輻射騷擾發(fā)射測量數(shù)據(jù)分析

劉 建，董奇峰，郭 雨

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

輻射騷擾發(fā)射是測量被測設(shè)備（EUT）非蓄意產(chǎn)生的、以電磁波的形式向周圍發(fā)射的電磁騷擾信號。測量需要在特定的試驗場地（如開闊試驗場或電波暗室）展開，以頻率范圍30MHz-1GHz（如圖1所示）的測量結(jié)果為例，其結(jié)果圖形是由EUT的載波信號、雜散信號、測試環(huán)境的噪聲和測試系統(tǒng)的噪聲混合組成。關(guān)于環(huán)境噪聲方面的要求，GB/T 9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》中規(guī)定環(huán)境噪聲電平至少比規(guī)定的限值低6dB。在實際的測試系統(tǒng)中，我們通常通過增加低噪放大器和調(diào)節(jié)頻譜儀內(nèi)部的放大器或衰減器來達(dá)到降低噪聲的效果。這些方式在我們實際的操作中，有時奏效，有時卻不能產(chǎn)生相應(yīng)的效果。例如調(diào)節(jié)頻譜儀內(nèi)部放大器增加10dB，在有些時候掃描出來的測量結(jié)果噪聲并不能降低10dB，同樣，我們增加天線后端的放大器增益，有時候也不能降低噪聲。這是什么原因呢？我們可以從噪聲產(chǎn)生的原因和測量輻射騷擾發(fā)射的系統(tǒng)組成來分析。

1 輻射騷擾發(fā)射測試系統(tǒng)組成

輻射騷擾發(fā)射的測量場所可以在開闊場進(jìn)行，也可以在電波暗室內(nèi)進(jìn)行。我們在這里以電波暗室測量環(huán)境為例，整個測試系統(tǒng)包括：電波暗室、轉(zhuǎn)臺、接收天線、天線塔、前置放大器、頻譜分析儀等（如圖2所示）。其中，電波暗室用于隔離外部環(huán)境干擾，天線接收暗室內(nèi)空中電磁波信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號沿著線纜進(jìn)行傳輸，經(jīng)由低噪聲前置放大器傳至暗室外的測試頻譜儀（或接收機(jī)）。暗室外部，電腦軟件讀取頻譜儀上電壓電平，對路徑上的線纜損耗，預(yù)放增益和天線轉(zhuǎn)換因子等路徑損耗進(jìn)行補(bǔ)償處理，得到天線前端的輻射值。將EUT從暗室測量環(huán)境中拿出，我們就得到在引言中提到的環(huán)境電平值。這里提到的環(huán)境電平值實際上是由電波暗室內(nèi)的環(huán)境噪聲和測試系統(tǒng)引入的系統(tǒng)噪聲共同組成的，兩者取其較大值。當(dāng)環(huán)境噪聲高于系統(tǒng)噪聲時，最終結(jié)果顯示的是環(huán)境噪聲的電平值，反之，即為實際的系統(tǒng)噪聲。我們在測試較低的騷擾信號時，常常會因為信號較低而使信號淹沒底噪中，通過增加放大器可以有效增大信號，于此同時又會引入系統(tǒng)的噪聲。那么如何有效的降低引入的系統(tǒng)噪聲并且又能夠測量較低的騷擾信號呢，這個認(rèn)知過程，需要我們從系統(tǒng)的組成元件來定性和定量的分析。

1.1 前置放大器

前置放大器通常位于系統(tǒng)中接收天線后端，其功能主要是對較低的騷擾信號進(jìn)行放大，使得其不會因為線纜衰減而淹沒在噪聲中。放大器有兩個主要參數(shù)：噪聲系數(shù)NF和增益Gamp，為了更好的說明前置放大器的功能，首先介紹一下噪聲系數(shù)的概念。

噪聲系數(shù)用來表征單一電路或系統(tǒng)的噪聲特性，是輸入信號噪聲功率比（Psi/Pni）與輸出信號噪聲功率比（Pso/Pno）的比值，其表達(dá)式為

圖1 輻射騷擾發(fā)射結(jié)果（30MHz-1GHz）

圖2 輻射騷擾發(fā)射測試系統(tǒng)組成

式中，Psi是輸入信號功率；Pni是輸入噪聲功率；Pso是輸出信號功率；Pno是輸出噪聲功率。

根據(jù)式（1），可得到噪聲系數(shù)分貝數(shù)表示式

將式（2）進(jìn)一步分析可得

放大器噪聲輸出的倍數(shù)Gnoise（分貝數(shù)表示）等于放大器增益加上該放大器的噪聲系數(shù)，即放大器不僅將輸入噪聲放大而且還會引入放大器自身的噪聲導(dǎo)致輸出端口的信噪比降低，降低的數(shù)值等于放大器的噪聲系數(shù)。假設(shè)我們使用的前置放大器增益為33dB，其噪聲系數(shù)為4dB，那么噪聲放大倍數(shù)就是37dB，前置放大器的接入不僅放大了信號，同時也引入了新的噪聲信號。

1.2 頻譜分析儀

頻譜分析儀是測量輻射騷擾發(fā)射的主要儀器，目前頻譜分析儀主要有兩類，快速傅里葉變換型頻譜分析儀和掃頻超外差型頻譜分析儀?？焖俑道锶~變換型頻譜分析儀能夠測量信號的幅度、相位等，但是頻率測量范圍和頻率分辨率比較有限，而掃頻超外差型頻譜分析儀具有較寬的頻率測量范圍、較大的測量幅度動態(tài)范圍、較高的頻率分辨率，所以對于實驗室電磁兼容測量主要使用掃頻超外差頻譜分析儀。其主要由以下幾個部分組成：衰減器、預(yù)選濾波器器、內(nèi)置放大器、混頻器、中頻放大器、中頻濾波器、對數(shù)放大器、包絡(luò)檢波器、視頻濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、顯示器、掃頻控制器、本地振蕩器、參考振蕩器等，詳見圖3掃頻超外差型頻譜分析儀結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 掃頻超外差型頻譜分析儀結(jié)構(gòu)框圖

掃頻超外差型頻譜分析儀（以下簡稱頻譜儀）的三個重要指標(biāo)：幅度動態(tài)范圍、頻率分辨率和靈敏度，都與頻譜儀的熱噪聲有非常密切的聯(lián)系。該噪聲稱為顯示平均噪聲電平（Displayed Average Noise Level，DANL），是未加輸入信號時頻譜儀的熱噪聲電平，也就是本底噪聲。熱噪聲（thermal noise）的產(chǎn)生是由于電路內(nèi)電荷載流子不規(guī)則的熱運動造成的，它覆蓋全部頻譜范圍，是高斯分布函數(shù)，屬于白噪聲的一種。測試系統(tǒng)的熱噪聲影響主要和環(huán)境溫度有關(guān)。

其理論的量值公式為：

N=kTB（4）

式中，k是玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）；T是絕對溫度，單位開爾文K；B是對應(yīng)的測量帶寬，單位赫茲Hz。可見，熱噪聲功率跟溫度和帶寬有關(guān)，那么室溫（290K）條件下，在頻譜儀的輸入端口外接50歐姆阻----抗負(fù)載，根據(jù)式4可以得到頻譜分析儀測量帶寬為1Hz時的輸入噪聲功率，也就是歸一化的輸入噪聲功率Nin=-174dBm/Hz。

我們知道頻譜儀的輸入信號和顯示的測量信號是相等的，根據(jù)噪聲系數(shù)計算公式（1）可推算出頻譜儀的噪聲系數(shù)（分貝數(shù)表示）

進(jìn)一步簡化可得

式中，Pin是頻譜儀的輸入信號功率；Pdisplay是頻譜儀的輸出信號功率（即顯示屏上的信號功率），與Pin相等；Nin是頻譜儀的輸入噪聲功率；Ndisplay是頻譜儀的輸出噪聲功率（即顯示屏上的噪聲功率）。當(dāng)測量特定帶寬的噪聲功率時，式（6）又可演變?yōu)?/p>

式中，Nm是測量的噪聲功率；RBW是測量分辨率帶寬。

當(dāng)衰減器=0dB，內(nèi)置放大器=0dB時，測得的100kHz分辨率帶寬的噪聲功率為-105dBm，那么

上式得到的頻譜儀的噪聲系數(shù)是19dB，意味著輸入信號要高于輸入噪聲至少19dB才可以被頻譜儀檢測出來，否則就淹沒在頻譜儀的本底噪聲之中，頻譜儀的靈敏度表明了此頻譜儀測量小信號的能力。

2 測試系統(tǒng)的噪聲系數(shù)

測試系統(tǒng)中的放大器元件主要有前置放大器和頻譜儀中的元件組成。其級聯(lián)后，放大器的總噪聲系數(shù)的計算方法如下：

式中，NF1，NF2，NF3……是第1，2，3……級的噪聲系數(shù)；Bn1，Bn2，Bn3……是第1，2，3……級的噪聲帶寬；Bn是總的噪聲帶寬；G1，G2，G3……是第1，2，3……級的增益。

我們假設(shè)噪聲帶寬相同，即Bn1=Bn2=Bn3=……=Bn，那么總的噪聲系數(shù)表達(dá)式可簡化為

從式（9）可以看出，多級級聯(lián)的放大器噪聲系數(shù)在增益比較大的情況下接近第一級放大器的噪聲系數(shù)，所以第一級放大器的噪聲系數(shù)大小至關(guān)重要。因此，若想降低頻譜儀的噪聲系數(shù)可以通過在輸入端前增加一個低噪聲系數(shù)、高增益的前置放大器來實現(xiàn)，這樣由前置放大器和頻譜儀組成了一個多級級聯(lián)的系統(tǒng)。

假設(shè)前置放大器的增益為Gpre，噪聲系數(shù)為NFpre，頻譜儀的噪聲系數(shù)為NFs，整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為NFsys，根據(jù)式（9）可得

如果NFpre+Gpre＞NFs+10 dB，那么NFsys≈NFpre，這個我們也可以通過計算得到，已知Gpre=33dB，NFpre=4dB，NFs=19dB，都是以分貝數(shù)表示，先將它們換算成十進(jìn)制數(shù)，然后代入式（10）內(nèi)，就可計算出系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為4.05dB。也就是說通過增加前置放大器，將頻譜儀的噪聲系數(shù)降低了大約15dB，輸入系統(tǒng)的信號只需比輸入噪聲高4dB就可以被檢測出來，頻譜儀的靈敏度改善了15dB。

3 測試系統(tǒng)和單頻譜儀性能對比分析

為了更直觀地說明加入前置放大器后整個系統(tǒng)的參數(shù)及性能變化，繪制了頻譜儀與前置放大器組成系統(tǒng)后性能的變化示意圖，詳見圖4所示。圖中分為兩部分：左半部分是單獨一個頻譜儀，右半部分是頻譜儀和前置放大器組成的系統(tǒng)。為方便討論，此圖以100kHz的分辨率帶寬為例。

根據(jù)式（1）計算可得100kHz分辨率帶寬的噪聲功率為-124dBm，也就是圖中作為下限的值，前面已經(jīng)提到此分辨率帶寬下頻譜儀顯示的本底噪聲是-105dBm，頻譜儀標(biāo)稱的直通1dB壓縮點是+15dBm，所以對應(yīng)的動態(tài)范圍就是120dB。如果在頻譜儀輸入端加入兩個頻點相近、功率不同的信號A和B，由于頻譜儀的噪聲系數(shù)為19dB，增益為0dB，所以頻譜儀上只能顯示出A信號，而B信號則被淹沒在噪聲中。此時頻譜儀靈敏度和顯示平均噪聲電平是統(tǒng)一的，即-105dBm。

再看右半部分，由頻譜儀和前置放大器組成的系統(tǒng)噪聲系數(shù)約等于4dB，此時我們可以將系統(tǒng)比作一個噪聲系數(shù)為4dB、增益為33dB的放大器，那么根據(jù)上述內(nèi)容，即放大器不僅將輸入噪聲放大，而且還會引入噪聲系數(shù)大小的自身熱噪聲，所以如果輸入系統(tǒng)的信號功率與輸入噪聲功率相比，信號功率大小沒有超過噪聲4dB以上，就會被系統(tǒng)噪聲淹沒。例如前置放大器輸入端口有兩個頻點相近、功率不同的信號C和D。經(jīng)過系統(tǒng)之后，噪聲功率放大了37dB，而信號只放大了33dB，所以頻譜儀上只顯示C信號，而D信號則被淹沒在噪聲中。頻譜儀的靈敏度和顯示平均噪聲電平因為前置放大器的原因就不再是統(tǒng)一的了，同時也是因為前置放大器的存在導(dǎo)致輸入頻譜儀的信號功率變大了，所以系統(tǒng)的1dB壓縮點變小了。這樣，系統(tǒng)的動態(tài)范圍就由原來的120dB縮小到102dB。

前置放大器可以提高靈敏度，但也犧牲了部分動態(tài)范圍。

頻譜儀的內(nèi)置放大器的作用跟外置放大器是一樣的，只是少了外部鏈路，當(dāng)同時使用外部前置放大器和內(nèi)置放大器時，可以利用多級放大器級聯(lián)的概念來分析，分析過程跟連接單個前置放大器過程一樣。

圖4 頻譜儀與前置放大器組成系統(tǒng)后性能的變化

4 測試系統(tǒng)和單頻譜儀本底噪聲對比

通過前面幾部分的介紹，所謂的本底噪聲就是特定分辨率帶寬下的噪聲功率水平，那不同分辨率帶寬的噪聲之間存在怎樣的關(guān)系，假設(shè)N1為B1帶寬的噪聲，N2為B2帶寬的噪聲，由式（1）表示：

則 N1|dB-N2|dB=10 lg（kTB1）-10 lg（kTB2）=10 lg（B1/B2）

如果B1是B2的10倍，那么N1就比N2大10dB。如圖5所示。

圖5 不同分辨率帶寬時的本底噪聲

在頻譜儀結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部第一個器件就是衰減器，它是用來保護(hù)混頻器，防止輸入大信號使其產(chǎn)生壓縮失真或過載的器件，當(dāng)輸入頻譜儀的信號高于1dB壓縮點時，頻譜儀通過衰減器將信號幅度降低，它是可調(diào)大小的衰減器，并且跟混頻器后面的中頻放大器是聯(lián)動的，以保證測量信號大小不變，但是會影響本底噪聲。

對于單頻譜儀來說，情況比較簡單，當(dāng)信號通過衰減器后，信號變小的同時底噪大小沒有變化，信噪比變小，之后中頻放大器將信號恢復(fù)到原來大小的時候也將底噪一起提高，導(dǎo)致衰減器倍數(shù)越大，底噪也就越高，靈敏度越差，如圖6所示。另一種情況是頻譜儀和前置放大器組成的系統(tǒng)，由圖4可知系統(tǒng)中頻譜儀的DANL（后面稱系統(tǒng)的DANL）比單頻譜儀的DANL高18dB，當(dāng)衰減器由0dB增加到10dB時，輸入的信號和噪聲都減小10dB，系統(tǒng)的DANL仍比頻譜儀的DANL高8dB，也就是說此時信噪比沒有變化，所以當(dāng)中頻放大器工作時，底噪也沒有變化。衰減器由10dB增加到20dB時，信號和噪聲都減小20dB，系統(tǒng)的DANL 不再高于頻譜儀的DANL，信噪比減小2dB，那么中頻放大器放大信號時，底噪也提高2dB。之后衰減器每增加10dB，底噪就相應(yīng)提高10dB，靈敏度惡化10dB。如圖7所示。

圖6 不同衰減倍數(shù)時頻譜儀的本底噪聲

5 測量數(shù)據(jù)分析

前面幾部分我們討論了測試系統(tǒng)的基本參數(shù)和原理，那么實驗室如何測量EUT的數(shù)據(jù)呢?首先確定測量過程，接收天線將場強(qiáng)值轉(zhuǎn)換為電壓值，前置放大器將接收天線的輸出信號放大，頻譜儀將前置放大器輸出的信號測量并顯示在屏幕上。然后我們得到一個數(shù)學(xué)模型，E=Vr+Lc-Gpre+AF；其中E是場強(qiáng)值（單位dBμV/m），Vr是頻譜儀測量值（單位dBm），Lc是線路衰減（單位dB），Gpre是前置放大器增益（單位dB），AF是天線因子（單位1/m），功率和電壓值關(guān)系式是dBμV=dBm+107。

圖7 系統(tǒng)中不同衰減倍數(shù)時頻譜儀的本底噪聲

EUT的輻射騷擾信號在頻譜上是非連續(xù)的，頻譜上其他部分由本底噪聲補(bǔ)充，在對信號進(jìn)行數(shù)值運算的時候，本底噪聲也隨著進(jìn)行了計算，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)中本底噪聲趨勢跟天線因子趨勢相同，如圖8和圖9所示。圖8中的三條線從下往上依次是RBW=10kHz、RBW=100kHz、RBW=1MHz的測量數(shù)據(jù)，其中45MHz是EUT的非蓄意發(fā)射信號，其余為本底噪聲。圖9中的四條線從下往上依次是Att=0dB和10dB、Att=20dB、Att=30dB、Att=40dB的測量數(shù)據(jù)，Att=10dB和Att=20dB的數(shù)據(jù)比較接近的原因在上一部分已經(jīng)講過了，就不再贅述了。

圖8 不同分辨率帶寬的測量數(shù)據(jù)

圖9 不同衰減倍數(shù)時系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

綜上所述，我們可以看到最終的測量數(shù)據(jù)跟很多因素有關(guān)：天線因子大小，前置放大器增益大小，衰減器大小，分辨率帶寬大小等，也知道了為什么有時候增加多級放大器并不能降低本底噪聲，反而容易導(dǎo)致頻譜儀過載。為了減小各個實驗室及人員差異造成的偏差，所以標(biāo)準(zhǔn)化了測量過程，但標(biāo)準(zhǔn)只對分辨率帶寬提出了統(tǒng)一要求，對其他幾項并未規(guī)定，這就需要根據(jù)實際情況結(jié)合本文論述的內(nèi)容選擇合適的參數(shù)。