【導讀】本文以輻射發射測試為例，在分析了測試流程的基礎上，詳細討論了頻譜儀對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，增強對測試結果的信心，而且可以改善EMI測試吞吐率。
頻譜儀對測試速度的影響
從整個測試流程來看，預掃描和診斷整改都大量使用頻譜儀峰值檢波進行快速掃描，這兩個步驟占據了整個輻射發射測試總時間的60%強，因此選用一臺峰值檢波掃描快速準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一步進行分析。
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，信號進入頻譜儀，頻譜儀從起始頻率掃描到終止頻率對信號進行測量；然后是數據處理階段，掃描/測試階段得到的數據在這個階段被表示成需要的數據格式，這個階段也包括頻譜儀內部器件調諧，為下一次掃描/測試做好準備，以及一些數據運算的開銷；最后就是數據傳輸階段，即測量得到的數據通過數據接口（LAN、GPIB、USB等）傳輸到計算機。對于本地測量，一個測量周期只有掃描/測試和數據處理階段，而對于遠程測量，還要包括數據傳輸階段。其中，在每一個測量階段，頻譜儀都有很多設置幫助我們優化測量速度，進而改善EMI測試吞吐率。
圖1：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±(marker frequency×frequency reference accuracy + 0.25%×span + 5%×RBW + 2 Hz + 0.5×horizontal resolution)，其中0.25%×span代表與掃寬設置有關的頻率精度。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10 MHz，然后按照設置在每個窄掃寬內進行掃描，然后將掃描結果拼接起來構成最終的測試結果。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內的輻射發射測試，如果以10 MHz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果。但是如果掃寬精度提高，那么就可以減小分段的個數，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都能影響EMI測試吞吐率，例如幅度精度、測量重復性與可靠性等等，如果這些性能指標不好，用戶就需要反復測試以確保測試結果可信，降低了測試效率。
圖2：傳統模擬中頻頻譜儀結構框圖
另外一方面，頻譜儀結構的創新也從很多方面改善了測試速度。與傳統頻譜儀結構（如圖所示）不同，安捷倫PSA高性能頻譜儀創新地使用了業界領先的全數字中頻技術，其原理框圖如圖所示。射頻信號經過混頻器進入中頻，經過自動幅度調整和高頻抖動兩個信號調理模塊直接被ADC量化為數字信號，傳統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、對數放大器、包絡檢波器、VBW濾波器等，都直接采用數字ASIC芯片實現，這樣的實現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0.19 dB），也間接地改善了頻譜儀的測試速度。
圖3：PSA全數字中頻原理框圖
首先是可設置的RBW帶寬個數大大增多。RBW帶寬是頻譜儀中很重要的一個測試參數，它直接影響到頻譜儀的靈敏度、分辨信號能力和掃描速度。傳統頻譜儀的掃描時間與RBW帶寬設置存在如下關系，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，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，往往需要靈活設置RBW帶寬折衷掃描速度與靈敏度、分辨信號能力。傳統模擬中頻的頻譜儀，由于每個RBW帶寬都與一個模擬RBW濾波器對應，改變RBW帶寬實際上是在模擬帶通濾波器之間進行切換，因此可設置的RBW帶寬通常會受到模擬帶通濾波器個數的限制，一般遵從1-3-10步進的規則，從1 Hz到8 MHz只有15個RBW帶寬可以設置。在使用了全數字中頻之后，PSA中的RBW濾波器全部使用數字ASIC芯片實現，除了精度得到提高以外，可設置的RBW帶寬也不再受模擬濾波器個數的限制，PSA的RBW帶寬遵從10%的步進規則，從1 Hz到8 MHz有多達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上盡可能縮短掃描時間，提高EMI診斷測試的吞吐率。
圖4：掃描過快導致測量結果不準
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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-3 dB帶寬之比，來衡量RBW濾波器的選擇性，這一指標在頻譜儀指標手冊里都有描述，顯然形狀因子小的RBW濾波器分辨信號的能力更強。對于傳統模擬中頻頻譜儀，由于受模擬濾波器實現的限制，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色曲線。假設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系變長，測試速度大大變慢。
圖5：RBW率濾波器的形狀因子
最后，全數字中頻技術作為一個顛覆性的技術，使得全數字中頻頻譜儀在相同的設置下的測試速度比模擬中頻頻譜儀要快的多。下圖是安捷倫傳統模擬中頻8563E頻譜儀與全數字中頻PSA頻譜儀的測量比較圖，可以看到在相同設置下，PSA的測試時間只有8563E的一半。
圖6：傳統模擬中頻與數字中頻掃描時間對比
頻譜儀的數據處理
數據處理階段對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。首先是掃描數據點數的設置，在掃寬、RBW、VBW設置完全相同的情況下，增加數據點數會增加數據處理開銷，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，在遠程測量的情況下選用不同的數據格式也會影響數據處理開銷，下圖是PSA在8192個掃描數據點的情況下使用REAL,64、REAL,32、INT,32三種不同的數據格式傳輸數據所需要的時間對比，橫坐標是對數坐標。從圖中可以看到，由于REAL,64使用64位來表示一個數據點，因此顯然傳輸時間長一些，但在都使用32位表示一個數據點的情況下，REAL,32還是要比INT,32快一些，這是為什么呢？原來PSA內部表示測量數據的原始格式是REAL,32，如果選用了INT,32，那么PSA在數據處理階段需要花費額外的數據處理開銷將REAL,32轉換成INT,32再進行傳輸，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。因此我們在開發軟件進行遠程測試的時候，需要查閱頻譜儀的說明手冊，選用最原始的數據格式可以幫助縮短總的測試時間，實現一款高效的自動測試軟件。
圖7：數據處理開銷對測試時間的影響
頻譜儀的數據傳輸
在數據傳輸階段，其傳輸速度取決于需要傳輸的數據量與傳輸所用的數據接口，下圖是PSA使用不同的掃描點數以及不同的數據接口所需要的數據傳輸時間。從圖中可以看到，掃描點數越少傳輸時間越短，數據接口速度越快傳輸時間越短。PSA后面板提供了GPIB、LAN、USB2.0三種數據接口，其中USB2.0數據接口可以大大縮短數據傳輸時間，當數據量巨大的時候，它對遠程測試速度的改善是顯著的。
圖8：頻譜儀數據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結構可以在保證測試精度的同時縮短掃描/測試時間，加快預掃描與診斷測試階段的測試速度，進而改善整個EMI測試的吞吐率。
