預(yù)測(cè)試中的噪聲抑制與消除技術(shù)
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事實(shí)上對(duì)如何消除和避免環(huán)境(背景)中的噪聲對(duì)測(cè)試的影響這個(gè)問(wèn)題的爭(zhēng)論由來(lái)已久，但到目前為止?fàn)幷摰碾p方都沒(méi)有確鑿的證據(jù)可以充分說(shuō)明其正確性，本文將通過(guò)一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明如何解決這一困擾人們很久的問(wèn)題，而且是非常清楚和徹底的。噪聲消除技術(shù)大多在下面兩種情況中使用，即檢定和測(cè)量。這里所說(shuō)的檢定技術(shù)是指在高水平噪聲的環(huán)境中對(duì)被測(cè)物的輻射進(jìn)行定位，眾所周知，如果不采取一些環(huán)境噪聲抑制技術(shù)，定位被測(cè)物的輻射是非常不準(zhǔn)確的。測(cè)量技術(shù)中的噪聲抑制要比檢定中的要求要高，因?yàn)闇y(cè)量的目的就是要獲得被測(cè)物準(zhǔn)確的輻射水平。本文將以測(cè)量技術(shù)中的噪聲抑制為核心，對(duì)噪聲抑制的各種嚴(yán)格的要求進(jìn)行說(shuō)明，以求達(dá)到合理抑制噪聲的目的。
EMC測(cè)試設(shè)備制造公司所提供的儀器設(shè)備中一般采用了兩種背景噪聲抑制和消除技術(shù)，第一種方法是首先測(cè)量背景噪聲，之后讓被測(cè)物(EUT)開(kāi)機(jī)并進(jìn)行第二次測(cè)量，然后在軟件中用第二次測(cè)量的結(jié)果減去第一次測(cè)量的結(jié)果以剔除背景噪聲(即差分技術(shù))；第二種方法是使用雙通道分析儀，可采用兩種方案，其一是采用近場(chǎng)探頭進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)利用遠(yuǎn)場(chǎng)天線的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)近場(chǎng)探頭的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并假定任何有意義的輻射都能在EUT的近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)出來(lái)，而且近場(chǎng)探頭是對(duì)環(huán)境噪聲是不敏感的。其二是同時(shí)使用兩個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)天線，并將其中一個(gè)放置在距測(cè)試單元有意義的距離內(nèi)，最終采用差分技術(shù)提取EUT的輻射。
上述兩種方法可以說(shuō)各有千秋，但沒(méi)有誰(shuí)是完美的！比如方法一會(huì)因?yàn)楸尘霸肼暿怯縿?dòng)的而遇到很大的麻煩(事實(shí)上在很多頻段內(nèi)噪聲都是涌動(dòng)的)，但這種方法的潛在優(yōu)點(diǎn)是任何標(biāo)準(zhǔn)的EMC接收機(jī)或分析儀都可以采用；而與此相對(duì)方法二中的兩個(gè)方案都需要使用特殊的雙通道EMC分析儀，而且方案1中有一個(gè)明顯的問(wèn)題就是假定近場(chǎng)探頭對(duì)背景噪聲是不敏感的，事實(shí)上非常強(qiáng)的環(huán)境噪聲會(huì)通過(guò)與EUT相連的纜線感應(yīng)出來(lái)，其效果就好象是有一個(gè)近場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生了輻射。最主要的是方法一和方法二中的第二個(gè)方案都采用了差分技術(shù)，運(yùn)用是否合理是這兩種方法的關(guān)鍵，而且也是本文的主題。
采用多種差分方法計(jì)算處于噪聲環(huán)境中的EUT的輻射水平，其可信度或者說(shuō)有效性是以假定同時(shí)存在兩個(gè)或多個(gè)輻射源的情況下場(chǎng)強(qiáng)會(huì)增加為前提的。這看起來(lái)是顯而易見(jiàn)的，而且是在開(kāi)闊場(chǎng)(OATS)測(cè)試中證明過(guò)的。眾所周知，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境中直接入射的信號(hào)與經(jīng)地平面反射的信號(hào)相疊加，會(huì)使得場(chǎng)強(qiáng)增加約6dB，如果是在線性坐標(biāo)中，這意味著增大了一倍。當(dāng)然此時(shí)輻射源的強(qiáng)度是基本差不多的，而且這些輻射源是嚴(yán)格關(guān)聯(lián)應(yīng)該并且是同相，如果改變這種相位關(guān)系(比如改變天線的高度)效果就完全不一樣了，所以說(shuō)相位問(wèn)題很重要，具體說(shuō)對(duì)EUT的輻射和環(huán)境噪聲信號(hào)的測(cè)量有什么影響？下面通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究。
實(shí)驗(yàn)：
在本實(shí)驗(yàn)中我們創(chuàng)建了一個(gè)已知的背景噪聲和一個(gè)已知的EUT信號(hào)，研究?jī)烧咄瑫r(shí)存在的情況下利用一臺(tái)EMC分析儀對(duì)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量的影響。在創(chuàng)建信號(hào)時(shí)考慮了信號(hào)類型，包括窄帶和(或)寬帶信號(hào)，這兩種類型的信號(hào)是非常常見(jiàn)的，無(wú)論是在EUT還是在環(huán)境中都存在。我們不應(yīng)該假定任何一種消除技術(shù)都會(huì)對(duì)這兩種信號(hào)的組合取得很好(或很差)的處理效果。
表1中列出了可能的組合模式和相應(yīng)的特點(diǎn)
| 可能的組合模式 | 背景噪聲中的窄帶信號(hào) | 背景噪聲中的寬帶信號(hào) |
| EUT中的窄帶信號(hào) | 如果頻率間隔小于接收機(jī)的分辨率帶寬，峰值將會(huì)合并 (峰值包絡(luò))，此時(shí)信號(hào)的相位問(wèn)題會(huì)使得復(fù)雜程度增加，相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較復(fù)雜的 | |
| EUT中的寬帶信號(hào) | 根據(jù)定義，寬帶的輻射相對(duì)說(shuō)具有較為平坦的特性，因此寬帶的輻射在存在窄帶噪聲的情況下也能很清楚的觀察到 | 這也是一種比較復(fù)雜的情況 |
從中我們不難發(fā)現(xiàn)任何消除技術(shù)所面臨的最嚴(yán)酷的挑戰(zhàn)是出現(xiàn)EUT的信號(hào)與環(huán)境噪聲信號(hào)都屬同一類型的情況，因此，我們的實(shí)驗(yàn)將對(duì)這兩種情況進(jìn)行研究。
窄帶實(shí)驗(yàn)
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中將使用兩臺(tái)Laplace Instrumen Ltd公司的輻射參考源(ERS)，用其中一臺(tái)來(lái)仿真背景(環(huán)境)場(chǎng)，另外一臺(tái)來(lái)仿真EUT。 Laplace Instrumen Ltd公司的輻射參考源(ERS)是非常通用的儀器，尤其可以產(chǎn)生具有連續(xù)(時(shí)域)輻射輸出的窄帶輻射源，它們可以產(chǎn)生間隔為2MHz的輻射信號(hào)，而且使用兩臺(tái)儀器時(shí)頻率的一致性非常好，可以達(dá)到40ppm，保證是在分析儀的分辨率帶寬內(nèi)，因此幾乎完全再現(xiàn)了前面提到的第一種復(fù)雜情況，良好的頻率一致性杜絕了利用頻率分辨技術(shù)來(lái)分離信號(hào)的可能性，也不可能采用平均值技術(shù)。兩臺(tái)ERS實(shí)際產(chǎn)生的輻射水平非常近似，但它們放置在測(cè)試單元(實(shí)驗(yàn)室)中不同的位置上，因此測(cè)量天線所接收到的信號(hào)是不同的，這是因?yàn)樵跍y(cè)試單元中不同位置的衰減是不一樣的。我們使用的頻率范圍是350-450MHz，之所以選擇這個(gè)頻段是因?yàn)樵谶@個(gè)范圍內(nèi)背景信號(hào)相對(duì)要干凈一些。先對(duì)每臺(tái)ERS進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果(通過(guò)測(cè)量天線)數(shù)值較低的一個(gè)用來(lái)代表EUT，我們稱其為設(shè)備A，用另外一臺(tái)ERS(設(shè)備B)來(lái)代表環(huán)境，之后用下面一系列的實(shí)驗(yàn)來(lái)仿真真實(shí)的EMC測(cè)試。
寬帶實(shí)驗(yàn)
在本次試驗(yàn)中將重復(fù)窄帶實(shí)驗(yàn)中的相應(yīng)步驟，但使用的是兩個(gè)寬帶的輻射源即York Electromagnetics公司的 CNE(對(duì)照噪聲發(fā)射器)。它們能產(chǎn)生相對(duì)平坦的輸出頻譜是具有較寬帶寬的脈動(dòng)噪聲源。每個(gè)輻射噪聲源射也是先進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)量，然后先打開(kāi)其中一個(gè)設(shè)備，再將兩個(gè)設(shè)備同時(shí)打開(kāi)，分別進(jìn)行測(cè)試。差分軌跡當(dāng)中包含了一系列的達(dá)到了負(fù)無(wú)窮的間隔漂移，看起來(lái)像是要對(duì)零取對(duì)數(shù)！導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是在某些頻點(diǎn)上環(huán)境噪聲與環(huán)境噪聲加EUT相比幾乎一樣，甚至還要小。
使用準(zhǔn)峰值和平均值檢波器也不能取得明顯的改進(jìn)。為嘗試解決為什么真實(shí)信號(hào)和經(jīng)過(guò)處理計(jì)算的信號(hào)有如此大的差異，在時(shí)域里我們將利用接收天線對(duì)EUT信號(hào)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。
很明顯的可以發(fā)現(xiàn)，這些源具有強(qiáng)烈的脈動(dòng)特性。通過(guò)付利葉分析我們發(fā)現(xiàn)，在頻域具有一個(gè)很平坦的頻譜，因此在時(shí)域里一定具有瞬變的特性，所以信號(hào)在實(shí)際中是完全隨機(jī)的，同我們想象中的噪音源一樣。
從中可以看到脈動(dòng)頻率增加了一倍，但峰值幅度沒(méi)有受到影響，所以利用峰值檢波器對(duì)于如此強(qiáng)的源也會(huì)保持原來(lái)的峰值，即不會(huì)受任何具有較低水平脈動(dòng)峰值的影響，這是假定兩個(gè)源的頻譜帶寬是相重疊的,如果不是這樣要想鑒別EUT的輻射是很容易的事情。對(duì)每個(gè)波形中信號(hào)水平的計(jì)算是通過(guò)將每一幀中的所有DSO采樣數(shù)據(jù)的絕對(duì)值相加得到的。
只考慮環(huán)境噪聲為0.3696V
源一為3.7744V
源二為3.6467V
兩源同時(shí)為5.1472V
這說(shuō)明在時(shí)域里信號(hào)確實(shí)得到了預(yù)期的增加。最初我們可能會(huì)想利用平均值或準(zhǔn)峰值應(yīng)該可以改進(jìn)差分技術(shù)的性能，事實(shí)上不是如此，如果我們仔細(xì)的考查一下CISPR16中對(duì)平均值和檢波器的定義我們就知道原因了。這些檢波器的輸出是嚴(yán)格的相關(guān)于輸入脈沖信號(hào)的重復(fù)頻率的，檢波器的時(shí)間常數(shù)是對(duì)應(yīng)于重復(fù)頻率為10KHz以上，此時(shí)檢波器的輸出相對(duì)于一個(gè)峰值檢波器。換句話說(shuō)，一旦超過(guò)10KHz繼續(xù)增加重復(fù)頻率將不會(huì)有任何作用。對(duì)波形的研究表明有意義的那些脈動(dòng)信號(hào)發(fā)生在中等間隔，約為300鈉秒，相當(dāng)于重復(fù)頻率3.3MHz，大大超過(guò)了10KHz。顯然通過(guò)上述分析說(shuō)明了我們使用的噪聲源的真實(shí)性，其他具有不同特性的噪聲源可能就不是這樣。比如真實(shí)情況中的一些噪聲源是由主頻開(kāi)關(guān)器件(如相角控制器)產(chǎn)生的，它們具有的脈動(dòng)信號(hào)的重復(fù)頻率約為100或120Hz，引入第二個(gè)源將會(huì)使得這個(gè)重復(fù)頻率增大一倍，此而導(dǎo)致QP電平增大3dB，平均值電平約增加6dB，理論上說(shuō)雖然也能使用差分技術(shù)，但是系數(shù)如相對(duì)時(shí)間(相對(duì)的相角)和占空比會(huì)影響最終的結(jié)果。
綜上所述，我們的實(shí)驗(yàn)展示的是真實(shí)世界的情況，就是背景噪聲和EUT輻射都是寬帶的，并具有重疊的頻譜，噪聲源的特性也是未知的(這是絕對(duì)真實(shí)的背景情況)，如有可能就不應(yīng)用任何差分技術(shù)。在實(shí)際當(dāng)中，不管怎么說(shuō)通過(guò)采用改進(jìn)了的差分技術(shù)可以被成功的用來(lái)檢測(cè)EUT中常見(jiàn)的寬帶輻射，即使是在背景噪聲輻射很高的情況下，在這個(gè)過(guò)程中包含了利用峰值檢波器進(jìn)行平均值掃描的技術(shù)。
* 在EUT關(guān)機(jī)情況下，利用分析儀進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)多次掃描計(jì)算每個(gè)頻率點(diǎn)的平均電平。
* 當(dāng)獲得結(jié)果以后就中止掃描，將獲得的數(shù)據(jù)作為背景。
* 將EUT開(kāi)機(jī)后，重復(fù)平均值掃描過(guò)程直到獲得掃描結(jié)果。
* 從兩個(gè)結(jié)果中獲取差值。
盡管進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)，我們不推薦使用這種方法。但在預(yù)檢測(cè)中采用這種技術(shù)，仍可以非常好的對(duì)EUT的輻射進(jìn)行評(píng)估。
小結(jié)：
即使是噪聲和EUT輻射源具有不同的信號(hào)類型(窄帶和寬帶)，通過(guò)采用不同的措施，進(jìn)行EUT的測(cè)量是有可能的。在窄帶/窄帶的情況下差分技術(shù)可以使用，可以使噪聲穩(wěn)定，即使是對(duì)于不穩(wěn)定的噪聲信號(hào)采用一些額外的技術(shù)也被證明是非常有效的。當(dāng)環(huán)境噪聲和EUT輻射都是寬帶的時(shí)候，測(cè)量變得不可靠了，即使是在提供了EUT大致輻射水平的情況下，采用差分技術(shù)也會(huì)不準(zhǔn)確。不管怎么樣，在實(shí)驗(yàn)中所使用的輻射源的特性可能不是真實(shí)世界中典型的情況。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了，即使是在很惡劣的情況下，差分技術(shù)可以為預(yù)測(cè)EUT的輻射提供有用的指導(dǎo)。這利里所說(shuō)的惡劣情況是指那些常引起寬帶輻射具有很低重復(fù)頻率的噪聲。
評(píng)論