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(wèn)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(méi)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(méi)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(guò)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。