浅析频谱分析仪和EMI接收机

随着电力电子技术的广泛应用，带来了很大的便利，但同时也带来了不容忽视的电磁干扰(EMI)问题，这就要求必须对EMI特性进行准确的测量，这对提高电力电子装置的电磁兼容性(EMC)具有重要意义。近几年，在整个电磁兼容测量技术及所属服务领域不断出现许多新的测试仪器和测试方法，最基本且有效的测试设备还是频谱分析仪和EMI接收机。

1 频谱分析仪
谈到测量电信号，电气工程师首先想到的可能就是示波器。示波器是一种将电压幅度随时间变化的规律显示出来的仪器，它相当于电气工程师的眼睛，使你能够看到线路中电流和电压的变化规律，从而掌握电路的工作状态。但是示波器并不是电磁干扰测量与诊断的理想工具。这是因为：
(1)最关键的是动态范围，干扰频谱不同分量的差别有5个量级以上，需要100 dB以上的动态范围；而八位的示波器仅有40 dB左右的动态范围，不能满足电磁干扰的测量要求。
(2)所有电磁兼容标准中的电磁干扰极限值都是在频域中定义的，而示波器显示出的是时域波形，因此测试得到的结果无法直接与标准比较。为了将测试结果与标准相比较，必须将时域波形变换为频域频谱。
(3)电磁干扰相对于电路的工作信号往往都是较小的，并且电磁干扰的频率往往比信号高，而当一些幅度较低的高频信号叠加在一个幅度较大的低频信号时，用示波器无法进行测量。
(4)示波器的灵敏度在毫伏级，而由天线接收到的电磁干扰的幅度通常为微伏级，因此示波器不能满足灵敏度的要求。
测量电磁干扰更合适的仪器是频谱分析仪，频谱分析仪是一种将电压幅度随频率变化的规律显示出来的仪器，它显示的波形称为频谱。频谱分析仪克服了示波器在测量电磁干扰中的缺点，它能够精确测量各个频率上的干扰强度。
对于电磁干扰问题的分析而言，频谱分析仪是比示波器更有用的仪器，用频谱分析仪可以直接显示出信号的各个频谱分量。
1．1 频谱分析仪的原理
频谱分析仪是一台在一定频率范围内扫描接收的接收机，它的原理图如图1所示。

频谱分析仪采用频率扫描超外差的工作方式。混频器将天线上接收到的输入信号与本振产生的信号混频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间输出的频率是不同的。当本振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。根据这个频谱，就能够知道被测设备是否有超过标准规定的干扰发射，或产生干扰的信号频率是多少。
1．2 频谱仪的使用方法
要获得正确的测量结果，必须正确地操作频谱分析仪。本节简单介绍频谱分析仪的使用方法。正确使用频谱分析仪的关键是正确设置频谱分析仪的各个参数。下面解释频谱分析仪中主要参数的意义和设置方法。
(1)频率扫描范围
规定了频谱分析仪扫描频率的上限和下限。通过调整扫描频率范围，可以对感兴趣的频率进行细致的观察。在频率分辨率一定的情况下，扫描频率范围越宽，则扫描一遍所需要时间越长，频谱上各点的测量精度越低，因此，在可能的情况下，尽量使用较小的频率范围。在设置这个参数时，可以通过设置扫描开始频率和终止频率来确定，例如：startfrequency=l MHz，stop frequency=ll MHz。也可以通过设置扫描中心频率和频率范围来确定，例如：center frequency=6 MHz，SPAN=10 MHz。这两种设置的结果是一样的。
(2)中频分辨带宽
规定了频谱分析仪的中频带宽，这项指标决定了仪器的选择性和扫描时间。调整分辨带宽可以达到两个目的，一个是提高仪器的选择性，以便对频率相距很近的两个信号进行区别。另一个目的是提高仪器的灵敏度。因为任何电路都有热噪声，这些噪声会将微弱信号淹没，而使仪器无法观察微弱信号。噪声的幅度与仪器的通频带宽成正比，带宽越宽，则噪声越大。因此减小仪器的分辨带宽可以减小仪器本身的噪声，从而增强对微弱信号的检测能力。
分辨带宽一般以3 dB(或者6 dB)带宽来表示。当分辨带宽变化时，屏幕上显示的信号幅度可能会发生变化。若测量信号的带宽大于通频带带宽，则当带宽增加时，由于通过中频放大器的信号总能量增加，显示幅度会有所增加。若测量信号的带宽小于通频带宽，如对于单根谱线的信号，则不管分辨带宽怎样变化，显示信号的幅度都不会发生变化。信号带宽超过中频带宽的信号称为宽带信号，信号带宽小于中频带宽的信号称为窄带信号。根据信号是宽带信号还是窄带信号能够有效地鉴别干扰源。
(3)扫描时间
仪器接收的信号从扫描频率范围的最低端扫描到最高端所使用的时间叫做扫描时间。扫描时间与扫描频率范围是相匹配的。如果扫描时间过短，频谱仪的中频滤波器不能够充分响应，结果幅度和频率的显示值变为不正确。
(4)视频带宽
视频带宽至少与分辨带宽相同，最好为分辨带宽的3至5倍。视频带宽反映的是测量接收机中位于包络检波器和模数转换器之间的视频放大器的带宽。改变视频带宽的设置，可以减小噪声峰一峰值的变化量，提高较低信噪比信号测量的分辨率和复现率，易于发现隐藏在噪声中的小信号。
1．3 频谱仪的种类
频谱仪通常可以分为常规扫频分析仪和实时频谱分析仪，通过比较可以知道实时频谱分析仪适用性更强。
(1)常规扫频分析仪
图2是常规扫频分析仪的框图。此例涉及两个RF输入信号。RF信号通过扫描定位振荡器被转化为IF(中间频率)。IF输出通过带通滤波器，此处频谱分析仪分辨率被定义。