中心議題：

• 實時頻譜分析在EMI診斷中的應(yīng)用

解決方案：

• 診斷、預(yù)一致性和一致性測試
• EMI濾波器、檢波器和平均算法的數(shù)字實現(xiàn)方案
• 測量速度和實時頻譜分析儀
• 查找當(dāng)前的EMI問題

頻譜分析儀是電磁干擾（EMI）的測試、診斷和故障檢修中用途最廣的一種工具。本篇文章將重點(diǎn)突出頻譜分析儀在EMI應(yīng)用的廣闊范圍內(nèi)作為診斷測試儀器的多用性。頻譜分析儀對于一個電磁兼容（EMC）工程師來說就象一位數(shù)字電路設(shè)計工程師手中的邏輯分析儀一樣重要。頻譜分析儀的寬頻率范圍、帶寬可選性和寬范圍掃描CRT顯示使得它在幾乎每一個EMC測試應(yīng)用中都可大顯身手。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(yù)計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，計算機(jī)中使用的與模式相關(guān)的擴(kuò)頻時鐘，以及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中運(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(yù)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(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(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。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(yù)一致性測試也可以在臨時地點(diǎn)由工程設(shè)計人員完成。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(jìn)行進(jìn)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(jìn)行某些預(yù)一致性測量。圖5是預(yù)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(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(dǎo)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

濾波器（filter），是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。濾波器是由電感器和電容器構(gòu)成的網(wǎng)路，可使混合的交直流電流分開。電源整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。

能檢測色譜柱流出組分及其量的變化的器件。指機(jī)械的、電子的或化學(xué)器件，用于區(qū)分、記錄或指示環(huán)境中某一變量的變化，如溫度、壓力、電荷、電磁輻射、核輻射、粒子或分子等。如紫外檢測器是將通過待測物質(zhì)后的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化為電信號的器件，這類信號轉(zhuǎn)換器英文中又稱為transducer 又稱鑒定器。是檢測色譜分離組分物理或化學(xué)性質(zhì)或含量變化（多數(shù)情況是將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓、電流信號）的一種儀器裝置。它是色譜系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，色譜分離過程的眼睛。

在許多商用EMI測量中，這些測量單元由Comite International Special des PerturbationsRadioelectriques （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。

檢波器用來計算在某個時點(diǎn)上代表信號的單個點(diǎn)。檢波方法可以計算正峰值或負(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)信號時長和重復(fù)率加權(quán)多個信號。QP檢波器的特點(diǎn)是響應(yīng)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。
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準(zhǔn)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(zhǔn)峰值檢測器。準(zhǔn)峰值檢波器的響應(yīng)快（充電時間）、衰減慢（放電時間）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。

圖2 對重復(fù)信號的準(zhǔn)峰值響應(yīng)

圖3 準(zhǔn)峰值檢波器的脈沖響應(yīng)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(fù)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(jìn)行速度較慢的準(zhǔn)峰值測量。通常使用帶有標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)峰值檢波對8μs脈寬和10ms重復(fù)率的信號的影響，準(zhǔn)峰值比峰值低10.1dB

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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(dú)一無二的方式了解DUT的信號特點(diǎn)。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(biāo)準(zhǔn)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

標(biāo)準(zhǔn)的EMI濾波器通常由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波電路，其作用是允許設(shè)備正常工作時的頻率信號進(jìn)入設(shè)備，而對高頻的干擾信號有較大的阻礙作用。電源線是干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備的主要途徑，通過電源線，電網(wǎng)的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作，同樣設(shè)備產(chǎn)生的干擾也可能通過電源線傳到電網(wǎng)上，干擾其他設(shè)備的正常工作。

檢波器，是檢出波動信號中某種有用信息的裝置。用于識別波、振蕩或信號存在或變化的器件。檢波器通常用來提取所攜帶的信息。檢波器分為包絡(luò)檢波器和同步檢波器。前者的輸出信號與輸入信號包絡(luò)成對應(yīng)關(guān)系，主要用于標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號的解調(diào)。后者實際上是一個模擬相乘器，為了得到解調(diào)作用，需要另外加入一個與輸入信號的載波完全一致的振蕩信號（相干信號）。同步檢波器主要用于單邊帶調(diào)幅信號的解調(diào)或殘留邊帶調(diào)幅信號的解調(diào)。

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(yīng)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(diǎn)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(zhǔn)峰值檢波器使用數(shù)字濾波器實現(xiàn)?？梢允褂脭?shù)字濾波器，如無窮脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器，仿真?zhèn)鹘y(tǒng)EMI接收機(jī)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(zhǔn)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(jī)噪聲信號標(biāo)準(zhǔn)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(jī)和頻譜分析儀所面臨的一項挑戰(zhàn)。QP檢波器和儀表響應(yīng)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(fù)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(jī)和實時頻譜分析儀，其應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)在當(dāng)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。
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查找當(dāng)前的EMI問題

盡管上面介紹的基于標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)前系統(tǒng)中EMI設(shè)計所面臨的問題。

幸運(yùn)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(dǎo)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(lán)色軌跡）。但在峰值檢波模式下進(jìn)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(dú)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(lán)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。

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(lán)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(jìn)一步進(jìn)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(dǎo)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(fù)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(biāo)記顯示了瞬態(tài)信號的重復(fù)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(fù)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(jìn)行基于標(biāo)準(zhǔn)的EMI測量要求使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)規(guī)定的專用濾波器和檢波器。接收機(jī)、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(jī)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(dá)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。