診斷電磁干擾　即時頻譜分析當利器

從第一個無線傳輸開始，電磁干擾(EMI)一直是令設計工程師頭痛的問題。最早期的間歇性火花傳送器(Spark-gap Transmitters)沒有頻譜控制設備，周遭若出現兩部發送器，會造成接收器中的干擾。這些早期的傳輸方式是「一對一」，因為單部發送器是與單部接收器通訊，而資訊為數位格式，也就是使用開關鍵移(OOK)的摩斯電碼。  

隨著越來越多公司進入無線通訊的領域，這些競爭者彼此協商，達成對使用頻帶的規範，由此產生更具效率的調變技術、頻率配置及選擇性更理想的接收器。  

由於電子產品的進步，音訊與視訊可以類比形式傳送，傳輸成為一對多的廣播，因此產生了劃分廣播頻帶，供有授權業者獨家使用的需求，以及對可能會干擾這些傳輸的裝置加以規範的需求。  

現在情況整個重來！傳輸的本質再次變成數位，且可能必須因應自身的干擾。例如，在未經授權工業、科學與醫療(ISM)頻帶包括藍牙(Bluetooth)、無線區域網路(WLAN)中的超寬頻(UWB)系統與許多激增的系統。  

在授權的頻帶中，蜂巢、廣播和其他系統創造出複雜、動態的頻譜環境。同時，如電腦、電子和電機的系統也廣受歡迎，提高了出現干擾的可能性。  

規範機構對EMI干擾程度施加限制，並定義相容性測試的量測方法。這些方法已存在數十年，最初制定時，是為了滿足當時音訊、視訊與測試方法的類比廣播需求。  

例如，CISPR平均方法和準峰值(Quasi-Peak)偵測器。這些量測技術，旨在分別達成人類耳朵和眼睛可接受的音訊與視訊干擾程度。隨著數位調變資料傳輸與超寬頻傳輸方法的出現，加上未預期輻射器增加的頻率(以高速數位時脈的形式)，EMI相容性的現有標準，並未完全解決今日出現的所有干擾類型，以及這些干擾對通訊系統的影響。例如，不常出現的短時間干擾，瞬時振幅相對較高，但若不常發生，仍符合相容規範。此種脈衝對廣播類比無線電傳輸的影響甚微，但可能造成數位系統整個資料封包遺失，或阻塞鄰近的雷達系統。  

在所有的消費性電子產品與通訊中，罕見的高頻短資料組干擾變得更為常見。例如，電腦中使用的模式相依展頻時脈，以及許多嵌入式系統設計中定期進行多雜訊硬碟存取週期的硬碟機。  

在無線通訊的範圍中，越來越常以採用封包的捷頻模式，結合這些精密的數位裝置。例如筆記型電腦或智慧型手機(圖1)，在精密的數位電腦或手機中，包含所有必需的高速數位系統，並結合隨處連線必需的無線發送器與接收器。這些未預期輻射源加上敏感接收器的鄰近範圍，充滿了干擾的機會，如圖1的未預期輻射源與接收器頻帶表所示。  

測試設備隨著通訊系統干擾的性質變化而改變。先前使用類比電路建置的功能，現在可以數位方式實作，量測速度更高，可更快速取得結果。太克科技(Tektronix)即時頻譜分析儀可立即檢視廣泛的頻譜，而不會遺失頻帶中的資訊，因此可找出、擷取與量測暫態峰值，這對舊技術而言極為困難。  

釐清診斷/預相容性/相容性  

在電磁相容性(EMC)領域中，不同的設計與驗證階段使用不同的設備和技術。在開發的早期，結合EMC設計技術與診斷，創造出低EMI特徵，以及對外部與內部干擾的低敏感性。  

具適當濾波器與偵測器的通用型頻譜分析儀，常用來判定EMC設計最佳化的效果。探測常使用電場(E-field)和磁場(H-field)探棒，直接在電路板上完成，以判定設計最佳化的效果與屏蔽有效性。  

當然，診斷不只限於確保良好的EMC效能；系統整合常須要進行大量的診斷與疑難排除，以確保所有的射頻(RF)子系統，運作表現都符合所要求的水準，而不會受到整合系統其他元件的拖累。  

系統整合後會進行預相容性測試，以找出設計中的任何問題區塊。預相容性測試毋須符合國際標準，目標是找出潛在的問題，並減少相容性測試階段的失敗風險。  

若測試結果有足夠的容許範圍，所使用的設備可以是不符標準、具較低的準確度和動態範圍。預先相容性測試可在認證實驗室中，使用快速量測技巧進行，「快速檢視」問題區域，也可由工程人員在臨時的場站進行。  

在預先驗證中，常採用包含適當濾波器與偵測器的通用型頻譜分析儀，因為這種分析儀是快速量測的工具，常用於設計流程中，毋需額外的購置費用。若此階段發現問題，則須要進一步的診斷與設計修改。  

RSA6100A上提供的功能，可進行除了診斷外的某些預相容性量測。圖2顯示預相容性掃描範例，結合CISPR QP偵測軌跡與天線校正表和寄生搜尋功能。此處的軌跡為「環境掃描」，檢視無待測裝置時出現的背景訊號。  

相容性測試須要符合國際標準的方法、設備與量測站台。生產裝置前的設計驗證階段，常會進行相容性測試。相容性測試既詳盡又費時，在這個產品開發階段若未能符合EMC，會造成重新設計的昂貴代價，並延遲產品上市的時間。  

使用濾波器、偵測器與平均結果  

接收器與頻譜分析儀可建置接收器頻寬、訊號偵測方法和平均結果的方法，以進行訊號強度量測。  

在許多的商業EMI量測中，這些量測元件由國際電波干擾特別委員會(CISPR)定義，這個委員會是技術組織，隸屬於國際電工委員會(International Electrotechnical Commission)國際標準機構。其他如日本TELEC的標準與認證機構，也有對於量測方法與認證技術的要求。在美國，國防部針對軍用設備規範特殊要求制定MIL-STD 461E。  

量測的頻寬，由接收器頻寬波形形狀決定。或者，使用頻譜分析儀時，則由解析度頻寬(RBW)濾波器決定。所使用的頻寬在頻譜內會有察覺的威脅，而且頻寬隨接收頻率變化。本應用摘要說明了CISPR與MIL-STD濾波器的波形形狀。  

使用偵測器來計算代表某個時點訊號的單點。偵測方法可計算正或負峰值、RMS或電壓平均值，或是許多EMI量測中的準峰值(QP)。本應用摘要詳細說明何謂QP偵測。  

平均方法會隨著時間套用於偵測到的訊號。CISPR標準定義的平均法，旨在重現指定響應時間內使用電壓計讀取訊號值的影響。也可對偵測到的輸出，套用指定頻寬的「視訊濾波器」，以進行平均。TELEC標準指定EMI測試適用的視訊濾波。本應用摘要同時說明了CISPR平均法與視訊濾波器。  

解讀濾波器定義  

接收器或頻譜分析儀量測到的任何非連續訊號，將取決於所使用的量測頻寬。為達成穩定一致的結果，管理機構已定義相容性量測中所使用濾波器的頻寬與波形形狀。在CISPR的情況中，峰值、RMS與平均值偵測器的頻寬如表1的定義，CISPR16-1-1 ANSI中也定義了濾波器的波形形狀，CISPR和MIL-STD 461E濾波器定義為-6分貝頻寬，頻譜分析儀解析度的頻寬傳統上則指定為-3分貝。  

頻譜分析儀的解析度頻寬，過去定義為相同振幅的CW訊號間，產生頻譜顯示中可見「波谷」所需的間隔，因此指定了3分貝頻寬。設計用於EMI應用的頻譜分析儀，將具備-6分貝濾波器定義做為使用者選擇的設定(圖3)。  

相對於-6分貝定義，使用-3分貝濾波器定義的效果重大。對於RTSA所使用、接近Gaussian波形的濾波器(形狀因數4.1:1)，在-3分貝點進行量測時，以-6分貝指定的100kHz濾波器的頻寬僅71kHz。所量測的隨機雜訊功率差異將為10×log10(71/100)，和以-3分貝指定的傳統100kHz濾波器相較，則約為-1.49分貝(圖4)。使用具-3分貝RBW規格的頻譜分析儀，和EMI指定的濾波器相較，在相同的RBW值下，將產生較高的隨機與脈衝雜訊量測。  

美國國家標準協會(ANSI)與MILSTD 461E也已定義其量測的濾波器頻寬。如表2和3所示，選擇的頻寬會隨量測頻率改變。  

使用準峰值偵測器  

許多的EMI量測雖然可使用簡易的峰值偵測器進行，不過EMI量測標準已定義特殊的偵測方法--使用準峰值(QP)偵測器。QP偵測器可用來偵測訊號包絡的加權峰值(準峰值)。這部裝置會視訊號持續時間與重複率將訊號加權，具備快速攻擊、慢衰減反應，並包含代表臨界阻尼儀表的時間常數(如表4定義)。和不常出現脈衝相較，更常發生的訊號將產生更高的QP量測。而準峰值偵測器傳統上使用圖5中所示的類比設計建置。  

在圖5中，只要Sin高於S1，訊號Sin的包絡就會透過電阻器R1將電容器C充電。若輸入訊號Sin低於S1，電阻R2會將電壓S1放電。  

為有助於將準峰值偵測器與相關儀表組合的響應，以視覺方式呈現，圖6隔離了輸入響應(重複脈衝，以A表示)、產生的準峰值偵測器響應，以B表示快速攻擊、慢衰減特性，並以C表示偵測器與儀表的合併響應。  

對於使用QP偵測器持續顯示接收器狀態，圖7顯示CISPR 16-1-1標準說明的振幅與重複頻率關係。  

圖8為峰值與QP偵測範例。此處，峰值與QP偵測同時顯示了具8微秒(μs)脈衝寬度與10毫秒(ms)重複率的訊號。產生的準峰值比峰值低10.1分貝。  

量測待測裝置的EMI時，常會先量測峰值，以找出超過或接近指定限值的區域。然後，只針對接近或超過限值的準峰值量測(本質上緩慢)進行量測。常使用具標準峰值偵測器的頻譜分析儀，對所有問題區域進行快速評估。  

採用平均與視訊濾波器  

除了QP偵測外，即時頻譜分析儀也支援CISPR規格中定義的峰值與平均值偵測器。峰值偵測器會偵測訊號包絡的峰值。平均值偵測器會計算包絡的平均值。  

RTSA可對同一個輸入訊號，同時量測QP、峰值與平均值，並對待測裝置的訊號性質，提供獨特的深入解析。  

某些EMI量測指定視訊濾波器，這是頻譜分析儀中當初所採用的原始方法，用來降低量測中雜訊變化的影響。所提到的視訊濾波器源自原始實作，低通濾波器則置於頻譜分析儀CRT偵測到的輸出與Y軸類比驅動輸入之間。RTSA和一些現代的頻譜分析儀則使用數位技術，達成對訊號的雜訊平滑功能。  

在大部分的EMI量測中，視訊濾波器會設定為關閉，或設定為比量測中的指定RBW至少大上三倍(表5)。  

將視訊濾波器設定為關閉(或至少大於等於三倍RBW)的目的，是為了消除視訊濾波器對偵測到訊號的影響。圖8顯示視訊頻寬(VBW)相較於RBW呈比率變化時的效果。當VBW大於或等於3×RBW或等於10×RBW(或停用)時，雜訊標準差維持在5.4分貝。當VBW=RBW(如TELEC規格某些章節所指定)，雜訊變化減少為約4.7分貝。  

EMI濾波器/偵測器與平均功能的數位實作  

對於採用離散頻率變化(DFT)技術的頻譜分析儀，可以數位方式對各擷取資料套用視窗功能進行濾波。擷取尺寸由所需濾波器的頻寬決定。在相同的取樣頻率下，若要達成更小的濾波器頻寬，則需要更多樣本。  

RTSA上使用Kaiser視窗來模擬EMI濾波器。視窗功能頻率響應的振幅，決定IF濾波器的波形形狀，且必須符合CISPR 16-1-1中定義的通帶選擇性限制。  

在RTSA中，使用數位濾波器來建置準峰值偵測器。無限脈衝響應(IIR)濾波器等數位濾波器，可用來模擬傳統EMI接收器使用的RC充電與放電電路。臨界阻尼儀表也可使用二階數位IIR濾波器製作模型。儀表上的最大顯示值，會做為準峰值偵測器的值。  

RTSA上使用平均技術來建置視訊濾波器。所使用的平均值數目，取決於量測時選擇的視訊頻寬與使用的RBW。使用VBW時，產生的量測分析長度將取決於所選擇的VBW，若使用無視訊頻寬的RBW，長度將會較長。RTSA會選擇平均值的數目，達成圖9所示雜訊變化對VBW/RBW曲線的良好關係。  

接收器/RTSA處理大範圍資訊  

QP的量測速度與平均值，一直是量測接收器與頻譜分析儀的挑戰。QP偵測器和儀表的長響應時間，使其無法一次掃描廣泛的頻率。為了克服這項問題，可使用峰值偵測器進行量測，快速找出待測裝置EMI的最高峰值。接著再使用單頻率量測，利用QP偵測，對所有問題區重複進行量測。  

近來已可使用接收器和RTSA，以遠比單頻率量測技術快上許多的速度，處理含括大範圍的資訊，進行QP偵測與平均。這項計算頻距中所有頻率點的方法，帶來了重大的速度優勢，和掃頻技術相較的一項優勢，則是可以更高的擷取機率，檢視頻帶中的暫態訊號。這在今日的設計環境中特別重要，因為訊號隨著時間變化移動，單頻量測無法呈現這些動態變化的訊號。  

疑難排解現今EMI問題  

上述的標準化量測法雖然是配合規範所必需，但是經常無法解決或偵測到今日系統中EMI設計所面臨的問題。約1930年代出現的QP偵測器，當初並非用來判定今日複雜的多處理器消費性電子產品，對於現代化通訊與運算系統中使用的暫態、跳頻、數位調變與超寬頻訊號所造成的影響。幸運地，量測技術已經過演進，可滿足這些需求。使用即時頻譜分析儀，找出暫態與隱藏的EMI問題，在問題出現時進行觸發，並分析其特性。  

在下列的範例中，只在單一操作模式中產生的暫態訊號，產生一系列的暫態訊號，只在每次進入模式中持續幾秒。此處的裝置為嵌入式系統，系統須要將資料快取到硬碟時，會造成暫態EMI。  

若稍微檢驗掃頻分析儀的峰值偵測器(圖10中的下方軌跡)，則似乎只是連續訊號；讓儀器保持在最大保持(Max-hold)狀態幾分鐘，同時循環進入待測裝置操作模式，會顯示問題(上方軌跡)。不過，在峰值偵測模式中進行快速掃描，會產生下方軌跡，沒有偵測到問題的跡象。  

使用圖11中的數位螢光處理(DPX)檢驗待測裝置的EMI特徵，可立即找出問題。Tektronix RTSA的獨家DPXTM頻譜顯示功能，每秒可處理超過四萬八千次頻譜量測，並確保立即擷取與顯示所有持續時間超過幾十微秒的訊號。應用摘要37W-19638-2中，提供了關於操作RTSA內建DPX頻譜處理器的詳細資訊。顯示螢幕上的色階表示訊號的發生頻率。在圖11中，以紅色表示更常發生的訊號；其餘部分表示不常出現的訊號。如此可一目了然，了解哪些訊號為連續，哪些為暫態。暫態訊號鮮少出現，但比連續訊號的位準高出15分貝。  

以DPX找出可能的問題後，下一步是觸發與擷取訊號，以進一步的分析。採用連續的訊號輪廓定義頻率波罩觸發，並在不常發生的暫態訊號出現於頻譜時予以擷取，即可輕鬆完成此一步驟。  

任何高出頻率波罩臨界值並持續10.3微秒(μs)以上的訊號，將導致觸發，並將前觸發與後觸發訊號儲存於記憶體中。圖12左側的頻譜圖，顯示了暫態觸發的四項擷取結果。  

現在可完整分析訊號。圖12中的標記表示暫態訊號的重複率為1.0秒，但其長度並非一定相同，在五次擷取期間，長度變化從752微秒下至200微秒。 這些重複頻率與變化的脈衝寬度是重要的線索，可找出電路中的暫態源--此處為待測裝置特殊操作狀況中才會發生的磁碟快取運作。  

RTSA完整截收暫態訊號  

進行EMI標準化的量測，需要標準機構定義的特殊濾波器與偵測器。在接收器、傳統頻譜分析儀與Tektronix RTSA中，提供這些特殊的濾波器與偵測器。RTSA與某些接收器使用的DSP技術，可讓量測速度遠較掃描方法快上許多，因為可同時分析整個即時頻距範圍，最高至110MHz。  

即時分析可大幅縮短最小訊號持續時間，與掃描技術相較，能夠百分之百保證截收到暫態訊號。對於產生各種廣泛暫態訊號的系統進行疑難排解時，可輕鬆地使用具備DPX頻譜處理功能的RTSA來完成，這項功能可確保分析時不會錯過任何暫態訊號，能夠縮短深入解析的時間，對待測裝置的品質獲致更高的信心。  

(本文作者任職於太克科技)