關(guān)于FFT的測量接收機(jī)執(zhí)行CISPR 32 測試的優(yōu)勢分析和應(yīng)用

使用基于 FFT 的測量接收機(jī)的目的是將掃描時(shí)間縮短幾個(gè)數(shù)量級，測量時(shí)間增加的可行性帶來了更高的測量可靠性，增強(qiáng)型測量功能（如掃描瀑布圖和余暉顯示）使測量更具洞察力。為證明基于 FFT 的測量接收機(jī)的適用性，采用傳統(tǒng)EMI接收機(jī)和基于 FFT 的時(shí)域掃描技術(shù)對 CISPR 32 范圍內(nèi)的多媒體設(shè)備進(jìn)行了大量的比對測量。為使測量更精確和可重復(fù)，強(qiáng)烈建議使用預(yù)選濾波器。

EMI接收機(jī)；基于FFT的測量接收機(jī)；EMI認(rèn)證測量；CISPR 16-1-1；CISPR 32

Abstract

The use of FFT-based measuring receivers is motivated by reducing the scan time by several orders of magnitude, a higher reliability due to the possibility of applying longer measurement times and to get more insight with enhanced measurement functions like the scan spectrogram and persistence display. To prove the applicability extensive comparison measurements on multimedia equipment in the scope of CISPR 32 were performed using both conventional EMI receiver and FFT-based time-domain scanning technique. For precise and reproducible measurements the use of preselection filters is highly recommended.

Keywords

EMI receiver; FFT-based measuring receiver; EMI compliance measurement; CISPR 16-1-1; CISPR 32

傳統(tǒng)EMI接收機(jī)在給定的測量時(shí)間測量分辨率帶寬內(nèi)的信號，全頻帶內(nèi)的掃描耗時(shí)很長；基于 FFT 的測量接收機(jī)通過多個(gè)頻率的并行計(jì)算，在測量時(shí)間內(nèi)可測量比測量帶寬寬得多的頻譜段（圖 1）。它有以下優(yōu)點(diǎn)：

掃描時(shí)間能顯著降低幾個(gè)數(shù)量級而精度不降；

允許更長的測量時(shí)間，測量斷續(xù)信號更方便；

掃描瀑布圖和余暉顯示這些增強(qiáng)功能得到應(yīng)用。

圖1. 基于FFT的測量與傳統(tǒng)步進(jìn)掃描

CISPR 16-1-1 第 3 版 修正案 1 [1]引入基于 FFT 的測量接收機(jī)用于EMI認(rèn)證測量。有了基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)行做前提，其提出的方法就可被產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)使用。只要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中有該基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的參考，基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)就會生效。CISPR 32 的情況就是這樣[2]。因此，CISPR 32:2012 （版本 1.0）和更新版本標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行者可以將基于 FFT 的測量儀器用于多媒體設(shè)備的EMI認(rèn)證測量。

1. CISPR 16-1-1 定義的測量接收機(jī)

CISPR 16-1-1 使用 “黑盒法”定義測量儀器規(guī)格。這意味著，測量儀器只要滿足 CISPR 16-1-1 中規(guī)定的所有指標(biāo)，便可用于滿足CISPR 標(biāo)準(zhǔn)要求的測量，與所選的實(shí)施方法或技術(shù)無關(guān)。

為了體現(xiàn)這種方案，在CISPR 16-1-1:2010-01 的修正案 1:2010-06 中添加了術(shù)語“測量接收機(jī)” 的新定義：“測量儀器如調(diào)諧電壓表、EMI接收機(jī)、頻譜分析儀或基于FFT 的測量儀器，帶有或者不帶預(yù)選器，能滿足標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)部分要求”。

因此，滿足 CISPR 16-1-1:2010-01 和其修正案 1:2010-06 的基于 FFT 的測量接收機(jī)可用于EMI認(rèn)證測量。這通常包括參數(shù)輸入阻抗、檢波器、帶寬、過載系數(shù)、電壓駐波比（VSWR）、絕對正弦波電壓精度、脈沖響應(yīng)、總體選擇性、互調(diào)效應(yīng)、接收機(jī)噪聲和屏蔽。

除上述一般要求外，基于 FFT 的測量接收機(jī)應(yīng)在測量時(shí)間內(nèi)連續(xù)采樣和評估信號。這對捕獲脈沖干擾和間歇性信號至關(guān)重要。由于存在盲區(qū)時(shí)間，數(shù)字存儲示波器不適于EMI認(rèn)證測量。

2. 基于 FFT 測量接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍

與傳統(tǒng)EMI接收機(jī)類似，基于 FFT 的測量接收機(jī)必須配備預(yù)選濾波器，以便為低脈沖重復(fù)頻率（PRF）脈沖信號的準(zhǔn)峰值測量提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。尤其是在以下情況時(shí)防止儀器輸入電路過載或者損壞：一是有大幅度信號時(shí)測量弱干擾信號；其次是測量比接收機(jī)測量帶寬要寬的多的寬帶信號（圖 2）。

預(yù)選濾波器在強(qiáng)信號頻率上應(yīng)至少 有30 dB 的衰減。多個(gè)這種類型的濾波器才能覆蓋從 150 kHz 到 6 GHz 的頻率范圍。

在要求的分辨率帶寬下，動(dòng)態(tài)范圍的底線受制于顯示噪聲電平，例如 CISPR 頻段30 MHz 至 1000 MHz內(nèi)，分辨率帶寬120 kHz時(shí)的情形；動(dòng)態(tài)范圍的上限是第一混頻器的 1 dB 壓縮點(diǎn)。這個(gè)最大動(dòng)態(tài)范圍僅可用于測量連續(xù)波（CW）信號（窄帶信號）。如果測量高電平寬帶信號，由于混頻器的非線性，將會有非常高電平的失真產(chǎn)物。

圖2. 預(yù)選濾波器工作原理

因此，最大無互調(diào)輸入電平（最大指示范圍）被帶寬因子減?。▓D 3）。

圖3. 動(dòng)態(tài)范圍和帶寬因子

舉例：假設(shè)寬帶信號帶寬等于 CISPR 脈沖發(fā)生器射頻帶寬BRF = 2 GHz，使用RBW濾波器帶寬 BRBW = 120 kHz 的無預(yù)選帶寬因子 20*log(BRF/BRBW) 約為 84 dB；而使用帶寬 BPRE = 100 MHz 的預(yù)選濾波器的帶寬因子約為 58 dB，因此最大指示范圍比無預(yù)選情況下高 26 dB。

3. 時(shí)域掃描速度更快

新一代用于 CISPR 16 認(rèn)證發(fā)射測量的基于 FFT 的測量接收機(jī)，測量速度可比傳統(tǒng)步進(jìn)頻率掃描快幾千倍。使用峰值檢波器進(jìn)行 CISPR 頻段的頻率掃描幾毫秒就可完成，即使使用準(zhǔn)峰值和平均值檢波器也只需幾秒鐘。顯然，采用峰值檢波器進(jìn)行預(yù)覽測量的模式已落伍（圖 4）。

圖4. CISPR 頻段時(shí)域掃描與步進(jìn)頻率掃描的時(shí)間對比

如果待測設(shè)備僅能在很短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，例如汽車啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，快速測量十分有用；運(yùn)行時(shí)間過長會損壞或運(yùn)行期間狀態(tài)會改變的待測設(shè)備，測量也必須迅速完成。部分節(jié)省時(shí)間可用于增加測量時(shí)長，以便可靠地檢測窄帶間歇性信號或孤立的脈沖。

4. 余暉顯示更具洞察力

測量接收機(jī)的余暉顯示功能可將無縫頻譜記錄在單個(gè)圖中（圖 6）。像素的顏色代表了特定幅度信號出現(xiàn)在某個(gè)頻率的頻繁程度。紅色表示頻繁出現(xiàn)的信號，藍(lán)色表示偶發(fā)信號。如果信號不再以特定幅度出現(xiàn)在某個(gè)頻率，相應(yīng)像素會在用戶定義的余暉周期后消失。這使用戶能夠清晰區(qū)分脈沖干擾（只在很短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)）和連續(xù)干擾，以及輕松分辨不同類型的脈沖干擾。

例如：測量一臺EMI抑制較差的電動(dòng)機(jī)，同時(shí)使用常規(guī)頻譜（圖 5）和余暉模式（圖 6）顯示測量結(jié)果。余暉模式中，額外的脈沖干擾清晰可見；而頻譜模式，額外的脈沖干擾隱藏在寬帶干擾中，無法識別。

圖5. 采用頻譜模式顯示寬帶干擾

圖6. 采用余暉模式時(shí)，同一電動(dòng)機(jī)的干擾頻譜

5. 測量數(shù)據(jù)

通過循環(huán)比對測試（RRT）將傳統(tǒng)EMI接收機(jī)的測量（單頻點(diǎn)）結(jié)果和基于 FFT 時(shí)域掃描結(jié)果進(jìn)行對比。依照CISPR 32 [2] 測量多媒體設(shè)備的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射。并比較了來自 20 個(gè)待測設(shè)備的共 225 次干擾：

95 次干擾來自傳導(dǎo)發(fā)射（圖 7）；

70 次干擾來自小于 1 GHz 的輻射發(fā)射（圖8）；

60 次干擾來自大于 1 GHz 的輻射發(fā)射（圖 9）。

圖7. 傳導(dǎo)發(fā)射比較

所選待測設(shè)備涵蓋了 CISPR 32 廣泛的產(chǎn)品范圍。包括電視機(jī)、電信交換機(jī)/路由器、筆記本電腦/臺式電腦、多功能和 3D 打印機(jī)、單反照相機(jī)、游戲控制器和工業(yè)控制機(jī)等設(shè)備。

圖8. 低于1 GHz的輻射發(fā)射比較

圖9. 高于1 GHz的輻射發(fā)射比較

對于這些測量頻率，最大差值小于 3 dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差等于或小于 0.8 dB。

6. 結(jié)語

傳統(tǒng)EMI接收機(jī)測量（單頻點(diǎn)）和基于 FFT 的時(shí)域掃描對比測試表明，兩者的測量結(jié)果是一致的，后者的掃描時(shí)間顯著減少但精度不降。傳導(dǎo)干擾測量，可采用準(zhǔn)峰值和 CISPR-平均值或 RMS-平均值檢波器進(jìn)行直接加權(quán)測量，不用峰值檢波器進(jìn)行預(yù)覽掃描。

為獲得最大動(dòng)態(tài)范圍和避免過載，需使用預(yù)選濾波器。高振幅載波下的弱脈沖信號準(zhǔn)峰值測量，尤其應(yīng)注意這一點(diǎn)。