浅谈频谱仪对EMI测试速度的影响

本文以辐射发射测试为例，在分析了测试流程的基础上，详细讨论了频谱仪对EMI测试速度的影响。选择合适的频谱仪，不仅可以提高测试精度，增强对测试结果的信心，而且可以改善EMI测试吞吐率。

频谱仪对测试速度的影响

从整个测试流程来看，预扫描和诊断整改都大量使用频谱仪峰值检波进行快速扫描，这两个步骤占据了整个辐射发射测试总时间的60%强，因此选用一台峰值检波扫描快速准确的频谱仪对于改善EMI测试吞吐率很有帮助。下面就对带有峰值检波器的频谱仪的测量速度进一步进行分析。

频谱仪测量信号的一个周期可以大致分成三个阶段，如图所示。首先是扫描/测试阶段，在这个阶段，信号进入频谱仪，频谱仪从起始频率扫描到终止频率对信号进行测量；然后是数据处理阶段，扫描/测试阶段得到的数据在这个阶段被表示成需要的数据格式，这个阶段也包括频谱仪内部器件调谐，为下一次扫描/测试做好准备，以及一些数据运算的开销；最后就是数据传输阶段，即测量得到的数据通过数据接口（LAN、GPIB、USB等）传输到计算机。对于本地测量，一个测量周期只有扫描/测试和数据处理阶段，而对于远程测量，还要包括数据传输阶段。其中，在每一个测量阶段，频谱仪都有很多设置帮助我们优化测量速度，进而改善EMI测试吞吐率。

图1：频谱仪测量信号的过程

频谱仪的扫描/测试

在扫描/测试阶段，频谱仪的很多性能都会直接影响测试速度。以干扰信号的频率读出精度为例，当使用安捷伦PSA高性能频谱仪的Marker功能读取干扰信号的频率时，其读出精度为±(marker frequency×frequency reference accuracy + 0.25%×SPAN + 5%×RBW + 2 Hz + 0.5×horizontal resolution)，其中0.25%×SPAN代表与扫宽设置有关的频率精度。早期的频谱仪性能有限，扫宽精度为2%左右，为了提高干扰信号的频率读出精度，需要将测试频段划分为很多个更窄的扫宽，例如10 MHz，然后按照设置在每个窄扫宽内进行扫描，然后将扫描结果拼接起来构成最终的测试结果。这种划分窄扫宽的测试方法虽然提高了频率精度，但是降低了测试速度，例如30 MHz ~ 1 GHz内的辐射发射测试，如果以10 MHz为单位划分就有97个子扫宽，也就意味着频谱仪需要做97次扫描才能得到测试结果。但是如果扫宽精度提高，那么就可以减小分段的个数，从而提高测试速度。例如使用扫宽精度为0.25%的安捷伦PSA频谱仪，为了在相同的测试频段得到相同的频率精度，只需要做13次扫描就可以了，大大提高了测试速度。

除了频率读出精度，频谱仪的很多性能指标都能影响EMI测试吞吐率，例如幅度精度、测量重复性与可靠性等等，如果这些性能指标不好，用户就需要反复测试以确保测试结果可信，降低了测试效率。

图2：传统模拟中频频谱仪结构框图

另外一方面，频谱仪结构的创新也从很多方面改善了测试速度。与传统频谱仪结构（如图所示）不同，安捷伦PSA高性能频谱仪创新地使用了业界领先的全数字中频技术，其原理框图如图所示。射频信号经过混频器进入中频，经过自动幅度调整和高频抖动两个信号调理模块直接被ADC量化为数字信号，传统频谱仪的各个模拟中频信号处理模块，例如RBW滤波器、中频放大器、对数放大器、包络检波器、VBW滤波器等，都直接采用数字ASIC芯片实现，这样的实现方式极大改善了幅度精度（PSA在3 GHz以下的典型幅度精度高达0.19 dB），也间接地改善了频谱仪的测试速度。

图3：PSA全数字中频原理框图

首先是可设置的RBW带宽个数大大增多。RBW带宽是频谱仪中很重要的一个测试参数，它直接影响到频谱仪的灵敏度、分辨信号能力和扫描速度。传统频谱仪的扫描时间与RBW带宽设置存在如下关系，扫描时间 = k×扫宽/(RBW带宽)2，人为减小扫描时间很可能使RBW滤波器对信号没有充分响应，造成测得的频率和幅度漂移，如图所示。实际测试中，特别是诊断测试中，往往需要灵活设置RBW带宽折衷扫描速度与灵敏度、分辨信号能力。传统模拟中频的频谱仪，由于每个RBW带宽都与一个模拟RBW滤波器对应，改变RBW带宽实际上是在模拟带通滤波器之间进行切换，因此可设置的RBW带宽通常会受到模拟带通滤波器个数的限制，一般遵从1-3-10步进的规则，从1 Hz到8 MHz只有15个RBW带宽可以设置。在使用了全数字中频之后，PSA中的RBW滤波器全部使用数字ASIC芯片实现，除了精度得到提高以外，可设置的RBW带宽也不再受模拟滤波器个数的限制，PSA的RBW带宽遵从10%的步进规则，从1 Hz到8 MHz有多达160个RBW带宽可供选择，这就极大地方便了诊断测试的灵活性，