一步診斷和設(shè)計(jì)改動(dòng)。RSA6100A上提供的功能除診斷外，還可以進(jìn)行某些預(yù)一致性測(cè)量。圖5是預(yù)一致性掃描實(shí)例，它把CISPR QP檢波的軌跡與天線因子表格和雜散信號(hào)搜索功能結(jié)合在一起。在本例中，軌跡是“環(huán)境掃描”，考察的是在沒有被測(cè)設(shè)備時(shí)存在的背景信號(hào)。

一致性測(cè)試要求符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法、設(shè)備和測(cè)量地點(diǎn)。一致性測(cè)試通常作為設(shè)備生產(chǎn)前設(shè)計(jì)檢驗(yàn)的一部分完成。一致性測(cè)試是窮盡型測(cè)試，耗時(shí)長(zhǎng)，產(chǎn)品開發(fā)這一階段的EMC故障可能會(huì)導(dǎo)致昂貴的重新設(shè)計(jì)，耽誤產(chǎn)品推出。

濾波器、檢測(cè)器和平均
接收機(jī)和頻譜分析儀可以建模為擁有接收機(jī)帶寬、信號(hào)檢波方法和結(jié)果平均方法，以完成信號(hào)電平測(cè)量。
在許多商用EMI測(cè)量中，這些測(cè)量單元由Comite International Special des Perturbations Radioelectriques (CISPR)規(guī)定，CISPR是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)——國(guó)際電氣技術(shù)委員會(huì)(IEC)下屬的一家技術(shù)機(jī)構(gòu)。其他標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)，例如日本的TELEC，也對(duì)測(cè)量方法和認(rèn)證技術(shù)提出了要求。美國(guó)國(guó)防部已經(jīng)開發(fā)了MIL-STD 461E標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)軍事設(shè)備提出了特殊要求。

測(cè)量帶寬由接收機(jī)帶寬形狀或頻譜儀的分辨率帶寬(RBW)濾波器決定。測(cè)試帶寬通常是頻譜中可能存在干擾的頻段，而隨著頻率的不同測(cè)試帶寬也不盡相同。

檢波器用來(lái)計(jì)算在某個(gè)時(shí)點(diǎn)上代表信號(hào)的單個(gè)點(diǎn)。檢波方法可以計(jì)算正峰值或負(fù)峰值、電壓的RMS或均值，或在許多EMI測(cè)量中，計(jì)算準(zhǔn)峰值(QP)。

在測(cè)量期間，對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)使用平均方法。CISPR標(biāo)準(zhǔn)定義的平均算法旨在復(fù)現(xiàn)使用擁有規(guī)定響應(yīng)時(shí)間的電壓表讀取信號(hào)值所產(chǎn)生的影響。通過對(duì)檢測(cè)到的輸出應(yīng)用指定帶寬，還可以使用“視頻濾波器”進(jìn)行平均。對(duì)EMI測(cè)試，TELEC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了視頻濾波。

檢測(cè)方法
盡管許多EMI測(cè)量可以使用簡(jiǎn)單的峰值檢波器完成，但EMI測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種專用測(cè)量方法，即準(zhǔn)峰值(QP)檢波器。QP檢波器用來(lái)檢測(cè)信號(hào)包絡(luò)加權(quán)后的峰值(準(zhǔn)峰值)。它根據(jù)信號(hào)時(shí)長(zhǎng)和重復(fù)率加權(quán)多個(gè)信號(hào)。QP檢波器的特點(diǎn)是響應(yīng)快、衰減慢，包含一個(gè)表示臨界阻尼表的時(shí)間常數(shù)。發(fā)生頻次較高的信號(hào)，其QP測(cè)量值要高于偶發(fā)的脈沖。

準(zhǔn)峰值檢波器在傳統(tǒng)上一直用于模擬設(shè)計(jì)中，如圖1所示。

圖1 模擬實(shí)現(xiàn)方案中的準(zhǔn)峰值檢測(cè)器。準(zhǔn)峰值檢波器的響應(yīng)快(充電時(shí)間)、衰減慢(放電時(shí)間)特點(diǎn)源于該電路中的R-C常數(shù)

在圖1中，只要Sin高于S1，那么信號(hào)Sin的包絡(luò)就會(huì)對(duì)電容器C到電阻器R1充電。如果輸入信號(hào)Sin小于S1，那么電阻R2會(huì)對(duì)電壓S1放電。

為幫助查看準(zhǔn)峰值檢波器與相關(guān)儀表組合的響應(yīng)，圖2把輸入響應(yīng)(重復(fù)脈沖，用藍(lán)色表示)、得到的準(zhǔn)峰值檢波器響應(yīng)(具有響應(yīng)快、衰減慢的特點(diǎn)，用綠色表示)及檢波器與儀表的綜合響應(yīng)(用紅色表示)分開。
對(duì)于帶有QP檢波器的接收機(jī)上的常數(shù)指標(biāo)，圖3表明了CISPR 16-1-1標(biāo)準(zhǔn)描述的幅度和重復(fù)頻率之間的關(guān)系。

圖2 對(duì)重復(fù)信號(hào)的準(zhǔn)峰值響應(yīng)

圖3 準(zhǔn)峰值檢波器的脈沖響應(yīng)曲線

圖4是峰值檢波和QP檢波實(shí)例。這里，峰值檢波和QP檢波中查看了8μs脈寬和10ms重復(fù)率的信號(hào)。得到的QP值比峰值低10.1dB。在測(cè)量被測(cè)設(shè)備的EMI時(shí)，通常會(huì)先測(cè)量峰值，找到超過或接近規(guī)定極限的問題區(qū)域。然后只在接近或超過限制的信號(hào)上進(jìn)行速度較慢的準(zhǔn)峰值測(cè)量。通常使用帶有標(biāo)準(zhǔn)峰值檢波器的頻譜分析儀，迅速評(píng)估任何問題區(qū)域。

圖4 峰值和準(zhǔn)峰值檢波對(duì)8μs脈寬和10ms重復(fù)率的信號(hào)的影響，準(zhǔn)峰值比峰值低10.1dB

平均和視頻濾波器
除QP檢波外，實(shí)時(shí)頻譜分析儀還支持CISPR規(guī)范中規(guī)定的峰值和均值檢波器。峰值檢波器檢測(cè)信號(hào)包絡(luò)的峰值，均值檢波器計(jì)算包絡(luò)的平均值。實(shí)時(shí)頻譜分析儀能夠從同一輸入信號(hào)中同時(shí)測(cè)量QP、峰值和均值，以獨(dú)一無(wú)二的方式了解DUT的信號(hào)特點(diǎn)。某些EMI測(cè)量指定了視頻濾波器，視頻濾波器是頻譜分析儀中最早采用的方法，以降低測(cè)量噪聲變化所產(chǎn)生的影響。視頻濾波器一詞源于最早的實(shí)現(xiàn)方案，即低通濾波器被放在檢測(cè)到的輸出與頻譜分析儀CRT的Y軸模擬驅(qū)動(dòng)輸入之間。實(shí)時(shí)頻譜分析儀和部分現(xiàn)代頻譜分析儀采用數(shù)字技術(shù)來(lái)平滑信號(hào)上的噪聲。

在大多數(shù)EMI測(cè)量中，視頻濾波器指定為關(guān)閉，或視頻濾波器指定為至少比測(cè)量的指定RBW高出三倍(參見表1)。

指定視頻濾波器關(guān)閉(或不小于3倍RBW)的目的，是為了消除視頻濾波器對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)的影響。圖4是視頻帶寬(VBW)與RBW之比變化時(shí)視頻帶寬的影響。在VBW≥3*RBW或10*RBW(或失效)時(shí)，噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差保持在5.4dB。在VBW=RBW時(shí)，例如在TELEC規(guī)范部分章節(jié)中，噪聲變化降低到大約4.7dB。

EMI濾波器、檢波器和平均算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案
對(duì)基于離散傅里葉變換(DFT)技術(shù)的頻譜分析儀，通過對(duì)離散采集數(shù)據(jù)應(yīng)用窗口功能，可以以數(shù)字方式執(zhí)行濾波。采樣率取決于要求的濾波器的帶寬。在采樣頻率相同時(shí)，要求更多的樣點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)更小的濾波帶寬。

實(shí)時(shí)頻譜分析儀采用Kaiser窗口仿真EMI濾波器。窗口功能的頻響幅度決定著IF濾波器形狀，必須滿足CISPR 16-1-1中規(guī)定的帶通選擇限制。

在實(shí)時(shí)頻譜分析儀中，準(zhǔn)峰值檢波器使用數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)?？梢允褂脭?shù)字濾波器，如無(wú)窮脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器，仿真?zhèn)鹘y(tǒng)EMI接收機(jī)使用的RC充電電路和放電電路。這種臨界阻尼表還可以建模為二階數(shù)字IIR濾波器。儀表上顯示的最大值取為準(zhǔn)峰值檢波器器值。

在實(shí)時(shí)頻譜分析儀上，視頻濾波器采用平均技術(shù)實(shí)現(xiàn)。使用的平均數(shù)量取決于選擇的視頻帶寬及測(cè)量時(shí)使用的RBW。在使用VBW時(shí)，得到的測(cè)量分析長(zhǎng)度取決于選擇的VBW，如果在沒有視頻帶寬時(shí)使用RBW，那么會(huì)比較長(zhǎng)。實(shí)時(shí)頻譜分析儀選擇平均數(shù)量，實(shí)現(xiàn)與噪聲變化對(duì)VBW/RBW曲線的良好相關(guān)性，如圖5所示。

圖5 VBW/RBW之比對(duì)隨機(jī)噪聲信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響。在VBW不小于3倍的分辨率帶寬時(shí)，其對(duì)VBW的信號(hào)偏差沒有實(shí)際影響

測(cè)量速度和實(shí)時(shí)頻譜分析儀
QP和均值的測(cè)量速度一直是測(cè)量接收機(jī)和頻譜分析儀所面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。QP檢波器和儀表響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，因此在很寬的頻率中一次掃描一個(gè)頻率并不現(xiàn)實(shí)。為解決這個(gè)問題，測(cè)量使用峰值檢波器完成，可以迅速確定被測(cè)設(shè)備中最高的EMI峰值。然后在所有問題區(qū)域使用單頻率測(cè)量，重復(fù)執(zhí)行測(cè)量。最近，市場(chǎng)上出現(xiàn)了能夠處理大的信號(hào)跨度的接收機(jī)和實(shí)時(shí)頻譜分析儀，其應(yīng)用QP檢波和平均功能的速度要比單頻率測(cè)量技術(shù)高出幾個(gè)量級(jí)。這種計(jì)算頻寬中所有頻率點(diǎn)的方法產(chǎn)生了明顯的速度優(yōu)勢(shì)，與掃描技術(shù)相比，還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)：可以以高得多的偵聽概率查看頻段中的瞬態(tài)信號(hào)。這一點(diǎn)在當(dāng)前的設(shè)計(jì)環(huán)境中尤為重要，因?yàn)樾盘?hào)隨時(shí)間變化和移動(dòng)，單頻率測(cè)量不能表示這些動(dòng)態(tài)變化的信號(hào)。

查找當(dāng)前的EMI問題
盡管上面介紹的基于標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法對(duì)法定的一致性測(cè)試必不可少，但它們通常不能解決、甚至不能檢測(cè)到當(dāng)前系統(tǒng)中EMI設(shè)計(jì)所面臨的問題。

幸運(yùn)的是，測(cè)量技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以滿足這些需求。上面介紹了如何使用實(shí)時(shí)頻譜分析儀發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)信號(hào)和EMI隱患。在下面的實(shí)例中，單個(gè)的瞬態(tài)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一串瞬態(tài)信號(hào)，這些信號(hào)每次只持續(xù)很短的時(shí)間。在本例中，該設(shè)備是一種嵌入式系統(tǒng)，在把數(shù)據(jù)緩存到硬盤時(shí)導(dǎo)致了瞬態(tài)EMI。在使用掃頻分析儀的峰值檢波器簡(jiǎn)單檢查后(黃色軌跡，如圖6所示)，似乎只有一個(gè)連續(xù)信號(hào)；把儀器保持Max-hold幾分鐘，同時(shí)循環(huán)DUT工作模式，會(huì)指明問題(藍(lán)色軌跡)。但在峰值檢波模式下進(jìn)行快速掃描會(huì)得到黃色軌跡，沒有檢測(cè)到問題。

圖6 掃頻分析儀峰值掃描(黃色軌跡)中漏掉的瞬態(tài)EMI，在DUT循環(huán)通過磁盤高速緩存操作、保持Max-hold模式一分鐘后被發(fā)現(xiàn)

圖7使用數(shù)字熒光處理(DPX)技術(shù)考察DUT的EMI特性，立即發(fā)現(xiàn)問題。泰克公司實(shí)時(shí)頻譜分析儀獨(dú)有的DPX頻譜顯示技術(shù)每秒可以處理超過48000個(gè)頻譜，保證能瞬時(shí)捕獲和顯示持續(xù)時(shí)間超過幾十微秒的信號(hào)。在圖6中，發(fā)生頻次較高的信號(hào)用紅色表示，發(fā)生頻次較低的信號(hào)用藍(lán)色和綠色表示。這樣，可以立即看到哪些信號(hào)是連續(xù)的，哪些信號(hào)是瞬態(tài)的。瞬態(tài)信號(hào)偶爾出現(xiàn)，但其電平要比連續(xù)信號(hào)高出15dB。

圖7 使用DPX在5s后發(fā)現(xiàn)的偶發(fā)瞬態(tài)信號(hào)。紅色區(qū)域是頻繁發(fā)生的信號(hào)，藍(lán)色部分和綠色部分是瞬態(tài)信號(hào)

在使用DPX發(fā)現(xiàn)潛在問題后，還要觸發(fā)和捕獲信號(hào)，以便進(jìn)一步進(jìn)行分析。通過根據(jù)連續(xù)信號(hào)曲線定義頻率模板觸發(fā)，然后在頻譜中捕獲偶發(fā)的瞬態(tài)信號(hào)，可以輕松觸發(fā)和捕獲信號(hào)。持續(xù)時(shí)間超過10.3μs、高出頻率模板門限的任何信號(hào)都會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)，并把觸發(fā)前和觸發(fā)后的信號(hào)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。圖8左側(cè)的三維頻譜圖顯示了瞬態(tài)信號(hào)觸發(fā)的4個(gè)采集結(jié)果。

圖8 使用頻率模板觸發(fā)技術(shù)捕獲以1s重復(fù)率發(fā)生的瞬態(tài)信號(hào)

現(xiàn)在可以全面分析信號(hào)了。圖8中的標(biāo)記顯示了瞬態(tài)信號(hào)的重復(fù)率是1.0s，但瞬態(tài)信號(hào)的長(zhǎng)度并不是一直相同的，而是在5次采集過程中在752μs到200μs之間變化。這種重復(fù)頻率和變化的脈寬提供了重要線索，以確定電路中瞬態(tài)信號(hào)的來(lái)源，在本例中是磁盤高速緩存操作，這種操作只在被測(cè)設(shè)備的特殊工作條件下才發(fā)生。

總結(jié)
進(jìn)行基于標(biāo)準(zhǔn)的EMI測(cè)量要求使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)規(guī)定的專用濾波器和檢波器。接收機(jī)、傳統(tǒng)頻譜分析儀和實(shí)時(shí)頻譜分析儀提供了這些專用濾波器和檢波器。實(shí)時(shí)頻譜分析儀和某些接收機(jī)使用的DSP技術(shù)的測(cè)量速度要比掃頻方法快幾個(gè)量級(jí)，因?yàn)槠淇梢酝瑫r(shí)分析整個(gè)實(shí)時(shí)帶寬(高達(dá)110MHz)。

與掃頻技術(shù)相比，實(shí)時(shí)分析技術(shù)大大縮短了保證100%瞬態(tài)信號(hào)偵聽概率所需的最低信號(hào)時(shí)長(zhǎng)。通過使用擁有DPX頻譜處理技術(shù)的實(shí)時(shí)頻譜分析儀，可以簡(jiǎn)便地調(diào)試產(chǎn)生各種瞬態(tài)信號(hào)的系統(tǒng)，保證在分析過程中不會(huì)漏掉瞬態(tài)信號(hào)。這縮短了獲得信息的時(shí)間，提高了確定被測(cè)設(shè)備質(zhì)量的信心。