一種基于示波器的時域EMI測量技術

牛宏亮（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安710014）

一種基于示波器的時域EMI測量技術

牛宏亮
（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安710014）

針對傳統EMI接收機測量周期長，而現有的時域EMI接收機系統復雜、測試成本高昂等問題，基于示波器等通用測量儀器，通過DSP等硬件單元的實時數字信號處理方法，設計出了一種簡便、高效的時域EMI測量系統。結合示波器準確和可靠的測量結果，以及測量系統的優化配置，通過仿真試驗驗證，一個傳統EMI接收機需要30分鐘方可完成的測量項目，該系統僅需90秒即可完成，測量效率提高了10倍以上，且兩種不同測量方法所測得的結果最大相差僅0.8 dB，說明本方法準確、可靠，同時具有較高的推廣應用價值。

數字信號處理；電磁兼容；電磁干擾；示波器

當電子設備和無線通信系統接收器存在帶內干擾時，為了保護連續波模擬通信系統免受干擾，傳統的EMI測試方法不能充分地評估寬帶脈沖噪聲干擾的影響[1-4]。即使在傳統的頻域框架下正確的進行電磁干擾評估，相關的測量過程也會變得冗長，且花費巨大。

時域電磁干擾測量（Electromagnetic Interference，EMI）技術作為一種技術補充，常常用來評估電磁輻射，尤其是來自瞬態干擾的輻射[3]。它是一種非常有用的合規性預評價技術，在電磁干擾測量領域，該技術所具備的強大的測量能力是傳統的頻域接收機所不具備的[5-9]。

但是，大多數具有備選時域掃描功能的商用EMI接收機，其價格通常都相當昂貴，硬件系統復雜，小型實驗室難以承受如此高昂的費用，且這種接收機不適用于定點測量。

文中給出一種基于示波器的時域測量系統，該系統高效便捷，經濟實用，能夠進行傳導和輻射EMI測量。結合數字信號處理技術，該系統所測得信號的動態范圍得到了顯著地提高，噪聲對信號的影響得到了有效的抑制。

1 時域測量系統

總體而言，對于一個時域測量系統 （a Time Domai EMI，TDEMI），輻射電磁干擾的測量需要一個寬帶天線，傳導電磁干擾的測量則需要一個電流鉗或線性阻抗網絡。被測信號有時需

通過前置放大器放大，然后通過低通濾波器，以達到帶限的目的。同時，采樣信號也滿足奈奎斯特采樣定律的條件。在模數轉換單元，信號被數字化并存儲。最后，通過譜估計技術計算信號的幅度譜[10-11]。

從信號獲取和處理步驟的角度來講，一個時域EMI系統可如圖1的流程圖所示。當通過數字示波器，或者外部的模數轉換器、數字化儀等等一類的測量儀器對模擬信號進行采樣，時域EMI測量系統的數據獲取就開始了。然后數據從存儲器傳輸給處理單元，采樣數據通過一些通信端口傳輸給電腦，如通過GPIB總線傳輸數據。接下來，通過FFT、周期圖或者其它譜估計方法來計算幅度譜。然后，對與頻譜誤差相關的因素，如天線、導線傳輸途中的衰減、放大增益以及抗混跌濾波器的頻率響應等進行校正。下一步，運用數學仿真的方法，如峰值、準峰值、均值或者平均值檢波進行譜估計，或者應用一個獨立于脈沖重復頻率的校準因子進行譜估計。另外，為了減少噪音的影響，也可能使用其它的一些信號處理技術。最后，輸出計算結果，并與極限線進行比較，對測量結果進行判斷。

圖1時域EMI測量過程的流程圖

2 基于示波器的時域EMI測量方法

下面，重點討論通過通用的數字示波器來提高時域EMI測量的方法，基于示波器的時域EMI測量系統框圖如圖2所示。作為一種初始條件，對示波器的硬件有一些基本限制，如模擬帶寬、最大采樣率和最大記錄長度[12]。

圖2基于示波器的時域EMI測量系統

預先獲取信息的DSP技術是示波器的一種可供選擇的信息采集模式[13]，這種采集模式控制如何從采樣點中產生波形點，這對準確的EMI評估是極端重要的。一般來說，可供EMI測量使用的采集模式有如下幾種：直接采樣、峰值檢波、波形包絡、平均值法和高分辨率采樣等。

構造恰當的采集模式能夠提高時域EMI測量系統的信噪比。眾所周知，如果EMI測量時采樣遵循奈奎斯特定律，那么理論上信噪比可表示為：

式（1）中，N表示ADC的有效位數，信噪比SNR的單位為dB。高分辨率采集模式可提高模數轉換器的有效垂直分辨率，理論上的增加值為Δn=0.5log2（N）。例如，一款Tektronix DPO7104C型8位 （有效位寬6.7）的ADC，樣本存儲深度2字節，其實際可用的存儲為僅僅只有13 bit，因為1 bit是保存符號的，另外2 bit由于存在隨機舍入誤差而不可靠。

大多數示波器都提供兩種不同的采樣模式：實時采樣和等效時間采樣。實時采樣要求所有來自信號的樣本位于同一個周期，信號可以是單獨的，或者連續的事件。采樣率必須足夠高，能夠使示波器獲得足夠的數據重構波形。這種采樣模式適用于瞬態干擾的測量，但是需要更高的采樣頻率，這是因為周期信號的假設并不總是適用的。實際應用中，可使用一個常用但有效的插值函數sin（x）/x，此時，采樣率不能低于信號最高頻率的2.5倍。如果使用線性插值，采樣率經常10倍于信號的最高頻率[14]。

EMI測量時，采樣率通常使用4倍以上被測信號的最高頻率，這樣可以減少混疊誤差[15]。另外，過采樣可提高EMI測試信號的動態范圍。輸入諧波信號時，ADC的理論信噪比SNR依賴于采樣頻率fs，它們之間的數學關系如下式所示：

因此，如果用一個帶寬為1 GHz，最大采樣率為20 GHz的示波器進行EMI輻射測量，由式（2）可算得過采樣使信號的信噪比提高了10 dB。

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300 MHz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，分別用基于示波器的時域EMI測量系統和傳統EMI接收機 （選用RS公司的ESCS30）進行測量，待測信號的頻率范圍為296～302 MHz。

圖3 峰值檢波模式下的測量結果比對

用傳統的EMI接收機完成一次測量需耗時30分鐘左右，而用基于示波器的時域EMI測量系統則僅需90秒鐘，測量效率提高了10倍以上。為了突出時域EMI測量系統和傳統EMI接收機的測量比對效果，采用峰值檢波模式對待測信號的處理結果進行檢波，其結果如圖3所示。其中，峰值檢波模式的駐留時間為100 ms，頻率步進為30 kHz。從圖3可以清楚的看出，兩種測量方法所測得的信號幅值間最大相差僅為0.8 dB，測量結果基本一致。

4 結 論

文中提出的基于示波器的時域EMI測量方法，從理論上能夠有效提高所測信號的信噪比，在實際應用中又簡便快捷、經濟實用，且測量結果和傳統方法基本一致。與傳統EMI接收機相比，文中提出的測量方法使測量效率提高了10倍以上，大大縮短了傳導測量和輻射測量的測量時間，減少了測量時不確定因素產生的可能，具有高效、準確的優點。

[1]Pous M，Silva F.Prediction of the impact of transient disturbances in real-time digital wireless communication systems[J].Electromagnetic Compatibility Magzine，IEEE，2014（3）:76-83.

[2]Braun S，Donauer T，Russer P.A realtime timedomain EMI measurement system for full- -compliance measurements according to CISPR16-1-1[J].Electromagnetic Compatibility，IEEE Transactions，2008（50）:259-267.

[3]Braun S.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，2011（6）:276-283.

[4]Costa G，Pous M，Atienza A，et al.Time-domain Electromagnetic Interference Measure-ment System for intermitent disturbances[J].Electromagnetic Compatibility（EMC Europe），International Symposium on Gothenburg，2014（2）:146-163.

[5]向新，王勇，易克初，等．基于廣義似然比檢驗的差分超寬帶信號接收機[J]．西安電子科技大學學報，2007，34（1）：26-27．

[6]嚴天峰，喬鐘緯，沈佩蘭．軟件無線電綜合信道化接收系統[J]．通信技術，2009，42（2）：143-145．

[7]Jolly G，Kusu M，Kokate P．A Hierarchical Key Management Method for Low-energy Wireless Sensor Networks[C]//Proceedings of the 8th IEEE Symposium on Computers and Communication（ISCC）．Turkey：IEEE，2003：335-340．

[8]Du X，Xiao Y，Guizani M，et a1．An Efficient Key Management Scheme for Heterogeneous Sensor Networks EJ3．Ad Hoc Networks，Elsevier，2007，5 （1）：24-34．

[9]Liu Z，MaJ，HuangQ，eta1．AsymmetricKey Predis-tribution Scheme for Sensor Networks[J]．IEEE Trans on Wireless Communications，2009，8 （3）：1366-1372．[10]Zhu S，Jajodia S．LEAP：Efficient Security Mechanisms for Large-scale Distributed Sensor Networks [C]//Proceedings of the 10th ACM Conference on Computer and Communications Security（CCS’03）．Washington：ACM，2003：62-72．

[11]Eltoweissy M，Moharrum M，Mukkamala R．Dynamic Key Management in Sensor Networks[J]．IEEE Communications Magazine，2006，44（4）：122-130．

[12]Eschenauer L，Gligor V．A Key Management Scheme for Distributed Sensor Networks[C]//Proceedings of the 9th ACM Conference on Computer and Communications Security．New York：ACM Press，2002：41-47．

[13]Du W，Deng J，Han Y S，et a1．A Pairwise Key Pre-distribution Scheme for Wireless Sensor Networks[C]//Proceedings of the lOth ACM Conference on Computer and Communisations Security.New York：ACM Press，2003：42-51．

[14]Liu D，Ning P．Improving key pre-distribution with deployment knowledge in static sensor networks[J]．ACMTransonSensorNetworks，2005，6（1）：1-19．

[15]Chan H，Perrig A，Song D．Random Key Predistribution Schemes for Sensor Networks[C]//IEEE Symposium on Security and Privacy．Berkeley：IEEE，2003：197-213．

A measurement technology of time-domain EMI based on oscilloscope

NIU Hong-liang
（Xi'an Railway Vocational and Technical Institute，Xi'an 710014，China）

For the problems such as the long measurement period of traditional EMI receiver，the complex system of time-domain EMI，and its expensive test，an efficient EMI system of time-domain is designed，which base on the oscilloscope，by the means of real-time digital signal processing with DSP. Combine with accurate and reliable measurement results of oscilloscope，and optimal configuration of the system，the results of simulated test proved that the measurement efficiency could be improved more than ten times.To a measurement project，it only needs ninety seconds to finish by the time-domain EMI system，however，thirty minutes must be consumed to the EMI receiver.The maximum deviation between the two methods is just point eight dB，which shows the new method is accurate and reliable，and worthy of application extension.

digital signal processing；electromagnetic compatibility；electromagnetic interference；oscilloscope

TN<911.7 文獻標識碼：A class="emphasis_bold">911.7 文獻標識碼：A 文章編號：1674－6236（2017）07-0099-03911.7 文獻標識碼：A

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A 文章編號：1674－6236（2017）07-0099-03

2016-02-29稿件編號：201602192

牛宏亮（1978—），女，陜西西安人，碩士，講師。研究方向：電磁兼容、信號處理。