越來越多的EMC測試實驗室正努力提高EMI測試速度，加快收回成本的速度，贏取更多的EMC測試市場。本文以輻射發(fā)射測試為例，在分析了測試流程的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了頻譜儀對EMI測試速度的影響。選擇合適的頻譜儀，不僅可以提高測試精度，增強(qiáng)對測試結(jié)果的信心，而且可以改善EMI測試吞吐率。安捷倫基于頻譜儀的認(rèn)證級EMI接收機(jī)以及*新的預(yù)兼容EMI分析儀都是基于**的全數(shù)字中頻技術(shù)實現(xiàn)的，對頻譜分析的精度和速度都有很大改善，是EMC實驗室更好的選擇。

什么是EMI測試吞吐率

吞吐率是一種關(guān)于計算機(jī)或者數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（如網(wǎng)橋、路由器、網(wǎng)關(guān)或廣域網(wǎng)連接等）數(shù)據(jù)傳輸速率的測度，通常是對一個系統(tǒng)和它的部件處理傳輸數(shù)據(jù)請求能力的總體評價。由于EMI測試按照目的可以分為達(dá)標(biāo)測試和診斷測試，因此吞吐率在EMI測試中也有兩種含義：在達(dá)標(biāo)測試中，EMI測試吞吐率是指確定并且書面報告DUT通過所需EMI測試的速度；在診斷測試中，EMI測試吞吐率還要包括對于沒有通過所需EMI測試的DUT，診斷并且解決問題所花費的時間。對于電子產(chǎn)品來說，EMC測試已經(jīng)成為與安規(guī)測試同等重要的基礎(chǔ)測試，越來越多的EMC實驗室不僅從測試方法、測試精度上對自己的測試能力進(jìn)行改進(jìn)，而且也越來越關(guān)注測試吞吐率，10 m暗室雙天線法就是一個例子，這歸根結(jié)底還是與降低測試成本密不可分的。一個EMC測試實驗室的建設(shè)包括土建、暗室建設(shè)、設(shè)備購買以及系統(tǒng)集成等大量的成本投入，以美國為例，一個10 m暗室至少需要200萬美元的固定投入，因此如何提高固定資產(chǎn)利用率，加快實驗室建設(shè)成本的收回速度，成為每個EMC測試實驗室不得不關(guān)心的問題。對于電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家而言，如何盡快的利用測試設(shè)備找到產(chǎn)品的EMC問題并且加以有效整改，加快新產(chǎn)品上市時間，搶占更多的市場份額，也是他們所面對的重要問題。有哪些因素限制了EMC測試的吞吐率呢？眾所周知，EMC測試分為EMS和EMI兩大類，按照傳導(dǎo)路徑不同，EMI測試又進(jìn)而分為傳導(dǎo)發(fā)射（CE）和輻射發(fā)射（RE）兩部分，而輻射發(fā)射測試由于其系統(tǒng)復(fù)雜成為EMC測試中*耗時的部分，下圖是民標(biāo)輻射發(fā)射的測試系統(tǒng)示意圖。為了尋找DUT的*大輻射發(fā)射，測試過程中需要轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，升降天線，同時使用接收機(jī)或者頻譜儀進(jìn)行掃描，其中每一個模塊的動作都會影響測試速度。當(dāng)然，測試人員的能力與經(jīng)驗，對于EMI測試速度的改善也至關(guān)重要。

 圖1  民標(biāo)輻射發(fā)射測試系統(tǒng)示意圖

       從另外一個方面來看，輻射發(fā)射需要測試的物理量是場強(qiáng)，然而該待測物理量是DUT方位角、天線高度、頻率、時間等變量組成的多維函數(shù)，對于多個變量進(jìn)行遍歷測試花費的時間無疑是漫長的。以ITE設(shè)備為例（CISPR22），完成一個完整輻射發(fā)射達(dá)標(biāo)測試往往需要4、5個小時，如果需要診斷整改，需要的時間還要長的多。下面我們以輻射發(fā)射測試為例，簡要分析如何改善EMI測試吞吐率。

如何改善EMI測試吞吐率

 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試方法的要求以及多數(shù)主流EMC測試實驗室的測試流程，總結(jié)得到輻射發(fā)射測試典型的流程如下圖所示。

圖2 典型輻射發(fā)射測試流程

     在輻射發(fā)射測試開始前，首先需要明確DUT屬于哪種類型，需要遵從哪個EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，按照測試方法要求擺放好DUT，并準(zhǔn)備測試記錄文檔。對于大部分民標(biāo)來說，1GHz以下的極限線大多是準(zhǔn)峰值極限線，而準(zhǔn)峰值檢波器是速度很慢的一種檢波器，如果使用準(zhǔn)峰值檢波器從30 MHz掃描到1GHz，很可能要花上一兩天時間，那么既符合測試標(biāo)準(zhǔn)的要求又能加快測試吞吐率呢？根據(jù)檢波器工作原理，峰值檢波得到的干擾信號幅值一定大于等于準(zhǔn)峰值檢波器，即EMI Peak ≥ EMIQuasi-peak（當(dāng)干擾信號是窄帶時，兩個檢波器得到的幅值相等），而峰值檢波器的工作速度比準(zhǔn)峰值檢波器快的多，因此為了提高測試吞吐率，通常先用峰值檢波器進(jìn)行預(yù)掃描，然后將得到的干擾信號的幅值與準(zhǔn)峰值極限線進(jìn)行比對。如果某個頻點上干擾信號的峰值檢波值低于準(zhǔn)峰值極限值，那么該頻點上的干擾信號的準(zhǔn)峰值檢波值一定也低于準(zhǔn)峰值極限值，因此就不必在該頻點上再進(jìn)行準(zhǔn)峰值檢波了。然而，如果某些頻點上干擾信號的峰值檢波值超過了準(zhǔn)峰值極限值，那么這些頻點上的干擾信號就成為可疑干擾信號，需要篩選這些頻率點，進(jìn)一步使用準(zhǔn)峰值檢波器進(jìn)行測量，就進(jìn)入了下一個步驟，即空間*大化。在空間*大化步驟中，需要轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，調(diào)節(jié)天線架，使用準(zhǔn)峰值檢波器監(jiān)視可疑頻點上干擾信號幅值的變化，直到找到*大值。如果所有可疑信號的準(zhǔn)峰值檢波的*大值都低于準(zhǔn)峰值極限線，那么該DUT達(dá)標(biāo)測試通過，否則還需要進(jìn)行診斷整改 。實際上，70%的電子產(chǎn)品在**次進(jìn)行輻射發(fā)射測試時是無法通過標(biāo)準(zhǔn)要求的，因此診斷整改對于EMC測試實驗室來說也是非常重要的一個環(huán)節(jié)。診斷整改大多使用頻譜儀峰值檢波快速掃描進(jìn)行，這樣可以迅速發(fā)現(xiàn)整改措施對超標(biāo)頻率點以及其他頻段干擾信號發(fā)射強(qiáng)度的影響。診斷整改的時間比較長，在不順利的情況下，很可能需要花幾天才能解決發(fā)射超標(biāo)的問題。輻射發(fā)射測試流程*后兩個環(huán)節(jié)是審查和出報告。

頻譜儀對測試速度的影響

從整個測試流程來看，預(yù)掃描和診斷整改都大量使用頻譜儀峰值檢波進(jìn)行快速掃描，這兩個步驟占據(jù)了整個輻射發(fā)射測試總時間的60%強(qiáng)，因此選用一臺峰值檢波掃描快速準(zhǔn)確的頻譜儀對于改善EMI測試吞吐率很有幫助。下面就對帶有峰值檢波器的頻譜儀的測量速度進(jìn)一步進(jìn)行分析。

頻譜儀測量信號的一個周期可以大致分成三個階段，如圖所示。首先是掃描/測試階段，在這個階段，信號進(jìn)入頻譜儀，頻譜儀從起始頻率掃描到終止頻率對信號進(jìn)行測量；然后是數(shù)據(jù)處理階段，掃描/測試階段得到的數(shù)據(jù)在這個階段被表示成需要的數(shù)據(jù)格式，這個階段也包括頻譜儀內(nèi)部器件調(diào)諧，為下一次掃描/測試做好準(zhǔn)備，以及一些數(shù)據(jù)運(yùn)算的開銷；*后就是數(shù)據(jù)傳輸階段，即測量得到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口（LAN、GPIB、USB等）傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。對于本地測量，一個測量周期只有掃描/測試和數(shù)據(jù)處理階段，而對于遠(yuǎn)程測量，還要包括數(shù)據(jù)傳輸階段。其中，在每一個測量階段，頻譜儀都有很多設(shè)置幫助我們優(yōu)化測量速度，進(jìn)而改善EMI測試吞吐率。

圖3 頻譜儀測量信號的過程

頻譜儀的掃描/測試

在掃描/測試階段，頻譜儀的很多性能都會直接影響測試速度。以干擾信號的頻率讀出精度為例，當(dāng)使用安捷倫PSA高性能頻譜儀的Marker功能讀取干擾信號的頻率時，其讀出精度為±(markerfrequency×frequency reference accuracy +0.25%×span + 5%×RBW + 2 Hz + 0.5×horizontalresolution)，其中0.25%×span代表與掃寬設(shè)置有關(guān)的頻率精度。早期的頻譜儀性能有限，掃寬精度為2%左右，為了提高干擾信號的頻率讀出精度，需要將測試頻段劃分為很多個更窄的掃寬，例如10MHz，然后按照設(shè)置在每個窄掃寬內(nèi)進(jìn)行掃描，然后將掃描結(jié)果拼接起來構(gòu)成*終的測試結(jié)果。這種劃分窄掃寬的測試方法雖然提高了頻率精度，但是降低了測試速度，例如30 MHz ~ 1 GHz內(nèi)的輻射發(fā)射測試，如果以10MHz為單位劃分就有97個子掃寬，也就意味著頻譜儀需要做97次掃描才能得到測試結(jié)果。但是如果掃寬精度提高，那么就可以減小分段的個數(shù)，從而提高測試速度。例如使用掃寬精度為0.25%的安捷倫PSA頻譜儀，為了在相同的測試頻段得到相同的頻率精度，只需要做13次掃描就可以了，大大提高了測試速度。

   除了頻率讀出精度，頻譜儀的很多性能指標(biāo)都能影響EMI測試吞吐率，例如幅度精度、測量重復(fù)性與可靠性等等，如果這些性能指標(biāo)不好，用戶就需要反復(fù)測試以確保測試結(jié)果可信，降低了測試效率。

圖4 傳統(tǒng)模擬中頻頻譜儀結(jié)構(gòu)框圖

         另外一方面，頻譜儀結(jié)構(gòu)的**也從很多方面改善了測試速度。與傳統(tǒng)頻譜儀結(jié)構(gòu)（如圖所示）不同，安捷倫PSA高性能頻譜儀**地使用了業(yè)界**的全數(shù)字中頻技術(shù)，其原理框圖如圖所示。射頻信號經(jīng)過混頻器進(jìn)入中頻，經(jīng)過自動幅度調(diào)整和高頻抖動兩個信號調(diào)理模塊直接被ADC量化為數(shù)字信號，傳統(tǒng)頻譜儀的各個模擬中頻信號處理模塊，例如RBW濾波器、中頻放大器、對數(shù)放大器、包絡(luò)檢波器、VBW濾波器等，都直接采用數(shù)字ASIC芯片實現(xiàn)，這樣的實現(xiàn)方式極大改善了幅度精度（PSA在3GHz以下的典型幅度精度高達(dá)0.19dB），也間接地改善了頻譜儀的測試速度。

圖5 PSA全數(shù)字中頻原理框圖

         首先是可設(shè)置的RBW帶寬個數(shù)大大增多。RBW帶寬是頻譜儀中很重要的一個測試參數(shù)，它直接影響到頻譜儀的靈敏度、分辨信號能力和掃描速度。傳統(tǒng)頻譜儀的掃描時間與RBW帶寬設(shè)置存在如下關(guān)系，掃描時間 =k×掃寬/(RBW帶寬)²，人為減小掃描時間很可能使RBW濾波器對信號沒有充分響應(yīng)，造成測得的頻率和幅度漂移，如圖所示。實際測試中，特別是診斷測試中，往往需要靈活設(shè)置RBW帶寬折衷掃描速度與靈敏度、分辨信號能力。傳統(tǒng)模擬中頻的頻譜儀，由于每個RBW帶寬都與一個模擬RBW濾波器對應(yīng)，改變RBW帶寬實際上是在模擬帶通濾波器之間進(jìn)行切換，因此可設(shè)置的RBW帶寬通常會受到模擬帶通濾波器個數(shù)的限制，一般遵從1-3-10步進(jìn)的規(guī)則，從1Hz到8 MHz只有15個RBW帶寬可以設(shè)置。在使用了全數(shù)字中頻之后，PSA中的RBW濾波器全部使用數(shù)字ASIC芯片實現(xiàn)，除了精度得到提高以外，可設(shè)置的RBW帶寬也不再受模擬濾波器個數(shù)的限制，PSA的RBW帶寬遵從10%的步進(jìn)規(guī)則，從1 Hz到8 MHz有多達(dá)160個RBW帶寬可供選擇，這就極大地方便了診斷測試的靈活性，可以保證在足夠的靈敏度和分辨信號能力的基礎(chǔ)上盡可能縮短掃描時間，提高EMI診斷測試的吞吐率。

圖6 掃描過快導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)

 其次是RBW濾波器的選擇性被大大改善了。安捷倫的頻譜儀使用形狀因子，即濾波器-60 dB帶寬與-3dB帶寬之比，來衡量RBW濾波器的選擇性，這一指標(biāo)在頻譜儀指標(biāo)手冊里都有描述，顯然形狀因子小的RBW濾波器分辨信號的能力更強(qiáng)。對于傳統(tǒng)模擬中頻頻譜儀，由于受模擬濾波器實現(xiàn)的限制，通常形狀因子為12:1，其濾波器形狀如圖中黑色曲線。使用全數(shù)字中頻的PSA，其RBW濾波器的形狀因子為4.1:1，其濾波器形狀如圖中藍(lán)色曲線。假設(shè)有兩個頻率間隔很小的干擾信號，它們幅度差別較大，如果使用數(shù)字RBW濾波器，則既可以測量到較大的干擾信號，也可以分辨較小的干擾信號。如果使用模擬RBW濾波器，由于其形狀因子較大，在大干擾信號激勵下形成的濾波器裙帶就把小干擾信號湮沒了，這時只能通過減小RBW帶寬來試圖分辨小干擾信號，而減小RBW帶寬會使得頻譜儀的掃描時間成平方關(guān)系變長，測試速度大大變慢。

圖7 RBW率濾波器的形狀因子

         *后，全數(shù)字中頻技術(shù)作為一個顛覆性的技術(shù)，使得全數(shù)字中頻頻譜儀在相同的設(shè)置下的測試速度比模擬中頻頻譜儀要快的多。下圖是安捷倫傳統(tǒng)模擬中頻8563E頻譜儀與全數(shù)字中頻PSA頻譜儀的測量比較圖，可以看到在相同設(shè)置下，PSA的測試時間只有8563E的一半。

圖8 傳統(tǒng)模擬中頻與數(shù)字中頻掃描時間對比

頻譜儀的數(shù)據(jù)處理

         數(shù)據(jù)處理階段對EMI測試吞吐率的影響不是很大，主要有兩個因素會略微影響到測試速度。首先是掃描數(shù)據(jù)點數(shù)的設(shè)置，在掃寬、RBW、VBW設(shè)置完全相同的情況下，增加數(shù)據(jù)點數(shù)會增加數(shù)據(jù)處理開銷，輕微地降低了測試速度，但這相對于頻率分辨率增加來說是完全可以忽略的。其次，在遠(yuǎn)程測量的情況下選用不同的數(shù)據(jù)格式也會影響數(shù)據(jù)處理開銷，下圖是PSA在8192個掃描數(shù)據(jù)點的情況下使用REAL,64、REAL,32、INT,32三種不同的數(shù)據(jù)格式傳輸數(shù)據(jù)所需要的時間對比，橫坐標(biāo)是對數(shù)坐標(biāo)。從圖中可以看到，由于REAL,64使用64位來表示一個數(shù)據(jù)點，因此顯然傳輸時間長一些，但在都使用32位表示一個數(shù)據(jù)點的情況下，REAL,32還是要比INT,32快一些，這是為什么呢？原來PSA內(nèi)部表示測量數(shù)據(jù)的原始格式是REAL,32，如果選用了INT,32，那么PSA在數(shù)據(jù)處理階段需要花費額外的數(shù)據(jù)處理開銷將REAL,32轉(zhuǎn)換成INT,32再進(jìn)行傳輸，圖中REAL,32與INT,32兩種格式傳輸時間的差別就來自這一處理開銷。因此我們在開發(fā)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程測試的時候，需要查閱頻譜儀的說明手冊，選用*原始的數(shù)據(jù)格式可以幫助縮短總的測試時間，實現(xiàn)一款高效的自動測試軟件。

圖9 數(shù)據(jù)處理開銷對測試時間的影響

頻譜儀的數(shù)據(jù)傳輸

         在數(shù)據(jù)傳輸階段，其傳輸速度取決于需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量與傳輸所用的數(shù)據(jù)接口，下圖是PSA使用不同的掃描點數(shù)以及不同的數(shù)據(jù)接口所需要的數(shù)據(jù)傳輸時間。從圖中可以看到，掃描點數(shù)越少傳輸時間越短，數(shù)據(jù)接口速度越快傳輸時間越短。PSA后面板提供了GPIB、LAN、USB2.0三種數(shù)據(jù)接口，其中USB2.0數(shù)據(jù)接口可以大大縮短數(shù)據(jù)傳輸時間，當(dāng)數(shù)據(jù)量巨大的時候，它對遠(yuǎn)程測試速度的改善是顯著的。

圖10 頻譜儀數(shù)據(jù)接口對測量時間的影響

         由上面的討論可知，頻譜儀各方面的功能和性能都會影響EMI測試吞吐率，特別是頻譜儀的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)可以在保證測試精度的同時縮短掃描/測試時間，加快預(yù)掃描與診斷測試階段的測試速度，進(jìn)而改善整個EMI測試的吞吐率。

安捷倫*新EMI接收機(jī)/分析儀

         安捷倫基于PSA的全兼容EMI接收機(jī)（圖），繼承了PSA全數(shù)字中頻的諸多優(yōu)點，在給用戶提供滿足CISPR16-1-1規(guī)范的認(rèn)證級接收機(jī)的同時，也捆綁了PSA強(qiáng)大的頻譜分析功能，使用戶在EMI測試流程各個階段都能有一款得心應(yīng)手的測試工具，改善測試效率，加快EMI測試的吞吐率。

圖11  安捷倫全兼容PSA-EMI接收機(jī)

         除了全兼容PSA-EMI接收機(jī)之外，安捷倫*近也在*新全數(shù)字中頻MXA/EXA信號分析儀上推出了預(yù)兼容EMI測試選件，提供了軍標(biāo)民標(biāo)EMI帶寬、*新CISPR 16-1-1(2007)的兼容檢波器、單點測量、極限線、幅度校正因子、Tune &Listen以及40001個掃描點數(shù)等功能，為EMI診斷測試或者預(yù)兼容測試提供了一個更好的選擇，圖是該預(yù)兼容EMI分析儀的照片。

圖12 安捷倫*新預(yù)兼容EMI分析儀