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(shí)采用的測試方法，如CISPR平均方法和準(zhǔn)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(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(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(jì)和檢驗(yàn)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(jì)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(jì)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(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)一致性測試，以確定設(shè)計(jì)中的問題區(qū)域。滿足國際標(biāo)準(zhǔn)并不要求進(jìn)行預(yù)一致性測試，預(yù)一致性測試的目標(biāo)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(fēng)險(xiǎn)。使用的設(shè)備可以是非標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)。預(yù)一致性測試可以在認(rèn)證實(shí)驗(yàn)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(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。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(shí)存在的背景信號。

一致性測試要求符合國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法、設(shè)備和測量地點(diǎn)。一致性測試通常作為設(shè)備生產(chǎn)前設(shè)計(jì)檢驗(yàn)的一部分完成。一致性測試是窮盡型測試，耗時(shí)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(jì)，耽誤產(chǎn)品推出。

濾波器、檢測器和平均
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(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)――國際電氣技術(shù)委員會(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，也對測量方法和認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)，對軍事設(shè)備提出了特殊要求。

測量帶寬由接收機(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(jì)算在某個(gè)時(shí)點(diǎn)上代表信號的單個(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測量中，計(jì)算準(zhǔn)峰值(QP)。

在測量期間，對檢測到的信號使用平均方法。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(jìn)行平均。對EMI測試，TELEC標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種專用測量方法，即準(zhǔn)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(zhǔn)峰值)。它根據(jù)信號時(shí)長和重復(fù)率加權(quán)多個(gè)信號。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，其QP測量值要高于偶發(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(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。