實時頻譜分析在EMI診斷中的應(yīng)用

從第一次進行無線傳輸開始，設(shè)計工程師就一直關(guān)注電磁干擾(EMI)。法規(guī)機構(gòu)已經(jīng)確立了EMI的限制，規(guī)定了符合性測試中使用的測量方法。這些方法已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，撰寫這些方法的目的，是滿足語音和視頻的模擬廣播需求以及撰寫時采用的測試方法，如CISPR平均方法和準峰值檢波器。這些測量技術(shù)旨在對人的耳朵和眼睛分別接收聲音和視頻時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)字時鐘形式的非預(yù)計輻射裝置的頻率日益提高，當前EMI規(guī)范標準已經(jīng)不能全面解決目前存在的所有干擾類型及其對通信系統(tǒng)的影響。

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

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

診斷、預(yù)一致性和一致性測試

在電磁兼容性(EMC)領(lǐng)域中，設(shè)計和檢驗的不同階段會使用不同的設(shè)備和技術(shù)。在開發(fā)的早期階段，EMC設(shè)計技術(shù)與診斷相結(jié)合導(dǎo)致較低的EMI特征，對外部干擾和內(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)計優(yōu)化對EMC的影響。通常直接在電路板上完成探測，或使用E場和H場探頭，確定設(shè)計優(yōu)化的影響和屏蔽效果。當然，診斷在保證優(yōu)秀的EMC性能方面沒有限制；通常要求對系統(tǒng)集成進行全面診斷和調(diào)試，為保證所有RF子系統(tǒng)達到要求的性能水平，并且不會被集成系統(tǒng)的其他部分劣化。在系統(tǒng)集成后進行預(yù)一致性測試，以確定設(shè)計中的問題區(qū)域。滿足國際標準并不要求進行預(yù)一致性測試，預(yù)一致性測試的目標是發(fā)現(xiàn)潛在問題，降低一致性測試階段發(fā)生故障的風險。使用的設(shè)備可以是非標準設(shè)備，如果在測試結(jié)果中增加充足的余量，其精度和動態(tài)范圍可以低于標準接收機。預(yù)一致性測試可以在認證實驗室中使用快速測量技術(shù)完成，這些測量技術(shù)旨在“迅速查看”問題區(qū)域；預(yù)一致性測試也可以在臨時地點由工程設(shè)計人員完成。預(yù)認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，因為它們提供了快速測量工具，這些工具通常已經(jīng)用于設(shè)計流程中，不要求額外的資本開支。如果在這個階段發(fā)現(xiàn)問題，那么要求進行進一步診斷和設(shè)計改動。RSA6100A上提供的功能除診斷外，還可以進行某些預(yù)一致性測量。圖5是預(yù)一致性掃描實例，它把CISPR QP檢波的軌跡與天線因子表格和雜散信號搜索功能結(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設(shè)備時存在的背景信號。

一致性測試要求符合國際標準規(guī)定的方法、設(shè)備和測量地點。一致性測試通常作為設(shè)備生產(chǎn)前設(shè)計檢驗的一部分完成。一致性測試是窮盡型測試，耗時長，產(chǎn)品開發(fā)這一階段的EMC故障可能會導(dǎo)致昂貴的重新設(shè)計，耽誤產(chǎn)品推出。

濾波器、檢測器和平均

接收機和頻譜分析儀可以建模為擁有接收機帶寬、信號檢波方法和結(jié)果平均方法，以完成信號電平測量。

在許多商用EMI測量中，這些測量單元由Comite International Special des Perturbations Radioelectriques (CISPR)規(guī)定，CISPR是國際標準機構(gòu)——國際電氣技術(shù)委員會(IEC)下屬的一家技術(shù)機構(gòu)。其他標準和認證機構(gòu)，例如日本的TELEC，也對測量方法和認證技術(shù)提出了要求。美國國防部已經(jīng)開發(fā)了MIL-STD 461E標準，對軍事設(shè)備提出了特殊要求。

測量帶寬由接收機帶寬形狀或頻譜儀的分辨率帶寬(RBW)濾波器決定。測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試帶寬也不盡相同。

檢波器用來計算在某個時點上代表信號的單個點。檢波方法可以計算正峰值或負峰值、電壓的RMS或均值，或在許多EMI測量中，計算準峰值(QP)。

在測量期間，對檢測到的信號使用平均方法。CISPR標準定義的平均算法旨在復(fù)現(xiàn)使用擁有規(guī)定響應(yīng)時間的電壓表讀取信號值所產(chǎn)生的影響。通過對檢測到的輸出應(yīng)用指定帶寬，還可以使用“視頻濾波器”進行平均。對EMI測試，TELEC標準中規(guī)定了視頻濾波。

檢測方法

盡管許多EMI測量可以使用簡單的峰值檢波器完成，但EMI測量標準規(guī)定了一種專用測量方法，即準峰值(QP)檢波器。QP檢波器用來檢測信號包絡(luò)加權(quán)后的峰值(準峰值)。它根據(jù)信號時長和重復(fù)率加權(quán)多個信號。QP檢波器的特點是響應(yīng)快、衰減慢，包含一個表示臨界阻尼表的時間常數(shù)。發(fā)生頻次較高的信號，其QP測量值要高于偶發(fā)的脈沖。

準峰值檢波器在傳統(tǒng)上一直用于模擬設(shè)計中，如圖1所示。

圖1 模擬實現(xiàn)方案中的準峰值檢測器。準峰值檢波器的響應(yīng)快(充電時間)、衰減慢(放電時間)特點源于該電路中的R-C常數(shù)

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

為幫助查看準峰值檢波器與相關(guān)儀表組合的響應(yīng)，圖2把輸入響應(yīng)(重復(fù)脈沖，用藍色表示)、得到的準峰值檢波器響應(yīng)(具有響應(yīng)快、衰減慢的特點，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。
對于帶有QP檢波器的接收機上的常數(shù)指標，圖3表明了CISPR 16-1-1標準描述的幅度和重復(fù)頻率之間的關(guān)系。

圖2 對重復(fù)信號的準峰值響應(yīng)

圖3 準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。得到的QP值比峰值低10.1dB。在測量被測設(shè)備的EMI時，通常會先測量峰值，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上進行速度較慢的準峰值測量。通常使用帶有標準峰值檢波器的頻譜分析儀，迅速評估任何問題區(qū)域。

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

平均和視頻濾波器

除QP檢波外，實時頻譜分析儀還支持CISPR規(guī)范中規(guī)定的峰值和均值檢波器。峰值檢波器檢測信號包絡(luò)的峰值，均值檢波器計算包絡(luò)的平均值。實時頻譜分析儀能夠從同一輸入信號中同時測量QP、峰值和均值，以獨一無二的方式了解DUT的信號特點。某些EMI測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現(xiàn)方案，即低通濾波器被放在檢測到的輸出與頻譜分析儀CRT的Y軸模擬驅(qū)動輸入之間。實時頻譜分析儀和部分現(xiàn)代頻譜分析儀采用數(shù)字技術(shù)來平滑信號上的噪聲。