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一種新的基于時(shí)域方法的EMC測(cè)試技術(shù)

作者: 時(shí)間:2012-04-19 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文討論了寬帶測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量電磁干擾(EMI) 時(shí)所具備的優(yōu)勢(shì)。寬帶測(cè)量技術(shù)用于EMI測(cè)量時(shí),其數(shù)字信號(hào)處理能力使它能夠?qū)崟r(shí)仿真?zhèn)鹘y(tǒng)模擬設(shè)備的各種測(cè)量模式,如峰值檢測(cè)模式、平均值檢測(cè)模式、 RMS檢測(cè)模式和類峰值檢測(cè)模式。同時(shí),它還能引入諸如相位譜、短時(shí)譜、統(tǒng)計(jì)評(píng)估以及基于FFT的時(shí)-頻分析等新的分析理念。由于技術(shù)允許對(duì)整個(gè)信號(hào)譜內(nèi)的幅度和相位信息進(jìn)行并行處理,因此測(cè)量時(shí)間至少可以縮短一個(gè)數(shù)量級(jí)。本文還討論了該技術(shù)中用到的信號(hào)處理算法和利用時(shí)域電磁干擾系統(tǒng)(TDEMI)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量得到的測(cè)量結(jié)果。

本文引用地址:http://www.butianyuan.cn/article/194022.htm

隨著新技術(shù)的飛速發(fā)展,新的電子產(chǎn)品層出不窮。如何使電子產(chǎn)品滿足電磁兼容要求,并改善其電磁兼容性能,這已經(jīng)成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一大難題。和EMI測(cè)量設(shè)備能夠在較短的測(cè)量時(shí)間內(nèi)提取大量精確的信息,采用這種設(shè)備能夠降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本,并提高電路和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的質(zhì)量。一直以來(lái),人們都是使用超外差射頻接收機(jī)[1][2]來(lái)測(cè)量射頻噪聲和電磁干擾(EMI)。這種的缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng),對(duì)于30 MHz到1 GHz頻帶內(nèi)的電磁干擾,通常需要測(cè)量30分鐘。測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就導(dǎo)致測(cè)試成本高昂,因此必須尋求一種能夠在不損失測(cè)量質(zhì)量的前提下縮短測(cè)量時(shí)間的。傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)并不評(píng)估被測(cè)EMI信號(hào)的相位信息,從而導(dǎo)致重要信息被丟失。而采用了傅立葉變換的EMI測(cè)量技術(shù),其數(shù)字化處理就允許將時(shí)域內(nèi)測(cè)量得到的信號(hào)分解成各種頻率成分。近幾年,隨著快速傅立葉變換(FFT)程序帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益日益明顯,F(xiàn)FT技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)快速普及起來(lái)。

本文討論了幾種新的信號(hào)處理方法,采用這幾種方法,時(shí)域測(cè)量技術(shù)能夠完成精確高效的EMI測(cè)量。此外,本文還介紹了為準(zhǔn)確測(cè)量各種EMI信號(hào)而采用的信號(hào)處理策略。

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時(shí)域電磁干擾測(cè)量系統(tǒng)

圖1所示為一個(gè)時(shí)域測(cè)量裝置的框圖,其中包含一個(gè)時(shí)域電磁干擾(TDEMI)測(cè)量系統(tǒng)和一個(gè)用于與TDEMI做比較的傳統(tǒng) EMI接收機(jī)。TDEMI系統(tǒng)中包含:寬帶天線(HL562, RohdeSchwarz)、線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(ESH 2-Z5, RohdeSchwarz)、開(kāi)關(guān)單元(RSU, RohdeSchwarz)、放大器(ZFL-1000LN, Mini-Circuits)、低通濾波器(SLP-1000, Mini-Circuits)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(TDS7154, Tektronix, 示波器)和一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)(兼容IBM)。文獻(xiàn)[3]中已經(jīng)討論了TDEMI測(cè)量系統(tǒng)的硬件,該系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)是對(duì)采樣后的EMI信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理,其優(yōu)點(diǎn)之一就是能夠通過(guò)軟件方式改善系統(tǒng)性能。

信號(hào)處理理論

ADC以采樣頻率fs 對(duì)輸入連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣和量化,相應(yīng)的采樣間隔為1/fs = ?t。根據(jù)香農(nóng)定理,fs至少應(yīng)為信號(hào)最高頻率的兩倍。這一由采樣頻率決定的信號(hào)頻率上限也叫做奈奎斯特頻率。數(shù)字化之后,數(shù)據(jù)按N個(gè)樣本塊的形式送入估值程序,作為譜估計(jì)器的輸入。TDEMI系統(tǒng)中所采用的譜估計(jì)方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)就是離散傅立葉變換(DFT)。對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行的DFT變換定義如下:

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DFT將離散時(shí)間信號(hào)序列x[n]變換為離散頻譜序列X[r],其中n和r表示離散時(shí)間變量和離散頻率變量,并且n和r均為0到(N-1)之間的整數(shù):

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根據(jù)DFT的基本特性,?f 、N和 ?t之間滿足如下關(guān)系:

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在頻譜X中,X[0]反映了信號(hào)的直流均值,而絕對(duì)值 則對(duì)應(yīng)于在頻率標(biāo)記為r處的合成矢量的幅度。要計(jì)算RMS值,必須將 中每個(gè)r > 1的元素均除以正弦信號(hào)的振幅因數(shù) 。而對(duì)應(yīng)于奈奎斯特頻率的頻率標(biāo)記R見(jiàn)下式:

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由于一個(gè)實(shí)值信號(hào)經(jīng)DFT變換后的絕對(duì)值是r的奇函數(shù),因此信號(hào)的所有譜信息均包含在大于或小于奈奎斯特頻率的半邊X[r] 中。于是,后面的估值步驟只需要X[r]的一半就足夠了。信號(hào)能量在兩半頻譜中平均分布,因此必須將 的值乘以2才能準(zhǔn)確地用單邊帶形式表示整個(gè)頻譜。要獲得與連續(xù)傅立葉變換類似的結(jié)果,DFT得到的譜值還必須進(jìn)一步對(duì)時(shí)域樣本數(shù)N歸一化處理。下式定義了單邊幅度譜:

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在實(shí)際的系統(tǒng)中,式(1)是通過(guò)快速傅立葉變換(FFT)實(shí)現(xiàn)的。為了避免當(dāng)信號(hào)中包含非信號(hào)周期整數(shù)倍的周期成分時(shí),頻譜泄漏至觀測(cè)時(shí)間內(nèi),應(yīng)該加上一個(gè)窗函數(shù)。

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窗函數(shù)在N/2處達(dá)到全局最大值,并向兩邊平滑滾降,在0和N-1處達(dá)到0,這樣就消除了對(duì)x[n]加窗時(shí)的邊沿效應(yīng)。另一方面,加窗后的信號(hào)向量xW[n]所攜帶的能量比原始信號(hào)少,因?yàn)椴糠中盘?hào)被削弱了。為了消除這一影響,我們限制窗函數(shù)序列,使其在觀測(cè)時(shí)間?TN內(nèi)的積分等于1。w[n]的換算系數(shù)被稱作相關(guān)增益GC:

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GC是一個(gè)換算系數(shù),所以根據(jù)DFT的線性特性,GC可以與其他換算系數(shù)一起在頻域中進(jìn)行譜變換之后使用。這樣,我們就得到了以下修正后的單邊幅度譜的定義公式:

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不同的窗函數(shù)對(duì)頻率泄漏的抑制和頻譜分辨率二者的折衷程度不同。常用的窗函數(shù)有漢寧窗、漢明窗和平頂窗函數(shù)。

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