黃坤超

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

回顧無線技術的發(fā)展，從第一次進行無線傳輸開始，設計工程師就一直關注電磁干擾（electro magnetic interference，EMI）。隨著無線通信領域不斷發(fā)展，如蜂窩系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)和其他系統(tǒng)，形成了一個非常復雜的電磁環(huán)境[1]。電子設備間相互干擾概率進一步提升，為了規(guī)范和統(tǒng)一干擾的程度，法規(guī)機構已經(jīng)確立了EMI的限制，并且規(guī)定了符合性測試中使用的測量方法。如CISPR平均方法和準峰值檢波器[2-3]，這些測量技術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。

隨著復雜的數(shù)字調(diào)制方式和高帶寬信號的出現(xiàn)，以及嵌入式射頻（radio frequency，RF）電路的大規(guī)模應用，產(chǎn)品的集成度越來越高。例如，對于短時間的偶發(fā)強干擾信號（幅度高），其在頻域占用帶寬寬。這樣的脈沖信號，對廣播模擬無線傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥嫞跀?shù)字系統(tǒng)中會導致整個數(shù)據(jù)包丟失，或堵塞相鄰的信號系統(tǒng)。但是，受到現(xiàn)有EMI測量方法和設備的限制，很難在頻域中捕獲到它。這樣，很可能產(chǎn)品的電磁兼容（electro magnetic compatibility，EMC）測試是通過的，但是產(chǎn)品卻受到“不明干擾信號”而無法正常使用。

近年來，實時頻譜分析技術越來越得到市場的認可，主要因為它解決了長期困擾人們的瞬態(tài)信號和同頻信號的捕獲和分析的問題。特別在EMI測試中，對偶發(fā)信號和同頻干擾信號能夠有效地觀測和分析，較好地解決當前EMI測試中的問題。

本文將從結構和功能上，論證在EMI測試中，實時技術相對于傳統(tǒng)技術的特點。

1 硬件結構

在平時工作中，接觸最多的是使用掃描頻譜分析儀進行EMI的診斷和預測試；因此，主要對傳統(tǒng)掃描頻譜和實時頻譜硬件結構進行分析[4-5]，如圖1。兩者的RF前端組成基本相同，變頻單元都采用超外差式，最大的區(qū)別在于中頻（intermediate frequency，IF）單元處理以及頻譜實現(xiàn)方式，具體區(qū)別如下：

（1）掃描式頻譜儀本振采用鋸齒波發(fā)生器，控制本振實現(xiàn)線性掃描，每一個時間只對應一個頻點的測量值；而實時頻譜由于采用FFT方式實現(xiàn)，起本振為點頻方式。

（2）掃描式頻譜儀采用窄帶IF濾波方式，實現(xiàn)對信號的高選擇性，這種結構容易破壞信號測量的完整性；而實時頻譜采用寬帶IF（例如110MHz帶寬濾波器）濾波方式，再配合高速、高動態(tài)（300 MS/s，14bit）ADC，最大程度保存信號的完整性。

（3）掃描式頻譜分析儀采用檢波方式實現(xiàn)信號的功率測量，檢波器的特性決定了對信號功率的捕獲能力和測量精度；實時頻譜分析儀的采用FFT和DSP技術，能夠實現(xiàn)對信號實時的捕獲和精確測量。

（4）實時FFT模塊。實時頻譜采用高速FPGA實現(xiàn)硬件FFT過程，速度達到292 000次/s，對微秒級的信號能夠做到100%捕獲。

圖1 掃描式頻譜儀（上）與實時頻譜（下）結構框圖

從以上4個方面，可以看出實時頻譜分析技術在系統(tǒng)結構設計上，充分考慮到了信號觀測的完整性和精度的要求。實時頻譜儀一般中頻帶寬在25MHz以上，借助實時FFT技術，在實時帶寬內(nèi)實現(xiàn)對偶發(fā)和同頻信號的捕獲。圖2是利用實時頻譜技術，對電器開關瞬間噪聲和雜散的測量結果。從圖中能夠分辨出偶發(fā)的寬帶噪聲（藍色），以及雜散信號分布（紅色）。實時頻譜用顏色（色溫）表示不同信號出現(xiàn)的概率，信號持續(xù)時間越長，顏色越紅（熱），反之就越黑（冷色）。相對于掃描式頻譜分析，多了一維概率信息（相對時間信息），正是從這個重要點切入更全面測量EMI特性。

2 EMI測試中使用的檢波方法及缺陷

圖2 開關電源開機瞬間噪聲和雜散測量結果

許多商用EMI測量標準，都是由國際無線電標準委員會（international special committee on radio interference，CISPR）規(guī)定，它是國際標準機構——國際電氣技術委員會（IEC）下屬的一家技術機構[6]。而其他標準和認證機構，如日本的TELEC，也對測量方法和認證技術提出了要求。在美國，國防部已經(jīng)開發(fā)了MIL-STD 461F標準，對軍事設備提出了特殊要求。在這些EMI標準中，對認證設備（EMI接收機）的結構，包括濾波、檢波特性都作出了詳盡的規(guī)定。只有符合這些標準的接收機，才能夠作為認證設備。

在CISPR標準中規(guī)定了峰值（peak）檢波、平均值（average）檢波和準峰值（QP）檢波3種常用檢波方法。盡管許多EMI測量可使用簡單的峰值檢波器完成，標準規(guī)定了一種專用測量方法，即準峰值檢波。QP檢波器用來檢測信號包絡加權后的峰值(準峰值)，根據(jù)信號時長和重復率加權多個信號。QP檢波器的特點是響應快、衰減慢，包含一個表示臨界阻尼表的時間常數(shù)，參見表1。發(fā)生頻次較高的信號，其QP測量值要高于偶發(fā)的脈沖。然而20世紀30年代前后誕生的QP檢波器并不是為確定當前復雜的多處理器消費電子對現(xiàn)代通信和計算系統(tǒng)中使用的瞬態(tài)信號、跳頻數(shù)字調(diào)制信號和超寬帶信號的影響而設計的。所以面對當前的測試要求，就顯得力不從心。

表1 CISPR 16-1-1和ANSI C63.2中規(guī)定的準峰值檢測器與頻率

圖3 峰值和準峰值檢波對8μs脈寬和10ms重復率的信號測量

圖3 是分別使用峰值檢波和QP檢波對8μs脈寬和10ms重復率的信號進行測量，得到的QP值比峰值低10.1dB。在實際測量EMI時，通常先使用峰值檢波測量，如果出現(xiàn)超過規(guī)定極限的頻點或頻道，然后對其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。

QP檢波器用于區(qū)分不同重復周期的干擾信號。如果產(chǎn)品QP值接近PK峰值，那么說明存在較多的持續(xù)時間長，或者重復次數(shù)多的信號成分。但是如果深究這些信號的組成，只能通過經(jīng)驗來解釋，并不能找到具體的證據(jù)。所以QP測量值，主要用來提供給產(chǎn)品設計人員，作為EMI整改的重要參考。

QP檢波結果是EMI測試不可缺少的重要結果。尤其在早期電路發(fā)展中，QP能夠發(fā)現(xiàn)峰值和平均值之間的非常態(tài)信號幅度。從它的電路和特性分析，QP對于單一重復噪聲具有重要的參考價值。但是面對今天這樣復雜的信號系統(tǒng)，QP僅僅作為一個重要的測量參數(shù)（EMI標準的滯后性決定），而對于真正意義的研發(fā)，起到的作用已經(jīng)非常小。

而實時頻譜技術，可以作為EMI測試非常重要的輔助工具，尤其對于產(chǎn)品的設計和研發(fā)人員，能夠從測量結果看到熟悉的電路信號成分，以及噪聲和干擾信號[7-8]。

3 EMI測試中測量時間和點數(shù)的意義

圖4和圖5分別是用傳統(tǒng)模式和實時模式，對PC機磁盤高速緩存動作所產(chǎn)生信號的測量。傳統(tǒng)分析儀采用峰值掃描（黃色軌跡）漏掉的瞬態(tài)EMI，保持Max-hold模式60s后被發(fā)現(xiàn)；而實時頻譜技術，在5s后就發(fā)現(xiàn)偶發(fā)瞬態(tài)信號。紅色區(qū)域是頻繁發(fā)生的信號，藍色部分和綠色部分是瞬態(tài)信號。雖然掃描頻譜分析儀和實時頻譜儀的測量結果類似，但是相對于實時頻譜，耗費了12倍的測量時間。由此可知如果想要使用非實時系統(tǒng)捕獲瞬態(tài)信號，就需要更長的時間。

圖4 傳統(tǒng)模式測量

回到關于EMI測試的經(jīng)典問題：測量點數(shù)和捕獲概率。對于測量持續(xù)時間短的周期或非周期信號，提高捕獲概率，即增加測量時間，然而測量點數(shù)和時間又是矛盾的，雖然當點數(shù)多時概率高，但是測量時間就會延長。當然測量步進（點數(shù)）不能大于規(guī)定的RBW，所以取不同的系數(shù)，會有不同的測量點數(shù)和測量時間，如表2所示。

表2 不同的RBW系數(shù)，對應不同的掃描點數(shù)

到底如何取點，就需要根據(jù)經(jīng)驗做出選擇。當然，如果有足夠的測量時間，建議還是點數(shù)越多越好。

從傳統(tǒng)EMI測試設備（接收機和頻譜儀）的結構特點、幅度檢波方法、測試時間以及捕獲概率的討論能夠看出，現(xiàn)行的EMI測試方法的最大缺點就是對偶發(fā)信號難以捕獲；而實時頻譜技術，利用其強大的實時功能，能夠有效地彌補EMI測試中的不足，特別是在研發(fā)和故障診斷階段，能夠為設計人員提供最真實的信號，并能有效提高測試效率，縮短研發(fā)周期[9]。

4 測試案例

下面通過使用實時頻譜分析儀發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)信號和EMI隱患，當存在這些信號和隱患時會觸發(fā)系統(tǒng)，并分析其特點。單個的瞬變信號會產(chǎn)生一串瞬態(tài)信號，這些信號每次只持續(xù)很短的時間。某設備為一種嵌入式系統(tǒng)，當系統(tǒng)被要求把數(shù)據(jù)緩存到硬盤時導致了瞬態(tài)EMI。在使用掃頻分析儀的峰值檢波器簡單檢查后(圖6中黃色軌跡)，似乎只有一個連續(xù)信號；使用Max-hold幾分鐘，同時循環(huán)EUT工作模式，會指明問題（圖6中藍色軌跡）。但在峰值檢波模式下進行快速掃描僅得到黃色軌跡，沒有檢測到問題。

使用實時技術考察EUT的EMI特性，立即發(fā)現(xiàn)問題。在圖6中，發(fā)生頻次較高的信號用紅色表示，發(fā)生頻次較低的信號用藍色和綠色表示，可以立即看到哪些信號是連續(xù)的，哪些信號是瞬態(tài)的。瞬態(tài)信號偶爾出現(xiàn)，但其電平要比連續(xù)信號高出15dB。

實時技術還可觸發(fā)和捕獲信號，以便進一步進行分析。通過根據(jù)連續(xù)信號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，可以輕松觸發(fā)和捕獲信號，持續(xù)時間超過10.3 μs、高出頻率模板門限的任何信號都會導致觸發(fā)，并將觸發(fā)前和觸發(fā)后的信號存儲。

圖6 使用頻率模板觸發(fā)技術捕獲以1s重復率發(fā)生的瞬態(tài)信號

5 結束語

實時分析技術與掃頻技術相比，大大縮短了保證100%瞬態(tài)信號偵聽概率所需的最低信號時長。通過使用實時頻譜技術的測量儀器進行EMI的診斷測試，可以簡便地調(diào)試產(chǎn)生各種瞬態(tài)信號的系統(tǒng)，保證在分析過程中不會漏掉瞬態(tài)信號，這縮短了獲得信息的時間，提高了被測設備質(zhì)量。

[1]MIL-STD-461F Requirement for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment[S].Department of defense of USA，2007.

[2]CISPR 16-1-1 Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods-Part 1-1：Radio disturbance and immunity measuring apparatusmeasuring apparatus [S].InternationalElectrotechnical Commisioon，2006.

[3]Edwin L，Bronaugh.The Quasi-Peak Detector[EB/OL].http：//www.ieee.org/organizations/pubs/newsletters/emcs/summer 01/pp.bronaugh.htm.

[4]劉玉軍，吳小東，王東楊，等.實時頻譜分析原理與應用[J].現(xiàn)代儀器，2009，15（2）：7-11.

[5]張璨，秦開宇.實時頻譜分析儀中CCDF測量功能的實現(xiàn)[J].中國測試技術，2007，33（1）：40-42.

[6]Mardiguian M，陳愛新.輻射發(fā)射控制設計技術[M].北京：科學出版社，2008：27-28.

[7]何宏.電磁兼容原理與技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008：15-16.

[8]劉培國，侯冬云.電磁兼容基礎[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：15-17.

[9]楊克俊.電磁兼容原理與設計技術[M].北京：人民郵電出版社，2011：52-53.