電磁干擾測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)和實(shí)時(shí)技術(shù)

黃坤超

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

回顧無線技術(shù)的發(fā)展，從第一次進(jìn)行無線傳輸開始，設(shè)計(jì)工程師就一直關(guān)注電磁干擾（electro magnetic interference，EMI）。隨著無線通信領(lǐng)域不斷發(fā)展，如蜂窩系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)和其他系統(tǒng)，形成了一個(gè)非常復(fù)雜的電磁環(huán)境[1]。電子設(shè)備間相互干擾概率進(jìn)一步提升，為了規(guī)范和統(tǒng)一干擾的程度，法規(guī)機(jī)構(gòu)已經(jīng)確立了EMI的限制，并且規(guī)定了符合性測(cè)試中使用的測(cè)量方法。如CISPR平均方法和準(zhǔn)峰值檢波器[2-3]，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。

隨著復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制方式和高帶寬信號(hào)的出現(xiàn)，以及嵌入式射頻（radio frequency，RF）電路的大規(guī)模應(yīng)用，產(chǎn)品的集成度越來越高。例如，對(duì)于短時(shí)間的偶發(fā)強(qiáng)干擾信號(hào)（幅度高），其在頻域占用帶寬寬。這樣的脈沖信號(hào)，對(duì)廣播模擬無線傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥?jì)，但在數(shù)字系統(tǒng)中會(huì)導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)包丟失，或堵塞相鄰的信號(hào)系統(tǒng)。但是，受到現(xiàn)有EMI測(cè)量方法和設(shè)備的限制，很難在頻域中捕獲到它。這樣，很可能產(chǎn)品的電磁兼容（electro magnetic compatibility，EMC）測(cè)試是通過的，但是產(chǎn)品卻受到“不明干擾信號(hào)”而無法正常使用。

近年來，實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)越來越得到市場(chǎng)的認(rèn)可，主要因?yàn)樗鉀Q了長(zhǎng)期困擾人們的瞬態(tài)信號(hào)和同頻信號(hào)的捕獲和分析的問題。特別在EMI測(cè)試中，對(duì)偶發(fā)信號(hào)和同頻干擾信號(hào)能夠有效地觀測(cè)和分析，較好地解決當(dāng)前EMI測(cè)試中的問題。

本文將從結(jié)構(gòu)和功能上，論證在EMI測(cè)試中，實(shí)時(shí)技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)。

1 硬件結(jié)構(gòu)

在平時(shí)工作中，接觸最多的是使用掃描頻譜分析儀進(jìn)行EMI的診斷和預(yù)測(cè)試；因此，主要對(duì)傳統(tǒng)掃描頻譜和實(shí)時(shí)頻譜硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[4-5]，如圖1。兩者的RF前端組成基本相同，變頻單元都采用超外差式，最大的區(qū)別在于中頻（intermediate frequency，IF）單元處理以及頻譜實(shí)現(xiàn)方式，具體區(qū)別如下：

（1）掃描式頻譜儀本振采用鋸齒波發(fā)生器，控制本振實(shí)現(xiàn)線性掃描，每一個(gè)時(shí)間只對(duì)應(yīng)一個(gè)頻點(diǎn)的測(cè)量值；而實(shí)時(shí)頻譜由于采用FFT方式實(shí)現(xiàn)，起本振為點(diǎn)頻方式。

（2）掃描式頻譜儀采用窄帶IF濾波方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的高選擇性，這種結(jié)構(gòu)容易破壞信號(hào)測(cè)量的完整性；而實(shí)時(shí)頻譜采用寬帶IF（例如110MHz帶寬濾波器）濾波方式，再配合高速、高動(dòng)態(tài)（300 MS/s，14bit）ADC，最大程度保存信號(hào)的完整性。

（3）掃描式頻譜分析儀采用檢波方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的功率測(cè)量，檢波器的特性決定了對(duì)信號(hào)功率的捕獲能力和測(cè)量精度；實(shí)時(shí)頻譜分析儀的采用FFT和DSP技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)的捕獲和精確測(cè)量。

（4）實(shí)時(shí)FFT模塊。實(shí)時(shí)頻譜采用高速FPGA實(shí)現(xiàn)硬件FFT過程，速度達(dá)到292 000次/s，對(duì)微秒級(jí)的信號(hào)能夠做到100%捕獲。

圖1 掃描式頻譜儀（上）與實(shí)時(shí)頻譜（下）結(jié)構(gòu)框圖

從以上4個(gè)方面，可以看出實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，充分考慮到了信號(hào)觀測(cè)的完整性和精度的要求。實(shí)時(shí)頻譜儀一般中頻帶寬在25MHz以上，借助實(shí)時(shí)FFT技術(shù)，在實(shí)時(shí)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)偶發(fā)和同頻信號(hào)的捕獲。圖2是利用實(shí)時(shí)頻譜技術(shù)，對(duì)電器開關(guān)瞬間噪聲和雜散的測(cè)量結(jié)果。從圖中能夠分辨出偶發(fā)的寬帶噪聲（藍(lán)色），以及雜散信號(hào)分布（紅色）。實(shí)時(shí)頻譜用顏色（色溫）表示不同信號(hào)出現(xiàn)的概率，信號(hào)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，顏色越紅（熱），反之就越黑（冷色）。相對(duì)于掃描式頻譜分析，多了一維概率信息（相對(duì)時(shí)間信息），正是從這個(gè)重要點(diǎn)切入更全面測(cè)量EMI特性。

2 EMI測(cè)試中使用的檢波方法及缺陷

圖2 開關(guān)電源開機(jī)瞬間噪聲和雜散測(cè)量結(jié)果

許多商用EMI測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，都是由國(guó)際無線電標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（international special committee on radio interference，CISPR）規(guī)定，它是國(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)[6]。而其他標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)，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。在美國(guó)，國(guó)防部已經(jīng)開發(fā)了MIL-STD 461F標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)軍事設(shè)備提出了特殊要求。在這些EMI標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)認(rèn)證設(shè)備（EMI接收機(jī)）的結(jié)構(gòu)，包括濾波、檢波特性都作出了詳盡的規(guī)定。只有符合這些標(biāo)準(zhǔn)的接收機(jī)，才能夠作為認(rèn)證設(shè)備。

在CISPR標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了峰值（peak）檢波、平均值（average）檢波和準(zhǔn)峰值（QP）檢波3種常用檢波方法。盡管許多EMI測(cè)量可使用簡(jiǎn)單的峰值檢波器完成，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種專用測(cè)量方法，即準(zhǔn)峰值檢波。QP檢波器用來檢測(cè)信號(hào)包絡(luò)加權(quán)后的峰值(準(zhǔn)峰值)，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)，參見表1。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。然而20世紀(jì)30年代前后誕生的QP檢波器并不是為確定當(dāng)前復(fù)雜的多處理器消費(fèi)電子對(duì)現(xiàn)代通信和計(jì)算系統(tǒng)中使用的瞬態(tài)信號(hào)、跳頻數(shù)字調(diào)制信號(hào)和超寬帶信號(hào)的影響而設(shè)計(jì)的。所以面對(duì)當(dāng)前的測(cè)試要求，就顯得力不從心。

表1 CISPR 16-1-1和ANSI C63.2中規(guī)定的準(zhǔn)峰值檢測(cè)器與頻率

圖3 峰值和準(zhǔn)峰值檢波對(duì)8μs脈寬和10ms重復(fù)率的信號(hào)測(cè)量

圖3 是分別使用峰值檢波和QP檢波對(duì)8μs脈寬和10ms重復(fù)率的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，得到的QP值比峰值低10.1dB。在實(shí)際測(cè)量EMI時(shí)，通常先使用峰值檢波測(cè)量，如果出現(xiàn)超過規(guī)定極限的頻點(diǎn)或頻道，然后對(duì)其進(jìn)行速度較慢的準(zhǔn)峰值測(cè)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(píng)估任何問題區(qū)域。

QP檢波器用于區(qū)分不同重復(fù)周期的干擾信號(hào)。如果產(chǎn)品QP值接近PK峰值，那么說明存在較多的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，或者重復(fù)次數(shù)多的信號(hào)成分。但是如果深究這些信號(hào)的組成，只能通過經(jīng)驗(yàn)來解釋，并不能找到具體的證據(jù)。所以QP測(cè)量值，主要用來提供給產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員，作為EMI整改的重要參考。

QP檢波結(jié)果是EMI測(cè)試不可缺少的重要結(jié)果。尤其在早期電路發(fā)展中，QP能夠發(fā)現(xiàn)峰值和平均值之間的非常態(tài)信號(hào)幅度。從它的電路和特性分析，QP對(duì)于單一重復(fù)噪聲具有重要的參考價(jià)值。但是面對(duì)今天這樣復(fù)雜的信號(hào)系統(tǒng)，QP僅僅作為一個(gè)重要的測(cè)量參數(shù)（EMI標(biāo)準(zhǔn)的滯后性決定），而對(duì)于真正意義的研發(fā)，起到的作用已經(jīng)非常小。

而實(shí)時(shí)頻譜技術(shù)，可以作為EMI測(cè)試非常重要的輔助工具，尤其對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)人員，能夠從測(cè)量結(jié)果看到熟悉的電路信號(hào)成分，以及噪聲和干擾信號(hào)[7-8]。

3 EMI測(cè)試中測(cè)量時(shí)間和點(diǎn)數(shù)的意義

圖4和圖5分別是用傳統(tǒng)模式和實(shí)時(shí)模式，對(duì)PC機(jī)磁盤高速緩存動(dòng)作所產(chǎn)生信號(hào)的測(cè)量。傳統(tǒng)分析儀采用峰值掃描（黃色軌跡）漏掉的瞬態(tài)EMI，保持Max-hold模式60s后被發(fā)現(xiàn)；而實(shí)時(shí)頻譜技術(shù)，在5s后就發(fā)現(xiàn)偶發(fā)瞬態(tài)信號(hào)。紅色區(qū)域是頻繁發(fā)生的信號(hào)，藍(lán)色部分和綠色部分是瞬態(tài)信號(hào)。雖然掃描頻譜分析儀和實(shí)時(shí)頻譜儀的測(cè)量結(jié)果類似，但是相對(duì)于實(shí)時(shí)頻譜，耗費(fèi)了12倍的測(cè)量時(shí)間。由此可知如果想要使用非實(shí)時(shí)系統(tǒng)捕獲瞬態(tài)信號(hào)，就需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

圖4 傳統(tǒng)模式測(cè)量

回到關(guān)于EMI測(cè)試的經(jīng)典問題：測(cè)量點(diǎn)數(shù)和捕獲概率。對(duì)于測(cè)量持續(xù)時(shí)間短的周期或非周期信號(hào)，提高捕獲概率，即增加測(cè)量時(shí)間，然而測(cè)量點(diǎn)數(shù)和時(shí)間又是矛盾的，雖然當(dāng)點(diǎn)數(shù)多時(shí)概率高，但是測(cè)量時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)。當(dāng)然測(cè)量步進(jìn)（點(diǎn)數(shù)）不能大于規(guī)定的RBW，所以取不同的系數(shù)，會(huì)有不同的測(cè)量點(diǎn)數(shù)和測(cè)量時(shí)間，如表2所示。

表2 不同的RBW系數(shù)，對(duì)應(yīng)不同的掃描點(diǎn)數(shù)

到底如何取點(diǎn)，就需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做出選擇。當(dāng)然，如果有足夠的測(cè)量時(shí)間，建議還是點(diǎn)數(shù)越多越好。

從傳統(tǒng)EMI測(cè)試設(shè)備（接收機(jī)和頻譜儀）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、幅度檢波方法、測(cè)試時(shí)間以及捕獲概率的討論能夠看出，現(xiàn)行的EMI測(cè)試方法的最大缺點(diǎn)就是對(duì)偶發(fā)信號(hào)難以捕獲；而實(shí)時(shí)頻譜技術(shù)，利用其強(qiáng)大的實(shí)時(shí)功能，能夠有效地彌補(bǔ)EMI測(cè)試中的不足，特別是在研發(fā)和故障診斷階段，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供最真實(shí)的信號(hào)，并能有效提高測(cè)試效率，縮短研發(fā)周期[9]。

4 測(cè)試案例

下面通過使用實(shí)時(shí)頻譜分析儀發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)信號(hào)和EMI隱患，當(dāng)存在這些信號(hào)和隱患時(shí)會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)，并分析其特點(diǎn)。單個(gè)的瞬變信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一串瞬態(tài)信號(hào)，這些信號(hào)每次只持續(xù)很短的時(shí)間。某設(shè)備為一種嵌入式系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)被要求把數(shù)據(jù)緩存到硬盤時(shí)導(dǎo)致了瞬態(tài)EMI。在使用掃頻分析儀的峰值檢波器簡(jiǎn)單檢查后(圖6中黃色軌跡)，似乎只有一個(gè)連續(xù)信號(hào)；使用Max-hold幾分鐘，同時(shí)循環(huán)EUT工作模式，會(huì)指明問題（圖6中藍(lán)色軌跡）。但在峰值檢波模式下進(jìn)行快速掃描僅得到黃色軌跡，沒有檢測(cè)到問題。

使用實(shí)時(shí)技術(shù)考察EUT的EMI特性，立即發(fā)現(xiàn)問題。在圖6中，發(fā)生頻次較高的信號(hào)用紅色表示，發(fā)生頻次較低的信號(hào)用藍(lán)色和綠色表示，可以立即看到哪些信號(hào)是連續(xù)的，哪些信號(hào)是瞬態(tài)的。瞬態(tài)信號(hào)偶爾出現(xiàn)，但其電平要比連續(xù)信號(hào)高出15dB。

實(shí)時(shí)技術(shù)還可觸發(fā)和捕獲信號(hào)，以便進(jìn)一步進(jìn)行分析。通過根據(jù)連續(xù)信號(hào)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(hào)，可以輕松觸發(fā)和捕獲信號(hào)，持續(xù)時(shí)間超過10.3 μs、高出頻率模板門限的任何信號(hào)都會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)，并將觸發(fā)前和觸發(fā)后的信號(hào)存儲(chǔ)。

圖6 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(hào)

5 結(jié)束語

實(shí)時(shí)分析技術(shù)與掃頻技術(shù)相比，大大縮短了保證100%瞬態(tài)信號(hào)偵聽概率所需的最低信號(hào)時(shí)長(zhǎng)。通過使用實(shí)時(shí)頻譜技術(shù)的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行EMI的診斷測(cè)試，可以簡(jiǎn)便地調(diào)試產(chǎn)生各種瞬態(tài)信號(hào)的系統(tǒng)，保證在分析過程中不會(huì)漏掉瞬態(tài)信號(hào)，這縮短了獲得信息的時(shí)間，提高了被測(cè)設(shè)備質(zhì)量。

[1]MIL-STD-461F Requirement for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment[S].Department of defense of USA，2007.

[2]CISPR 16-1-1 Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods-Part 1-1：Radio disturbance and immunity measuring apparatusmeasuring apparatus [S].InternationalElectrotechnical Commisioon，2006.

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