浅谈实时频谱技术在干扰诊断中的应用

1 概述

本应用文章从EMI测试挑战出发，介绍了一种瞬态干扰的测试技术，作为 罗德与施瓦茨公司（R&S）全面EMI测试方案的一个有效补充。通过介绍实时频谱技术的特点，阐明实时频谱在瞬态干扰查抄中的重要性。最后，它给出了一个干扰诊断实例，其中使用实时频谱显示技术发现干扰，并定位干扰信号。

2 瞬态干扰测试挑战

从第一次进行无线传输开始，设计工程师就一直关注电磁干扰(EMI)。在需要牌照的频段中，我们有蜂窝系统、卫星系统、广播系统和其它系统，创造了一个复杂动态的频谱环境。同时，其它系统如计算机、电子和电工机械迅速普及，进一步提升了干扰概率。法规机构已经确立了EMI的限制，规定了符合性测试中使用的测量方法。这些方法已经应用了几十年，撰写这些方法的目的，是满足语音和视频的模拟广播需求以及撰写时采用的测试方法，如CISPR平均方法和准峰值检波器。这些测量技术旨在对人的耳朵和眼睛分别接收声音和视频时提供可以接受的干扰水平。

随着数字调制数据传输和超宽带(UWB)传输方法出现，加上高速数字时钟形式的非预计辐射装置的频率日益提高，当前EMI规范标准已经不能全面解决目前存在的所有干扰类型及其对通信系统的影响。例如，短时间的偶发干扰的瞬间幅度可能会相对较高，但如果不是频发，那么它仍能满足标准法规。这样的脉冲对广播模拟无线传输的影响可以忽略不计，但在数字系统中会导致整个数据包丢失，或堵塞相邻的雷达系统。偶发的短高频干扰突发在所有消费电子和通信中正变得越来越常见，如计算机中使用的与模式相关的扩频时钟，以及许多嵌入式系统设计中运行有噪声的定期硬盘访问周期的硬盘驱动器。这些复杂的数字设备正日益接近以频率捷变、基于分组模式运行的无线通信系统。下图是智能手机的框图(图1)，其中包含着完善的数字计算机或电话中必需的一切高速数字系统，同时包括连接必需的无线发射机和接收机。这些非预计辐射装置位于临近区域，再加上灵敏的接收机，产生了大量的干扰机会，如图1非预计辐射源和接收机频段表中所示。

图1. 当前只能手机集成了NFC,GPS,WLAN,蓝牙等无线传输设备，其信号形式都是突发的。并且存在其他的非预计辐射源

当前的通信设备大多采用数字的方式进行传输，随着跳频、捷变频、突发脉冲的信号传输形式不断采用，通信设备的复杂程度大大增加，其EMI测试的需求和难度也大大增加。过去的EMI测试主要针对稳定信号进行的测试，尽管许多EMI测量可以使用简单的峰值检波器完成，但EMI测量标准规定了一种专用测量方法，即准峰值(QP)检波器，QP和均值的测量速度一直是测量接收机和频谱分析仪所面临的一项挑战。R&S 公司的接收机ESR 以实时的速度实现了快速QP检测器的测试。如果需要进行认证级和预认证的EMI测试，R&S提供业内速度最快的实时EMI接收机MSR，除此之外，R&S提供的FSW实时频谱仪可以提供一种简单的干扰诊断测试方法，便于用户研发阶段先进行复杂瞬态干扰的诊断。

3 实时频谱技术介绍

R&S的实时信号分析仪FSW基于FPGA的高速信号处理技术，可以无缝地实时计算带宽高达160 MHz的IQ信号，并实时将它们转换为频域频谱实时显示。由于所有捕获的数据流是没有任何丢失的实时处理，所以可以发现短至1.87us的单次信号，配合独有的余晖显示技术，可以轻松的讲这样的突发信号显示在屏幕上。当前最高端信号和频谱分析FSW ，覆盖高达67 GHz的频率范围，近60万个频谱的屏幕刷新速率，其快速傅立叶变换（FFT）时间窗重叠至少67%，这是为了减少加窗效应。老一代的实时分析仪大多与只有1024点的FFT长度，给出了一个固定的比例的SPAN和RBW。FSW可扩展的FFT长度从32到16 384，可以提供更小的RWB和更大的SPAN。图2是显示的一个雷达信号，使用实时频谱显示该雷达信号，可以清晰的看到雷达本振泄露，和回扫的信号。以往使用传统超外差频谱仪无法清晰的看到同频信号和同频干扰。

图2  FSW使用实时频谱显示的时候，可以看到雷达信号中的本振泄露和回扫信号

由此可见，实时频谱显示可以解决一下两个问题：

1) 瞬态信号的发现。

2) 同频信号的观测。

这两个问题正是瞬态干扰诊断所面临的测试挑战。

4 实时频谱技术用于瞬态EMI诊断

EMI的预认证和一致性认证通常会采用R&S公司的 EMI接收机。在这个领域，R&S的EMI接收机是家喻户晓的。现在R&S新推出的实时频谱仪FSW可以在干扰诊断方面大显身手，尤其是当前大家更加关注的瞬态干扰。 我们以下面的这个瞬态干扰测试为例。这是一个宽带的突发的瞬态干扰信号，其时间上的持续时间只有几百纳秒。过去，只能通过传统频谱仪或者接收机的最大保持的功能进行测试，这个办法并不能保证发现那些瞬态的干扰信号。

图3  使用传统显示方式观测的有瞬态干扰的频段

通用的信号，使用FSW的实时频谱显示功能，可以清楚的看到那些持续时间只有几百个ns的突发信号。而这些突发干扰常常就是导致系统出现故障，不能正常工作的罪魁祸首。

图4 FSW的实时频谱显示功能，显示的瞬态干扰信号

实时频谱显示技术通过将每秒钟将近60万个频谱进行统计，并用色温的方式来显示信号出现的概率，从而实现了海量频谱的显示功能，这是一种新颖的数据压缩方式，可以将大量的频谱信息不丢失的显示出来，我们看到图4中的淡蓝色的信号，因为颜色比较的淡，代表了这个信号出现的概率不高，而本底噪声的颜色是更明亮的黄色或者红色。我们可以看到这个突发的干扰信号，虽然功率很大，但是由于出现的概率比较低，所以在传统频谱仪上面，不能保证一定可以看到。虽然ESR可以对这样的瞬态EMI进行发现和测试，但是ESR显示的单条轨迹。如图4现实，是一种具有统计功能的显示方式，可以更清楚的评估干扰出现的概率和同频干扰。