實(shí)時(shí)頻譜分析在EMI診斷中的應用

從第一次進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸開(kāi)始，設計工程師就一直關(guān)注電磁干擾(EMI)。法規機構已經(jīng)確立了EMI的限制，規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(xiě)這些方法的目的，是滿(mǎn)足語(yǔ)音和視頻的模擬廣播需求以及撰寫(xiě)時(shí)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(shí)提供可以接受的干擾水平。隨著(zhù)數字調制數據傳輸和超寬帶(UWB)傳輸方法出現，加上高速數字時(shí)鐘形式的非預計輻射裝置的頻率日益提高，當前EMI規范標準已經(jīng)不能全面解決目前存在的所有干擾類(lèi)型及其對通信系統的影響。

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(lái)越常見(jiàn)，例如，計算機中使用的與模式相關(guān)的擴頻時(shí)鐘，以及嵌入式系統設計中運行有噪聲的定期硬盤(pán)訪(fǎng)問(wèn)周期的硬盤(pán)驅動(dòng)器。這些復雜的數字設備正日益接近以頻率捷變、基于分組模式運行的無(wú)線(xiàn)通信系統。

隨著(zhù)通信系統的干擾特點(diǎn)發(fā)生變化，測試設備也在變化。模擬電路以前實(shí)現的功能，現在可以以數字方式實(shí)現，測量速度不斷提高，我們可以更快地獲得測量結果。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、捕獲并測量對傳統技術(shù)極具挑戰性的瞬態(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，設計和檢驗的不同階段會(huì )使用不同的設備和技術(shù)。在開(kāi)發(fā)的早期階段，EMC設計技術(shù)與診斷相結合導致較低的EMI特征，對外部干擾和內部干擾的靈敏度低。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(chǎng)和H場(chǎng)探頭，確定設計優(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(méi)有限制；通常要求對系統集成進(jìn)行全面診斷和調試，為保證所有RF子系統達到要求的性能水平，并且不會(huì )被集成系統的其他部分劣化。在系統集成后進(jìn)行預一致性測試，以確定設計中的問(wèn)題區域。滿(mǎn)足國際標準并不要求進(jìn)行預一致性測試，預一致性測試的目標是發(fā)現潛在問(wèn)題，降低一致性測試階段發(fā)生故障的風(fēng)險。使用的設備可以是非標準設備，如果在測試結果中增加充足的余量，其精度和動(dòng)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(shí)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(wèn)題區域；預一致性測試也可以在臨時(shí)地點(diǎn)由工程設計人員完成。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)用于設計流程中，不要求額外的資本開(kāi)支。如果在這個(gè)階段發(fā)現問(wèn)題，那么要求進(jìn)行進(jìn)一步診斷和設計改動(dòng)。RSA6100A上提供的功能除診斷外，還可以進(jìn)行某些預一致性測量。圖5是預一致性?huà)呙鑼?shí)例，它把CISPR QP檢波的軌跡與天線(xiàn)因子表格和雜散信號搜索功能結合在一起。在本例中，軌跡是“環(huán)境掃描”，考察的是在沒(méi)有被測設備時(shí)存在的背景信號。

一致性測試要求符合國際標準規定的方法、設備和測量地點(diǎn)。一致性測試通常作為設備生產(chǎn)前設計檢驗的一部分完成。一致性測試是窮盡型測試，耗時(shí)長(cháng)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)這一階段的EMC故障可能會(huì )導致昂貴的重新設計，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)規定，CISPR是國際標準機構――國際電氣技術(shù)委員會(huì )(IEC)下屬的一家技術(shù)機構。其他標準和認證機構，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(kāi)發(fā)了MIL-STD 461E標準，對軍事設備提出了特殊要求。

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(zhù)頻率的不同測試帶寬也不盡相同。

檢波器用來(lái)計算在某個(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使用擁有規定響應時(shí)間的電壓表讀取信號值所產(chǎn)生的影響。通過(guò)對檢測到的輸出應用指定帶寬，還可以使用“視頻濾波器”進(jìn)行平均。對EMI測試，TELEC標準中規定了視頻濾波。

檢測方法
盡管許多EMI測量可以使用簡(jiǎn)單的峰值檢波器完成，但EMI測量標準規定了一種專(zhuān)用測量方法，即準峰值(QP)檢波器。QP檢波器用來(lái)檢測信號包絡(luò )加權后的峰值(準峰值)。它根據信號時(shí)長(cháng)和重復率加權多個(gè)信號。QP檢波器的特點(diǎn)是響應快、衰減慢，包含一個(gè)表示臨界阻尼表的時(shí)間常數。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上一直用于模擬設計中，如圖1所示。

圖1 模擬實(shí)現方案中的準峰值檢測器。準峰值檢波器的響應快(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

在圖1中，只要Sin高于S1，那么信號Sin的包絡(luò )就會(huì )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(huì )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(diǎn)，用綠色表示)及檢波器與儀表的綜合響應(用紅色表示)分開(kāi)。
對于帶有QP檢波器的接收機上的常數指標，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。