通過信號處理提高時域EMI的測量準確度

牛宏亮

【摘 要】利用短時FFT算法對時域數據進行頻譜分析，信號需滿足平穩性假設條件，因此對尖峰、脈沖等瞬態信號無法得到正確的分析結果。重疊FFT是對非平穩信號進行時域分析的有力工具，其引入不同的交疊深度，對采樣信息進行精細分析，這樣可以避免因為窗函數的兩端零點對干擾信號可能造成的頻譜泄露，實現對非周期、尖峰、脈沖以及跳頻等瞬態信號的無縫捕獲。

【關鍵詞】電磁干擾；瞬態信號；重疊傅里葉變換；短時傅里葉變換

【Abstract】Analyse the time-domain data of spectrum with short-time FFT algorithm， the signal need to meet stationarity assumptions. Therefore， transient signal such as peak and impulse， cannot get the correct analysis results.Overlapping FFT is a powerful tool for time domain analysis of non-stationary signal.Bring in different overlapping depth， detailed analysis was carried out on the sample information. So it can avoid leakage frequency spectrum which the zero point of both window function sides may influence on the interference signal.It can seamless capture the transient signal， such as aperiodic， peak， impulse and frequency hopping.

【Key words】Electromagnetic interference； Transient signal； Overlapping FFT； Short-time FFT

0 前言

隨著越來越多的電子電器設備在科研生產和日常生活中的廣泛應用，電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）問題也日益突出。在諸多的電磁干擾現象中，周期性的干擾易于發現，但那些偶發性的電磁干擾現象由于其自身的不規律性，采用傳統的EMI接收機去測量往往很難發現，會發生頻譜泄露現象，從而使得測量結果失真[1]。

針對上述問題，本文對時域EMI測量技術中的信號處理環節進行了改進，提出一種為新的信號處理方法—重疊FFT算法，來解決瞬態信號難以準確測量的問題。重疊FFT算法主要是根據CISPR16-1-1標準的要求[2]，為了能夠捕獲并分析瞬態干擾信號，不同于傳統的順序處理采樣點的信息，而是引入了不同的交疊深度，對采樣信息進行精細分析，這樣可以避免因為窗函數的兩端零點對干擾信號可能造成的頻譜泄露，實現對瞬態干擾信號的測量。

1 短時FFT（Short-Time FFT，STFFT）算法

利用FFT算法可以對寬帶時域數據進行頻譜分析，但使用FFT時，需要信號滿足平穩性假設條件，對尖峰、脈沖等瞬態信號無法得到正確的分析結果[3，4]。STFFT是對非平穩信號進行時域分析的有力工具，它在FFT前乘上一個時間有限的窗函數，將信號劃分為多個短時間間隔的塊進行并行快速處理，從而得到信號的一組局域頻譜，根據不同時刻局部頻譜的差異，獲得信號的時變特性。在本文中，采用STFFT對時域信號進行處理，實現對非周期、尖峰、脈沖以及跳頻等瞬態信號的無縫捕獲。

時域EMI測量系統在進行電磁干擾測量時，由于實時數字信號處理單元處理的數據量巨大，每秒鐘處理的數據量達到Gbps級別。如此規模的數據吞吐量一般由超大規模FPGA陣列組成的硬件模塊來作為基礎平臺來應對，因此高效的數據處理算法就顯得尤為必要。為了完成數據處理的繁重任務，可采用短時FFT信號處理算法。把數據分流到FPGA陣列中，然后采用短時FFT信號處理算法，在每一個FPGA芯片上，把數據分割成大量的短時間間隔塊，由FPGA芯片內部豐富的內嵌功能單元來完成短時數據塊的處理。

2 重疊FFT（Overlapping FFT）算法

為了實現對非周期、尖峰、脈沖以及跳頻等瞬態電磁干擾信號的準確測量，本文設計了一種重疊FFT信號處理技術。

在短時FFT算法分析中，一個固有的假設是要處理的數據是單個周期定期重復的信號。圖1描述了一系列時域樣點。

假如在幀2上使用 FFT 處理時，在信號上進行周期擴展。一般會在連續幀之間發生不連續點，如圖2所示。

這些人為的不連續點生成原始信號中不存在的雜散響應，在附近存在大的信號時，不可能檢測到小的信號，這種效應稱為頻譜泄漏[5]。

應用本文設計的重疊FFT算法，可解決頻譜泄露效應，以及完成對瞬態信號的無縫測量。

重疊FFT算法主要是根據CISPR16-1-1標準的要求，為了能夠捕獲并分析瞬態干擾信號，不同于傳統的順序處理采樣點的信息，而是引入了不同的交疊深度，對采樣信息進行精細分析，這樣可以避免因為窗函數的兩端零點對干擾信號可能造成的頻譜泄漏，實現對瞬態干擾信號的測量[6]。

重疊FFT算法的一個核心就是把待處理的數據依據一定的長度劃分為一個個小的單元，在對這些數據進行時頻分析分析時，相鄰兩個單元之間的數據有一定量的重復，這個重復的部分就命名為重疊幀。重疊幀的一個優勢是提高了顯示更新速率，這一效應在要求采集時間長的窄跨度中最為明顯。如果沒有重疊幀，那么直到采集整個新幀時才能更新顯示屏幕。在使用重疊幀時，將在以前的幀完成前顯示新幀。

另一個優點是在頻譜圖中實現的無縫頻域顯示。由于窗口濾波器降低了幀的每端樣點對零的影響，如果幀沒有重疊，在兩個相鄰幀接合處發生的頻譜事件可能會丟失。但是，重疊幀保證了可以在頻譜圖上查看所有頻譜事件，而不考慮窗口效應。

3 仿真驗證

為了評估所設計的測量系統的精確度，采用配置為Intel Celeron 600-MHz的臺式電腦對其測量結果進行分析，臺式電腦采用300MHz的時鐘對內部CPU進行記錄。以一個典型的dc/dc轉換器的電磁干擾測量為實例，用時域EMI測量系統，結合重疊FFT信號處理算法對其進行測量。

如圖3所示，應用了重疊FFT算法的時域EMI測量系統，在不同時間點上成功捕獲到了頻率分別為296MHz和188MHz的瞬態電磁干擾信號，充分驗證了本算法的有效性。

4 結論

本文在短時FFT算法的基礎上，設計了一種新的重疊FFT算法，解決了電磁干擾測量中非周期、尖峰、脈沖以及跳頻等瞬態電磁干擾信號難以準確捕獲并測量的問題。經過試驗驗證，本方法準確、有效。隨著各種電子電器產品的大規模應用，本算法在電磁干擾測量和電磁干擾預防等領域將有著廣泛的應用前景。

【參考文獻】

[1]S.Braun，T.Donauer and P.Russer.A realtime time-domain EMI measurement system for full--compliance measurements according to CISPR16-1-1[J].Electromagnetic Compatibility，IEEE Transactions，on vol.50，pp.259-267，May 2008.

[2]M.Pous and F.Silva.Prediction of the impact of transient disturbances in real-time digital wireless communication systems[J]. Electromagnetic Compatibility Magzine，IEEE，vol.3，pp.76 -83，2014.

[3]周先春，石蘭芳.數字信號處理[M]，清華大學出版社，2015.

[4]S.Braun.A novel time-domain EMI measurement system for measurement and evalution of discontinuous disturbance according to CISPR 14 and CISPR 16 in electromagnetic compati- -bility[J].IEEE International Symposium on 2011.

[5]G.Costa，M.Pous，A.Atienza and F.Silva.Time-domain Electromagnetic Interference Measure--ment System for intermitent disturbances[J].Electromagnetic Compatibility（EMC Europe）， International Symposium on Gothenburg，2014.

[6]馬明，沈越泓，牛英濤，孔昭煜.基于空間時頻分布的非平穩信號盲分離算法性能研究[J].測控與控制學報，2007，6（29）：55-61.

[責任編輯：王偉平]