更多的信息和更短的测量时间可以显著提高排放测试的质量。
斯蒂芬·布劳恩和彼得·拉瑟
慕尼黑工业大学高频工程研究所,德国慕尼黑
一段时间以来,电磁干扰的测量一直是由工作在频域的超外差接收机进行的。E.L. Bronaugh在他的文章“21世纪的先进电磁干涉计”中提到,在未来,超外差EMI接收机的传统技术将被数字发射测量系统所取代。1
在过去的六年里,我们进行了时域排放测量的研究。2数字技术的快速发展和模数转换器速度的提高使得以几千兆样本/秒(GS/s)的速度对数据进行数字化和存储成为可能。beplay官方免费下载一些技术出版物中的文章指出,数字存储示波器可以有效地数字化和存储发射信号。信号处理(也就是说,通过快速傅里叶变换(FFT)计算光谱和模拟探测器模式)可以使用传统PC。3、4
通常,数字存储示波器使用一个有效位数有限的8位模数转换器。显然,这种系统的动态范围不足以处理这种瞬态输入信号。5动态范围由于模数转换器的杂散响应和数字存储示波器添加的其他杂散信号而减小。4示波器的采集内存是有限的,不可能在整个停留时间内存储信号。因此,数字化进程受到一些中断的阻碍。在Braun中讨论了用统计模型表征信号并进行准峰值检测的方法et al。6国际EMC标准CISPR 16-1-1要求宽带瞬态信号无杂散动态范围为36 dB,静止信号无杂散动态范围为40 dB。7CISPR还要求对信号进行不间断的持续评估。
实时时域电磁干扰测量系统
在时域电磁干扰(TDEMI)测量系统中,输入信号通过模数转换器(ADC)进行数字化处理。谱估计采用FFT。多分辨率TDEMI测量系统框图如图1所示。EMI信号通过超宽带天线接收。8多分辨率模数转换器(ADC)系统实现浮点模数转换。9通过数字信号处理对测量后数字化的电磁干扰信号进行处理,然后显示振幅谱。本文介绍了一种实时操作的多分辨率时域电磁干扰测量系统的工作原理等.10使用30 MHz至1 GHz范围内的频率扫描,步长为50 kHz,测量时间减少了2000倍。
快速傅里叶变换
数字谱估计是通过离散傅里叶变换(DFT)来实现的。利用DFT的对称性和重复属性的DFT计算算法被定义为FFT。DFT公式考虑了时域信号的周期性重复,公式如下:
短时间快速傅里叶变换
用短时快速傅里叶变换(STFFT)计算光谱图。这个频谱图显示了频率和时间的离散化。频率上的分辨率由bin-width∆。时间上的分辨率用时间步长T表示sBB.时间步长的倒数称为基带采样频率或fsbb.STFFT的计算方法如下:
其中w[n]是模拟EMI接收机if滤波器的高斯窗口函数。11基带采样频率fsbbbin-width∆漏油处为STFFT的重叠因子。在时域的离散化必须足够高,以满足奈奎斯特判据。
硬件实现
在图2中,显示了模数转换器系统的图片。在这个多分辨率系统中,三个10位2.2-GS/s adc处理三种振幅分辨率。在fpga上进行重构、纠错和实时谱计算。10目前的测量系统可以进行峰值、平均值、均方根(RMS)和准峰值检测器模式的排放测量。
测量过程
EMI接收机。发射的测量传统上是由工作在频域的测量系统进行的。在停留时间内,以单一频率观察输入信号,并用探测器(如。准峰探测器)。在整个停留时间内,信号通过EMI接收机的模拟级和数字级不断地被处理。由于检测模式的时间限制或DUT的间歇干扰所施加的长停留时间,被测设备(DUT)的完整表征可能需要几个小时。阶梯式测量程序如图3所示。
时域单发测量。时域电磁干扰测量系统捕捉记录时间t矩形EMI信号并存储。对信号进行快速傅里叶变换处理。中频滤波器是用高斯窗口函数建模的。利用短时快速傅里叶变换,可以对记录的信号进行处理,生成频谱图。利用探测器模式的数字模拟,计算了峰值、平均、准峰值和均方根探测器模式下的光谱。然而,记录时间t矩形受到可用高速内存的限制。今天,可以记录几百µs,但探测器模式,如准峰值探测器,需要大约1.5 s的停留时间。这种测量系统的过程如图3所示。使用这种类型的系统,测量时间可以减少多达5个数量级。显然,这种系统的缺点是高速存储器的深度有限。CISPR 14规定的连续干扰分析根本无法通过该系统实现。
实时、时域电磁干扰测量系统。为了解决这一问题,研制了一种实时时域电磁干扰测量系统。12测量系统在没有数字化信号的情况下对信号进行实时处理。对数字化后的信号进行连续处理。利用目前可用的数字硬件,在DC到1ghz的频率范围内实时计算STFFT是不可行的。因此,频率范围到1ghz被细分为8个波段,依次处理。测量过程如图3所示。所有八个子带都按顺序处理。实时时域电磁干扰测量系统对每个子带进行实时处理。
数字信号处理
2.2 GS/s的数字化输入信号使用数字下转换单元进行处理,该单元由数字I-Q下转换器和多相抽取滤波器组成。框图如图4所示。通过短时间快速傅里叶变换(STFFT)单元对低采样信号进行处理。STFFT的计算由Krug描述et al。2信号与模拟EMI接收机if滤波器的高斯窗口函数相乘。在计算每个独立的FFT后,窗口按时间步长移动Tsbb.重叠系数为75%,基带采样频率为250khz。利用这种技术,可以计算出在时间和频率上都离散化的频谱图。图5显示了这样一个频谱图的例子。以单一频率ƒ我信号年代bb(t)=S[ƒ我;t]可以提取。此信号对应于EMI接收机的解调中频信号。在每个离散频率上,信号由数字检测器(如。、峰值、准峰值、平均和RMS检测器模式)。为了满足CISPR 16-1-1的所有规定,IF信号必须由模拟输出提供。信号年代bb(t)数字混合到选定的频率,并产生一个虚拟中频信号。虚拟中频信号由数模转换器和带通滤波器转换为模拟中频信号。
电磁兼容标准
CISPR 16-1-1和ANSI C63.2-199613标准要求在选择单一频率时对输入信号进行连续观察。这一要求可以通过将信号混合到中频(IF)、模拟中频滤波器或模拟检测器来实现。在老板14,已经表明,准峰值检测器也可以使用数字信号处理单元来实现。今天的EMI接收机甚至实现了中频滤波器作为数字滤波器。STFFT是一种执行连续信号处理的信号处理方法。在奥本海默15,也证明了STFFT对应于一组N个滤波器,其中N是频率箱的数量。使用STFFT的测量系统可以满足CISPR 16-1-1的要求以及ANSI 63.4的要求。这样的系统必须满足标准中列出的所有要求。正弦信号必须达到40 dB的最小无杂散动态范围(CISPR 16-1-1)。在陷波滤波器测试期间,对于单个宽带脉冲,必须达到36 dB的最小无杂散动态范围。7if -过载因子,这里对应于FFT计算后的动态范围,必须至少为43.5 dB。模拟中频信号的使用允许根据CISPR 14连接干扰分析仪进行测量。已经成立了一个联合工作组,以使CISPR 16-2和CISPR 16-3标准适用于基于快速傅里叶变换的时域电磁干扰测量系统。此外,还讨论了CISPR 16-1-1的一些小变化。
排放测量
对一台笔记本电脑进行了发射测量。测量在准峰值检测器模式下进行。发射测量采用多分辨率时域电磁干扰测量系统。结果如图6所示。用电磁干扰接收机ESCS 30进行的测量与时域电磁干扰测量系统的测量结果达到了很好的一致性。
长期稳定性分析
长期稳定性分析是一种时域电磁干扰测量系统的评估方法,它将频谱图视图方法与CISPR兼容的频谱计算方法和探测器模式的加权方法相结合。这种方法的一个应用是在数秒的较长时间内研究被测装置的辐射。其他应用包括EMC测量的实时调查以及被测设备的软件对发射的影响。
在停留时间内,进行连续的实时光谱估计。八个子波段中的一个可以实时处理。在峰值和平均检测器模式下获得了具有模拟中频带宽为120 kHz的频谱。在停留时间内由峰值或平均检测器评估后,检测器被清除,并初始化一个新的测量。这样就可以对缓慢变化的排放进行调查。峰值检测器模式用于调查EMI信号,如爆发和脉冲序列,显示出强烈的固定行为。平均探测器用于研究低振幅水平的缓慢变化的窄带发射。
作为此类测量的一个例子,研究了一台笔记本电脑的辐射。在测量过程中,硬盘碎片整理工具正在运行。测量结果如图7所示。可以清楚地看到,可能是硬盘访问结果的单个发射大约每秒钟发生一次。
发射测量重复在平均探测器模式和不同的极化。结果如图8所示。
在测量过程中,表明大多数窄带发射在较长时间内也表现出静止行为。
结论
提出了一种时域电磁干扰测量系统。发射测量系统使用浮点ADC来提高动态范围和实时信号处理,从而在没有任何间隙的情况下对EMI信号进行评估。由于使用这种测量系统可以满足国际EMC标准的要求,传统的EMI接收机可以被使用高达1ghz的时域测量系统所取代。进一步的分析方法,以及减少测量时间超过三个数量级,已被证明。时域电磁干扰测量系统所获得的附加信息和测量时间的缩短可以显著提高排放测试的质量。
参考文献
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15.A.V.奥本海姆和r。w。谢弗,离散时间信号处理.ISBN 0-13-214107-8, Prentice-Hall, 1999。
关于作者
Stephan布劳恩1978年出生于德国Überlingen。他在慕尼黑工业大学(TUM)学习电气工程,并获得了工学学士学位。2003年获得学位。自2003年以来,他一直致力于他的博士学位。在同一所大学的高频工程研究所获得学位。
主要研究方向为高频电路设计、数字信号处理和数字电路。主要研究方向为电磁兼容的时域研究。Stephan Braun是20多篇出版物的作者和合著者,拥有多项专利。在2006年。在新加坡举行的第17届苏黎世国际研讨会上获得最佳学生论文奖。Stephan Braun是IEEE的学生会员。Stephan Braun是德国电工技术和信息技术协会(VDE)和VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, mikround Feinwerktechnik (GMM)的成员。
彼得•罗斯收到了他的Dipl.-Ing。1967年获得学士学位和技术博士学位。他于1968年至1971年在奥地利维也纳理工大学担任助理教授,研究交流电约瑟夫森效应。1971年,他加入了位于德国乌尔姆的aegg - telefunken研究所,从事光纤通信、宽带固态电子电路、微波电路统计噪声分析、激光调制和误码率光学陀螺仪的研究。1979年,他因发表“高比特率数字光纤通信系统的电子电路”而共同获得NTG奖。自1981年以来,他一直担任德国Technische Universität München高频工程研究所的教授和所长。1990年任渥太华大学客座教授,1993年任维多利亚大学客座教授。从1992年10月到1995年3月,他是德国柏林费迪南德-布劳恩研究所(ferdinand - bran - institut fr H chstfrequenztechnik)的主任。
1994年,他因在具有通用拓扑的线性电子电路的噪声分析和低噪声优化方面的基本贡献而被选为IEEE院士级别。1997年至1999年,他担任法国理工大学电气工程与信息技术系院长。从1997年到2004年,他一直是欧洲微波协会的董事会成员,1999年,他一直是在慕尼黑举行的欧洲微波周的总主席。
Russer在期刊和会议论文集上发表了590多篇科学论文。他开发了射频技术、微波、量子电子学和光通信方面的各种课程。
Russer是TUM国际研究生项目“微波工程科学硕士”的项目主任。多年来,他培养了500多名学生,其中50多名获得了博士学位。到目前为止,他以前的学生中有8人已经成为教授。他曾担任多个国际会议(IEEE MTT-S,欧洲微波会议)的技术计划委员会和指导委员会成员,并担任多个国际期刊(电磁学,国际数值建模期刊)的编委会成员。从1999年到2002年,他担任联合主席;从2002年到2005年,他担任U.R.S.I.委员会d的主席。2006年,他获得了IEEE MTT协会的杰出教育家奖。主要研究方向为电磁场、数值电磁学、超材料、集成微波和毫米波电路、微波电路的统计噪声分析、电磁兼容中的时域测量方法、微波电路的计算机辅助设计方法。Peter Russer是IEEE会员,德国信息技术学会(ITG)和德国以及奥地利物理学会的成员。
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