新型电磁兼容性(EMC)测试系统与降低电磁干扰(EMI)新技术的应用

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摘要：主要介绍电磁兼容性新理念、虚拟暗室EMC测量系统的产生与组成特点，并对抑制或降低EMI的新技术应用作分析说明
关键词：电磁兼容性(EMC) 电磁干扰(EMI) 虚拟暗室 接收机 DSP

前言

现代电子系统与电磁环境相互依存。便携式设备技术进步使得电磁环境变得愈加复杂，即电子产品工作频率越来越高，随之电磁干扰也越来越严重。今天在许多便携式设备中，电磁干扰(EMl)成了一个越来越严重的问题。当传统的抑制或降低EMI技术己失去了魅力或无济于事时，则造成了高速技术所产生的EMI电平会日益增长。这就是说，电磁环境的复杂会对便携式设备又提出了更高的要求，怎么办？为此，EMC(电磁兼容性)测试新的理念与设备及并从源头上降低EMI新技术的学科会应运而生。这也是本文所介绍与分析的主要内容。

1、虚拟暗室EMC测量系统(无需暗室/屏蔽室)-EMC(电磁兼容性)测试新的理念

*产生背景

传统的微波暗室、模电磁室、混波室及宽带横电磁室等电磁兼容性测试实验室由于建设暗室的成本太高，很难推广使用。而制造企业的发展，希望预测试系统能在普通环境下进行。但又因在市内区域的无线电台和电视台发出的信号的电平，会超出EMC极限值30至40dB，在电磁辐射测试中，这些信号就是“背景噪声”。而且被测设备产生的电磁信号可能调制有环境中的背景噪声。因此，如果想在普通环境下测量被测设备(EUT)的电磁辐射，就必须设法“消除”背景噪声的影响。当今己开发出多种虚拟暗室EMC测量系统，值此以CASSPER虚拟暗室系统为例作新概念说明。

当今的虚拟暗室系统，是最新的EMI测试系统，它具有独一无二的频率同步及相位锁定功能，是一个双通道、多端口EMI接收机，符合CISPR-16标准要求。

其虚拟暗室系统接收机使用两套时间与频率都同步的通道同时去接收一个复杂系统中的信号，用来进行电磁发射的测量和电磁干扰源的定位。虚拟暗室系统把先进的数字信号处理技术(DSP)引入到了EMI测量中，能通过算法准确滤除背景噪声，得到被测设备(EUT)实际的准确的电磁辐射情况。CASSPER不仅能滤除一般的背景噪声，还能精确提取与背景噪声相同频率的EUT信号。即使背景噪声的幅度或者频率被调制了，其背景噪声滤除性能也不会下降。虚拟暗室系统也能滤除来自多个地方的背景噪声，能在市内区域精确测量电子设备的电磁发射。

1．2、系统组成

系统由双通道EMI接收机、高性能计算机、双通道高速DSP卡(内置于计算机)、天线、近场探头以及测量软件等组成，见图1所示。
从图1可见该系统的接收机有A／B两个通道，每个通道都在接收机的前面板上设有二至四个端口，不同频段的天线可以接到不同的端口上，系统可以对不同频段的天线进行自动切换。接收机把收到的信号经过中频处理后，由AD变换器转换为数字信号，再由计算机内部的高速双通道DSP卡对两个通道的数据按照有专利技术的算法进行数据处理，最终由计算机进行分析、存储、显示、打印等处理。

1．3系统应用

1．31普通环境下的电磁预兼容测试(见图2所示(a))

在被测设备(EUT)的前方一定距离(d)处放置一天线并连接到通道A，负责接收来自EUT以及背景共同作用的信号。另外一个天线则放置在离EUT较远的地方，其距离至少是d的十倍，并连接到通道B，负责测量来自整个背景的噪声情况。

同步的双通道EMI接收机，可以保证背景信号能同时被接收机的两个通道分别收到．从而可以将收到的共同具有的背景噪声记录下来并滤除掉，这就创建了一个虚拟的第三个测量通道，这种测量方法可以很真实地反映被测设备的电磁辐射情况。

系统在“消除”背景噪声方面．采用了”时间/频率/相位”同步识别技术，通过相位识别，把背景噪声用傅立叶计算方法剔除掉，并能提取被调制的EUT的信号，也能提取与背景噪声频率一致的EUT信号，见图2所示(b)。这种测试方法允许背景噪声是不稳定的．如果背景噪声在测试场地是“均匀”的，则测试结果能与标准EMC场地的测试结果保持基本一致。而在实际测试中，”背景噪声均匀”的环境是很容易找到的。

1．32定位辐射源的测试

相同频率的两个信号，未必来自同一信号源。在定位辐射源的测试中，通道A接到一个放在EUT附近的远场天线或者电流卡钳，探测EUT产生的电磁干扰，通道B连接一个近场探头见图3(a)所示走连接图。移动通道B的探头，通过两个信号的相关性来确定辐射源的位置。这就意味着即使不同的几个发射器发出同样频率和幅度的信号，系统也可以加以区分，从而准确定位干扰源。

该系统由于它能通过时间/频率/相位来识别两个天线接收到的信号的相关性，所以在EMI定位方面，它能找到真正使远场测试不合格的干扰源位置。找干扰源的时候，一个显示窗口上同时显示远场数据(天线收到的信号)和近场数据(探头收到的信号)(见图3(b)形显示曲线)，能在产生相同频率的多个位置中找出与远场信号相关联的位置，可以为工程师节约大量的时间，能应用于从板级设计一直到系统级设计。

1．33系统的全兼容测试能力

该系统是符合CISPR-16要求的EMI接收机，能进行全兼容测试，还能提高暗室系统的测量准确性。暗室系统在长时间使用后，其屏蔽性能会下降。利用该系统把背景天线放在室外，把EUT天线和被测物放在低性能的暗室内，能大大提高暗室的性能，延长暗室的使用寿命。

1．34系统的扩展应用能力

该系统能分析两个通道所收信号的“相关性”，典型的扩展应用包括：

*近场噪声滤除方式

在一个多设备系统中，多个设备可能会产生相同频率的EMI。如果我们想消除其他设备的影响，可以在通道B上接一个近场探头，系统能在通道A的天线上收到的信号中，滤除近场探头探测到的信号，从而把非被测设备的EMI滤除掉。

*屏蔽性能测试

可以利用标准的电磁场场源或者背景噪声，测量两个通道所收信号的相关性及电平差别，测量屏蔽性能。这种测量方法同样适合于大型分布式系统的屏蔽性能的测试，例如飞机的机体，船舰的舱体等。

1．35主要特点-移动式大型电磁兼容实验室

虚拟暗室EMC测量系统被广大工程师形象地比喻为”移动式大型电磁兼容实验室”，之所以有这样的比喻，是有以下原因：

*因为它有三种工作模式：背景滤除、干扰源定位、零跨距扫描；准确、自动的传导发射测试和辐射发射测试，内置常用电磁兼容测试标准，灵活方便添加电磁兼容测试标准。

*方便携带：能在外场进行精确的EMI测试，甚至可以作为车载的EMI测试系统，“实验室”能方便地搬迁，能运输到分布在其他城市的公司分部。

*可以在恶劣的电磁环境下测量，即使有很大的背景噪声，即使被测设备产生的信号与背景噪声信号进行了调制(如载波调制、幅度调制、频率调制或者数字调制)，系统同样能把被测设备产生的信号检测出来，能进行传导和发射的精确测量。

*可以测量特殊被测设备的EMC，针对下述各种情况，系统都能精确测量:有些大型设备，由于体积的限制，无法进入EMC暗室测试；有些设备，由于需要大量其他设备配套使用，不能将系统搬入暗室；有些设备，例如大功率设备．暗室配备的电力不够。

*利用“相关性”进行近场EMI定位：在发现EMI问题后，通过相关性测量功能，在众多同频干扰中，通过干扰源定位功能发现真正的干扰源的位置，并采取手段给予及时排除。在系统级的测试中，它能迅速找到产生干扰源的设备或者电缆或者接插件；在多板设备中，它能迅速定位到板级。

*满足CISPR/FCC等标准的传导和辐射测试要求；由于超过1GHz的背景信号很少且易于鉴别，并且大部分设备实际产生的辐射都在1GHz以下，所以系统也能符合GJB-151A/1 52A的EMI测试要求。

2、从便携式设备内部和外部产生的EMI(电磁干扰)与影响

要应用降低EMI的新技术，很重要的是弄清EMI产生原因及带来的危害。

2.1内部和外部产生的EMI与传输途径

众所周知，当电信号处于开关状态时，会产生EMI，一旦电信号状态发生变化，电流流动要产生电磁场。所产生的电磁场可通过不同途径与其它电磁信号相互作用。这些产生EMI叫互作用可能发生在设备内部或外部。其电磁干扰信号传输途径图见图4所示。

*外部EMJ能够扰乱许多设备的运行，其中包括音频设备、电视接收机、内置医疗设备和无线控制系统。由于这些EMI可能产生严重的后果，如今国际上规定了相类似的适用于全世界的要求。如果不能按照这些要求去阻止超过EMI限值的产品销售，就可能会损坏其它产品。

*内部EMI会产生更加错综复杂的后果，可能造成设备内部其它信号无法预测的特性改变。这种EMI会导致难以诊断和修复的间歇发生的可靠性问题。如果设备包含可能被EMI严重破坏的无线整机电路，内部EMI将是一个更加严重的问题。

2.2与EMI辐射有关的几个参数

以周期时钟信号为例。某一固定距离(典型值为10m)上由周期信号产生的EMI最大值Emax=(单位：V/m)由下式给出：

Emax=K*A*1*f2*S

式中K为常数。该式说明确定一个时变信号所产生的EMl电平取决于以下几个关键因素：

*频率f(单位：MHz)-信号产生的EMI是“f2”的函数。当频率在不断地提高并且在大多数情况下也不可能为了解决EMI问题而将频率减小时，这一参数对EMI的影响将只增不减。随着技术的进步，电子产品的工作频率越来越高，EMI越来越严重。

*环路面积S(单位： )-电子系统中的每个信号都有一个回路，回路由信号线和接地回路组成。环路的面积越大，EMI越大。环路面积主要取决于两个因素，即信号线的长度以及与接地回路是如何闭合的。在绝大多数系统中，信号线的长度又是由许多因素决定的，不能仅仅考虑EMI，不可能所有的信号线都做得很短。好的印刷电路板设计，尽量使高频信号靠近接地面，以减少环路面积。

*屏蔽因子S-EMI可通过屏蔽来减少，屏蔽可导致这个因子小于1。

*电流I，EMI是正比于流经信号线的电流。

3、抑制和降低EMI的新技术

由上公式对抑制和降低EMI的技术可有二种，其一是通过接地、屏蔽和滤波的方法，但对于高速与频率高的电子系统或便携式设备而言，就显得很传统了。其二就是改变NRZ测试码型功率谱的频率或者幅度与频谱扩散新技术，值此作重点介绍。

3.1数字通信系统中通过改变NRZ测试码型的功率谱的频率或者幅度降低或消除电磁干扰(EMl)

在数字通信系统中的EMI效应可以通过改变NRZ测试码型功率谱的频率或者幅度来降低或消除。通过改变数据率或码长可以实现这种改变。

随着数据速率增加，频谱零点间隔变大。而且，各条谱线的幅度降低，一部分功率被推到更高的频率。由于功率被扩散到更宽的频率范围，留在感兴趣频率的功率就更少了。实现这种效果的办法之一便是在原始数据流中加入额外的比特，等效增加了数据速率。

码长在EMI中也扮演了重要的角色，因为谱线幅度和间隔随着码长而变。较长的码降低了谱线幅度和间隔，而更短的码会增加谱线的幅度和间隔。为减少特定频率上的EMI，可以改变码长，将谱线移出特定的敏感频段。另外，可以使用长码来降低EMI的幅度。

3.2频谱扩散(SD)

通过展宽信号频谱来减少EMI的需求，根据这个基本概念加以拓展的主要优化技术被称为优化频谱扩散(OSD)。

OSD极大地减少了EMI，而没有受频谱展宽时钟(SSC)抖动问题的困扰。

图5表示了SD的基本概念。初始源信号与数字噪声源的输出相乘。合成信号被送往终端，在那里与一个相同的噪声源相乘，产生出一个原始信号的精确复制品。

图6显示了系统里的信号。因为乘法运算是对称的，恢复后的源信号和初始源信号是相同的。低的EMI信号的全部边缘与源信号的边缘都同时出现在相同的位置。因此，恢复后的源信号其边缘与原来的边缘精确地出现在同一时间。

OSD采用了精细分析的算法来优化噪声源，以致于合成信号具有非常有效的扩展频谱，导致EMI的峰值非常低。这个技术能够使EMI降低30dB(1000倍)或更多。

3.3、OSD技术的应用

OSD最初的商业应用是为了证明这项技术的有效性。在许多个人电脑和服务器系统上，PCI Express迅速地成为I/O互连的标准，并且要求许多100MHz的参考时钟信号传遍整个主板。下一代PCI Express产品将提高参考时钟频率，使其达到200MHz至250MHz之间的某一个值。在这一环境下，长的高频信号的激增提供了应用OSD的绝好机会。

为了这一应用，产生低EMI信号的新部件包含两个时钟缓冲器，它和标准的PCI Express时钟缓冲器的插接是兼容的。另一个部件提供修复功能。

图7一显示了OSD技术的有效性。图中黑色的频谱是单个PCI Express时钟信号的幅值，蓝色的频谱是采用了OSD技术的同一信号的幅值。可以看出，能量扩散进整个频谱，导致峰值下降超过30dB。不同于SSC的是，对于所有的谐波而言，改善是差不多的，所以尽管基波频率提高了，OSD技术各谐波的效应是一致的。乐意在其它环境中检验这些结果的设
计者们可利用评估板。

上述结果指出，对于诸如时钟信号之类的纯粹周期信号，OSD技术是非常有效的。在许多系统中，也有着不是时钟信号而也颇具周期性的信号，如视频显示数据和在网络和储存器中应用的串行数据。因为这些数据经常通过长电缆来传输，因而也会产生严重的EMI问题。把OSD技术推广应用到这些环境中的研究正在进行。

4、结论

为了能保证现代电子系统和便携式设备之间能够协调工作，应当进行电磁兼容的测试与抑制或降低EMI技术的应用。其虚拟暗室EMC测量系统不失为一种简易实用的方法，而降低EMI技术的应用是要根据干扰源的产生而在产品设计作出选择。

参考文献：
1、<<通信系统中电磁兼容性与技术>>逯贵祯编著 北京广播学院出版社2000年1月出版
2、Compliance direction systems Inc，产品目录 2005年