通過信號處理提高時(shí)域EMI的測量準(zhǔn)確度

牛宏亮

【摘 要】利用短時(shí)FFT算法對時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，信號需滿足平穩(wěn)性假設(shè)條件，因此對尖峰、脈沖等瞬態(tài)信號無法得到正確的分析結(jié)果。重疊FFT是對非平穩(wěn)信號進(jìn)行時(shí)域分析的有力工具，其引入不同的交疊深度，對采樣信息進(jìn)行精細(xì)分析，這樣可以避免因?yàn)榇昂瘮?shù)的兩端零點(diǎn)對干擾信號可能造成的頻譜泄露，實(shí)現(xiàn)對非周期、尖峰、脈沖以及跳頻等瞬態(tài)信號的無縫捕獲。

【關(guān)鍵詞】電磁干擾；瞬態(tài)信號；重疊傅里葉變換；短時(shí)傅里葉變換

【Abstract】Analyse the time-domain data of spectrum with short-time FFT algorithm， the signal need to meet stationarity assumptions. Therefore， transient signal such as peak and impulse， cannot get the correct analysis results.Overlapping FFT is a powerful tool for time domain analysis of non-stationary signal.Bring in different overlapping depth， detailed analysis was carried out on the sample information. So it can avoid leakage frequency spectrum which the zero point of both window function sides may influence on the interference signal.It can seamless capture the transient signal， such as aperiodic， peak， impulse and frequency hopping.

【Key words】Electromagnetic interference； Transient signal； Overlapping FFT； Short-time FFT

0 前言

隨著越來越多的電子電器設(shè)備在科研生產(chǎn)和日常生活中的廣泛應(yīng)用，電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）問題也日益突出。在諸多的電磁干擾現(xiàn)象中，周期性的干擾易于發(fā)現(xiàn)，但那些偶發(fā)性的電磁干擾現(xiàn)象由于其自身的不規(guī)律性，采用傳統(tǒng)的EMI接收機(jī)去測量往往很難發(fā)現(xiàn)，會發(fā)生頻譜泄露現(xiàn)象，從而使得測量結(jié)果失真[1]。

針對上述問題，本文對時(shí)域EMI測量技術(shù)中的信號處理環(huán)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種為新的信號處理方法—重疊FFT算法，來解決瞬態(tài)信號難以準(zhǔn)確測量的問題。重疊FFT算法主要是根據(jù)CISPR16-1-1標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]，為了能夠捕獲并分析瞬態(tài)干擾信號，不同于傳統(tǒng)的順序處理采樣點(diǎn)的信息，而是引入了不同的交疊深度，對采樣信息進(jìn)行精細(xì)分析，這樣可以避免因?yàn)榇昂瘮?shù)的兩端零點(diǎn)對干擾信號可能造成的頻譜泄露，實(shí)現(xiàn)對瞬態(tài)干擾信號的測量。

1 短時(shí)FFT（Short-Time FFT，STFFT）算法

利用FFT算法可以對寬帶時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，但使用FFT時(shí)，需要信號滿足平穩(wěn)性假設(shè)條件，對尖峰、脈沖等瞬態(tài)信號無法得到正確的分析結(jié)果[3，4]。STFFT是對非平穩(wěn)信號進(jìn)行時(shí)域分析的有力工具，它在FFT前乘上一個(gè)時(shí)間有限的窗函數(shù)，將信號劃分為多個(gè)短時(shí)間間隔的塊進(jìn)行并行快速處理，從而得到信號的一組局域頻譜，根據(jù)不同時(shí)刻局部頻譜的差異，獲得信號的時(shí)變特性。在本文中，采用STFFT對時(shí)域信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對非周期、尖峰、脈沖以及跳頻等瞬態(tài)信號的無縫捕獲。

時(shí)域EMI測量系統(tǒng)在進(jìn)行電磁干擾測量時(shí)，由于實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理單元處理的數(shù)據(jù)量巨大，每秒鐘處理的數(shù)據(jù)量達(dá)到Gbps級別。如此規(guī)模的數(shù)據(jù)吞吐量一般由超大規(guī)模FPGA陣列組成的硬件模塊來作為基礎(chǔ)平臺來應(yīng)對，因此高效的數(shù)據(jù)處理算法就顯得尤為必要。為了完成數(shù)據(jù)處理的繁重任務(wù)，可采用短時(shí)FFT信號處理算法。把數(shù)據(jù)分流到FPGA陣列中，然后采用短時(shí)FFT信號處理算法，在每一個(gè)FPGA芯片上，把數(shù)據(jù)分割成大量的短時(shí)間間隔塊，由FPGA芯片內(nèi)部豐富的內(nèi)嵌功能單元來完成短時(shí)數(shù)據(jù)塊的處理。

2 重疊FFT（Overlapping FFT）算法

為了實(shí)現(xiàn)對非周期、尖峰、脈沖以及跳頻等瞬態(tài)電磁干擾信號的準(zhǔn)確測量，本文設(shè)計(jì)了一種重疊FFT信號處理技術(shù)。

在短時(shí)FFT算法分析中，一個(gè)固有的假設(shè)是要處理的數(shù)據(jù)是單個(gè)周期定期重復(fù)的信號。圖1描述了一系列時(shí)域樣點(diǎn)。

假如在幀2上使用 FFT 處理時(shí)，在信號上進(jìn)行周期擴(kuò)展。一般會在連續(xù)幀之間發(fā)生不連續(xù)點(diǎn)，如圖2所示。

這些人為的不連續(xù)點(diǎn)生成原始信號中不存在的雜散響應(yīng)，在附近存在大的信號時(shí)，不可能檢測到小的信號，這種效應(yīng)稱為頻譜泄漏[5]。

應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的重疊FFT算法，可解決頻譜泄露效應(yīng)，以及完成對瞬態(tài)信號的無縫測量。

重疊FFT算法主要是根據(jù)CISPR16-1-1標(biāo)準(zhǔn)的要求，為了能夠捕獲并分析瞬態(tài)干擾信號，不同于傳統(tǒng)的順序處理采樣點(diǎn)的信息，而是引入了不同的交疊深度，對采樣信息進(jìn)行精細(xì)分析，這樣可以避免因?yàn)榇昂瘮?shù)的兩端零點(diǎn)對干擾信號可能造成的頻譜泄漏，實(shí)現(xiàn)對瞬態(tài)干擾信號的測量[6]。

重疊FFT算法的一個(gè)核心就是把待處理的數(shù)據(jù)依據(jù)一定的長度劃分為一個(gè)個(gè)小的單元，在對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析分析時(shí)，相鄰兩個(gè)單元之間的數(shù)據(jù)有一定量的重復(fù)，這個(gè)重復(fù)的部分就命名為重疊幀。重疊幀的一個(gè)優(yōu)勢是提高了顯示更新速率，這一效應(yīng)在要求采集時(shí)間長的窄跨度中最為明顯。如果沒有重疊幀，那么直到采集整個(gè)新幀時(shí)才能更新顯示屏幕。在使用重疊幀時(shí)，將在以前的幀完成前顯示新幀。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在頻譜圖中實(shí)現(xiàn)的無縫頻域顯示。由于窗口濾波器降低了幀的每端樣點(diǎn)對零的影響，如果幀沒有重疊，在兩個(gè)相鄰幀接合處發(fā)生的頻譜事件可能會丟失。但是，重疊幀保證了可以在頻譜圖上查看所有頻譜事件，而不考慮窗口效應(yīng)。

3 仿真驗(yàn)證

為了評估所設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)的精確度，采用配置為Intel Celeron 600-MHz的臺式電腦對其測量結(jié)果進(jìn)行分析，臺式電腦采用300MHz的時(shí)鐘對內(nèi)部CPU進(jìn)行記錄。以一個(gè)典型的dc/dc轉(zhuǎn)換器的電磁干擾測量為實(shí)例，用時(shí)域EMI測量系統(tǒng)，結(jié)合重疊FFT信號處理算法對其進(jìn)行測量。

如圖3所示，應(yīng)用了重疊FFT算法的時(shí)域EMI測量系統(tǒng)，在不同時(shí)間點(diǎn)上成功捕獲到了頻率分別為296MHz和188MHz的瞬態(tài)電磁干擾信號，充分驗(yàn)證了本算法的有效性。

4 結(jié)論

本文在短時(shí)FFT算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的重疊FFT算法，解決了電磁干擾測量中非周期、尖峰、脈沖以及跳頻等瞬態(tài)電磁干擾信號難以準(zhǔn)確捕獲并測量的問題。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，本方法準(zhǔn)確、有效。隨著各種電子電器產(chǎn)品的大規(guī)模應(yīng)用，本算法在電磁干擾測量和電磁干擾預(yù)防等領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]S.Braun，T.Donauer and P.Russer.A realtime time-domain EMI measurement system for full--compliance measurements according to CISPR16-1-1[J].Electromagnetic Compatibility，IEEE Transactions，on vol.50，pp.259-267，May 2008.

[2]M.Pous and F.Silva.Prediction of the impact of transient disturbances in real-time digital wireless communication systems[J]. Electromagnetic Compatibility Magzine，IEEE，vol.3，pp.76 -83，2014.

[3]周先春，石蘭芳.數(shù)字信號處理[M]，清華大學(xué)出版社，2015.

[4]S.Braun.A novel time-domain EMI measurement system for measurement and evalution of discontinuous disturbance according to CISPR 14 and CISPR 16 in electromagnetic compati- -bility[J].IEEE International Symposium on 2011.

[5]G.Costa，M.Pous，A.Atienza and F.Silva.Time-domain Electromagnetic Interference Measure--ment System for intermitent disturbances[J].Electromagnetic Compatibility（EMC Europe）， International Symposium on Gothenburg，2014.

[6]馬明，沈越泓，牛英濤，孔昭煜.基于空間時(shí)頻分布的非平穩(wěn)信號盲分離算法性能研究[J].測控與控制學(xué)報(bào)，2007，6（29）：55-61.

[責(zé)任編輯：王偉平]