LabVIEW和小波算法在艦載電子設(shè)備EMI預(yù)測試中的應(yīng)用

吳 楠 侯冬云 張 嘉

電磁兼容性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430064

LabVIEW和小波算法在艦載電子設(shè)備EMI預(yù)測試中的應(yīng)用

吳 楠 侯冬云 張 嘉

電磁兼容性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430064

艦載電子設(shè)備電磁干擾（EMI）預(yù)測試通常是在測試環(huán)境和測試系統(tǒng)不能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下進(jìn)行的，EMI測量數(shù)據(jù)會(huì)因?yàn)槭艿江h(huán)境噪聲的影響而導(dǎo)致無法有效識別受試設(shè)備（EUT）輻射信號，測試系統(tǒng)也會(huì)因?yàn)閷Ｓ脙x表的昂貴價(jià)格而受到制約。針對電子設(shè)備EMI預(yù)測試過程中環(huán)境噪聲的來源和特征，分析了小波分析在消除環(huán)境噪聲中的應(yīng)用原理和方法，并利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了高效靈活的數(shù)據(jù)采集及其與剔噪程序的接口。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法充分結(jié)合了LabVIEW和剔噪算法的優(yōu)點(diǎn)，不僅對消除背景噪聲有明顯的效果，也降低了電子設(shè)備EMI預(yù)測試系統(tǒng)的成本。

艦載電子設(shè)備；電磁干擾；預(yù)測試；環(huán)境噪聲；小波分析；LabVIEW

1 引言

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)自動(dòng)化水平的日益提高，現(xiàn)代化控制系統(tǒng)正朝著大規(guī)模、復(fù)雜化的方向發(fā)展。在電磁干擾問題不斷增加的同時(shí)，艦載電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和研制要面對越來越嚴(yán)格的產(chǎn)品成本和產(chǎn)品開發(fā)周期的挑戰(zhàn)，如果在設(shè)計(jì)階段不考慮電磁兼容問題而是到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后期才去考慮，可能要花費(fèi)更長的時(shí)間和更高的成本。因此，形成電子設(shè)備電磁干擾預(yù)測試方法，使設(shè)備單位在研制過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)電磁兼容問題并采取明確有效的措施和手段，進(jìn)而對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，可避免大量重復(fù)性的研制工作，有利于保證和提高電子設(shè)備的電磁兼容性能。

電磁干擾認(rèn)證測試一般都是在屏蔽室、暗室或者開闊的試驗(yàn)場地進(jìn)行，目的是消除背景環(huán)境噪聲電平的影響，但目前，由于標(biāo)準(zhǔn)化測試場地和儀器造價(jià)昂貴，大多研制單位在設(shè)備的設(shè)計(jì)研制過程中并不具備對其電磁兼容性能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的檢測、診斷和控制能力。在進(jìn)行電磁干擾預(yù)測試時(shí)，由于測試是在普通實(shí)驗(yàn)室或者工作環(huán)境等非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中進(jìn)行的，將不可避免地會(huì)受到電磁環(huán)境電平的干擾，使背景電磁環(huán)境電平淹沒了受試設(shè)備（EUT）發(fā)射的信號，從而導(dǎo)致測試結(jié)果失效、測試時(shí)間延長、將環(huán)境電平誤認(rèn)為是EUT的干擾信號等。來自采集系統(tǒng)外部的背景環(huán)境噪聲源主要有高斯白噪聲、市電50 Hz的交流干擾、電臺(tái)的調(diào)幅廣播信號、電源的開關(guān)火花干擾、壓力機(jī)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的顫噪效應(yīng)、天體電場等，因此，要在非標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下開展電子設(shè)備電磁干擾預(yù)測試，就必須解決背景噪聲剔除和實(shí)時(shí)分析的難題。

2 電子設(shè)備EMI預(yù)測試系統(tǒng)

本文的電子設(shè)備電磁干擾（EMI）預(yù)測試系統(tǒng)具備小型化、綜合化和自動(dòng)化的特點(diǎn)，可在多項(xiàng)目、多功能的集成化采集分析中實(shí)現(xiàn)檢測效率的提高和背景噪聲的剔除。本電子設(shè)備EMI預(yù)測試系統(tǒng)是以虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW為基礎(chǔ)來研制電磁干擾測試集成控制、分析及處理系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)可大大提高量值溯源的有效性和測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，與單獨(dú)使用普通的臺(tái)式儀器和手動(dòng)測試相比，既可實(shí)現(xiàn)儀器自動(dòng)控制并提高測試速度，同時(shí)，還具有良好的可擴(kuò)展性，便于在非標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與處理。

該采集監(jiān)測與分析系統(tǒng)可滿足在非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的系統(tǒng)級電磁干擾測試，通過在硬件平臺(tái)上開展背景噪聲剔除、信號多層分解與分析等研究，可滿足對有用信號的有效提取診斷。其系統(tǒng)包括采集檢測程序、環(huán)境噪聲剔除程序、干擾源定位分析程序、知識庫模塊、數(shù)據(jù)接口和存儲(chǔ)模塊、界限值數(shù)據(jù)庫等，其中，采集監(jiān)測、環(huán)境噪聲剔除和干擾源定位分析是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)符合性測試須重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 采集監(jiān)測程序

采集監(jiān)測程序采用LabVIEW編程平臺(tái)。由于LabVIEW采用的是基于流程圖的圖形化編程方式，因此，也被稱為G語言（graphical language）。LabVIEW最大的優(yōu)勢表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是通過與數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集探頭、儀器控制程序、信號分析軟件等建立接口，較之價(jià)格昂貴的測試儀表來說，LabVIEW可實(shí)現(xiàn)低成本、便捷的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，并可對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，其工程適用性強(qiáng)；二是LabVIEW包含大量基本的數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算函數(shù)、文件I／O函數(shù)，以及信號處理、窗函數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、曲線擬合等高級分析庫［1］，能將繁瑣復(fù)雜的語言編程簡化為以菜單提示的方式選擇功能，并用線條將各種功能連接了起來，體現(xiàn)出了極高的效率，界面友好，既可實(shí)現(xiàn)測試控制與自動(dòng)采集（圖2），又可提供良好的監(jiān)測界面（圖3）。

2.2 信號分析程序

用于實(shí)現(xiàn)對時(shí)域波形的特征值進(jìn)行捕捉和計(jì)算分析，進(jìn)而通過傅立葉變換、小波分析等時(shí)—頻分析來確定幅值超過GJB151/152A等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的界限值幅度和頻率，提示分析處理計(jì)算機(jī)中的判斷軟件是否發(fā)出了超標(biāo)報(bào)警，報(bào)警判斷軟件通過查詢數(shù)據(jù)庫確定引起報(bào)警的干擾源。當(dāng)背景環(huán)境噪聲淹沒了EUT信號時(shí)，采用小波去噪算法和小波多層分解算法做細(xì)化分析，有效地從信號中提取超過界限值的輻射源信息，為超標(biāo)判斷提供依據(jù)。從頻域上看，用不同尺度下的小波變換相當(dāng)于用一組帶通濾波器對信號進(jìn)行濾波處理，帶通的目的既是分解，也是監(jiān)測。由以上分析可看出，用小波變換在時(shí)—頻平面分析信號，當(dāng)時(shí)間窗自動(dòng)變窄時(shí)，時(shí)間軸上的考察范圍也小，而在頻域上的帶寬則自動(dòng)變寬，相當(dāng)于用較高頻率對信號做分辨率較高的分析，即用高頻小波做細(xì)致觀察，將頻率接近的輻射源逐一識別和定位；當(dāng)時(shí)間窗變寬時(shí)，時(shí)間軸上的考察范圍也大，而在頻域上的帶寬則自動(dòng)變窄，相當(dāng)于用低頻時(shí)域小波做全局觀察［2］。

根據(jù)對電磁輻射信號的干擾與噪聲信號的分析，可以看出，在電磁干擾采集過程中主要有兩種類型的干擾與噪聲：一種是外界固定頻率的干擾；另一種是白噪聲。對兩者的去噪就要采用不同的方法和手段。

1）信號的多尺度分析及去噪原理。

多尺度分析 （Multi—Resolution Analysis，MRA）是小波分析的重要概念。對信號在不同尺度上的多尺度分析，相當(dāng)于對同一景物在不同距離上的攝影，因而能夠以不同的層次顯示信號的特征。多尺度分析的實(shí)質(zhì)就是把信號在一系列不同層次的空間上進(jìn)行分解的分析方法，這種信號分解能力能將各種交織在一起的、由不同頻率組成的混合信號分解成不相同頻率的子信號［3］。

多尺度分析是構(gòu)造小波基的方法，滿足下列條件L2（R）中的一列子空間｛Vm｝m∈z和一個(gè)尺度函數(shù)φ（x）稱為L2（R）的正交多尺度分析：

對于多尺度分析，可用一個(gè)三層分解來進(jìn)行說明，其小波分解樹如圖4所示。從中可看出，多尺度分析只是對信號的低頻部分進(jìn)行分解，而高頻部分則不予考慮［4］。分解具有以下關(guān)系：

圖4 信號的小波分解樹Fig.4 Wavelet decomposition of signal

2）隨機(jī)高斯白噪聲的濾除原理。

假定要研究的是區(qū)間［0，1］上的信號f（t），觀測所獲得的相應(yīng)數(shù)據(jù)為：

式中，zi為加性白噪聲；σ為噪聲強(qiáng)度，ti為等間隔的采樣點(diǎn)。

去噪的目的是從帶噪聲的數(shù)據(jù)y（t）中檢測出信號f（t）。當(dāng)信號沒有噪聲時(shí)，與信號對應(yīng)的所有奇異點(diǎn)都具有正的Lipschitz指數(shù)，而且信號小波變換的模極大值點(diǎn)數(shù)目不隨尺度的減小而加大。反之，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)高斯白噪聲的分布處處具有奇異性，且具有負(fù)的Lipschitz指數(shù)，平均隨著尺度每增加一倍，白噪聲的極大值點(diǎn)數(shù)目將減少一半。奇異性絕大部分是由負(fù)的Lipschitz指數(shù)所引起。由于在變?yōu)樾〕叨葧r(shí)，模值增大的極大值點(diǎn)是由噪聲所引起，因而可將這部分小波系數(shù)設(shè)置為零。因此，可根據(jù)在小波變換域內(nèi)信號和噪聲的奇異性不同來選取合適的門限在小波域內(nèi)濾波。

基于以上論述，采用變換抑制背景信號噪聲時(shí)，算法的具體步驟如下：

（1）對信號進(jìn)行小波分解。選擇一個(gè)小波并確定一個(gè)小波分解的層次N，然后對信號進(jìn)行N層小波分解［5］。

（2）針對小波的每一層高頻系數(shù)，選取合適的非線性軟門限值作用于小波變換域內(nèi)的系數(shù)，濾除白噪聲。

（3）將干擾信號所在頻帶的小波分解系數(shù)設(shè)置為0，濾除掉固定頻帶的干擾信號。

（4）利用小波重構(gòu)技術(shù)，基于信號在水平N的低通濾波后的低頻信號和改變了的小波變換域內(nèi)的系數(shù)，重構(gòu)出抑制噪聲后的信號。

3 應(yīng)用實(shí)例

針對電子設(shè)備電磁干擾預(yù)測試的特點(diǎn)，以某功率放大器電磁輻射信號測試為例，對本文電子設(shè)備電磁干擾預(yù)測試的原理和方法進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。測試環(huán)境在普通的室內(nèi)空間，功率放大器的工作頻率為1 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為100 k，采樣頻率為200 kHz。由圖5可知，功放信號疊加了背景環(huán)境噪聲，在采用本文的方法對高斯白噪聲進(jìn)行濾除后，得到了如圖6所示的波形。

由圖6可看出，剔除了高斯白噪聲的功放信號中仍然包含50 Hz的電源信號（圖7），圖中的毛刺部分為功放信號 （圖8），包絡(luò)部分為50 Hz電源正弦波信號。

4 結(jié)論

艦載電子設(shè)備EMI測試信號屬非平穩(wěn)隨機(jī)過程，EMI中的各種頻率特征反映了該干擾源的貢獻(xiàn)。EMI檢測到的干擾信號并非來自一個(gè)干擾源，而這些干擾源特性，如頻率、幅值、起始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間并不相同，因此，EMI的頻譜是一個(gè)時(shí)變頻譜。從本質(zhì)上看，EMI信號是一個(gè)非平穩(wěn)隨機(jī)過程，因此，用傳統(tǒng)的傅立葉處理非平穩(wěn)隨機(jī)過程會(huì)存在缺陷，其只能從宏觀上判定該系統(tǒng)是否符合電磁兼容要求。而小波分析則可通過頻率隨時(shí)間的變化或幅值隨時(shí)間的變化來深刻揭示騷擾源的本質(zhì)，從而為EMI測試和診斷以及有效消除干擾源提供必要的信息。通過與LabVIEW結(jié)合使用，既能節(jié)省成本，又靈活便攜，有利于為有用信號的提取和干擾源的定位提供有效判據(jù)。

［1］ 楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社.2005.

［2］ 李傳慶，徐敏，張曙.基于小波分析的信號消噪法［J］.應(yīng)用科技，2003，30（2）：14－17.

［3］ DONOHO D L.De－noising by soft－resholding［J］.IEEE Transactions on Information Theory，1995，41 （3）：613－627.

［4］ MALLAT S，HWANG W L.Singularity detection and processingwith wavelets ［J］.IEEE Transactionson Information Theory，1992，38（2）：617－643.

［5］ 薛德慶，姚世鋒，劉銳，等.MATLAB在虛擬儀器中的編程應(yīng)用研究［J］.傳感器與儀器儀表，2006，2（05S）：157－159.

Application of LabVIEW and Wavelet Algorithm in the EMI Pretest of Shipboard Electronic Devices

Wu Nan Hou Dong－yun Zhang Jia
Science and Technology on EMC Laboratory，Wuhan 430064，China

The electromagnetic interference（EMI）pretest of shipboard electronic device is usually carried out under the conditions that the test environment and system cannot fully meet the requirements，the equipment under test（EUT）radiation signal may not be effectively identified due to the effect of ambient noise on the EMI test data，in addition，the expensive dedicated instruments also restrict the use of test system.This paper analyzes the approach of wavelet algorithm to eliminating the ambient noise considering source and characteristics in the EMI pretest process.High－efficient and flexible data acquisition and its interface with wavelet program for noise elimination are achieved by the use of secondary development environment of LabVIEW virtual device.The experimental results show that combining LabVIEW virtual device with the advantages of wavelet program has obvious effects on both elimination of background noise and cost reduction.

shipboard electronic device；EMI；pretest；ambient noise；wavelet analysis；LabVIEW

TN03

A

1673－3185（2011）02－73－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.015

2010-02-26

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（9140C2107030704）

吳 楠（1979－），男，工程師。研究方向：電磁兼容性仿真與試驗(yàn)。E-mail：NANlife1979@yahoo.com.cn

侯冬云（1964－），女，研究員。研究方向：電磁兼容性試驗(yàn)與測試