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[技術文章] 使用頻譜分析儀執行EMI相符性量測與克服現場測試時微波干擾信號挑戰
2021-08-25

使用頻譜分析儀執行EMI相符性量測以及透過即時頻譜分析儀克服現場測試時微波干擾信號挑戰

為避免因為沒能通過EMI 相符性測試而耽誤寶貴的時間,推薦您使用頻譜分析儀/信號分析儀上搭配 N6141EM0E 測量應用軟體,執行先期認證輻射和傳導量測。若是野外現場測試時遇到的射頻與微波干擾信號,即時頻譜分析(RTSA)功能全面提升了效率,有利於根除野外干擾問題!

什麼是頻譜?頻譜分析儀原理

  所有的訊號都是由不同頻率的正弦波所構成。下圖左方是一個複合波形,看起來像是很多不同頻率的正弦波所疊加而成的,如果僅靠示波器進行時域觀察很難確定是否有其他頻率存在。若使用頻譜分析儀(Spectrum Analyzer) 進行頻域量測,就可以把所有訊號的頻率展開,讓使用者能清楚看出頻率、振幅和相位 (下圖右方)。頻譜分析儀可以量測在其頻率範圍內隨頻率變化的輸入信號強度的儀器,主要用於測量已知及未知信號的頻譜功率。然而即時頻譜分析儀可提供即時量測結果,採用混合式技術,首先使用超外差技術將輸入信號降頻為較低的頻率,然後使用快速傅立葉轉換 (FFT) 技術進行分析。

* 白皮書:透過即時頻譜分析(RTSA)軟體,克服現場測試微波干擾信號的挑戰

訊號的時域和頻域關係

  時域Time domain 是描述數學函數或物理信號對時間的關係,時域是真實世界。而評估數位產品的性能時,通常在時域中進行分析,因為產品的性能最終就是在時域中測量的。在研究時域的信號時,常會用示波器將信號轉換為時域的波形。頻域frequency domain 是描述信號在頻率方面特性時用到的一種坐標系。對信號進行時域分析時,會有一些信號的時域參數相同,但並不能說明信號就完全相同。因為信號除了隨時間變化,還與頻率、相位等信息有關,這就需要進一步分析信號的頻率結構,並在頻率域中對信號進行描述。
  下圖同時在時域和頻域顯示了一個複合訊號。頻域圖形描繪了頻譜中每個正弦波的幅度隨頻率的變化情況。如圖所示,在這種情況下,訊號正好由兩個正弦波組成。因此,即可得知為什麼原始訊號不是純正弦波,因為它還包含第二個正弦的分量。

圖. 訊號的時域和頻域關係

  但為什麼還需要時域量測?因為時域測量能夠更好的適用於某些測量場合,脈衝上升和下降時間、過衝(超調)和振鈴等也只能在時域中進行。頻譜分析儀能用在頻域量測(Frequency domain),然而時域量測(Time domain)可使用示波器進行。

為何要進行 EMI 雜訊量測?什麼是 EMI 相符性測試?

  電磁干擾(EMI)是電子裝置無意間產生的雜訊。相較於閃電或太陽風暴等大自然現象產生的 EMI 雜訊,工程師更關心人為的、無意間產生的 EMI 雜訊。現代化蜂巢式通訊系統、 廣播系統,到各式各樣的電子元件,都會產生叢發、脈衝、連續波或調變信號,進而產生雜訊。 為了將產品推廣到全球市場,電子裝置製造商必須遵循特定地區或國家的 EMC 指令,並確保產品符合要求。任何電氣或電子設備,只要使用公共電網或可能產生電磁輻射,都必須通過 EMC(電磁相容性)的要求。

量測要求分成四大類:輻射測試、傳導測試、輻射抗干擾性測試,傳導抗干擾性測試。

◆ 傳導測試
  - 主要對象: 由待測設備(DUT)所產生的雜訊,透過交流電源線傳送出來的信號
  - 此類測量的頻率範圍通常為 9 kHz 至 30 MHz
  - 軍用標準(MIL-STD)測量的頻率範圍可能更廣
 
◆ 輻射測試
  - 主要對象: 由待測物透過空間所散射出去的雜訊
  - 此類測量的頻率範圍通常為 30 MHz至 1 GHz 或 6 GHz,但 FCC 法規的要求是必須量測至 40 GHz
 
  下圖清楚呈現輻射、輻射抗干擾性、傳導和傳導抗干擾性之間的差異。輻射抗干擾性是指裝置或產品承受輻射電磁場的能力。傳導抗干擾性測試的是一個裝置或產品承受交流電源或資料線之電氣干擾能力。抗干擾性測試不屬於本文件的討論範圍。對於電磁相容性問題,例如電鑽干擾到電視信號接收,其發生條件是必須有一個信號產生器或信號源、一個耦合路徑,和一個接收器。過去大部分解決 EMC 問題的重點都集中在降低干擾源的發射強度至可容許位準,現在則是輻射測試和抗干擾性測試都要執行。
圖. 四種 EMC 量測類型

EMI相符性測試步驟

在對產品進行EMI相符性測試之前,需要首先回答以下問題:

1. 產品將在哪裡銷售(例如美國、歐洲還是日本)?
2. 產品屬於何種類別(例如資訊技術設備ITE、工業、科學或醫療ISM、或者汽車和通信設備)?
3. 產品將應用於哪個領域(例如家庭、商業、輕工業或重工業)?
 
回答完以上問題後,您可以參照下表確定該產品適用的測試要求。例如,假設您確定您的產品是 ITE 裝置,且預計在美國銷售,那麼您就需要以 FCC 15 標準測試您的產品。詳情您可查看執行 EMI 相符性量測白皮書
國際法規摘要(放射)-監管機構法令比較
CISPR FCC EN 描述
11 第18部分 EN 55011 工業、科學和醫學
13 第15部分 EN 55013 廣播接收器
14   EN 55014 家用電器/工具
15   EN 55015 螢光燈管/燈具
16-1-1     量測設備/方法
22 第15部分 EN 55022 資訊技術設備
25   EN 55025 汽車
    EN 55081-1,2 通用發射標準
 
歐洲標準(EN)-歐洲主要法規要求
設備類型 發射測試
一般設備 EN 50081-1
住宅  
輕工業  
工業應用 EN 50081-2
工業、科技、醫療產品(ISM) EN 55011
聲音和廣播接收器 EN 55013
家用電器 EN 55014
資訊技術設備(ITE) EN 55022
汽車 EN 55025
 

* 立刻查看 執行 EMI 相符性量測詳細應用手冊 白皮書

Keysight EMI測試解決方案

  為避免因為沒能通過EMI 相符性測試而耽誤寶貴的時間,您可以在將待測物送入測試箱之前,使用頻譜分析儀/信號分析儀上搭配 N6141EM0E 測量應用軟體,執行先期認證輻射和傳導發射量測。
此應用軟體為低成本的預兼容量測解決方案,具有非常廣泛的功能特性,使您能夠:

- 即時掃描功能可無間隙地擷取信號,並且同時顯示頻域、時域和頻譜圖。
- 掃描某個頻率範圍,並以對數或線性格式顯示掃描結果
- 識別頻率掃描中發現的可疑信號
- 測量這些可疑信號的峰值、准峰值、 EMI 平均值或 RMS 平均值,並將結果加入信號清單
- 輕鬆辨別超出監管機構規定的極限值訊號

EMI的測試類型可以概括為3大類

除了下述儀器與軟體之外,還會需要近場探棒與LISN等配件
◆ 全相容測試
經過認證的國家測試機構,具有全相容測試能力,會執行各種 EMI 測試,以確定產品的發射性能是否適當。電子產品需要在這些機構做認證,滿足EMC標準,產品得到EMC的認證後才能發佈銷售。認證機構通常會選擇全相容的EMI 接收機。
◇ 全相容測試方案:Keysight EMI接收機N9048B、N9038A具有EMC 全相容測試要求的預選器,搭配內置了多種規範要求的N6141EM0E 測量應用軟體

◆ 預相容測試
相對於全相容測試來說,預相容測試是可以讓工程師在將要發佈的電子產品送去EMC認證機構之前,先對產品做預先測試,看是否符合EMC標準,如果自行測試沒有通過,則必須檢查產品,做故障分析、定位、改良等,以保證產品符合EMC 規範要求。
◇ 預相容一致性測試方案:信號分析儀/頻譜分析儀 + N6141系列EMI測試應用軟體。如N9000B信號分析儀等,不同型號的頻譜分析儀皆有不同的動態範圍及規格,可點此查看Keysight頻譜分析儀總覽。 

◆ 低成本的EMI測試
若預算有限,只是打算做頻譜測試,自行設置Limit Line 進行比較的解決方案:

1. 基礎型頻譜分析儀N9320B/N9322C,搭配N9320B-EMF添加了EMC 的濾波器(6dB頻寬)的選配、N9322C-EMC包含EMC濾波器(6dB頻寬) 及准峰值檢波器的選配。

2. CXA信號分析儀N9000B,搭配N9000B-EMC選配,包含基礎EMC測試功能:CISPR 16-1-1 頻寬要求和相應的檢波器(峰值,准峰,EMI平均,RMS平均),以及MIL-STD 461頻寬;或搭配N6141系列EMI測試應用軟體執行更完整的分析功能。 
 

N6141系列EMI測試應用軟體主要功能特性
- 內建符合商用和軍標要求的頻寬、檢波器和頻段預置,精確測量發射
- 將測得的發射與監管機構規定的極限值進行比較
- 用長條圖連續監測訊號,以檢測最大幅度
- 採集可疑發射列表
- 區分環境信號和元件發射
- 查看隨時間變化的訊號,以識別間歇回應
- 生成 HTML 格式的測量報告,包含信號列表、圖像和軌跡以及校正數據

EMC選配與N6141系列EMI測試應用軟體比較如下:

特性 EMI測試應用軟體 選配EMC
CISPR 16-1-1 detectors V V
CISPR 16-1-1 bandwidths V V
MIL-STD 461 bandwidths V V
Log annd linear display V  
Signal list V  
Scan table V  
Simultaneous detectors V  
Automatic limit testing V  
Measure at marker V V
Delta to limit V  
Strip chart V  
Step and swept scans V  
Report generation V  
Time domain scan (註) V  
Monitor spectrum (註) V  
Amplitude probability distribution (APD) (註) V  
Disturbance analyzer (click measurements) V  
UI commonality with MXE receiver V  
      (註) 需要選配DP2或B40,不可用於CXA信號分析儀
 
3. FieldFox系列手持式微波分析儀(具備網路分析儀、頻譜分析儀、纜線和天線分析儀功能),非常輕巧容易移動,適合各場域且還能選配RTSA進階功能,歡迎查看實際測試影片
 

* 量測影片:使用Keysight FieldFox進行EMI測試 實際測試影片

現場測試時射頻與微波干擾信號挑戰?即時頻譜分析(RTSA)功能全面提升了效率,有利於根除野外干擾問題

在野外有兩種類型的干擾最具挑戰性:一個是同通道干擾,另一個是上行鏈路干擾

  對於通訊網路業者來說,同通道干擾檢測和故障診斷是最具挑戰性的任務,因為干擾可能被服務頻率信號掩蓋。通常使用者必須關閉載波發射器來查找是否有其他信號出現在相同的頻率通道,然後查找它們來消除或降低影響。這種入侵式方法,會破壞正常的通訊服務。在很多情況下,關閉工作中的發射器是不可行的。
- RTSA 密度顯示是一種增強的頻譜量測,用於顯示出現的頻次。這些資料全都以不同顏色來標示軌跡強度,而且可使用持續時間功能讓舊資料逐漸消失,以便集中觀察最近的事件。
 
- 密度顯示能夠顯示給定時間內的頻率、功率和出現的信號。由於干擾與服務載波擁有不同的信號位準分佈,該顯示使得在同一通道檢測多個信號變得容易得多。
 

FieldFox系列手持式微波分析儀的RTSA 即時頻譜功能(Real-Time Spectrum Analyzers)

  即時頻譜分析儀是無盲區的 FFT 分析儀。接收器駐留在感興趣的頻距內,該頻距受到即時頻率寬度的限制。中間沒有調諧或步進。在後續資料訊框進入之前,它擁有充足的信號緩衝區、FFT 引擎和顯示引擎來處理並清空記憶體。在擷取頻寬內,它可檢測任何暫態信號、動態信號和射頻脈衝。但 RTSA 受限於其頻寬。當接收器試圖量測超出其即時頻寬的信號時,LO 必須進行調諧,因此就不再是即時或無間隙的。
  由於 RTSA 沒有調諧功能,要檢測的信號不能定位於中心頻率,它所檢測的信號位準可能不像使用傳統的頻譜分析儀那樣精確,因此不建議使用 RTSA 進行精確的功率量測。

「現場量測套件中的每一個工具都必須物有所值」 這是 Keysight FieldFox 系列手持式分析儀的設計理念。在消除干擾時,FieldFox 分析儀可協助工程師和技術人員快速檢測問題、找出問題根源。無論是干擾信號或是故障元件,進而解決問題並驗證系統性能。

  Keysight FieldFox 手持式分析儀小巧輕盈,方便隨身攜帶。具有 RTSA 功能的 FieldFox 手持式分析儀旨在協助野外量測人員偵測、發現並解決干擾問題。它的設計堅固耐用,重量只有 3.2 公斤,電池續航力長達 4 小時。提供精確的微波和毫米波量測,並且具有支援日常維護、深度故障排除,以及任何其他相關任務的重要屬性

FieldFox系列手持式微波分析儀-適用於對無線網路進行現場測試,同時兼顧效能與可攜性需求

- 頻率範圍:5 kHz,最高可達 50 GHz
- 多樣化功能:可部署為天饋線測試儀(CAT)、頻譜分析儀、即時頻譜分析儀(RTSA)、功率錶、向量網路分析儀(VNA)、獨立信號源、計頻器、GPS 接收器等
- 具備 10 MHz 即時分析頻寬和頻譜密度顯示功能,可有效擷取飄忽不定的信號,確保無線干擾不會影響通訊服務品質。不論在何種惡劣環境條件下,都能使用即時頻譜分析功能,偵測並找出飄忽不定、隱藏的多脈衝電子戰射頻威脅。
- 具備頻譜分析和通道功率量測功能,可即時監測衛星地面站的天線旁瓣增益,並將發射器的效能
最佳化。
- 方便攜帶的多合一手持式綜合分析儀,讓您能將實驗室搬回家,以便執行纜線與天線測試、向量網路分析、頻譜分析等任務。

立刻查閱完整白皮書及實際測試影片

* 白皮書:透過即時頻譜分析(RTSA),克服現場測試微波干擾信號的挑戰

* 白皮書:執行 EMI 相符性量測詳細應用手冊 

* 量測影片:使用Keysight FieldFox進行EMI測試 實際測試影片

* 本文產品規格連結:Keysight FieldFox 手持式分析儀 / N9320B / N9322C / N9000B / N6141系列EMI測試應用軟體 / 頻譜分析儀/信號分析儀 


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