浅析频谱分析仪和EMI接收机

随着电力电子技术的广泛应用，带来了很大的便利，但同时也带来了不容忽视的电磁干扰(EMI)问题，这就要求必须对EMI特性进行准确的测量，这对提高电力电子装置的电磁兼容性(EMC)具有重要意义。近几年，在整个电磁兼容测量技术及所属服务领域不断出现许多新的测试仪器和测试方法，最基本且有效的测试设备还是频谱分析仪和EMI接收机。

1 频谱分析仪
    谈到测量电信号，电气工程师首先想到的可能就是示波器。示波器是一种将电压幅度随时间变化的规律显示出来的仪器，它相当于电气工程师的眼睛，使你能够看到线路中电流和电压的变化规律，从而掌握电路的工作状态。但是示波器并不是电磁干扰测量与诊断的理想工具。这是因为：
    (1)最关键的是动态范围，干扰频谱不同分量的差别有5个量级以上，需要100 dB以上的动态范围；而八位的示波器仅有40 dB左右的动态范围，不能满足电磁干扰的测量要求。
    (2)所有电磁兼容标准中的电磁干扰极限值都是在频域中定义的，而示波器显示出的是时域波形，因此测试得到的结果无法直接与标准比较。为了将测试结果与标准相比较，必须将时域波形变换为频域频谱。
    (3)电磁干扰相对于电路的工作信号往往都是较小的，并且电磁干扰的频率往往比信号高，而当一些幅度较低的高频信号叠加在一个幅度较大的低频信号时，用示波器无法进行测量。
    (4)示波器的灵敏度在毫伏级，而由天线接收到的电磁干扰的幅度通常为微伏级，因此示波器不能满足灵敏度的要求。
    测量电磁干扰更合适的仪器是频谱分析仪，频谱分析仪是一种将电压幅度随频率变化的规律显示出来的仪器，它显示的波形称为频谱。频谱分析仪克服了示波器在测量电磁干扰中的缺点，它能够精确测量各个频率上的干扰强度。
    对于电磁干扰问题的分析而言，频谱分析仪是比示波器更有用的仪器，用频谱分析仪可以直接显示出信号的各个频谱分量。
1．1 频谱分析仪的原理
    频谱分析仪是一台在一定频率范围内扫描接收的接收机，它的原理图如图1所示。

 频谱分析仪采用频率扫描超外差的工作方式。混频器将天线上接收到的输入信号与本振产生的信号混频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间输出的频率是不同的。当本振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。根据这个频谱，就能够知道被测设备是否有超过标准规定的干扰发射，或产生干扰的信号频率是多少。
1．2 频谱仪的使用方法
    要获得正确的测量结果，必须正确地操作频谱分析仪。本节简单介绍频谱分析仪的使用方法。正确使用频谱分析仪的关键是正确设置频谱分析仪的各个参数。下面解释频谱分析仪中主要参数的意义和设置方法。
    (1)频率扫描范围
    规定了频谱分析仪扫描频率的上限和下限。通过调整扫描频率范围，可以对感兴趣的频率进行细致的观察。在频率分辨率一定的情况下，扫描频率范围越宽，则扫描一遍所需要时间越长，频谱上各点的测量精度越低，因此，在可能的情况下，尽量使用较小的频率范围。在设置这个参数时，可以通过设置扫描开始频率和终止频率来确定，例如：startfrequency=l MHz，stop frequency=ll MHz。也可以通过设置扫描中心频率和频率范围来确定，例如：center frequency=6 MHz，span=10 MHz。这两种设置的结果是一样的。
    (2)中频分辨带宽
    规定了频谱分析仪的中频带宽，这项指标决定了仪器的选择性和扫描时间。调整分辨带宽可以达到两个目的，一个是提高仪器的选择性，以便对频率相距很近的两个信号进行区别。另一个目的是提高仪器的灵敏度。因为任何电路都有热噪声，这些噪声会将微弱信号淹没，而使仪器无法观察微弱信号。噪声的幅度与仪器的通频带宽成正比，带宽越宽，则噪声越大。因此减小仪器的分辨带宽可以减小仪器本身的噪声，从而增强对微弱信号的检测能力。
    分辨带宽一般以3 dB(或者6 dB)带宽来表示。当分辨带宽变化时，屏幕上显示的信号幅度可能会发生变化。若测量信号的带宽大于通频带带宽，则当带宽增加时，由于通过中频放大器的信号总能量增加，显示幅度会有所增加。若测量信号的带宽小于通频带宽，如对于单根谱线的信号，则不管分辨带宽怎样变化，显示信号的幅度都不会发生变化。信号带宽超过中频带宽的信号称为宽带信号，信号带宽小于中频带宽的信号称为窄带信号。根据信号是宽带信号还是窄带信号能够有效地鉴别干扰源。
    (3)扫描时间
    仪器接收的信号从扫描频率范围的最低端扫描到最高端所使用的时间叫做扫描时间。扫描时间与扫描频率范围是相匹配的。如果扫描时间过短，频谱仪的中频滤波器不能够充分响应，结果幅度和频率的显示值变为不正确。
    (4)视频带宽
    视频带宽至少与分辨带宽相同，最好为分辨带宽的3至5倍。视频带宽反映的是测量接收机中位于包络检波器和模数转换器之间的视频放大器的带宽。改变视频带宽的设置，可以减小噪声峰一峰值的变化量，提高较低信噪比信号测量的分辨率和复现率，易于发现隐藏在噪声中的小信号。
1．3 频谱仪的种类
    频谱仪通常可以分为常规扫频分析仪和实时频谱分析仪，通过比较可以知道实时频谱分析仪适用性更强。
    (1)常规扫频分析仪
    图2是常规扫频分析仪的框图。此例涉及两个RF输入信号。RF信号通过扫描定位振荡器被转化为IF(中间频率)。IF输出通过带通滤波器，此处频谱分析仪分辨率被定义。

滤波器由Fstart扫至Fstop，见图3。此时仅观察到滤波器带宽内的一个点的信号。信号A首先被探测和显示，然后是信号B(间歇信号，如突发现象一般不会被探测到，除非在滤波器扫过时，在某一准确时间出现)。

 (2)实时频谱分析仪
    实时频谱分析仪是由一系列带通滤波器组成，如下图4所示。信号通过这些滤波器观察和连续纪录。信号A和B同时采集和显示，如图5。

2 EMI接收机
    由电力电子设备产生的电磁发射通常是宽带、连续的，其频率范围从工频到几十兆赫。通常传导EMI应在这一频率范围被测量。由于许多国家和国际标准只在O．15 MHz～30 MHz的频率范围内确定传导发射，传导EMI的测量也仅仅在这一范围内讨论信号的测量方法。
    在O．15 MHz～30 MHz频率乃至低至10 kHz范围内的EMI分量，由EMI接受装置测量。EMI接收机测得的是一个被测设备的输出电压。实质上EMI接收机是可调谐的、有频率选择的、具有精密的振幅响应的电压计，如图6所示。

各部分功能如下：
    (1)传感器。可由电压探头、电流探头、各类天线等部件组成。根据测量的目的，选用不同部件来提取信号。
    (2)输入衰减器。可将外部进来的过大信号或干扰电平给予衰减，调节衰减量高低，保证测量接收机输入的电平在测量接收机可测范围之内，同时也可避免过电压或过电流造成测量接收机损坏。
    (3)校准信号源。与普通接收机相区别，测量接收机本身提供内部校准信号源，可随时对测量接收机的增益加以自我校准，以保证测量值的准确。
    (4)射频放大器。利用选频放大原理，仅选择所需的测量信号进入下级电路，而外来的各种杂散信号(包括镜像频率信号、中频率信号、交调谐波信号等)均排除在外。
    (5)混频器。将来自射频放大器的射频信号和来自本机振荡器的信号合成产生一个差频信号输入到中频放大级，由于差频信号的频率远低于射频信号频率，使得中频放大级增益得以提高。
    (6)本机振荡器。提供一个频率稳定的高频振荡信号。
    (7)中频放大器。由于中频放大器的调谐电路可提供严格的频率带宽，又能获得较高的增益，因此保证接收机的总选择性和整机灵敏度。
    (8)检波器。测量接收机的检波方式与普通接收机的检波方式有着重大差异。测量接收机除可接收正弦波信号外，更常用于测量脉冲骚扰电平，因此测量接收机除了通常具有的平均值检波功能外还增加了峰值检波和准峰值检波功能。

3 频谱仪和接收机原理差异
    频谱分析仪是当前频谱分析的主要工具，尤其是扫频外差式频谱分析仪是当今频谱仪的主流，应用扫频测量技术，通过扫频信号源得到外差信号进行频域动态分析。接收机是进行EMC测试的主要工具，以点频法为基础，应用本振调谐的原理测试相应频点的电平值。接收机的扫描模式应当是以步进点频调谐的方式得到的。
3．1 基本原理图
    根据工作原理，频谱分析仪和接收机可分为模拟式和数，字式两大类。外差式分析是当前使用最为广泛的接收和分析方法。下面就外差式频谱分析仪与接收机之间的主要差别作一分析。
    原理图如7所示，频谱仪与接收机类似，但是频谱仪与接收机在以下几方面差别较大：前端预选器、本振信号扫描、中频滤波器、测量精度。

3．2 输入RF信号的前端处理
    接收机与频谱仪在输入端对信号进行的处理是不同的。频谱仪的信号输入端通常是较为简单的低通滤波器，而接收机要采用对宽带信号有较强的抗扰能力的预选器。通常包括一组固定带通滤波器和一组跟踪滤波器，完成对信号的预选。由于RF信号的谐波、交调和其它杂散信号的影响，造成频谱仪和接收机测试误差。相对于频谱仪而言，接收机需要更高的精度，故在接收机的前端比普通频谱仪多出一个预选器，提高选择性。接收机的选择性在GB／T6113(CISPRl6)中有明确规定。
3．3 本振信号的调节
    现在的EMC测量，人们不止要求能手动调谐搜索频率点，也需要快速直观观察EUT(Equipment under test一被测设备)的频率电平特性。这就是要求本振信号既能测试规定的频率点，也能够在一定频率范围扫描。
    频谱仪是通过扫频信号源实现扫频测量的。通常通过斜波或锯齿波信号控制扫频信号源，在预设的频率跨度内扫描，获得期望的混频输出信号。接收机的频率扫描是步进的，离散的，是离散的点频测试。接收机按照操作者预先设定的频率间隔，通过处理器的控制，在每一个频率点进行电平测量，显示的测试结果曲线实际是单个点频测试的结果。
3．4 中频滤波器
    频谱仪和接收机的中频滤波器的带宽是不同的。通常定义频谱仪分辨率带宽是幅频特性的3 dB带宽，而接收机的中频带宽是幅频特性的6 dB带宽。当频谱仪与接收机设定相同级别的带宽时，它们对信号的实际测试值是不同的。具体的表示如图8和图9所示。

从频谱仪和接收机中频滤波器的幅频特性可以看出，当频谱仪3 dB带宽BW与接收机6 dB带宽BW值设为一样时，实际通过两种滤波器的信号幅频特性是不一样的。依据EMC标准，无论是民用还是军用标准，带宽均应为6 dB。
3．5 检波器
    依据EMC标准，要求测试接收机带有峰值、准峰值和平均值检波器，通用频谱分析仪一般带有峰值和平均值检波器，没有准峰值检波器。
3．6 精度
    从接收机对信号的处理方式以及EMC测试要求看，接收机要比频谱仪有更高的精度，更低的乱真响应。