基于小波分析的電磁兼容自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧 皓，李 軍，張?zhí)m勇

(1.中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710016;2.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

隨著我國(guó)船舶事業(yè)的發(fā)展，船舶電子系統(tǒng)以及電氣設(shè)備日益增多，電子設(shè)備之間的通訊日益頻繁，尤其是開(kāi)關(guān)電源的使用，使電磁兼容測(cè)試成為電磁兼容設(shè)計(jì)中非常重要的一項(xiàng)。目前大部分電磁兼容測(cè)試需要手工進(jìn)行，受到測(cè)試方法的影響，測(cè)試效率低、可靠性差，解決電磁兼容的快速可靠測(cè)試是一個(gè)十分重要和迫切的任務(wù)。通過(guò)對(duì)電磁兼容測(cè)試方法的研究，結(jié)合當(dāng)前電磁兼容性技術(shù)發(fā)展，本文在研究虛擬儀器構(gòu)建原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套基于虛擬儀器的具有電磁干擾測(cè)試、數(shù)據(jù)分析和處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)。由于虛擬儀器技術(shù)的引入，使得該系統(tǒng)具有運(yùn)行效率高、開(kāi)發(fā)周期短的特點(diǎn)，同時(shí)有助于減少重復(fù)投資，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和重用性。本文的研究成果對(duì)電磁干擾測(cè)量方法的研究以及檢測(cè)的質(zhì)量，對(duì)電磁兼容性測(cè)試技術(shù)的發(fā)展都具有重要意義，并且在工程中具有重要價(jià)值。在基于Lab-VIEW 的硬件驅(qū)動(dòng)上獲得了創(chuàng)新成果。同時(shí)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的實(shí)際，設(shè)計(jì)基于LabVIEW 的電磁干擾自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了系統(tǒng)的功能流程，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建硬件測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)。通過(guò)儀器控制的命令碼讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件儀器的控制。在實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分析與處理功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、波形實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ);通過(guò)快速比例控制算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的精確快速反饋;同時(shí)對(duì)測(cè)量的電磁信號(hào)設(shè)置區(qū)間，進(jìn)行安全保護(hù)設(shè)置。

1 小波模型

在計(jì)算機(jī)接收到測(cè)量接收機(jī)傳回信號(hào)后，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。小波分析具有可變的時(shí)間窗口，在分析高頻信號(hào)和低頻信號(hào)時(shí)，窗口自動(dòng)變化，因此適用于分析干擾信號(hào)。在LabVIEW 軟件中，建立小波分析子函數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理。同時(shí)應(yīng)用小波分析的多分辨率特性，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分解，通過(guò)多頻帶上小波分解信號(hào)，可以將電磁信號(hào)分解為多個(gè)頻帶，并且提取出某段頻率范圍的時(shí)頻特性進(jìn)行頻譜分析。根據(jù)頻譜分析結(jié)果可以獲得不同干擾源的電磁干擾。

1.1 小波函數(shù)

對(duì)于函數(shù)φ(x)∈L2(R)由{φj，k，k∈Z}生成的閉子空間記為Vj，即

為了建立函數(shù)的多分辨小波模型，給出如下定義:

定義1:空間L2(R)中的多分辨分析(MRA)是指L2(R)中的滿足如下條件的一個(gè)空間序列{Vj}j∈Z:

1)一致單調(diào)性:…V-1?V0?V1…

3)伸縮規(guī)則性:

4)Riesz 基存在性:存在φ∈V0，使得{φ(x-k)}k∈Z是具有Riesz 界A 與B 的V0中的Riesz 基，且另

則?j∈Z，{φj，k，k∈Z}，也是具有相同Riesz 界A 與B 的Vj的一個(gè)Riesz 基，稱φ 為一個(gè)尺度函數(shù)。

如果φ 生成一個(gè)MRA，那么因?yàn)棣铡蔞0?V1，并且因?yàn)閧φj，k，k∈Z}是V1的一個(gè)Riesz 基，所以存在唯一l2兩尺度序列{pk}描述尺度函數(shù)φ 的兩尺度關(guān)系

假設(shè)此處的小波滿足小波容許性條件，則V1中的小波可以按如下方式生成

函數(shù)族{ψ0，k}也生成一個(gè)閉子空間W0，即

因此，由式(2)和式(5)有W0?V1。在構(gòu)造小波時(shí)，一般至少保證V1是W0和V0的直接和，即有

在實(shí)際系統(tǒng)中，由于測(cè)量元件分辨率總是有限的，可以認(rèn)為所獲得的信息f(x(K-1))∈V0，依照式(10)將其分解為

當(dāng)選用正交小波時(shí)，則有

式(11)即為信號(hào)f∈L2(R)的多分辨小波模型，可將式(11)改寫(xiě)為

1.2 濾波閾值函數(shù)的構(gòu)造

目前通用的閾值濾波方法包括軟閾值濾波和硬閾值濾波。硬閾值法誤差較小但估計(jì)的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生附加振蕩，而軟閾值則使信號(hào)整體連續(xù)性好但偏差較大。

經(jīng)過(guò)小波分解，信號(hào)的小波系數(shù)幅值要大于干擾信號(hào)的系數(shù)幅值。小波閾值濾波的原理是把信號(hào)的能量在小波域集中在一些大的小波系數(shù)中，而環(huán)境噪聲的能量卻分布于整個(gè)小波域內(nèi)。然后保留大尺度低分辨率下的全部小波系數(shù)，而對(duì)各尺度高分辨率下的小波系數(shù)，設(shè)定一個(gè)閾值對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，處理后利用逆小波重構(gòu)恢復(fù)信號(hào)。所以濾波的關(guān)鍵問(wèn)題在于閾值的確定。

本文通過(guò)結(jié)合軟閾值法和硬閾值法，設(shè)計(jì)一個(gè)閾值函數(shù)，結(jié)合軟閾值和硬閾值的優(yōu)點(diǎn)獲得平穩(wěn)濾波性能

式(10)在小波域內(nèi)連續(xù)并在|x|≥λ 時(shí)有高階導(dǎo)，同時(shí)不存在參數(shù)選擇問(wèn)題。當(dāng)x ＞0 時(shí)，式(10)變?yōu)?/p>

而在x ＜0 時(shí)

小波分析由于同時(shí)在時(shí)頻中對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，并且在低頻時(shí)時(shí)間分辨率較低，高頻時(shí)時(shí)間分辨率較高。而利用這種自動(dòng)變焦的功能，能有效區(qū)分非平穩(wěn)信號(hào)中的突變部分和噪聲，進(jìn)而利用上面介紹的閾值函數(shù)濾波方法消噪。在Matlab里對(duì)基于傅里葉分析和小波分析的濾波方法進(jìn)行比較，結(jié)果如圖1 所示。

從圖1(c)可以看出，用小波閾值函數(shù)進(jìn)行非平穩(wěn)信號(hào)的消噪，不僅可以很好的保存有用信號(hào)中的尖峰和突變，而且可以顯示原信號(hào)的特點(diǎn)。由圖1(b)可以看出，利用傅里葉分析進(jìn)行濾波時(shí)，假若低通濾波器太窄時(shí)，則在濾波后，信號(hào)中仍會(huì)存在大量噪聲，而弱低通濾波器太寬，則會(huì)濾除一部分有用信號(hào)。由于信號(hào)集中在低頻部分，噪聲分布在高頻部分，所以不能將有用信號(hào)的高頻突變部分和噪聲引起的高頻干擾加以區(qū)分，所以未能精確重構(gòu)信號(hào)。

圖1 非平穩(wěn)信號(hào)的傅里葉分析與小波分析濾波效果比較

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

自動(dòng)測(cè)試控制程序是一個(gè)獨(dú)立的可執(zhí)行文件(EXE 文件)，是整個(gè)測(cè)試軟件的核心，在這個(gè)獨(dú)立的可執(zhí)行程序中會(huì)自動(dòng)調(diào)用用戶選用儀器的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制，并提供對(duì)所調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的檢查，確保所編制動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的正確性，在用戶改變所用儀器時(shí)，程序根據(jù)不同儀器的驅(qū)動(dòng)控制相應(yīng)的儀器，無(wú)需在程序中做任何改動(dòng)。當(dāng)用戶選用新的、且在儀器庫(kù)中不存在的儀器時(shí)，只需開(kāi)發(fā)新儀器的驅(qū)動(dòng)即可，不必修改主程序。

2.1 軟件模型建立

設(shè)計(jì)應(yīng)用程序時(shí)，采用由上至下的設(shè)計(jì)方法(Top-Down)，首先明確測(cè)試系統(tǒng)的總體要求和性能參數(shù)，然后將系統(tǒng)劃分為各個(gè)功能模塊，如:信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析、顯示等，再將各個(gè)模塊逐步劃分為更小的模塊。軟件的總體框架設(shè)計(jì)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心，也是系統(tǒng)主要組成部分。電磁兼容傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想和層次化思想。這樣分層次模塊化程序結(jié)構(gòu)不但增加了程序的可維護(hù)性，也增加了程序的可讀性，使程序流程圖更加清晰明了，同時(shí)也避免了大量的重復(fù)編程工作。LabVIEW 函數(shù)庫(kù)中集成了常用的函數(shù)模塊，這些模塊為開(kāi)發(fā)者完成數(shù)據(jù)采集、分析、顯示等任務(wù)，提供了極大的方便。

利用LabVIEW 提供的各種函數(shù)設(shè)計(jì)測(cè)試程序，結(jié)合儀器的命令碼開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的發(fā)生、放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集，由此可以獲得真實(shí)信號(hào)，供計(jì)算機(jī)進(jìn)一步分析處理。數(shù)據(jù)分析利用軟件平臺(tái)中豐富的信號(hào)分析函數(shù)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理部分主要完成對(duì)采集信號(hào)的顯示、分析。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)程序流程

系統(tǒng)通過(guò)GPIB 總線控制信息控制儀器，通過(guò)設(shè)計(jì)儀器驅(qū)動(dòng)自動(dòng)加入探頭和接收機(jī)的修正系數(shù)，調(diào)節(jié)頻率的增加，并實(shí)時(shí)監(jiān)視輸出功率，動(dòng)用小波分析模塊進(jìn)行信號(hào)處理，感應(yīng)電流的大小，生成測(cè)試曲線和測(cè)試報(bào)告，完整測(cè)試電磁干擾。

圖2 電磁干擾測(cè)試流程

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試，主要目的是確認(rèn)射頻電流是否通過(guò)電源線影響其他設(shè)備，這種低頻電流會(huì)通過(guò)濾波電容傳到外殼上，干擾系統(tǒng)內(nèi)的低頻靈敏接收設(shè)備，同時(shí)也可測(cè)量可能出現(xiàn)在電源線上的噪聲。電源通過(guò)線性阻抗網(wǎng)絡(luò)(LISN)連接被測(cè)設(shè)備，電流探頭卡在傳輸線將測(cè)得的電流值傳送到測(cè)量接收機(jī)，測(cè)量接收機(jī)則通過(guò)GPIB 總線連接到計(jì)算機(jī)上，數(shù)據(jù)由LabVIEW 軟件分析處理。

測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖3 所示。

測(cè)試軟件程序以頻譜曲線、測(cè)試記錄的形式給出檢測(cè)報(bào)告，由測(cè)試報(bào)告可以得到實(shí)時(shí)測(cè)試的各種數(shù)據(jù)。同時(shí)儀器與打印機(jī)相連，直接打印測(cè)試報(bào)告，既減少了測(cè)試人員的工作量，使工作效率得到了有效提高，又滿足了客戶在盡可能短的時(shí)間內(nèi)獲得報(bào)告的要求。從而也就避免了由手動(dòng)輸入測(cè)試數(shù)據(jù)所帶來(lái)的測(cè)試誤差，有效提高了檢測(cè)質(zhì)量。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

下面以電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試為例，檢驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的工作效率。點(diǎn)擊測(cè)試，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)測(cè)試。打印測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 電磁干擾測(cè)試

圖4 中直線是GJB151A 規(guī)定的電源線傳導(dǎo)發(fā)射的極限值。曲線表示測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的實(shí)際傳導(dǎo)發(fā)射值。由圖4 可知，電源線傳導(dǎo)發(fā)射性能完全滿足GJB151A 的標(biāo)準(zhǔn)，并且留有一定裕度。

通過(guò)多次測(cè)試，可以對(duì)手動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試的效率進(jìn)行對(duì)比。

圖5 中虛線代表手動(dòng)測(cè)試，實(shí)線代表自動(dòng)測(cè)試。可見(jiàn)隨著測(cè)試次數(shù)的增長(zhǎng)，自動(dòng)測(cè)試比手動(dòng)測(cè)試大大節(jié)省了時(shí)間。

圖5 手動(dòng)測(cè)試與自動(dòng)測(cè)試對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從國(guó)內(nèi)外電磁兼容性自動(dòng)測(cè)試技術(shù)發(fā)展、技術(shù)要求出發(fā)，采用先進(jìn)的虛擬儀器軟件平臺(tái)LabVIEW 開(kāi)發(fā)出滿足GJB151A/152A 要求的船舶裝置系統(tǒng)的傳導(dǎo)發(fā)射自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件，解決了當(dāng)前電磁兼容測(cè)量方面急需解決的問(wèn)題。利用軟件與硬件的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)計(jì)算機(jī)機(jī)同時(shí)對(duì)多個(gè)試驗(yàn)儀器的自動(dòng)協(xié)調(diào)控制，做到了各儀器設(shè)備參數(shù)自動(dòng)設(shè)置、自動(dòng)調(diào)整，并且完成了對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確分析和處理以及實(shí)時(shí)評(píng)判測(cè)試結(jié)果的功能，從而大大提高了電磁兼容測(cè)試的效率和精度。系統(tǒng)的運(yùn)行已證明，基于LabVIEW 電源線傳導(dǎo)發(fā)射自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提高了測(cè)試工作的效率和精確度，減輕了測(cè)試人員的工作強(qiáng)度。

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