实时频谱分析在EMI诊断中的应用

从第一次进行无线传输开始,设计工程师就一直关注电磁干扰(EMI)。法规机构已经确立了EMI的限制,规定了符合性测试中使用的测量方法。这些方法已经应用了几十年,撰写这些方法的目的,是满足语音和视频的模拟广播需求以及撰写时采用的测试方法,如CISPR平均方法和准峰值检波器。这些测量技术旨在对人的耳朵和眼睛分别接收声音和视频时提供可以接受的干扰水平。随着数字调制数据传输和超宽带(UWB)传输方法出现,加上高速数字时钟形式的非预计辐射装置的频率日益提高,当前EMI规范标准已经不能全面解决目前存在的所有干扰类型及其对通信系统的影响。

突发在消费电子和通信中偶发的短高频干扰正变得越来越常见,例如,计算机中使用的与模式相关的扩频时钟,以及嵌入式系统设计中运行有噪声的定期硬盘访问周期的硬盘驱动器。这些复杂的数字设备正日益接近以频率捷变、基于分组模式运行的无线通信系统。

随着通信系统的干扰特点发生变化,测试设备也在变化。模拟电路以前实现的功能,现在可以以数字方式实现,测量速度不断提高,我们可以更快地获得测量结果。泰克公司推出的实时频谱分析仪可以即时查看非常宽的频谱跨度,而不会丢失频段中的信息,从而可以发现、捕获并测量对传统技术极具挑战性的瞬态峰值。

诊断、预一致性和一致性测试
在电磁兼容性(EMC)领域中,设计和检验的不同阶段会使用不同的设备和技术。在开发的早期阶段,EMC设计技术与诊断相结合导致较低的EMI特征,对外部干扰和内部干扰的灵敏度低。通常使用带有相应滤波器和检波器的通用频谱分析仪,确定设计优化对EMC的影响。通常直接在电路板上完成探测,或使用E场和H场探头,确定设计优化的影响和屏蔽效果。当然,诊断在保证优秀的EMC性能方面没有限制;通常要求对系统集成进行全面诊断和调试,为保证所有RF子系统达到要求的性能水平,并且不会被集成系统的其他部分劣化。在系统集成后进行预一致性测试,以确定设计中的问题区域。满足国际标准并不要求进行预一致性测试,预一致性测试的目标是发现潜在问题,降低一致性测试阶段发生故障的风险。使用的设备可以是非标准设备,如果在测试结果中增加充足的余量,其精度和动态范围可以低于标准接收机。预一致性测试可以在认证实验室中使用快速测量技术完成,这些测量技术旨在“迅速查看”问题区域;预一致性测试也可以在临时地点由工程设计人员完成。预认证通常采用包含相应滤波器和检波器的通用频谱分析仪,因为它们提供了快速测量工具,这些工具通常已经用于设计流程中,不要求额外的资本开支。如果在这个阶段发现问题,那么要求进行进一步诊断和设计改动。RSA6100A上提供的功能除诊断外,还可以进行某些预一致性测量。图5是预一致性扫描实例,它把CISPR QP检波的轨迹与天线因子表格和杂散信号搜索功能结合在一起。在本例中,轨迹是“环境扫描”,考察的是在没有被测设备时存在的背景信号。

一致性测试要求符合国际标准规定的方法、设备和测量地点。一致性测试通常作为设备生产前设计检验的一部分完成。一致性测试是穷尽型测试,耗时长,产品开发这一阶段的EMC故障可能会导致昂贵的重新设计,耽误产品推出。

滤波器、检测器和平均
接收机和频谱分析仪可以建模为拥有接收机带宽、信号检波方法和结果平均方法,以完成信号电平测量。
在许多商用EMI测量中,这些测量单元由Comite International Special des Perturbations Radioelectriques (CISPR)规定,CISPR是国际标准机构——国际电气技术委员会(IEC)下属的一家技术机构。其他标准和认证机构,例如日本的TELEC,也对测量方法和认证技术提出了要求。美国国防部已经开发了MIL-STD 461E标准,对军事设备提出了特殊要求。

测量带宽由接收机带宽形状或频谱仪的分辨率带宽(RBW)滤波器决定。测试带宽通常是频谱中可能存在干扰的频段,而随着频率的不同测试带宽也不尽相同。

检波器用来计算在某个时点上代表信号的单个点。检波方法可以计算正峰值或负峰值、电压的RMS或均值,或在许多EMI测量中,计算准峰值(QP)。

在测量期间,对检测到的信号使用平均方法。CISPR标准定义的平均算法旨在复现使用拥有规定响应时间的电压表读取信号值所产生的影响。通过对检测到的输出应用指定带宽,还可以使用“视频滤波器”进行平均。对EMI测试,TELEC标准中规定了视频滤波。

检测方法
尽管许多EMI测量可以使用简单的峰值检波器完成,但EMI测量标准规定了一种专用测量方法,即准峰值(QP)检波器。QP检波器用来检测信号包络加权后的峰值(准峰值)。它根据信号时长和重复率加权多个信号。QP检波器的特点是响应快、衰减慢,包含一个表示临界阻尼表的时间常数。发生频次较高的信号,其QP测量值要高于偶发的脉冲。

准峰值检波器在传统上一直用于模拟设计中,如图1所示。

实时频谱分析在EMI诊断中的应用

图1 模拟实现方案中的准峰值检测器。准峰值检波器的响应快(充电时间)、衰减慢(放电时间)特点源于该电路中的R-C常数

在图1中,只要Sin高于S1,那么信号Sin的包络就会对电容器C到电阻器R1充电。如果输入信号Sin小于S1,那么电阻R2会对电压S1放电。

为帮助查看准峰值检波器与相关仪表组合的响应,图2把输入响应(重复脉冲,用蓝色表示)、得到的准峰值检波器响应(具有响应快、衰减慢的特点,用绿色表示)及检波器与仪表的综合响应(用红色表示)分开。
对于带有QP检波器的接收机上的常数指标,图3表明了CISPR 16-1-1标准描述的幅度和重复频率之间的关系。

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