电磁干扰测试面临的挑战和实时技术

黄坤超

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

回顾无线技术的发展，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（electro magnetic interference，EMI）。随着无线通信领域不断发展，如蜂窝系统、卫星系统、广播系统和其他系统，形成了一个非常复杂的电磁环境[1]。电子设备间相互干扰概率进一步提升，为了规范和统一干扰的程度，法规机构已经确立了EMI的限制，并且规定了符合性测试中使用的测量方法。如CISPR平均方法和准峰值检波器[2-3]，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。

随着复杂的数字调制方式和高带宽信号的出现，以及嵌入式射频（radio frequency，RF）电路的大规模应用，产品的集成度越来越高。例如，对于短时间的偶发强干扰信号（幅度高），其在频域占用带宽宽。这样的脉冲信号，对广播模拟无线传输的影响可以忽略不计，但在数字系统中会导致整个数据包丢失，或堵塞相邻的信号系统。但是，受到现有EMI测量方法和设备的限制，很难在频域中捕获到它。这样，很可能产品的电磁兼容（electro magnetic compatibility，EMC）测试是通过的，但是产品却受到“不明干扰信号”而无法正常使用。

近年来，实时频谱分析技术越来越得到市场的认可，主要因为它解决了长期困扰人们的瞬态信号和同频信号的捕获和分析的问题。特别在EMI测试中，对偶发信号和同频干扰信号能够有效地观测和分析，较好地解决当前EMI测试中的问题。

本文将从结构和功能上，论证在EMI测试中，实时技术相对于传统技术的特点。

1 硬件结构

在平时工作中，接触最多的是使用扫描频谱分析仪进行EMI的诊断和预测试；因此，主要对传统扫描频谱和实时频谱硬件结构进行分析[4-5]，如图1。两者的RF前端组成基本相同，变频单元都采用超外差式，最大的区别在于中频（intermediate frequency，IF）单元处理以及频谱实现方式，具体区别如下：

（1）扫描式频谱仪本振采用锯齿波发生器，控制本振实现线性扫描，每一个时间只对应一个频点的测量值；而实时频谱由于采用FFT方式实现，起本振为点频方式。

（2）扫描式频谱仪采用窄带IF滤波方式，实现对信号的高选择性，这种结构容易破坏信号测量的完整性；而实时频谱采用宽带IF（例如110MHz带宽滤波器）滤波方式，再配合高速、高动态（300 MS/s，14bit）ADC，最大程度保存信号的完整性。

（3）扫描式频谱分析仪采用检波方式实现信号的功率测量，检波器的特性决定了对信号功率的捕获能力和测量精度；实时频谱分析仪的采用FFT和DSP技术，能够实现对信号实时的捕获和精确测量。

（4）实时FFT模块。实时频谱采用高速FPGA实现硬件FFT过程，速度达到292 000次/s，对微秒级的信号能够做到100%捕获。

图1 扫描式频谱仪（上）与实时频谱（下）结构框图

从以上4个方面，可以看出实时频谱分析技术在系统结构设计上，充分考虑到了信号观测的完整性和精度的要求。实时频谱仪一般中频带宽在25MHz以上，借助实时FFT技术，在实时带宽内实现对偶发和同频信号的捕获。图2是利用实时频谱技术，对电器开关瞬间噪声和杂散的测量结果。从图中能够分辨出偶发的宽带噪声（蓝色），以及杂散信号分布（红色）。实时频谱用颜色（色温）表示不同信号出现的概率，信号持续时间越长，颜色越红（热），反之就越黑（冷色）。相对于扫描式频谱分析，多了一维概率信息（相对时间信息），正是从这个重要点切入更全面测量EMI特性。

2 EMI测试中使用的检波方法及缺陷

图2 开关电源开机瞬间噪声和杂散测量结果

许多商用EMI测量标准，都是由国际无线电标准委员会（international special committee on radio interference，CISPR）规定，它是国际标准机构——国际电气技术委员会（IEC）下属的一家技术机构[6]。而其他标准和认证机构，如日本的TELEC，也对测量方法和认证技术提出了要求。在美国，国防部已经开发了MIL-STD 461F标准，对军事设备提出了特殊要求。在这些EMI标准中，对认证设备（EMI接收机）的结构，包括滤波、检波特性都作出了详尽的规定。只有符合这些标准的接收机，才能够作为认证设备。

在CISPR标准中规定了峰值（peak）检波、平均值（average）检波和准峰值（QP）检波3种常用检波方法。尽管许多EMI测量可使用简单的峰值检波器完成，标准规定了一种专用测量方法，即准峰值检波。QP检波器用来检测信号包络加权后的峰值(准峰值)，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，参见表1。发生频次较高的信号，其QP测量值要高于偶发的脉冲。然而20世纪30年代前后诞生的QP检波器并不是为确定当前复杂的多处理器消费电子对现代通信和计算系统中使用的瞬态信号、跳频数字调制信号和超宽带信号的影响而设计的。所以面对当前的测试要求，就显得力不从心。

表1 CISPR 16-1-1和ANSI C63.2中规定的准峰值检测器与频率

图3 峰值和准峰值检波对8μs脉宽和10ms重复率的信号测量

图3 是分别使用峰值检波和QP检波对8μs脉宽和10ms重复率的信号进行测量，得到的QP值比峰值低10.1dB。在实际测量EMI时，通常先使用峰值检波测量，如果出现超过规定极限的频点或频道，然后对其进行速度较慢的准峰值测量。通常使用带有标准峰值检波器的频谱分析仪，迅速评估任何问题区域。

QP检波器用于区分不同重复周期的干扰信号。如果产品QP值接近PK峰值，那么说明存在较多的持续时间长，或者重复次数多的信号成分。但是如果深究这些信号的组成，只能通过经验来解释，并不能找到具体的证据。所以QP测量值，主要用来提供给产品设计人员，作为EMI整改的重要参考。

QP检波结果是EMI测试不可缺少的重要结果。尤其在早期电路发展中，QP能够发现峰值和平均值之间的非常态信号幅度。从它的电路和特性分析，QP对于单一重复噪声具有重要的参考价值。但是面对今天这样复杂的信号系统，QP仅仅作为一个重要的测量参数（EMI标准的滞后性决定），而对于真正意义的研发，起到的作用已经非常小。

而实时频谱技术，可以作为EMI测试非常重要的辅助工具，尤其对于产品的设计和研发人员，能够从测量结果看到熟悉的电路信号成分，以及噪声和干扰信号[7-8]。

3 EMI测试中测量时间和点数的意义

图4和图5分别是用传统模式和实时模式，对PC机磁盘高速缓存动作所产生信号的测量。传统分析仪采用峰值扫描（黄色轨迹）漏掉的瞬态EMI，保持Max-hold模式60s后被发现；而实时频谱技术，在5s后就发现偶发瞬态信号。红色区域是频繁发生的信号，蓝色部分和绿色部分是瞬态信号。虽然扫描频谱分析仪和实时频谱仪的测量结果类似，但是相对于实时频谱，耗费了12倍的测量时间。由此可知如果想要使用非实时系统捕获瞬态信号，就需要更长的时间。

图4 传统模式测量

回到关于EMI测试的经典问题：测量点数和捕获概率。对于测量持续时间短的周期或非周期信号，提高捕获概率，即增加测量时间，然而测量点数和时间又是矛盾的，虽然当点数多时概率高，但是测量时间就会延长。当然测量步进（点数）不能大于规定的RBW，所以取不同的系数，会有不同的测量点数和测量时间，如表2所示。

表2 不同的RBW系数，对应不同的扫描点数

到底如何取点，就需要根据经验做出选择。当然，如果有足够的测量时间，建议还是点数越多越好。

从传统EMI测试设备（接收机和频谱仪）的结构特点、幅度检波方法、测试时间以及捕获概率的讨论能够看出，现行的EMI测试方法的最大缺点就是对偶发信号难以捕获；而实时频谱技术，利用其强大的实时功能，能够有效地弥补EMI测试中的不足，特别是在研发和故障诊断阶段，能够为设计人员提供最真实的信号，并能有效提高测试效率，缩短研发周期[9]。

4 测试案例

下面通过使用实时频谱分析仪发现瞬态信号和EMI隐患，当存在这些信号和隐患时会触发系统，并分析其特点。单个的瞬变信号会产生一串瞬态信号，这些信号每次只持续很短的时间。某设备为一种嵌入式系统，当系统被要求把数据缓存到硬盘时导致了瞬态EMI。在使用扫频分析仪的峰值检波器简单检查后(图6中黄色轨迹)，似乎只有一个连续信号；使用Max-hold几分钟，同时循环EUT工作模式，会指明问题（图6中蓝色轨迹）。但在峰值检波模式下进行快速扫描仅得到黄色轨迹，没有检测到问题。

使用实时技术考察EUT的EMI特性，立即发现问题。在图6中，发生频次较高的信号用红色表示，发生频次较低的信号用蓝色和绿色表示，可以立即看到哪些信号是连续的，哪些信号是瞬态的。瞬态信号偶尔出现，但其电平要比连续信号高出15dB。

实时技术还可触发和捕获信号，以便进一步进行分析。通过根据连续信号曲线定义频率模板触发，然后在频谱中捕获偶发的瞬态信号，可以轻松触发和捕获信号，持续时间超过10.3 μs、高出频率模板门限的任何信号都会导致触发，并将触发前和触发后的信号存储。

图6 使用频率模板触发技术捕获以1s重复率发生的瞬态信号

5 结束语

实时分析技术与扫频技术相比，大大缩短了保证100%瞬态信号侦听概率所需的最低信号时长。通过使用实时频谱技术的测量仪器进行EMI的诊断测试，可以简便地调试产生各种瞬态信号的系统，保证在分析过程中不会漏掉瞬态信号，这缩短了获得信息的时间，提高了被测设备质量。

[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]刘玉军，吴小东，王东杨，等.实时频谱分析原理与应用[J].现代仪器，2009，15（2）：7-11.

[5]张璨，秦开宇.实时频谱分析仪中CCDF测量功能的实现[J].中国测试技术，2007，33（1）：40-42.

[6]Mardiguian M，陈爱新.辐射发射控制设计技术[M].北京：科学出版社，2008：27-28.

[7]何宏.电磁兼容原理与技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008：15-16.

[8]刘培国，侯冬云.电磁兼容基础[M].北京：电子工业出版社，2008：15-17.

[9]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京：人民邮电出版社，2011：52-53.