頻譜儀對(duì)測(cè)試速度的影響

從整個(gè)測(cè)試流程來(lái)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(gè)步驟占據(jù)了整個(gè)輻射發(fā)射測(cè)試總時(shí)間的60%強(qiáng)，因此選用一臺(tái)峰值檢波掃描快速準(zhǔn)確的頻譜儀對(duì)于改善EMI測(cè)試吞吐率很有幫助。下面就對(duì)帶有峰值檢波器的頻譜儀的測(cè)量速度進(jìn)一步進(jìn)行分析。

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

圖1：頻譜儀測(cè)量信號(hào)的過(guò)程 

頻譜儀的掃描/測(cè)試

在掃描/測(cè)試階段，頻譜儀的很多性能都會(huì)直接影響測(cè)試速度。以干擾信號(hào)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(hào)的頻率時(shí)，其讀出精度為±(marker frequency×frequency reference accuracy + 0.25%×span + 5%×RBW + 2 Hz + 0.5×horizontal resolution)，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(hào)的頻率讀出精度，需要將測(cè)試頻段劃分為很多個(gè)更窄的掃寬，例如10 MHz，然后按照設(shè)置在每個(gè)窄掃寬內(nèi)進(jìn)行掃描，然后將掃描結(jié)果拼接起來(lái)構(gòu)成最終的測(cè)試結(jié)果。這種劃分窄掃寬的測(cè)試方法雖然提高了頻率精度，但是降低了測(cè)試速度，例如30 MHz ~ 1 GHz內(nèi)的輻射發(fā)射測(cè)試，如果以10 MHz為單位劃分就有97個(gè)子掃寬，也就意味著頻譜儀需要做97次掃描才能得到測(cè)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(gè)數(shù)，從而提高測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試吞吐率，例如幅度精度、測(cè)量重復(fù)性與可靠性等等，如果這些性能指標(biāo)不好，用戶(hù)就需要反復(fù)測(cè)試以確保測(cè)試結(jié)果可信，降低了測(cè)試效率。

圖2：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)的創(chuàng)新也從很多方面改善了測(cè)試速度。與傳統(tǒng)頻譜儀結(jié)構(gòu)（如圖所示）不同，安捷倫PSA高性能頻譜儀創(chuàng)新地使用了業(yè)界領(lǐng)先的全數(shù)字中頻技術(shù)，其原理框圖如圖所示。射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器進(jìn)入中頻，經(jīng)過(guò)自動(dòng)幅度調(diào)整和高頻抖動(dòng)兩個(gè)信號(hào)調(diào)理模塊直接被ADC量化為數(shù)字信號(hào)，傳統(tǒng)頻譜儀的各個(gè)模擬中頻信號(hào)處理模塊，例如RBW濾波器、中頻放大器、對(duì)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(shí)現(xiàn)，這樣的實(shí)現(xiàn)方式極大改善了幅度精度（PSA在3 GHz以下的典型幅度精度高達(dá)0.19 dB），也間接地改善了頻譜儀的測(cè)試速度。

圖3：PSA全數(shù)字中頻原理框圖

首先是可設(shè)置的RBW帶寬個(gè)數(shù)大大增多。RBW帶寬是頻譜儀中很重要的一個(gè)測(cè)試參數(shù)，它直接影響到頻譜儀的靈敏度、分辨信號(hào)能力和掃描速度。傳統(tǒng)頻譜儀的掃描時(shí)間與RBW帶寬設(shè)置存在如下關(guān)系，掃描時(shí)間 = k×掃寬/(RBW帶寬)2，人為減小掃描時(shí)間很可能使RBW濾波器對(duì)信號(hào)沒(méi)有充分響應(yīng)，造成測(cè)得的頻率和幅度漂移，如圖所示。實(shí)際測(cè)試中，特別是診斷測(cè)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(hào)能力。傳統(tǒng)模擬中頻的頻譜儀，由于每個(gè)RBW帶寬都與一個(gè)模擬RBW濾波器對(duì)應(yīng)，改變RBW帶寬實(shí)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(huì)受到模擬帶通濾波器個(gè)數(shù)的限制，一般遵從1-3-10步進(jìn)的規(guī)則，從1 Hz到8 MHz只有15個(gè)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(shí)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(gè)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(gè)RBW帶寬可供選擇，這就極大地方便了診斷測(cè)試的靈活性，可以保證在足夠的靈敏度和分辨信號(hào)能力的基礎(chǔ)上盡可能縮短掃描時(shí)間，提高EMI診斷測(cè)試的吞吐率。

圖4：掃描過(guò)快導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)