关于FFT的测量接收机执行CISPR 32 测试的优势分析和应用

使用基于 FFT 的测量接收机的目的是将扫描时间缩短几个数量级，测量时间增加的可行性带来了更高的测量可靠性，增强型测量功能（如扫描瀑布图和余晖显示）使测量更具洞察力。为证明基于 FFT 的测量接收机的适用性，采用传统EMI接收机和基于 FFT 的时域扫描技术对 CISPR 32 范围内的多媒体设备进行了大量的比对测量。为使测量更精确和可重复，强烈建议使用预选滤波器。

EMI接收机；基于FFT的测量接收机；EMI认证测量；CISPR 16-1-1；CISPR 32

Abstract

The use of FFT-based measuring receivers is motivated by reducing the scan time by several orders of magnitude, a higher reliability due to the possibility of applying longer measurement times and to get more insight with enhanced measurement functions like the scan spectrogram and persistence display. To prove the applicability extensive comparison measurements on multimedia equipment in the scope of CISPR 32 were performed using both conventional EMI receiver and FFT-based time-domain scanning technique. For precise and reproducible measurements the use of preselection filters is highly recommended.

Keywords

EMI receiver; FFT-based measuring receiver; EMI compliance measurement; CISPR 16-1-1; CISPR 32

传统EMI接收机在给定的测量时间测量分辨率带宽内的信号，全频带内的扫描耗时很长；基于 FFT 的测量接收机通过多个频率的并行计算，在测量时间内可测量比测量带宽宽得多的频谱段（图 1）。它有以下优点：

扫描时间能显著降低几个数量级而精度不降；

允许更长的测量时间，测量断续信号更方便；

扫描瀑布图和余晖显示这些增强功能得到应用。

图1. 基于FFT的测量与传统步进扫描

CISPR 16-1-1 第 3 版 修正案 1 [1]引入基于 FFT 的测量接收机用于EMI认证测量。有了基础标准的发行做前提，其提出的方法就可被产品标准使用。只要产品标准中有该基础标准的参考，基础标准就会生效。CISPR 32 的情况就是这样[2]。因此，CISPR 32:2012 （版本 1.0）和更新版本标准的执行者可以将基于 FFT 的测量仪器用于多媒体设备的EMI认证测量。

1. CISPR 16-1-1 定义的测量接收机

CISPR 16-1-1 使用 “黑盒法”定义测量仪器规格。这意味着，测量仪器只要满足 CISPR 16-1-1 中规定的所有指标，便可用于满足CISPR 标准要求的测量，与所选的实施方法或技术无关。

为了体现这种方案，在CISPR 16-1-1:2010-01 的修正案 1:2010-06 中添加了术语“测量接收机” 的新定义：“测量仪器如调谐电压表、EMI接收机、频谱分析仪或基于FFT 的测量仪器，带有或者不带预选器，能满足标准相关部分要求”。

因此，满足 CISPR 16-1-1:2010-01 和其修正案 1:2010-06 的基于 FFT 的测量接收机可用于EMI认证测量。这通常包括参数输入阻抗、检波器、带宽、过载系数、电压驻波比（VSWR）、绝对正弦波电压精度、脉冲响应、总体选择性、互调效应、接收机噪声和屏蔽。

除上述一般要求外，基于 FFT 的测量接收机应在测量时间内连续采样和评估信号。这对捕获脉冲干扰和间歇性信号至关重要。由于存在盲区时间，数字存储示波器不适于EMI认证测量。

2. 基于 FFT 测量接收机的动态范围

与传统EMI接收机类似，基于 FFT 的测量接收机必须配备预选滤波器，以便为低脉冲重复频率（PRF）脉冲信号的准峰值测量提供足够的动态范围。尤其是在以下情况时防止仪器输入电路过载或者损坏：一是有大幅度信号时测量弱干扰信号；其次是测量比接收机测量带宽要宽的多的宽带信号（图 2）。

预选滤波器在强信号频率上应至少 有30 dB 的衰减。多个这种类型的滤波器才能覆盖从 150 kHz 到 6 GHz 的频率范围。

在要求的分辨率带宽下，动态范围的底线受制于显示噪声电平，例如 CISPR 频段30 MHz 至 1000 MHz内，分辨率带宽120 kHz时的情形；动态范围的上限是第一混频器的 1 dB 压缩点。这个最大动态范围仅可用于测量连续波（CW）信号（窄带信号）。如果测量高电平宽带信号，由于混频器的非线性，将会有非常高电平的失真产物。

图2. 预选滤波器工作原理

因此，最大无互调输入电平（最大指示范围）被带宽因子减小（图 3）。

图3. 动态范围和带宽因子

举例：假设宽带信号带宽等于 CISPR 脉冲发生器射频带宽BRF = 2 GHz，使用RBW滤波器带宽 BRBW = 120 kHz 的无预选带宽因子 20*log(BRF/BRBW) 约为 84 dB；而使用带宽 BPRE = 100 MHz 的预选滤波器的带宽因子约为 58 dB，因此最大指示范围比无预选情况下高 26 dB。

3. 时域扫描速度更快

新一代用于 CISPR 16 认证发射测量的基于 FFT 的测量接收机，测量速度可比传统步进频率扫描快几千倍。使用峰值检波器进行 CISPR 频段的频率扫描几毫秒就可完成，即使使用准峰值和平均值检波器也只需几秒钟。显然，采用峰值检波器进行预览测量的模式已落伍（图 4）。

图4. CISPR 频段时域扫描与步进频率扫描的时间对比

如果待测设备仅能在很短时间内运行，例如汽车启动电动机，快速测量十分有用；运行时间过长会损坏或运行期间状态会改变的待测设备，测量也必须迅速完成。部分节省时间可用于增加测量时长，以便可靠地检测窄带间歇性信号或孤立的脉冲。

4. 余晖显示更具洞察力

测量接收机的余晖显示功能可将无缝频谱记录在单个图中（图 6）。像素的颜色代表了特定幅度信号出现在某个频率的频繁程度。红色表示频繁出现的信号，蓝色表示偶发信号。如果信号不再以特定幅度出现在某个频率，相应像素会在用户定义的余晖周期后消失。这使用户能够清晰区分脉冲干扰（只在很短时间内出现）和连续干扰，以及轻松分辨不同类型的脉冲干扰。

例如：测量一台EMI抑制较差的电动机，同时使用常规频谱（图 5）和余晖模式（图 6）显示测量结果。余晖模式中，额外的脉冲干扰清晰可见；而频谱模式，额外的脉冲干扰隐藏在宽带干扰中，无法识别。

图5. 采用频谱模式显示宽带干扰

图6. 采用余晖模式时，同一电动机的干扰频谱

5. 测量数据

通过循环比对测试（RRT）将传统EMI接收机的测量（单频点）结果和基于 FFT 时域扫描结果进行对比。依照CISPR 32 [2] 测量多媒体设备的传导和辐射发射。并比较了来自 20 个待测设备的共 225 次干扰：

95 次干扰来自传导发射（图 7）；

70 次干扰来自小于 1 GHz 的辐射发射（图8）；

60 次干扰来自大于 1 GHz 的辐射发射（图 9）。

图7. 传导发射比较

所选待测设备涵盖了 CISPR 32 广泛的产品范围。包括电视机、电信交换机/路由器、笔记本电脑/台式电脑、多功能和 3D 打印机、单反照相机、游戏控制器和工业控制机等设备。

图8. 低于1 GHz的辐射发射比较

图9. 高于1 GHz的辐射发射比较

对于这些测量频率，最大差值小于 3 dB，标准偏差等于或小于 0.8 dB。

6. 结语

传统EMI接收机测量（单频点）和基于 FFT 的时域扫描对比测试表明，两者的测量结果是一致的，后者的扫描时间显著减少但精度不降。传导干扰测量，可采用准峰值和 CISPR-平均值或 RMS-平均值检波器进行直接加权测量，不用峰值检波器进行预览扫描。

为获得最大动态范围和避免过载，需使用预选滤波器。高振幅载波下的弱脉冲信号准峰值测量，尤其应注意这一点。