CN101701986B - 电子设备电磁辐射干扰预测试诊断系统及其方法 - Google Patents

电子设备电磁辐射干扰预测试诊断系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电子设备电磁辐射干扰预测试诊断系统，其特征在于：它包括数据采集模块、干扰源诊断定位模块、环境噪声剔除模块和虚拟时频分析仪；所述的数据采集模块、干扰源诊断定位模块和环境噪声剔除模块分别与虚拟时频分析仪相联接，虚拟时频分析仪实现数据采集模块的驱动、干扰源诊断定位模块和环境噪声剔除模块的调用以及时域波形和频谱的监测显示。本发明还公开了电子设备电磁辐射干扰预测试诊断方法，利用LabView虚拟仪器平台和Matlab编程环境开发系统软件实现信号的预测试和诊断。本发明可在普通测试场地条件下进行电子设备电场辐射干扰的预测试诊断；自动化和便携化程度高，简单易用且降低了成本。

Description

电子设备电磁辐射干扰预测试诊断系统及其方法
技术领域
本发明属于电磁兼容性测试技术领域，具体涉及一种适用于非标准环境下的电子设备电磁辐射干扰预测试诊断系统。
背景技术
电子设备在出厂前必须通过国家指定机构的电场辐射干扰标准符合性测试和认证，我国相关标准对电子设备电场辐射干扰测试场地和测试方法等内容都提出了明确的要求，是将测量设备连同受试设备同时置于屏蔽暗室内，避免环境噪声对测量的影响，以有效获取受试设备的电磁兼容性数据。然而，屏蔽暗室等标准测试场地和专用仪器仪表的造价相当昂贵，使大多研制单位在设备设计研制过程中并不具备对其电磁兼容性能进行预测试、诊断和控制的能力，往往是设备成型或即将出厂的时候才到指定机构对其开展电磁兼容测试和认证，测试出现问题特别是比较严重的电磁兼容故障后，大大耗费了设备研制周期和经费。如果在普通非标准场地开展电子设备电磁辐射预测试，势必受到环境噪声的影响。
目前我国针对辐射发射预测试的环境噪声剔除方法主要是全频段求差法，具体做法是：(1)在被测设备断电情况下，选择合适的频率范围进行扫描并产生环境噪声测试频谱，并将所扫频段范围内的所有频率点及其幅度值在电磁环境电平列表中记录下来；(2)在被测设备通电开启的情况下，再进行测试并将结果记录下来，所记录的信号包含环境噪声和被测设备辐射发射信号，是混合信号；(3)将第二步中所得信号减去第一步的信号，得到求差后的测试曲线，为剔除了电磁环境电平影响的被测设备辐射发射信号。
上述剔噪方法虽然简单便捷，但有三个明显的缺陷：(1)无法剔除白噪声，甚至会导致白噪声幅度增加，淹没被测设备辐射信号；(2)不同时间段内环境噪声和设备辐射信号会发生突发性改变，无法靠相减抵消环境噪声和复现设备辐射信号；(3)环境噪声与被测设备存在频率重叠且淹没被测设备信号时，采用求差法会使设备辐射信号丢失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一套电子设备电磁辐射干扰预测试诊断系统及其方法，能够在普通非标准场地更准确、更方便的进行电子设备电磁辐射预测试。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：电子设备电磁辐射预测试诊断系统，其特征在于：它包括数据采集模块、干扰源诊断定位模块、环境噪声剔除模块和虚拟时频分析仪；所述的数据采集模块、干扰源诊断定位模块和环境噪声剔除模块分别与虚拟时频分析仪相联接，虚拟时频分析仪实现数据采集模块的驱动、干扰源诊断定位模块和环境噪声剔除模块的调用以及时域波形和频谱的监测显示。
按上述方案，所述的干扰源诊断定位模块、环境噪声剔除模块和虚拟时频分析仪均通过计算机实现；所述的数据采集模块通过PCI接口总线联接到计算机。
按上述方案，所述的干扰源诊断定位模块和环境噪声剔除模块采用Matlab编程环境实现的；所述的虚拟时频分析仪利用LabView虚拟仪器平台实现的。
按上述方案，所述的数据采集模块包括双通道数据采集卡、测试天线和同轴电缆，同轴电缆将测试天线检测的信号传输给双通道数据采集卡。
按上述方案，所述的测试天线和同轴电缆均为相同类型的两副，两副同轴电缆的长度相等。
电子设备电磁辐射预测试诊断方法，其特征在于：它包括以下几个步骤：
将两副同轴电缆联接到数据采集卡接口，并将数据采集卡与计算机PCI总线接口相联接；
根据测试频率选择两副测试天线与所述同轴电缆相联接；
将一副天线置于距待测电子设备90-110cm的地方，另一副天线置于距待测电子设备10-20m的地方；
开启计算机，运行虚拟时频分析仪，自检；
设置测试参数，系统校准；
待测电子设备开机，采集双通道时域波形数据，在虚拟时频分析仪上显示、监控；
通过虚拟时频分析仪调用环境噪声剔除模块对两路时域波形开展相关性噪声抵消，提取设备辐射发射信号；
通过虚拟时频分析仪调用干扰源诊断定位模块进行故障诊断分析；
通过虚拟时频分析仪调用标准曲线和天线增益修正系数进行频谱分析与超标点提取；
数据存储。
按上述方案，所述的环境噪声剔除模块和干扰源诊断定位模块通过Matlab编程环境实现的；所述的虚拟时频分析仪利用LabView虚拟仪器平台实现的。
按上述方案，虚拟时频分析仪实现数据监控和对环境噪声剔除软件、干扰源诊断定位软件的调用方法为：Functions Pallets——Mathematics——Formula——Matlab Script，打开MatlabScript节点，即可进行操作。
按上述方案，所述的环境噪声剔除模块采用自适应噪声抵消算法，以噪声干扰为处理对象，把自适应噪声抵消数学模型的原始输入端作为被测信号叠加环境噪声输入端口，把参考输入端作为噪声干扰端口，由横向滤波参数调节将环境噪声抑止掉或进行非常大的衰减，以提高信号传递和接收的信噪比质量，输出端就是被测设备的电场辐射信号。
按上述方案，所述的干扰源诊断定位模块采用小波分析法，首先用不同尺度小波变换寻找超标信号的频率，进而用不同位移因子寻找某些频率的发生时间，以确定何种干扰源产生了超过标准的电场辐射。
本发明的工作原理为：信号被采集至时频分析仪时，会附加上不相关噪声n0，合并的信号s+n0从靠近待测电子设备的天线输入，远离待测电子设备的天线接收到噪声n1，它与信号不相关，但是与n0有相关性，n1经过滤波产生的输出y与n0极为相似，这个y被从原始输入s+n0中减去，得到系统输出s+n0-y。调节自适应滤波器参数，使其输出能量最小化，这等价于使输出误差ε为信号s的最小方差估计，从而达到去除噪声的目的。
本发明的有益效果为：1、可在普通测试场地条件下进行电子设备电场辐射干扰的预测试诊断，为设备单位在研制设备过程中及时发现电磁兼容问题提供技术手段；2、自动化和便携化程度高，简单易用且降低了成本；3、采用虚拟仪器技术，增强了各系统模块间的互补性和协同性，有利于系统功能的拓展和改进，可推广应用至传导型电磁干扰等其它类型的电磁干扰预测试诊断。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图
图2为本发明一个实施例的流程图
图3为自适应噪声抵消原理图
图4为环境噪声剔除效果图
图5为多分辨率对空间的划分示意图
图6为干扰源诊断定位效果图
图7为虚拟时频分析仪主界面
具体实施方式
图1为本发明一个实施例的结构示意图，电子设备电磁辐射预测试诊断系统，包括数据采集模块、干扰源诊断定位模块、环境噪声剔除模块和虚拟时频分析仪；所述的数据采集模块、干扰源诊断定位模块和环境噪声剔除模块分别与虚拟时频分析仪相联接，虚拟时频分析仪实现数据采集模块的驱动、干扰源诊断定位模块和环境噪声剔除模块的调用以及时域波形和频谱的监测显示。其中干扰源诊断定位模块、环境噪声剔除模块和虚拟时频分析仪均通过计算机实现；数据采集模块通过PCI接口总线联接到计算机。
数据采集模块包括双通道数据采集卡、测试天线和同轴电缆，同轴电缆将测试天线检测的信号传输给双通道数据采集卡。测试天线感和同轴电缆均为两副，且两副同轴电缆长度相等，均为20米；测试天线视待测频率而定，若待测频率处于10kHz-30MHz频段(含30MHz)，则选用杆天线，若待测频率处于30MHz-100MHz频段(不含30MHz)，则选用双锥天线。
电子设备电磁辐射预测试诊断方法，其流程图如图2所示。
1)将待测设备置于非标准环境下，视其频率要求选用测试天线，将测试天线、同轴电缆、双通道数据采集卡和计算机联接好。
2)采用相同类型的两副测试天线分别通过两副20米长的同轴电缆将接收到信号传送给双通道数据采集卡，保证两路通道信号的衰减相同；其中一副置于距待测电子设备1m远的地方，另一副置于距待测电子设备20m远的地方。
3)虚拟时频分析仪接收数据采集卡采集到的两路时域信号，信号显示区可以显示原始时域信号、原始频域信号、去噪时域信号和去噪频域信号，并可根据需求对监测信号的模式加以调整，如线性显示、对数显示、峰值显示以及均值显示等等，通道控制可采用LabView条件判断语言实现，设两路通道分别为A通道(距待测电子设备1m远的测试天线所在通道)和B通道(距待测电子设备20m远的测试天线所在通道)，将A通道设为条件判断“0”，将B通道设为条件判断“1”，将A、B通道同时监测设为条件判断“2”，通过前面板的通道选择按钮实现可选模式下的双通道同步监测。
4)环境噪声剔除模块采用自适应噪声抵消算法，以噪声干扰为处理对象，把自适应噪声抵消数学模型的原始输入端作为被测信号叠加环境噪声输入端口，把参考输入端作为噪声干扰端口，由横向滤波参数调节将环境噪声抑止掉或进行非常大的衰减，以提高信号传递和接收的信噪比质量，输出端就是被测设备的电场辐射信号。其原理为：信号被采集至时频分析仪时，会附加上不相关噪声n0，合并的信号s+n0从A通道输入，噪声n1从B通道输入，它与信号不相关，但是与n0有相关性，n1经过滤波产生的输出y与n0极为相似，这个y被从原始输入s+n0中减去，得到系统输出s+n0-y。调节自适应滤波器参数，使其输出能量最小化，这等价于使输出误差ε为信号s的最小方差估计，从而达到去除噪声的目的。此外，利用高斯白噪声分布处处具有奇异性，且具有负的Lipschitz指数，通过小波分析和优化均方差，平滑去噪后的信号，具体原理图如图3所示。去噪后的效果如图4所示，从图中可以看到输出信号比测量信号平滑。
5)干扰源诊断定位模块采用小波分析法，首先用不同尺度小波变换寻找超标信号的频率，进而用不同位移因子寻找某些频率的发生时间，以确定何种干扰源产生了超过标准的电场辐射。其原理是将多分辨分析和小波变换结合在一起，提出了离散信号系数分解与重建的诊断算法。从某一分频率出发，可以求出信号在更粗的分辨率上的所有离散近似。可以将信号分解成不同的频段，当信号的频率满足奈奎斯特要求时，归一频带(信号频率×采样时间)将限制在(-π，π)之间。若只考虑正频率范围，信号的频带(0，π)定义为空间V0，分别用理想低通滤波器和高通滤波器L0和H0将它分解成两个子空间：频带为0～π/2的低频子空间和π/2～π的高频子空间，分别反映了信号的概况和细节，处理后两路输出因频带不交叠必定正交。类似的过程可以重复进行，即每一次分解把该级输入信号分解成一个粗略逼近和一个高频细节，而且每级分解采用频率减半，这就是将原始信号进行多分辨率分解，可表示为：
V 0 = V 1 ⊕ W 1 , V 1 = V 2 ⊕ W 2 , . . . V j + 1 = V j ⊕ W j
式中V1代表频带为0～π/2的低频子空间，W1代表π/2～π的高频子空间；V2代表频带为0-π/4的低频子空间；W2代表π/4-π/2的高频子空间；以此类推。其中j视工程分析需求而定，一般j≤8。
由于两路输出的带宽均减半，但带通信号采样率取决于信号带宽，而不取决于其频率上限，因此采样频率可以减半而不至造成信息丢失。
图5为多分辨率对空间的划分示意图，这些子空间有以下特性： V 0 ⊃ V 1 ⊃ V 2 .
Figure G2009102725442D00054
表示直和，图中符号表示对离散信号的二抽取，新的序列长度将缩减一半。由于两路输出的带宽均减半，因此采样频率可以减半而不至引起信息的丢失。
图6为干扰源诊断定位效果图，其中上图为诊断前的波形，下图为诊断后的波形，可以很清楚的看到突发干扰信号的发生时间。
6)在虚拟时频分析仪中通过快速傅立叶变换(FFT)将剔噪后的时域信号转换为频谱，并通过与标准限值对比判断是否超限。
图7为虚拟时频分析仪主界面，图中指出了限值比较与超标报警功能。
7)根据超标频率调用突发干扰源诊断定位软件，诊断干扰源类型和起始时间。考虑测试天线增益的不同导致的测试误差，根据天线增益系数求得每个离散频点的插值，对差别进行补偿。当把频率对数化之后，每个离散频率间隔内的增益系数Sj与对数化的频率间隔Δlgf是成线性关系的，即
S i - S i - 1 lg f i - lg f i - 1 = S j - S j - 1 Δlgf
在此基础上，通过循环嵌套计算，求得每个插值Sj。式中，Sj和fi分别为增益系数表中提供的已知频率及其对应的增益值。
表1：天线A增益系数表
  序号/i   频率/f(Hz)   增益系数/S(dB)
  1   10k   20
  2   1M   16
  3   5M   14
  4   8M   18
  5   15M   22
  6   25M   15
  7   30M   19
表2：天线B增益系数表
  序号/i   频率/f(Hz)   增益系数/S(dB)
  1   10k   18
  2   1M   15.5
  3   5M   14.8
  4   8M   17
  5   15M   14
  6   25M   15
  7   30M   19

Claims (7)

1.电子设备电磁辐射预测试诊断系统，其特征在于：它包括数据采集模块、干扰源诊断定位模块、环境噪声剔除模块和虚拟时频分析仪；所述的数据采集模块、干扰源诊断定位模块和环境噪声剔除模块分别与虚拟时频分析仪相联接，虚拟时频分析仪实现数据采集模块的驱动、干扰源诊断定位模块和环境噪声剔除模块的调用以及时域波形和频谱的监测显示；
所述的干扰源诊断定位模块、环境噪声剔除模块和虚拟时频分析仪均通过计算机实现；所述的数据采集模块通过PCI接口总线联接到计算机；
所述的数据采集模块包括双通道数据采集卡、测试天线和同轴电缆，同轴电缆将测试天线检测的信号传输给双通道数据采集卡，双通道数据采集卡为基于PCI总线的数据采集卡并与所述的计算机相联接；
所述的测试天线和同轴电缆均为相同类型的两副，两副同轴电缆的长度相等。
2.根据权利要求1所述的电子设备电磁辐射预测试诊断系统，其特征在于：所述的干扰源诊断定位模块和环境噪声剔除模块采用Matlab编程环境实现的；所述的虚拟时频分析仪利用LabView虚拟仪器平台实现的。
3.电子设备电磁辐射预测试诊断方法，其特征在于：它包括以下几个步骤：
将两副长度相等的同轴电缆联接到数据采集卡接口，并将数据采集卡与计算机PCI总线接口相联接；
根据测试频率选择两副相同类型的测试天线分别与所述两副同轴电缆相联接；
将一副天线置于距待测电子设备90-110cm的地方，另一副天线置于距待测电子设备10-20m的地方；
开启计算机，运行虚拟时频分析仪，自检；
设置测试参数，系统校准；
待测电子设备开机，采集双通道时域波形数据，在虚拟时频分析仪上显示、监控；
通过虚拟时频分析仪调用环境噪声剔除模块对两路时域波形开展相关性噪声抵消，提取设备辐射发射信号；
通过虚拟时频分析仪调用干扰源诊断定位模块进行故障诊断分析；
通过虚拟时频分析仪调用标准曲线和天线增益修正系数进行频谱分析与超标点提取；
数据存储。
4.根据权利要求3所述的电子设备电磁辐射预测试诊断方法，其特征在于：所述的环境噪声剔除模块和干扰源诊断定位模块通过Matlab编程环境实现的；所述的虚拟时频分析仪利用LabView虚拟仪器平台实现的。
5.根据权利要求4所述的电子设备电磁辐射预测试诊断方法，其特征在于：虚拟时频分析仪实现数据监控和对环境噪声剔除软件、干扰源诊断定位软件的调用方法为：Functions Pallets——Mathematics——Formula——Matlab Script，打开Matlab Script节点，即可进行操作。
6.根据权利要求4所述的电子设备电磁辐射预测试诊断方法，其特征在于：所述的环境噪声剔除模块采用自适应噪声抵消算法，以噪声干扰为处理对象，把自适应噪声抵消数学模型的原始输入端作为被测信号叠加环境噪声输入端口，把参考输入端作为噪声干扰端口，由横向滤波参数调节将环境噪声抑止掉或进行非常大的衰减，以提高信号传递和接收的信噪比质量，输出端就是被测设备的电场辐射信号。
7.根据权利要求4所述的电子设备电磁辐射预测试诊断方法，其特征在于：所述的干扰源诊断定位模块采用小波分析法，首先用不同尺度小波变换寻找超标信号的频率，进而用不同位移因子寻找某些频率的发生时间，以确定何种干扰源产生了超过标准的电场辐射。
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