頻譜儀對測試速度的影響

從整個(gè)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(gè)步驟占據(jù)了整個(gè)輻射發(fā)射測試總時(shí)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(gè)周期可以大致分成三個(gè)階段，如圖所示。首先是掃描/測試階段，在這個(gè)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(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/測試做好準(zhǔn)備，以及一些數(shù)據(jù)運(yùn)算的開銷；最后就是數(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?jì)算機(jī)。對于本地測量，一個(gè)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(gè)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(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(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，為了提高干擾信號的頻率讀出精度，需要將測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)果拼接起來構(gòu)成最終的測試結(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(gè)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(gè)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(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(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(shí)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(gè)RBW帶寬都與一個(gè)模擬RBW濾波器對應(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(shí)間，提高EMI診斷測試的吞吐率。

圖4：掃描過快導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn) 

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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(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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)間成平方關(guān)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(shù)字中頻技術(shù)作為一個(gè)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(shí)間只有8563E的一半。

圖6：傳統(tǒng)模擬中頻與數(shù)字中頻掃描時(shí)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(gè)因素會略微影響到測試速度。首先是掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此顯然傳輸時(shí)間長一些，但在都使用32位表示一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(fèi)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(shí)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(shí)候，需要查閱頻譜儀的說明手冊，選用最原始的數(shù)據(jù)格式可以幫助縮短總的測試時(shí)間，實(shí)現(xiàn)一款高效的自動測試軟件。

圖7：數(shù)據(jù)處理開銷對測試時(shí)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(diǎn)數(shù)以及不同的數(shù)據(jù)接口所需要的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。從圖中可以看到，掃描點(diǎn)數(shù)越少傳輸時(shí)間越短，數(shù)據(jù)接口速度越快傳輸時(shí)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(shí)間，當(dāng)數(shù)據(jù)量巨大的時(shí)候，它對遠(yuǎn)程測試速度的改善是顯著的。

圖8：頻譜儀數(shù)據(jù)接口對測量時(shí)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可以在保證測試精度的同時(shí)縮短掃描/測試時(shí)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(gè)EMI測試的吞吐率。