預測試中的噪聲抑制與消除技術(shù)
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事實(shí)上對如何消除和避免環(huán)境(背景)中的噪聲對測試的影響這個(gè)問(wèn)題的爭論由來(lái)已久，但到目前為止爭論的雙方都沒(méi)有確鑿的證據可以充分說(shuō)明其正確性，本文將通過(guò)一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗來(lái)說(shuō)明如何解決這一困擾人們很久的問(wèn)題，而且是非常清楚和徹底的。噪聲消除技術(shù)大多在下面兩種情況中使用，即檢定和測量。這里所說(shuō)的檢定技術(shù)是指在高水平噪聲的環(huán)境中對被測物的輻射進(jìn)行定位，眾所周知，如果不采取一些環(huán)境噪聲抑制技術(shù)，定位被測物的輻射是非常不準確的。測量技術(shù)中的噪聲抑制要比檢定中的要求要高，因為測量的目的就是要獲得被測物準確的輻射水平。本文將以測量技術(shù)中的噪聲抑制為核心，對噪聲抑制的各種嚴格的要求進(jìn)行說(shuō)明，以求達到合理抑制噪聲的目的。
EMC測試設備制造公司所提供的儀器設備中一般采用了兩種背景噪聲抑制和消除技術(shù)，第一種方法是首先測量背景噪聲，之后讓被測物(EUT)開(kāi)機并進(jìn)行第二次測量，然后在軟件中用第二次測量的結果減去第一次測量的結果以剔除背景噪聲(即差分技術(shù))；第二種方法是使用雙通道分析儀，可采用兩種方案，其一是采用近場(chǎng)探頭進(jìn)行測量，同時(shí)利用遠場(chǎng)天線(xiàn)的測試數據對近場(chǎng)探頭的數據進(jìn)行修正，并假定任何有意義的輻射都能在EUT的近場(chǎng)區檢測出來(lái)，而且近場(chǎng)探頭是對環(huán)境噪聲是不敏感的。其二是同時(shí)使用兩個(gè)遠場(chǎng)天線(xiàn)，并將其中一個(gè)放置在距測試單元有意義的距離內，最終采用差分技術(shù)提取EUT的輻射。
上述兩種方法可以說(shuō)各有千秋，但沒(méi)有誰(shuí)是完美的！比如方法一會(huì )因為背景噪聲是涌動(dòng)的而遇到很大的麻煩(事實(shí)上在很多頻段內噪聲都是涌動(dòng)的)，但這種方法的潛在優(yōu)點(diǎn)是任何標準的EMC接收機或分析儀都可以采用；而與此相對方法二中的兩個(gè)方案都需要使用特殊的雙通道EMC分析儀，而且方案1中有一個(gè)明顯的問(wèn)題就是假定近場(chǎng)探頭對背景噪聲是不敏感的，事實(shí)上非常強的環(huán)境噪聲會(huì )通過(guò)與EUT相連的纜線(xiàn)感應出來(lái)，其效果就好象是有一個(gè)近場(chǎng)信號產(chǎn)生了輻射。最主要的是方法一和方法二中的第二個(gè)方案都采用了差分技術(shù)，運用是否合理是這兩種方法的關(guān)鍵，而且也是本文的主題。
采用多種差分方法計算處于噪聲環(huán)境中的EUT的輻射水平，其可信度或者說(shuō)有效性是以假定同時(shí)存在兩個(gè)或多個(gè)輻射源的情況下場(chǎng)強會(huì )增加為前提的。這看起來(lái)是顯而易見(jiàn)的，而且是在開(kāi)闊場(chǎng)(OATS)測試中證明過(guò)的。眾所周知，在標準測試環(huán)境中直接入射的信號與經(jīng)地平面反射的信號相疊加，會(huì )使得場(chǎng)強增加約6dB，如果是在線(xiàn)性坐標中，這意味著(zhù)增大了一倍。當然此時(shí)輻射源的強度是基本差不多的，而且這些輻射源是嚴格關(guān)聯(lián)應該并且是同相，如果改變這種相位關(guān)系(比如改變天線(xiàn)的高度)效果就完全不一樣了，所以說(shuō)相位問(wèn)題很重要，具體說(shuō)對EUT的輻射和環(huán)境噪聲信號的測量有什么影響？下面通過(guò)一些實(shí)驗對這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究。
實(shí)驗：
在本實(shí)驗中我們創(chuàng )建了一個(gè)已知的背景噪聲和一個(gè)已知的EUT信號，研究?jì)烧咄瑫r(shí)存在的情況下利用一臺EMC分析儀對場(chǎng)強進(jìn)行測量的影響。在創(chuàng )建信號時(shí)考慮了信號類(lèi)型，包括窄帶和(或)寬帶信號，這兩種類(lèi)型的信號是非常常見(jiàn)的，無(wú)論是在EUT還是在環(huán)境中都存在。我們不應該假定任何一種消除技術(shù)都會(huì )對這兩種信號的組合取得很好(或很差)的處理效果。
表1中列出了可能的組合模式和相應的特點(diǎn)
| 可能的組合模式 | 背景噪聲中的窄帶信號 | 背景噪聲中的寬帶信號 |
| EUT中的窄帶信號 | 如果頻率間隔小于接收機的分辨率帶寬，峰值將會(huì )合并 (峰值包絡(luò ))，此時(shí)信號的相位問(wèn)題會(huì )使得復雜程度增加，相對來(lái)說(shuō)是比較復雜的 | |
| EUT中的寬帶信號 | 根據定義，寬帶的輻射相對說(shuō)具有較為平坦的特性，因此寬帶的輻射在存在窄帶噪聲的情況下也能很清楚的觀(guān)察到 | 這也是一種比較復雜的情況 |
從中我們不難發(fā)現任何消除技術(shù)所面臨的最嚴酷的挑戰是出現EUT的信號與環(huán)境噪聲信號都屬同一類(lèi)型的情況，因此，我們的實(shí)驗將對這兩種情況進(jìn)行研究。
窄帶實(shí)驗
在這個(gè)實(shí)驗中將使用兩臺Laplace Instrumen Ltd公司的輻射參考源(ERS)，用其中一臺來(lái)仿真背景(環(huán)境)場(chǎng)，另外一臺來(lái)仿真EUT。 Laplace Instrumen Ltd公司的輻射參考源(ERS)是非常通用的儀器，尤其可以產(chǎn)生具有連續(時(shí)域)輻射輸出的窄帶輻射源，它們可以產(chǎn)生間隔為2MHz的輻射信號，而且使用兩臺儀器時(shí)頻率的一致性非常好，可以達到40ppm，保證是在分析儀的分辨率帶寬內，因此幾乎完全再現了前面提到的第一種復雜情況，良好的頻率一致性杜絕了利用頻率分辨技術(shù)來(lái)分離信號的可能性，也不可能采用平均值技術(shù)。兩臺ERS實(shí)際產(chǎn)生的輻射水平非常近似，但它們放置在測試單元(實(shí)驗室)中不同的位置上，因此測量天線(xiàn)所接收到的信號是不同的，這是因為在測試單元中不同位置的衰減是不一樣的。我們使用的頻率范圍是350-450MHz，之所以選擇這個(gè)頻段是因為在這個(gè)范圍內背景信號相對要干凈一些。先對每臺ERS進(jìn)行單獨測量，測量結果(通過(guò)測量天線(xiàn))數值較低的一個(gè)用來(lái)代表EUT，我們稱(chēng)其為設備A，用另外一臺ERS(設備B)來(lái)代表環(huán)境，之后用下面一系列的實(shí)驗來(lái)仿真真實(shí)的EMC測試。
寬帶實(shí)驗
在本次試驗中將重復窄帶實(shí)驗中的相應步驟，但使用的是兩個(gè)寬帶的輻射源即York Electromagnetics公司的 CNE(對照噪聲發(fā)射器)。它們能產(chǎn)生相對平坦的輸出頻譜是具有較寬帶寬的脈動(dòng)噪聲源。每個(gè)輻射噪聲源射也是先進(jìn)行單獨的測量，然后先打開(kāi)其中一個(gè)設備，再將兩個(gè)設備同時(shí)打開(kāi)，分別進(jìn)行測試。差分軌跡當中包含了一系列的達到了負無(wú)窮的間隔漂移，看起來(lái)像是要對零取對數！導致這種現象的原因是在某些頻點(diǎn)上環(huán)境噪聲與環(huán)境噪聲加EUT相比幾乎一樣，甚至還要小。
使用準峰值和平均值檢波器也不能取得明顯的改進(jìn)。為嘗試解決為什么真實(shí)信號和經(jīng)過(guò)處理計算的信號有如此大的差異，在時(shí)域里我們將利用接收天線(xiàn)對EUT信號進(jìn)行實(shí)際測試。
很明顯的可以發(fā)現，這些源具有強烈的脈動(dòng)特性。通過(guò)付利葉分析我們發(fā)現，在頻域具有一個(gè)很平坦的頻譜，因此在時(shí)域里一定具有瞬變的特性，所以信號在實(shí)際中是完全隨機的，同我們想象中的噪音源一樣。
從中可以看到脈動(dòng)頻率增加了一倍，但峰值幅度沒(méi)有受到影響，所以利用峰值檢波器對于如此強的源也會(huì )保持原來(lái)的峰值，即不會(huì )受任何具有較低水平脈動(dòng)峰值的影響，這是假定兩個(gè)源的頻譜帶寬是相重疊的,如果不是這樣要想鑒別EUT的輻射是很容易的事情。對每個(gè)波形中信號水平的計算是通過(guò)將每一幀中的所有DSO采樣數據的絕對值相加得到的。
只考慮環(huán)境噪聲為0.3696V
源一為3.7744V
源二為3.6467V
兩源同時(shí)為5.1472V
這說(shuō)明在時(shí)域里信號確實(shí)得到了預期的增加。最初我們可能會(huì )想利用平均值或準峰值應該可以改進(jìn)差分技術(shù)的性能，事實(shí)上不是如此，如果我們仔細的考查一下CISPR16中對平均值和檢波器的定義我們就知道原因了。這些檢波器的輸出是嚴格的相關(guān)于輸入脈沖信號的重復頻率的，檢波器的時(shí)間常數是對應于重復頻率為10KHz以上，此時(shí)檢波器的輸出相對于一個(gè)峰值檢波器。換句話(huà)說(shuō)，一旦超過(guò)10KHz繼續增加重復頻率將不會(huì )有任何作用。對波形的研究表明有意義的那些脈動(dòng)信號發(fā)生在中等間隔，約為300鈉秒，相當于重復頻率3.3MHz，大大超過(guò)了10KHz。顯然通過(guò)上述分析說(shuō)明了我們使用的噪聲源的真實(shí)性，其他具有不同特性的噪聲源可能就不是這樣。比如真實(shí)情況中的一些噪聲源是由主頻開(kāi)關(guān)器件(如相角控制器)產(chǎn)生的，它們具有的脈動(dòng)信號的重復頻率約為100或120Hz，引入第二個(gè)源將會(huì )使得這個(gè)重復頻率增大一倍，此而導致QP電平增大3dB，平均值電平約增加6dB，理論上說(shuō)雖然也能使用差分技術(shù)，但是系數如相對時(shí)間(相對的相角)和占空比會(huì )影響最終的結果。
綜上所述，我們的實(shí)驗展示的是真實(shí)世界的情況，就是背景噪聲和EUT輻射都是寬帶的，并具有重疊的頻譜，噪聲源的特性也是未知的(這是絕對真實(shí)的背景情況)，如有可能就不應用任何差分技術(shù)。在實(shí)際當中，不管怎么說(shuō)通過(guò)采用改進(jìn)了的差分技術(shù)可以被成功的用來(lái)檢測EUT中常見(jiàn)的寬帶輻射，即使是在背景噪聲輻射很高的情況下，在這個(gè)過(guò)程中包含了利用峰值檢波器進(jìn)行平均值掃描的技術(shù)。
* 在EUT關(guān)機情況下，利用分析儀進(jìn)行測試，通過(guò)多次掃描計算每個(gè)頻率點(diǎn)的平均電平。
* 當獲得結果以后就中止掃描，將獲得的數據作為背景。
* 將EUT開(kāi)機后，重復平均值掃描過(guò)程直到獲得掃描結果。
* 從兩個(gè)結果中獲取差值。
盡管進(jìn)行準確測量時(shí)，我們不推薦使用這種方法。但在預檢測中采用這種技術(shù)，仍可以非常好的對EUT的輻射進(jìn)行評估。
小結：
即使是噪聲和EUT輻射源具有不同的信號類(lèi)型(窄帶和寬帶)，通過(guò)采用不同的措施，進(jìn)行EUT的測量是有可能的。在窄帶/窄帶的情況下差分技術(shù)可以使用，可以使噪聲穩定，即使是對于不穩定的噪聲信號采用一些額外的技術(shù)也被證明是非常有效的。當環(huán)境噪聲和EUT輻射都是寬帶的時(shí)候，測量變得不可靠了，即使是在提供了EUT大致輻射水平的情況下，采用差分技術(shù)也會(huì )不準確。不管怎么樣，在實(shí)驗中所使用的輻射源的特性可能不是真實(shí)世界中典型的情況。但通過(guò)實(shí)驗證明了，即使是在很惡劣的情況下，差分技術(shù)可以為預測EUT的輻射提供有用的指導。這利里所說(shuō)的惡劣情況是指那些常引起寬帶輻射具有很低重復頻率的噪聲。
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