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，可以保证在足够的灵敏度和分辨信号能力的基础上尽可能缩短扫描时间，提高EMI诊断测试的吞吐率。

图4：扫描过快导致测量结果不准 

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其次是RBW滤波器的选择性被大大改善了。安捷伦的频谱仪使用形状因子，即滤波器-60 dB带宽与-3 dB带宽之比，来衡量RBW滤波器的选择性，这一指标在频谱仪指标手册里都有描述，显然形状因子小的RBW滤波器分辨信号的能力更强。对于传统模拟中频频谱仪，由于受模拟滤波器实现的限制，通常形状因子为12:1，其滤波器形状如图中黑色曲线。使用全数字中频的PSA，其RBW滤波器的形状因子为4.1:1，其滤波器形状如图中蓝色曲线。假设有两个频率间隔很小的干扰信号，它们幅度差别较大，如果使用数字RBW滤波器，则既可以测量到较大的干扰信号，也可以分辨较小的干扰信号。如果使用模拟RBW滤波器，由于其形状因子较大，在大干扰信号激励下形成的滤波器裙带就把小干扰信号湮没了，这时只能通过减小RBW带宽来试图分辨小干扰信号，而减小RBW带宽会使得频谱仪的扫描时间成平方关系变长，测试速度大大变慢。

图5：RBW率滤波器的形状因子

最后，全数字中频技术作为一个颠覆性的技术，使得全数字中频频谱仪在相同的设置下的测试速度比模拟中频频谱仪要快的多。下图是安捷伦传统模拟中频8563E频谱仪与全数字中频PSA频谱仪的测量比较图，可以看到在相同设置下，PSA的测试时间只有8563E的一半。

图6：传统模拟中频与数字中频扫描时间对比 

频谱仪的数据处理
        
数据处理阶段对EMI测试吞吐率的影响不是很大，主要有两个因素会略微影响到测试速度。首先是扫描数据点数的设置，在扫宽、RBW、VBW设置完全相同的情况下，增加数据点数会增加数据处理开销，轻微地降低了测试速度，但这相对于频率分辨率增加来说是完全可以忽略的。其次，在远程测量的情况下选用不同的数据格式也会影响数据处理开销，下图是PSA在8192个扫描数据点的情况下使用REAL,64、REAL,32、INT,32三种不同的数据格式传输数据所需要的时间对比，横坐标是对数坐标。从图中可以看到，由于REAL,64使用64位来表示一个数据点，因此显然传输时间长一些，但在都使用32位表示一个数据点的情况下，REAL,32还是要比INT,32快一些，这是为什么呢？原来PSA内部表示测量数据的原始格式是REAL,32，如果选用了INT,32，那么PSA在数据处理阶段需要花费额外的数据处理开销将REAL,32转换成INT,32再进行传输，图中REAL,32与INT,32两种格式传输时间的差别就来自这一处理开销。因此我们在开发软件进行远程测试的时候，需要查阅频谱仪的说明手册，选用最原始的数据格式可以帮助缩短总的测试时间，实现一款高效的自动测试软件。

图7：数据处理开销对测试时间的影响

频谱仪的数据传输
        
在数据传输阶段，其传输速度取决于需要传输的数据量与传输所用的数据接口，下图是PSA使用不同的扫描点数以及不同的数据接口所需要的数据传输时间。从图中可以看到，扫描点数越少传输时间越短，数据接口速度越快传输时间越短。PSA后面板提供了GPIB、LAN、USB2.0三种数据接口，其中USB2.0数据接口可以大大缩短数据传输时间，当数据量巨大的时候，它对远程测试速度的改善是显著的。

图8：频谱仪数据接口对测量时间的影响

由上面的讨论可知，频谱仪各方面的功能和性能都会影响EMI测试吞吐率，特别是频谱仪的实现结构可以在保证测试精度的同时缩短扫描/测试时间，加快预扫描与诊断测试阶段的测试速度，进而改善整个EMI测试的吞吐率。