實時頻譜分析在EMI診斷中的應用

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一致性測試，預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；預一致性測試也可以在臨時地點由工程設(shè)計人員完成。預認證通常采用包含相應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，還可以進行某些預一致性測量。圖5是預一致性掃描實例，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現(xiàn)使用擁有規(guī)定響應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)信號時長和重復率加權(quán)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)。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，圖2把輸入響應(重復脈沖，用藍色表示)、得到的準峰值檢波器響應(具有響應快、衰減慢的特點，用綠色表示)及檢波器與儀表的綜合響應(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頻率之間的關(guān)系。

圖2 對重復信號的準峰值響應

圖3 準峰值檢波器的脈沖響應曲線

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。

在大多數(shù)EMI測量中，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檢測到的信號的影響。圖4是視頻帶寬(VBW)與RBW之比變化時視頻帶寬的影響。在VBW≥3*RBW或10*RBW(或失效)時，噪聲標準偏差保持在5.4dB。在VBW=RBW時，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)字實現(xiàn)方案
對基于離散傅里葉變換(DFT)技術(shù)的頻譜分析儀，通過對離散采集數(shù)據(jù)應用窗口功能，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，要求更多的樣點來實現(xiàn)更小的濾波帶寬。

實時頻譜分析儀采用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。

在實時頻譜分析儀中，準峰值檢波器使用數(shù)字濾波器實現(xiàn)。可以使用數(shù)字濾波器，如無窮脈沖響應(IIR)濾波器，仿真?zhèn)鹘y(tǒng)EMI接收機使用的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峰值檢波器器值。

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

圖5 VBW/RBW之比對隨機噪聲信號標準偏差的影響。在VBW不小于3倍的分辨率帶寬時，其對VBW的信號偏差沒有實際影響

測量速度和實時頻譜分析儀
QP和均值的測量速度一直是測量接收機和頻譜分析儀所面臨的一項挑戰(zhàn)。QP檢波器和儀表響應時間長，因此在很寬的頻率中一次掃描一個頻率并不現(xiàn)實。為解決這個問題，測量使用峰值檢波器完成，可以迅速確定被測設(shè)備中最高的EMI峰值。然后在所有問題區(qū)域使用單頻率測量，重復執(zhí)行測量。最近，市場上出現(xiàn)了能夠處理大的信號跨度的接收機和實時頻譜分析儀，其應用QP檢波和平均功能的速度要比單頻率測量技術(shù)高出幾個量級。這種計算頻寬中所有頻率點的方法產(chǎn)生了明顯的速度優(yōu)勢，與掃描技術(shù)相比，還有另一個優(yōu)勢：可以以高得多的偵聽概率查看頻段中的瞬態(tài)信號。這一點在當前的設(shè)計環(huán)境中尤為重要，因為信號隨時間變化和移動，單頻率測量不能表示這些動態(tài)變化的信號。

查找當前的EMI問題
盡管上面介紹的基于標準的測量方法對法定的一致性測試必不可少，但它們通常不能解決、甚至不能檢測到當前系統(tǒng)中EMI設(shè)計所面臨的問題。

幸運的是，測量技術(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時頻譜分析儀發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)信號和EMI隱患。在下面的實例中，單個的瞬態(tài)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。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(黃色軌跡，如圖6所示)，似乎只有一個連續(xù)信號；把儀器保持Max-hold幾分鐘，同時循環(huán)DUT工作模式，會指明問題(藍色軌跡)。但在峰值檢波模式下進行快速掃描會得到黃色軌跡，沒有檢測到問題。

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。泰克公司實時頻譜分析儀獨有的DPX頻譜顯示技術(shù)每秒可以處理超過48000個頻譜，保證能瞬時捕獲和顯示持續(xù)時間超過幾十微秒的信號。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。這樣，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。

圖7 使用DPX在5s后發(fā)現(xiàn)的偶發(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

在使用DPX發(fā)現(xiàn)潛在問題后，還要觸發(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10.3μs、高出頻率模板門限的任何信號都會導致觸發(fā)，并把觸發(fā)前和觸發(fā)后的信號存儲到存儲器中。圖8左側(cè)的三維頻譜圖顯示了瞬態(tài)信號觸發(fā)的4個采集結(jié)果。

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

現(xiàn)在可以全面分析信號了。圖8中的標記顯示了瞬態(tài)信號的重復率是1.0s，但瞬態(tài)信號的長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)信號的來源，在本例中是磁盤高速緩存操作，這種操作只在被測設(shè)備的特殊工作條件下才發(fā)生。

總結(jié)
進行基于標準的EMI測量要求使用標準機構(gòu)規(guī)定的專用濾波器和檢波器。接收機、傳統(tǒng)頻譜分析儀和實時頻譜分析儀提供了這些專用濾波器和檢波器。實時頻譜分析儀和某些接收機使用的DSP技術(shù)的測量速度要比掃頻方法快幾個量級，因為其可以同時分析整個實時帶寬(高達110MHz)。

與掃頻技術(shù)相比，實時分析技術(shù)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。通過使用擁有DPX頻譜處理技術(shù)的實時頻譜分析儀，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，提高了確定被測設(shè)備質(zhì)量的信心。