预测试中的噪声抑制与消除技术

随着电子技术的飞速发展，使得人们越来越多地享受到科技进步带来的诸多便利，但科技的发展也引发了一些问题，而恰恰是这些问题可能会带来很多麻烦，比如环境噪声问题，这里所说的噪声是指环境或背景中所存在的电磁噪声，从电磁场的角度，可以毫不夸张的说，我们现在所生活的世界里充满了各种各样的噪声，如果你打开RF频谱分析仪，就会发现这不是危言耸听。人为的噪声占有很大的比重，由于它的存在会直接影响测量，如果是在一个没有任何屏蔽的环境下，甚至会将有用信号完全淹没而导致测量失败。因此我们必须对环境噪声问题给予特别关注。
事实上对如何消除和避免环境(背景)中的噪声对测试的影响这个问题的争论由来已久，但到目前为止争论的双方都没有确凿的证据可以充分说明其正确性，本文将通过一些简单的实验来说明如何解决这一困扰人们很久的问题，而且是非常清楚和彻底的。噪声消除技术大多在下面两种情况中使用，即检定和测量。这里所说的检定技术是指在高水平噪声的环境中对被测物的辐射进行定位，众所周知，如果不采取一些环境噪声抑制技术，定位被测物的辐射是非常不准确的。测量技术中的噪声抑制要比检定中的要求要高，因为测量的目的就是要获得被测物准确的辐射水平。本文将以测量技术中的噪声抑制为核心，对噪声抑制的各种严格的要求进行说明，以求达到合理抑制噪声的目的。
EMC测试设备制造公司所提供的仪器设备中一般采用了两种背景噪声抑制和消除技术，第一种方法是首先测量背景噪声，之后让被测物(EUT)开机并进行第二次测量，然后在软件中用第二次测量的结果减去第一次测量的结果以剔除背景噪声(即差分技术)；第二种方法是使用双通道分析仪，可采用两种方案，其一是采用近场探头进行测量，同时利用远场天线的测试数据对近场探头的数据进行修正，并假定任何有意义的辐射都能在EUT的近场区检测出来，而且近场探头是对环境噪声是不敏感的。其二是同时使用两个远场天线，并将其中一个放置在距测试单元有意义的距离内，最终采用差分技术提取EUT的辐射。
上述两种方法可以说各有千秋，但没有谁是完美的！比如方法一会因为背景噪声是涌动的而遇到很大的麻烦(事实上在很多频段内噪声都是涌动的)，但这种方法的潜在优点是任何标准的EMC接收机或分析仪都可以采用；而与此相对方法二中的两个方案都需要使用特殊的双通道EMC分析仪，而且方案1中有一个明显的问题就是假定近场探头对背景噪声是不敏感的，事实上非常强的环境噪声会通过与EUT相连的缆线感应出来，其效果就好象是有一个近场信号产生了辐射。最主要的是方法一和方法二中的第二个方案都采用了差分技术，运用是否合理是这两种方法的关键，而且也是本文的主题。
采用多种差分方法计算处于噪声环境中的EUT的辐射水平，其可信度或者说有效性是以假定同时存在两个或多个辐射源的情况下场强会增加为前提的。这看起来是显而易见的，而且是在开阔场(OATS)测试中证明过的。众所周知，在标准测试环境中直接入射的信号与经地平面反射的信号相叠加，会使得场强增加约6dB，如果是在线性坐标中，这意味着增大了一倍。当然此时辐射源的强度是基本差不多的，而且这些辐射源是严格关联应该并且是同相，如果改变这种相位关系(比如改变天线的高度)效果就完全不一样了，所以说相位问题很重要，具体说对EUT的辐射和环境噪声信号的测量有什么影响？下面通过一些实验对这个问题进行研究。
实验：
在本实验中我们创建了一个已知的背景噪声和一个已知的EUT信号，研究两者同时存在的情况下利用一台EMC分析仪对场强进行测量的影响。在创建信号时考虑了信号类型，包括窄带和(或)宽带信号，这两种类型的信号是非常常见的，无论是在EUT还是在环境中都存在。我们不应该假定任何一种消除技术都会对这两种信号的组合取得很好(或很差)的处理效果。
表1中列出了可能的组合模式和相应的特点

可能的组合模式	背景噪声中的窄带信号	背景噪声中的宽带信号
EUT中的窄带信号	如果频率间隔小于接收机的分辨率带宽，峰值将会合并 (峰值包络)，此时信号的相位问题会使得复杂程度增加，相对来说是比较复杂的
EUT中的宽带信号	根据定义，宽带的辐射相对说具有较为平坦的特性，因此宽带的辐射在存在窄带噪声的情况下也能很清楚的观察到	这也是一种比较复杂的情况

从中我们不难发现任何消除技术所面临的最严酷的挑战是出现EUT的信号与环境噪声信号都属同一类型的情况，因此，我们的实验将对这两种情况进行研究。
窄带实验
在这个实验中将使用两台Laplace Instrumen Ltd公司的辐射参考源(ERS)，用其中一台来仿真背景(环境)场，另外一台来仿真EUT。 Laplace Instrumen Ltd公司的辐射参考源(ERS)是非常通用的仪器，尤其可以产生具有连续(时域)辐射输出的窄带辐射源，它们可以产生间隔为2MHz的辐射信号，而且使用两台仪器时频率的一致性非常好，可以达到40ppm，保证是在分析仪的分辨率带宽内，因此几乎完全再现了前面提到的第一种复杂情况，良好的频率一致性杜绝了利用频率分辨技术来分离信号的可能性，也不可能采用平均值技术。两台ERS实际产生的辐射水平非常近似，但它们放置在测试单元(实验室)中不同的位置上，因此测量天线所接收到的信号是不同的，这是因为在测试单元中不同位置的衰减是不一样的。我们使用的频率范围是350-450MHz，之所以选择这个频段是因为在这个范围内背景信号相对要干净一些。先对每台ERS进行单独测量，测量结果(通过测量天线)数值较低的一个用来代表EUT，我们称其为设备A，用另外一台ERS(设备B)来代表环境，之后用下面一系列的实验来仿真真实的EMC测试。
要想计算导致场强由XdBuV/m增加到YdBuV/m的噪声信号，我们不能简单地对测试数据进行相减得到差值。直接相减两个对数值相当于进行除法，因此对数值应先变换为线性值，即X(lin)= 10(X(log)/20)，再计算差值Z(lin)= X(lin) –Y(lin)，最终再变换为对数值，ZdBuV/m = 20log(Z(lin))。从评估值与实测值的对比中，我们可以看到一致性非常好，比如在380MHz这一点上，利用差分方法得到的评估值与实测值相差在4dB以内，而此时EUT产生的辐射要比环境噪声低15dB，这说明我们采用的方法是非常有效的。在上面的实验中我们使用了两个独立的源，因此信号是没有关联的，就是说相位不是相互锁定的，这也是进行很多EMC应用中要对背景噪声信号进行消除时的真实情况，如果EUT与每一个背景噪声源之间存在相位关联，就意味着在某些频率上合成场会出现涌动，就是说一个253,456,789Hz的噪声信号和一个253,456800Hz的EUT信号混合后会出现211Hz的合成或者说涌动频率，如果使用一个时间常数为550ms的准峰值检波器，显然这些涌动将不会影响合成场。事实上要想区分任何相位的影响，两个频率相差值在几个Hz范围内才有可能，但这是极不可靠的，尤其对于那些超过一定时间段的信号。唯一会对结果有影响的是不稳定的环境噪声，但有一种方法可以用来稳定这种噪声，就是在测量噪声线和同时进行EUT与噪声线测试时采用平均值或峰值保持技术，一般来说，无论采用哪种技术，只要扫描次数达到8次以上，就能获得稳定的结果。此时得到差分结果就是相对干净的只是反应了EUT的辐射。这对于那些有一定时间规律的噪声信号是很有用的，这些信号看起来是EUT的辐射，但通过上述就能被排除掉。
宽带实验
在本次试验中将重复窄带实验中的相应步骤，但使用的是两个宽带的辐射源即York Electromagnetics公司的 CNE(对照噪声发射器)。它们能产生相对平坦的输出频谱是具有较宽带宽的脉动噪声源。每个辐射噪声源射也是先进行单独的测量，然后先打开其中一个设备，再将两个设备同时打开，分别进行测试。差分轨迹当中包含了一系列的达到了负无穷的间隔漂移，看起来像是要对零取对数！导致这种现象的原因是在某些频点上环境噪声与环境噪声加EUT相比几乎一样，甚至还要小。
最后一张图显示了按照窄带实验(橙色轨迹)的方法得到的真实的EUT辐射水平和通过计算得到的差分轨迹的比较，从结果中可以发现，利用窄带实验中的方法无法获得一个粗略评估的EUT辐射水平。显然噪声信号和EUT信号不是像在窄带源中那样相互关联，为尝试进行改进，在进行减法操作时使用电压值而不再使用功率值粉红色的曲线显示了结果是有所改进，但与实际的情况还是有很大偏差。

使用准峰值和平均值检波器也不能取得明显的改进。为尝试解决为什么真实信号和经过处理计算的信号有如此大的差异，在时域里我们将利用接收天线对EUT信号进行实际测试。

很明显的可以发现，这些源具有强烈的脉动特性。通过付利叶分析我们发现，在频域具有一个很平坦的频谱，因此在时域里一定具有瞬变的特性，所以信号在实际中是完全随机的，同我们想象中的噪音源一样。

从中可以看到脉动频率增加了一倍，但峰值幅度没有受到影响，所以利用峰值检波器对于如此强的源也会保持原来的峰值，即不会受任何具有较低水平脉动峰值的影响，这是假定两个源的频谱带宽是相重叠的,如果不是这样要想鉴别EUT的辐射是很容易的事情。对每个波形中信号水平的计算是通过将每一帧中的所有DSO采样数据的绝对值相加得到的。
只考虑环境噪声为0.3696V
源一为3.7744V
源二为3.6467V
两源同时为5.1472V
这说明在时域里信号确实得到了预期的增加。最初我们可能会想利用平均值或准峰值应该可以改进差分技术的性能，事实上不是如此，如果我们仔细的考查一下CISPR16中对平均值和检波器的定义我们就知道原因了。这些检波器的输出是严格的相关于输入脉冲信号的重复频率的，检波器的时间常数是对应于重复频率为10KHz以上，此时检波器的输出相对于一个峰值检波器。换句话说，一旦超过10KHz继续增加重复频率将不会有任何作用。对波形的研究表明有意义的那些脉动信号发生在中等间隔，约为300钠秒，相当于重复频率3.3MHz，大大超过了10KHz。显然通过上述分析说明了我们使用的噪声源的真实性，其他具有不同特性的噪声源可能就不是这样。比如真实情况中的一些噪声源是由主频开关器件(如相角控制器)产生的，它们具有的脉动信号的重复频率约为100或120Hz，引入第二个源将会使得这个重复频率增大一倍，此而导致QP电平增大3dB，平均值电平约增加6dB，理论上说虽然也能使用差分技术，但是系数如相对时间(相对的相角)和占空比会影响最终的结果。
综上所述，我们的实验展示的是真实世界的情况，就是背景噪声和EUT辐射都是宽带的，并具有重叠的频谱，噪声源的特性也是未知的(这是绝对真实的背景情况)，如有可能就不应用任何差分技术。在实际当中，不管怎么说通过采用改进了的差分技术可以被成功的用来检测EUT中常见的宽带辐射，即使是在背景噪声辐射很高的情况下，在这个过程中包含了利用峰值检波器进行平均值扫描的技术。
* 在EUT关机情况下，利用分析仪进行测试，通过多次扫描计算每个频率点的平均电平。
* 当获得结果以后就中止扫描，将获得的数据作为背景。
* 将EUT开机后，重复平均值扫描过程直到获得扫描结果。
* 从两个结果中获取差值。
尽管进行准确测量时，我们不推荐使用这种方法。但在预检测中采用这种技术，仍可以非常好的对EUT的辐射进行评估。
小结：
即使是噪声和EUT辐射源具有不同的信号类型(窄带和宽带)，通过采用不同的措施，进行EUT的测量是有可能的。在窄带/窄带的情况下差分技术可以使用，可以使噪声稳定，即使是对于不稳定的噪声信号采用一些额外的技术也被证明是非常有效的。当环境噪声和EUT辐射都是宽带的时候，测量变得不可靠了，即使是在提供了EUT大致辐射水平的情况下，采用差分技术也会不准确。不管怎么样，在实验中所使用的辐射源的特性可能不是真实世界中典型的情况。但通过实验证明了，即使是在很恶劣的情况下，差分技术可以为预测EUT的辐射提供有用的指导。这利里所说的恶劣情况是指那些常引起宽带辐射具有很低重复频率的噪声。