電磁干擾測試面臨的挑戰和實時技術

黃坤超

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

回顧無線技術的發展，從第一次進行無線傳輸開始，設計工程師就一直關注電磁干擾（electro magnetic interference，EMI）。隨著無線通信領域不斷發展，如蜂窩系統、衛星系統、廣播系統和其他系統，形成了一個非常復雜的電磁環境[1]。電子設備間相互干擾概率進一步提升，為了規范和統一干擾的程度，法規機構已經確立了EMI的限制，并且規定了符合性測試中使用的測量方法。如CISPR平均方法和準峰值檢波器[2-3]，這些測量技術旨在對人的耳朵和眼睛分別接收聲音和視頻時提供可以接受的干擾水平。

隨著復雜的數字調制方式和高帶寬信號的出現，以及嵌入式射頻（radio frequency，RF）電路的大規模應用，產品的集成度越來越高。例如，對于短時間的偶發強干擾信號（幅度高），其在頻域占用帶寬寬。這樣的脈沖信號，對廣播模擬無線傳輸的影響可以忽略不計，但在數字系統中會導致整個數據包丟失，或堵塞相鄰的信號系統。但是，受到現有EMI測量方法和設備的限制，很難在頻域中捕獲到它。這樣，很可能產品的電磁兼容（electro magnetic compatibility，EMC）測試是通過的，但是產品卻受到“不明干擾信號”而無法正常使用。

近年來，實時頻譜分析技術越來越得到市場的認可，主要因為它解決了長期困擾人們的瞬態信號和同頻信號的捕獲和分析的問題。特別在EMI測試中，對偶發信號和同頻干擾信號能夠有效地觀測和分析，較好地解決當前EMI測試中的問題。

本文將從結構和功能上，論證在EMI測試中，實時技術相對于傳統技術的特點。

1 硬件結構

在平時工作中，接觸最多的是使用掃描頻譜分析儀進行EMI的診斷和預測試；因此，主要對傳統掃描頻譜和實時頻譜硬件結構進行分析[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，最大的區別在于中頻（intermediate frequency，IF）單元處理以及頻譜實現方式，具體區別如下：

（1）掃描式頻譜儀本振采用鋸齒波發生器，控制本振實現線性掃描，每一個時間只對應一個頻點的測量值；而實時頻譜由于采用FFT方式實現，起本振為點頻方式。

（2）掃描式頻譜儀采用窄帶IF濾波方式，實現對信號的高選擇性，這種結構容易破壞信號測量的完整性；而實時頻譜采用寬帶IF（例如110MHz帶寬濾波器）濾波方式，再配合高速、高動態（300 MS/s，14bit）ADC，最大程度保存信號的完整性。

（3）掃描式頻譜分析儀采用檢波方式實現信號的功率測量，檢波器的特性決定了對信號功率的捕獲能力和測量精度；實時頻譜分析儀的采用FFT和DSP技術，能夠實現對信號實時的捕獲和精確測量。

（4）實時FFT模塊。實時頻譜采用高速FPGA實現硬件FFT過程，速度達到292 000次/s，對微秒級的信號能夠做到100%捕獲。

圖1 掃描式頻譜儀（上）與實時頻譜（下）結構框圖

從以上4個方面，可以看出實時頻譜分析技術在系統結構設計上，充分考慮到了信號觀測的完整性和精度的要求。實時頻譜儀一般中頻帶寬在25MHz以上，借助實時FFT技術，在實時帶寬內實現對偶發和同頻信號的捕獲。圖2是利用實時頻譜技術，對電器開關瞬間噪聲和雜散的測量結果。從圖中能夠分辨出偶發的寬帶噪聲（藍色），以及雜散信號分布（紅色）。實時頻譜用顏色（色溫）表示不同信號出現的概率，信號持續時間越長，顏色越紅（熱），反之就越黑（冷色）。相對于掃描式頻譜分析，多了一維概率信息（相對時間信息），正是從這個重要點切入更全面測量EMI特性。

2 EMI測試中使用的檢波方法及缺陷

圖2 開關電源開機瞬間噪聲和雜散測量結果

許多商用EMI測量標準，都是由國際無線電標準委員會（international special committee on radio interference，CISPR）規定，它是國際標準機構——國際電氣技術委員會（IEC）下屬的一家技術機構[6]。而其他標準和認證機構，如日本的TELEC，也對測量方法和認證技術提出了要求。在美國，國防部已經開發了MIL-STD 461F標準，對軍事設備提出了特殊要求。在這些EMI標準中，對認證設備（EMI接收機）的結構，包括濾波、檢波特性都作出了詳盡的規定。只有符合這些標準的接收機，才能夠作為認證設備。

在CISPR標準中規定了峰值（peak）檢波、平均值（average）檢波和準峰值（QP）檢波3種常用檢波方法。盡管許多EMI測量可使用簡單的峰值檢波器完成，標準規定了一種專用測量方法，即準峰值檢波。QP檢波器用來檢測信號包絡加權后的峰值(準峰值)，根據信號時長和重復率加權多個信號。QP檢波器的特點是響應快、衰減慢，包含一個表示臨界阻尼表的時間常數，參見表1。發生頻次較高的信號，其QP測量值要高于偶發的脈沖。然而20世紀30年代前后誕生的QP檢波器并不是為確定當前復雜的多處理器消費電子對現代通信和計算系統中使用的瞬態信號、跳頻數字調制信號和超寬帶信號的影響而設計的。所以面對當前的測試要求，就顯得力不從心。

表1 CISPR 16-1-1和ANSI C63.2中規定的準峰值檢測器與頻率

圖3 峰值和準峰值檢波對8μs脈寬和10ms重復率的信號測量

圖3 是分別使用峰值檢波和QP檢波對8μs脈寬和10ms重復率的信號進行測量，得到的QP值比峰值低10.1dB。在實際測量EMI時，通常先使用峰值檢波測量，如果出現超過規定極限的頻點或頻道，然后對其進行速度較慢的準峰值測量。通常使用帶有標準峰值檢波器的頻譜分析儀，迅速評估任何問題區域。

QP檢波器用于區分不同重復周期的干擾信號。如果產品QP值接近PK峰值，那么說明存在較多的持續時間長，或者重復次數多的信號成分。但是如果深究這些信號的組成，只能通過經驗來解釋，并不能找到具體的證據。所以QP測量值，主要用來提供給產品設計人員，作為EMI整改的重要參考。

QP檢波結果是EMI測試不可缺少的重要結果。尤其在早期電路發展中，QP能夠發現峰值和平均值之間的非常態信號幅度。從它的電路和特性分析，QP對于單一重復噪聲具有重要的參考價值。但是面對今天這樣復雜的信號系統，QP僅僅作為一個重要的測量參數（EMI標準的滯后性決定），而對于真正意義的研發，起到的作用已經非常小。

而實時頻譜技術，可以作為EMI測試非常重要的輔助工具，尤其對于產品的設計和研發人員，能夠從測量結果看到熟悉的電路信號成分，以及噪聲和干擾信號[7-8]。

3 EMI測試中測量時間和點數的意義

圖4和圖5分別是用傳統模式和實時模式，對PC機磁盤高速緩存動作所產生信號的測量。傳統分析儀采用峰值掃描（黃色軌跡）漏掉的瞬態EMI，保持Max-hold模式60s后被發現；而實時頻譜技術，在5s后就發現偶發瞬態信號。紅色區域是頻繁發生的信號，藍色部分和綠色部分是瞬態信號。雖然掃描頻譜分析儀和實時頻譜儀的測量結果類似，但是相對于實時頻譜，耗費了12倍的測量時間。由此可知如果想要使用非實時系統捕獲瞬態信號，就需要更長的時間。

圖4 傳統模式測量

回到關于EMI測試的經典問題：測量點數和捕獲概率。對于測量持續時間短的周期或非周期信號，提高捕獲概率，即增加測量時間，然而測量點數和時間又是矛盾的，雖然當點數多時概率高，但是測量時間就會延長。當然測量步進（點數）不能大于規定的RBW，所以取不同的系數，會有不同的測量點數和測量時間，如表2所示。

表2 不同的RBW系數，對應不同的掃描點數

到底如何取點，就需要根據經驗做出選擇。當然，如果有足夠的測量時間，建議還是點數越多越好。

從傳統EMI測試設備（接收機和頻譜儀）的結構特點、幅度檢波方法、測試時間以及捕獲概率的討論能夠看出，現行的EMI測試方法的最大缺點就是對偶發信號難以捕獲；而實時頻譜技術，利用其強大的實時功能，能夠有效地彌補EMI測試中的不足，特別是在研發和故障診斷階段，能夠為設計人員提供最真實的信號，并能有效提高測試效率，縮短研發周期[9]。

4 測試案例

下面通過使用實時頻譜分析儀發現瞬態信號和EMI隱患，當存在這些信號和隱患時會觸發系統，并分析其特點。單個的瞬變信號會產生一串瞬態信號，這些信號每次只持續很短的時間。某設備為一種嵌入式系統，當系統被要求把數據緩存到硬盤時導致了瞬態EMI。在使用掃頻分析儀的峰值檢波器簡單檢查后(圖6中黃色軌跡)，似乎只有一個連續信號；使用Max-hold幾分鐘，同時循環EUT工作模式，會指明問題（圖6中藍色軌跡）。但在峰值檢波模式下進行快速掃描僅得到黃色軌跡，沒有檢測到問題。

使用實時技術考察EUT的EMI特性，立即發現問題。在圖6中，發生頻次較高的信號用紅色表示，發生頻次較低的信號用藍色和綠色表示，可以立即看到哪些信號是連續的，哪些信號是瞬態的。瞬態信號偶爾出現，但其電平要比連續信號高出15dB。

實時技術還可觸發和捕獲信號，以便進一步進行分析。通過根據連續信號曲線定義頻率模板觸發，然后在頻譜中捕獲偶發的瞬態信號，可以輕松觸發和捕獲信號，持續時間超過10.3 μs、高出頻率模板門限的任何信號都會導致觸發，并將觸發前和觸發后的信號存儲。

圖6 使用頻率模板觸發技術捕獲以1s重復率發生的瞬態信號

5 結束語

實時分析技術與掃頻技術相比，大大縮短了保證100%瞬態信號偵聽概率所需的最低信號時長。通過使用實時頻譜技術的測量儀器進行EMI的診斷測試，可以簡便地調試產生各種瞬態信號的系統，保證在分析過程中不會漏掉瞬態信號，這縮短了獲得信息的時間，提高了被測設備質量。

[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.

[3]Edwin L，Bronaugh.The Quasi-Peak Detector[EB/OL].http：//www.ieee.org/organizations/pubs/newsletters/emcs/summer 01/pp.bronaugh.htm.

[4]劉玉軍，吳小東，王東楊，等.實時頻譜分析原理與應用[J].現代儀器，2009，15（2）：7-11.

[5]張璨，秦開宇.實時頻譜分析儀中CCDF測量功能的實現[J].中國測試技術，2007，33（1）：40-42.

[6]Mardiguian M，陳愛新.輻射發射控制設計技術[M].北京：科學出版社，2008：27-28.

[7]何宏.電磁兼容原理與技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008：15-16.

[8]劉培國，侯冬云.電磁兼容基礎[M].北京：電子工業出版社，2008：15-17.

[9]楊克俊.電磁兼容原理與設計技術[M].北京：人民郵電出版社，2011：52-53.