淺談實(shí)時(shí)頻譜技術(shù)在干擾診斷中的應(yīng)用

1概述

本應(yīng)用文章從EMI測(cè)試挑戰(zhàn)出發(fā)，介紹了一種瞬態(tài)干擾的測(cè)試技術(shù)，作為 羅德與施瓦茨公司（R&S）全面EMI測(cè)試方案的一個(gè)有效補(bǔ)充。通過(guò)介紹實(shí)時(shí)頻譜技術(shù)的特點(diǎn)，闡明實(shí)時(shí)頻譜在瞬態(tài)干擾查抄中的重要性。最后，它給出了一個(gè)干擾診斷實(shí)例，其中使用實(shí)時(shí)頻譜顯示技術(shù)發(fā)現(xiàn)干擾，并定位干擾信號(hào)。

2瞬態(tài)干擾測(cè)試挑戰(zhàn)

從第一次進(jìn)行無(wú)線傳輸開始，設(shè)計(jì)工程師就一直關(guān)注電磁干擾(EMI)。在需要牌照的頻段中，我們有蜂窩系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)和其它系統(tǒng)，創(chuàng)造了一個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)的頻譜環(huán)境。同時(shí)，其它系統(tǒng)如計(jì)算機(jī)、電子和電工機(jī)械迅速普及，進(jìn)一步提升了干擾概率。法規(guī)機(jī)構(gòu)已經(jīng)確立了EMI的限制，規(guī)定了符合性測(cè)試中使用的測(cè)量方法。這些方法已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，撰寫這些方法的目的，是滿足語(yǔ)音和視頻的模擬廣播需求以及撰寫時(shí)采用的測(cè)試方法，如CISPR平均方法和準(zhǔn)峰值檢波器。這些測(cè)量技術(shù)旨在對(duì)人的耳朵和眼睛分別接收聲音和視頻時(shí)提供可以接受的干擾水平。

隨著數(shù)字調(diào)制數(shù)據(jù)傳輸和超寬帶(UWB)傳輸方法出現(xiàn)，加上高速數(shù)字時(shí)鐘形式的非預(yù)計(jì)輻射裝置的頻率日益提高，當(dāng)前EMI規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能全面解決目前存在的所有干擾類型及其對(duì)通信系統(tǒng)的影響。例如，短時(shí)間的偶發(fā)干擾的瞬間幅度可能會(huì)相對(duì)較高，但如果不是頻發(fā)，那么它仍能滿足標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。這樣的脈沖對(duì)廣播模擬無(wú)線傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥?jì)，但在數(shù)字系統(tǒng)中會(huì)導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)包丟失，或堵塞相鄰的雷達(dá)系統(tǒng)。偶發(fā)的短高頻干擾突發(fā)在所有消費(fèi)電子和通信中正變得越來(lái)越常見，如計(jì)算機(jī)中使用的與模式相關(guān)的擴(kuò)頻時(shí)鐘，以及許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)行有噪聲的定期硬盤訪問(wèn)周期的硬盤驅(qū)動(dòng)器。這些復(fù)雜的數(shù)字設(shè)備正日益接近以頻率捷變、基于分組模式運(yùn)行的無(wú)線通信系統(tǒng)。下圖是智能手機(jī)的框圖(圖1)，其中包含著完善的數(shù)字計(jì)算機(jī)或電話中必需的一切高速數(shù)字系統(tǒng)，同時(shí)包括連接必需的無(wú)線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。這些非預(yù)計(jì)輻射裝置位于臨近區(qū)域，再加上靈敏的接收機(jī)，產(chǎn)生了大量的干擾機(jī)會(huì)，如圖1非預(yù)計(jì)輻射源和接收機(jī)頻段表中所示。

圖1. 當(dāng)前只能手機(jī)集成了NFC,GPS,WLAN,藍(lán)牙等無(wú)線傳輸設(shè)備，其信號(hào)形式都是突發(fā)的。并且存在其他的非預(yù)計(jì)輻射源

當(dāng)前的通信設(shè)備大多采用數(shù)字的方式進(jìn)行傳輸，隨著跳頻、捷變頻、突發(fā)脈沖的信號(hào)傳輸形式不斷采用，通信設(shè)備的復(fù)雜程度大大增加，其EMI測(cè)試的需求和難度也大大增加。過(guò)去的EMI測(cè)試主要針對(duì)穩(wěn)定信號(hào)進(jìn)行的測(cè)試，盡管許多EMI測(cè)量可以使用簡(jiǎn)單的峰值檢波器完成，但EMI測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種專用測(cè)量方法，即準(zhǔn)峰值(QP)檢波器，QP和均值的測(cè)量速度一直是測(cè)量接收機(jī)和頻譜分析儀所面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。R&S 公司的接收機(jī)ESR 以實(shí)時(shí)的速度實(shí)現(xiàn)了快速Q(mào)P檢測(cè)器的測(cè)試。如果需要進(jìn)行認(rèn)證級(jí)和預(yù)認(rèn)證的EMI測(cè)試，R&S提供業(yè)內(nèi)速度最快的實(shí)時(shí)EMI接收機(jī)MSR，除此之外，R&S提供的FSW實(shí)時(shí)頻譜儀可以提供一種簡(jiǎn)單的干擾診斷測(cè)試方法，便于用戶研發(fā)階段先進(jìn)行復(fù)雜瞬態(tài)干擾的診斷。

3實(shí)時(shí)頻譜技術(shù)介紹

R&S的實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀FSW基于FPGA的高速信號(hào)處理技術(shù)，可以無(wú)縫地實(shí)時(shí)計(jì)算帶寬高達(dá)160 MHz的IQ信號(hào)，并實(shí)時(shí)將它們轉(zhuǎn)換為頻域頻譜實(shí)時(shí)顯示。由于所有捕獲的數(shù)據(jù)流是沒(méi)有任何丟失的實(shí)時(shí)處理，所以可以發(fā)現(xiàn)短至1.87us的單次信號(hào)，配合獨(dú)有的余暉顯示技術(shù)，可以輕松的講這樣的突發(fā)信號(hào)顯示在屏幕上。當(dāng)前最高端信號(hào)和頻譜分析FSW ，覆蓋高達(dá)67 GHz的頻率范圍，近60萬(wàn)個(gè)頻譜的屏幕刷新速率，其快速傅立葉變換（FFT）時(shí)間窗重疊至少67%，這是為了減少加窗效應(yīng)。老一代的實(shí)時(shí)分析儀大多與只有1024點(diǎn)的FFT長(zhǎng)度，給出了一個(gè)固定的比例的SPAN和RBW。FSW可擴(kuò)展的FFT長(zhǎng)度從32到16 384，可以提供更小的RWB和更大的SPAN。圖2是顯示的一個(gè)雷達(dá)信號(hào)，使用實(shí)時(shí)頻譜顯示該雷達(dá)信號(hào)，可以清晰的看到雷達(dá)本振泄露，和回掃的信號(hào)。以往使用傳統(tǒng)超外差頻譜儀無(wú)法清晰的看到同頻信號(hào)和同頻干擾。

圖2 FSW使用實(shí)時(shí)頻譜顯示的時(shí)候，可以看到雷達(dá)信號(hào)中的本振泄露和回掃信號(hào)

由此可見，實(shí)時(shí)頻譜顯示可以解決一下兩個(gè)問(wèn)題：

1)瞬態(tài)信號(hào)的發(fā)現(xiàn)。

2)同頻信號(hào)的觀測(cè)。

這兩個(gè)問(wèn)題正是瞬態(tài)干擾診斷所面臨的測(cè)試挑戰(zhàn)。

4實(shí)時(shí)頻譜技術(shù)用于瞬態(tài)EMI診斷

EMI的預(yù)認(rèn)證和一致性認(rèn)證通常會(huì)采用R&S公司的 EMI接收機(jī)。在這個(gè)領(lǐng)域，R&S的EMI接收機(jī)是家喻戶曉的?，F(xiàn)在R&S新推出的實(shí)時(shí)頻譜儀FSW可以在干擾診斷方面大顯身手，尤其是當(dāng)前大家更加關(guān)注的瞬態(tài)干擾。 我們以下面的這個(gè)瞬態(tài)干擾測(cè)試為例。這是一個(gè)寬帶的突發(fā)的瞬態(tài)干擾信號(hào)，其時(shí)間上的持續(xù)時(shí)間只有幾百納秒。過(guò)去，只能通過(guò)傳統(tǒng)頻譜儀或者接收機(jī)的最大保持的功能進(jìn)行測(cè)試，這個(gè)辦法并不能保證發(fā)現(xiàn)那些瞬態(tài)的干擾信號(hào)。

圖3 使用傳統(tǒng)顯示方式觀測(cè)的有瞬態(tài)干擾的頻段

通用的信號(hào)，使用FSW的實(shí)時(shí)頻譜顯示功能，可以清楚的看到那些持續(xù)時(shí)間只有幾百個(gè)ns的突發(fā)信號(hào)。而這些突發(fā)干擾常常就是導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不能正常工作的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

圖4 FSW的實(shí)時(shí)頻譜顯示功能，顯示的瞬態(tài)干擾信號(hào)

實(shí)時(shí)頻譜顯示技術(shù)通過(guò)將每秒鐘將近60萬(wàn)個(gè)頻譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并用色溫的方式來(lái)顯示信號(hào)出現(xiàn)的概率，從而實(shí)現(xiàn)了海量頻譜的顯示功能，這是一種新穎的數(shù)據(jù)壓縮方式，可以將大量的頻譜信息不丟失的顯示出來(lái)，我們看到圖4中的淡藍(lán)色的信號(hào)，因?yàn)轭伾容^的淡，代表了這個(gè)信號(hào)出現(xiàn)的概率不高，而本底噪聲的顏色是更明亮的黃色或者紅色。我們可以看到這個(gè)突發(fā)的干擾信號(hào)，雖然功率很大，但是由于出現(xiàn)的概率比較低，所以在傳統(tǒng)頻譜儀上面，不能保證一定可以看到。雖然ESR可以對(duì)這樣的瞬態(tài)EMI進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和測(cè)試，但是ESR顯示的單條軌跡。如圖4現(xiàn)實(shí)，是一種具有統(tǒng)計(jì)功能的顯示方式，可以更清楚的評(píng)估干擾出現(xiàn)的概率和同頻干擾。