一种新的基于时域方法的EMC测试技术

自动化TDEMI测量算法

在时域测量中，要捕捉数据，首先需要进行ADC采样。采样后，利用数字方法FFT计算出信号的频谱。之后的信号处理过程就能够纠正由天线频率特性、传输线特性、放大器和抗混迭失真滤波器造成的误差。然后分析EMI信号的峰值、RMS值和均值。利用附加的噪声门限调整功能还能将该结果与传统EMI接收机测得的结果进行比较。

图2给出了利用TDEMI系统进行自动时域EMI测量的基本算法流程图。其中，M和N按下式计算：

式中，△TM表示观测时间，△f表示频率分辨率，fs表示采样频率。程序中有一个M次的循环，每次运行该循环，系统就会读入一个长为N的时域数据向量，然后将该向量转换到频率域，并送给检测器模型。在M次循环结束之后，检测器模型得到的幅度谱被送入对数处理程序中。最后，系统再纠正由TDEMI系统的频率特性导致的误差。文献[6]中详细描述了时域电磁干扰测量(TDEMI)系统中所用到的谱估计算法和检测器模型。

EMC测试方案

1. 平稳EMI信号的测量

EMI测量时遇到的信号通常都具有随机性[7]。这些信号中除了有谐波成分和(伪)噪声以外，还可能包含瞬态成分和突发成分。尽管如此，仍可认为，只要观测时间△TM足够长，一个随机EMI信号的样本x(t)(t0 t t0 +△TM)中可以包含该信号的所有信息。这时，x(t)的特性就与任意选择的起始观测时间t0无关，可以认为该信号是类平稳的[8]。文献[9]中详细描述了这类信号的测量过程。我们利用TDEMI系统和传统EMI接收机测量了商用膝上电脑的EMI辐射，并对二者的测量结果进行了比较。图3所示就是利用这样的测试装置测得的一个典型时域数据向量。除了噪声之外，其中还包含很大一部分由被测电路中所使用的各种时钟信号辐射出来的平稳谐波成分。

图4给出了由TDEMI系统和传统EMI接收机测得的谱结果，两种测量方式均采用了均值检测模式，观测时间均为△TM = 5 ms。接收机频率步进值为50 kHz，采用了一个带宽为120 kHz的IF滤波器。从图4中可以看出，TDEMI系统和传统EMI接收机所测得的窄带谐波信号的幅度谱基本匹配，二者的平均偏差还不到0.5 dB。它们只在噪声门限上有较小的差别，这是由于TDEMI系统和传统噪声接收机的噪声性能不同造成的。

2. 瞬态EMI信号的测量

当信号中主要包含尖峰信号、突发信号和其他瞬态现象时，TDEMI系统相对于传统EMI接收机而言，就具有重大优势。因为在 TDEMI系统中用作ADC的示波器能够设置为只在捕捉到瞬态信号发生时触发。图5给出了瞬态信号的触发数据捕获原理。对汽车发光装置的测量就是一个实际例子。汽车发光装置包括照明单元、电缆和一块铅酸电池。我们在1米左右的距离外，用一种类似于前面讲过的方式，通过一个宽带天线来接收该装置辐射出的 EMI信号。在装置断电过程中，系统辐射出一系列脉冲，见图6，之后，很长一段时间没有任何辐射。我们将示波器设置为在这一系列脉冲边沿触发。第一次测量时，TDEMI系统测量了2500个频段，每频段内以5 GS/s的速度采100 000个点。EMI接收机则将步进值设置为50 kHz，IF滤波器带宽120 kHz，每点的停留时间为50毫秒。图7给出了峰值检测评估得到的幅度谱。在第二次实验中，我们将停留时间增大到1秒。由于受时间约束，这次测量最高只能做到170 MHz，测量结果见图8。比较两次测量得到的结果，我们可以看出，在两次测量中，TDEMI系统测量得到的幅度谱几乎均和传统EMI接收机测量的幅度谱上边界吻合。在TDEMI系统测得的谱中，随着测量时间的延长，只有测量的变化性稍为减缓，而EMI接收机测得的结果则很明显严重依赖于停留时间。这是由目标信号的特性造成的。EMI接收机需要较长的停留时间才能保证在每个频点上的每次测量均能够恰好观测到一个瞬态信号。而TDEMI系统则会根据前面谈到的触发条件自动对瞬态信号作出反应，并且在被测目标没有EMI辐射的时候停止捕捉数据。这样，TDEMI系统就有可能在很短的观测时间内完成精确的测量。

本文小结

本文介绍了宽带时域测量技术用于解决电磁干扰问题的优势。利用TDEMI测量系统能够仿效传统的模拟EMI测量系统的各种工作模式，例如峰值模式、平均值模式、RMS模式和类峰值监测模式。本文还介绍了信号处理算法以及利用时域电磁干扰(TDEMI)系统得到的测量结果。与传统模拟EMI测量设备相比，TDEMI系统的测量时间降低了一个数量级。

参考文献：

[1] CISPR16-1, Speciˉcation for radio disturbance and immunity measuring apparatus and meth-ods Part 1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus, International Electrotech-nical Commission, 1999.

[2] CISPR16-2, Speciˉcation for radio disturbance and immunity measuring apparatus and meth-ods Part 2: Methods of measurement of disturbances and immunity, International Electrotech-nical Commission, 1999.

[3] F. Krug and P. Russer, Ultra-fast broadband EMI measurement in time domain using FFT and Periodogram, in 2002 IEEE International Symposium On Electromagnetic Compatibility Digest, August 19{23, Minneapolis, USA, 2002, pp. 577{582.

[4] A. Papoulis, The Fourier Integral and Its Applications, ISBN 0-0704-8447-3. McGraw-Hill,1962.

[5] S.L. Marple Jr., Digital Spectral Analysis with Applications, ISBN 0-8493-7892-3. Prentice-Hall, 1987.

[6] F. Krug and P. Russer, Ultra-fast broadband EMI measurement in time domain using classical spectral estimation, in 2002 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, June2{6, Seattle, USA, 2002, pp. 2237{2240.