脉冲发生器标定方法的比较

本文总结了各种校准脉冲发生器的方法，这些方法用于校准带准峰值(QP)探测器的电磁干扰接收机和频谱分析仪。带有准峰值(QP)探测器的测量接收器主要在欧洲CISPR文件(CISPR - comit国际spacei des摄动Rádioélectriques)和美国标准ANSI 63.2(源自CISPR的QP部分)中进行了讨论。在过去的几年里，标准正在协调(国际和国家标准委员会)和更新，以反映当前的技术状况。脉冲发生器的校准在标准EN 55016-1-1[1]中进行了讨论，该标准是国际标准IEC/CISPR 16-1-1的协调版本(目前版本为4[2]，但该版本尚未在欧洲国家进行协调，很可能即将到来的版本5将在2020年进行协调)。([1]的附件B讨论了脉冲发生器频谱的确定，附件C讨论了纳秒脉冲发生器输出的精确测量。)在标准[1]中，只给出了对这些方法的非常简短的描述，并且隐藏了技术细节。没有讨论脉冲发生器特性的测量不确定度。

各种标准(以及同一标准的不同版本)中的术语有时不是唯一的和令人困惑的，然而，所有用于表征脉冲发生器的量都有尺寸单位[V/Hz]或其数学等效。表1列出了用于QP探测器校准的不同数量。

表1。用于表征脉冲发生器的量。

脉冲发电机

根据[1]，脉冲发生器是一种能够产生时域矩形脉冲或脉冲调制射频信号的仪器。矩形脉冲通常用于较低频率(频带A/B)，脉冲调制射频信号用于较高频率(频带C/D)，因为高峰值电压有损坏接收器的风险，见表1。2。在测量接收机时，为了限制互调效应，应限制频段上限以上的频谱[1](在上限频率的两倍处下降10 dB)。基带脉冲发生器通常由能量存储装置(静电、磁场)和开关组成，开关将部分或全部能量释放到负载中。

在过去，开关是使用机械汞继电器实现的，在目前的设计中，汞继电器被其他机械原理取代或使用固态半导体开关。通常，存储设备是带电的同轴线路，而脉冲持续时间由线路的电长度决定，脉冲面积由充电电压决定。带电传输线不允许非常快的上升沿，因此目前使用其他原理，如非线性传输线，步进恢复二极管或雪崩晶体管。矩形脉冲参数的例子见表1。2矩形脉冲的频谱如图1所示。1。

表2。矩形脉冲参数的例子。

图1所示。矩形脉冲的典型频谱。

脉冲调制射频发生器使用带有脉冲包络的谐波信号。频谱类似于矩形脉冲(上变频到载波频率)f_c)，频谱最大值为f_c。频谱在给定带宽内是均匀的，这意味着与基带脉冲发生器相比，持续时间较长的脉冲可以以较低的幅度使用(测量接收器损坏的风险较低)。时域信号及其频谱示意图如图2所示。

图2。脉冲调制射频脉冲在时域(左)和频域(右)。

谱幅计算如下

在哪里峰值脉冲振幅和T为脉冲持续时间。通常，频谱在载波频率周围不是完全对称的(见图2右)，然而，在载波频率周围的窄频带和脉冲中RF载波的bbb15周期内，频谱不对称性可以忽略不计。从射频功率和脉冲持续时间可以计算出载波频率处的频谱幅值。表3给出了射频脉冲参数的一个示例。

表3。射频脉冲参数示例

通过对Schwarzbeck公司生产的CISPR脉冲发生器IGUU2916的标定，演示了本文提出的标定方法。不。IGUU2916164(基带脉冲发生器，在项目实验室间比较中表征，活动A3.1.2)。生成器如图3所示。比较了几种方法，从测量不确定度、可行性和所需仪器等方面选择了最佳方法。

图3。CISPR脉冲发生器Schwarzbeck IGUU 2916.

校准方法

脉冲发生器可以用几种方法来表征。本文采用IGUU2916发电机的主发电机A/B波段或主发电机C/D波段输出(参见3.1、3.2和3.3节)，辅助发电机A/B/C/D波段输出(参见3.4节)。极性始终为(+)，主发电机幅值始终为60 dBμV。辅助发生器的幅值为40 dBμV(最大可用幅值)。脉冲重复率随频带变化。在EN 55016-1-1 (CISPR 16-1-1)中，有开路和50 Ω负载的典型发电机的指定脉冲面积，见表4。本文的数值对应于测量的频谱幅值(从脉冲面积计算)成50 Ω标称负载。

表4。EN 55016-1-1标准中规定的不同频段发生器的脉冲面积。

时域脉冲波形的傅里叶变换

频谱幅度是通过使用示波器直接采集脉冲发生器输出电压并转换到频域来确定的。为此，可以使用数字实时示波器(DRTO)或等效时间采样示波器(DSO)。该方法适用于基带脉冲发生器;它既简单又省时。必须对电缆(衰减器)特性和示波器传递函数进行校正。DRTO直接触发被测量的脉冲。由于现代模数转换器的非线性特性和传递函数校正，DRTO的可追溯性变得复杂。DSO需要一个外部触发信号，该信号通常来自于被测信号本身(大约为1 / 3)。使用20ns延迟线)。测量可追溯到电光采样系统。 A general diagram of the measurement setup using the DRTO and DSO is shown in Figure 4. Typically, 20 to 50 acquisitions of each pulse are taken in order to calculate the type A uncertainty.

图4。使用DRTO(左)和DSO(右)的典型测量设置。

测量方程如下:

在哪里V（f)为[V]中示波器电压迹线的傅里叶变换，N_FFT是FFT的长度Df为频率分辨率，单位为Hz;k_丙氨酸为信号路径的总衰减，即连接在发生器和示波器之间的电缆和外部衰减器，(1);k_osc是一个考虑示波器频率响应的因素(1)。

为了减小脉冲幅值，提高失配不确定度，应采用两侧带衰减器的电缆。使用矢量网络分析仪测量电缆+衰减器的衰减和反射系数，然后根据每个频率的测量衰减对计算的频率相关频谱幅度进行校正。通过增加对测量不确定度的小贡献来考虑示波器传递函数。由于示波器的相位响应不容易测量(现代高速drto不能被视为线性时不变系统)，示波器传递函数很难从测量的电压迹线中完全反褶积。

下面的文本显示了一个测量和计算结果的例子以及相关的测量不确定度。关于测量不确定度概念的进一步细节可以在[5]中找到。只有同时包含测量值和测量不确定度时，测量结果的陈述才是完整的。测量不确定度的特征是可以合理地归因于测量值的值以一定的概率分布分散开来。在计量学中，一种覆盖系数k= 2表示对被测量的类高斯概率分布，测量值覆盖区间为95%。利用(2)从对电缆、衰减器和示波器传递函数校正的示波器电压样本中计算频谱幅值。下列测量不确定度贡献适用:

• 设备1和设备2之间的阻抗失配校正(例如，在发电机和电缆之间)(dB)，其中G₁和G₂分别为器件1和2的线性反射系数，
• A型不确定度是通过重复计算所有捕获时间迹的频谱幅度来计算的，其值由n以标准的方式测量。

图5。测量脉冲发生器输出反射系数。

发电机的内阻计算如下

则输出反射系数(仅为幅度)为

而假设系统特性阻抗为50 Ω。反射系数的不确定度取决于示波器电压测量的精度和分压器(1000 Ω)或电缆+衰减器(50 Ω)的衰减。不同CISPR频带进入50 Ω负载的典型脉冲形状如图11所示，不同CISPR频带进入1000 Ω负载阻抗的典型脉冲形状如图6所示。

图6。脉冲形状成1000 Ω负载阻抗，频带A/B/C/D，电压在任意单位。

计算得到的发电机输出反射系数如下:

表5总结了傅里叶变换方法的测量结果，并将等效QP电平与实际振幅设置进行了比较。等效QP水平计算为

其中RBW是实际滤波器分辨率带宽(频带A为200 Hz，频带B为9 kHz，频带C/D为120 kHz)和R_{QP/ PK}为每个频段指定的脉冲重复率的峰值/准峰值之比(dB)(参见[1]中的表7)。

表6所示。不确定度计算的例子，波段A, f_代表= 25赫兹，频率9千赫。

中频测量方法

这种方法使用一个电磁干扰测量接收器和它的中频输出。在MIL-STD-462[7]中称为“视频脉冲技术”，在[1]中称为“视频脉冲技术”和“面积法”。该方法使用一个脉冲信号和一个参考连续波信号(已知电平)连接到一个窄带滤波器，而滤波器的输出(中频)是使用示波器获取的。然后根据对调谐滤波器(接收器)频率下的两个输入信号的响应计算频谱幅度，如下所示

在哪里U_rms(V)是使示波器读数相等的连续波信号的电平，IBW (Hz)是所用滤波器的脉冲带宽。该方法的精度取决于接收机脉冲带宽IBW的准确表征。频谱幅值计算为脉冲包络线下的表面(即仅为正幅值)，见图7。测量设置如图8所示。

图7。中频测量方法。

图8。中频法的测量设置。

实际程序是:首先，从发生器输入脉冲信号到接收器，使用示波器捕获接收器滤波器的响应(使用高级电缆直接连接，不带衰减器)。也测量了迹线的峰对峰幅度。第二步，向接收机输入一个连续波正弦信号，改变其幅值，直到示波器的峰值读数与脉冲信号的峰值读数相同。这个正弦信号的均方根电平是用校准过的功率计(或低频电压表)测量的。从发生器到接收器和从接收器中频输出到示波器的电缆衰减并不重要，因为它由于比率测量而抵消。测量方程如下

在哪里V_{pwm, rms}是CW正弦信号在50 Ω负载上的电压，由功率计测量的均方根功率计算得出，单位为[μV]

V_env为[V]中中频脉冲包络幅值(见图9)

V_osc,页为示波器在[V]中测量的连续波正弦信号的接收机响应(中频输出)的峰对峰幅。

IBW为接收机脉冲带宽，单位:Hz

k_峰考虑了脉冲/连续波信号响应的峰值比(无量纲)的不确定性。

k_osc考虑示波器频率响应(无量纲)

k_IBW考虑了确定脉冲带宽的不确定性(无因次)。

接收机脉冲带宽计算为

在哪里V_env为[V]中中频脉冲包络幅值(见图9)

X示波器的水平分辨率是[s/div]

N是信封的样本数目[-]

v_envk代表了k- [V]中中频脉冲包络的采样

10考虑到示波器水平屏划分的数量。

图9。接收机对脉冲信号的响应+信号的包络线(左)，未滤波包络线(右)。

中频脉冲包络的确定可以采用不同的方法，这导致计算的接收机脉冲带宽和频谱幅度略有不同。包络线可以计算为电压中频迹的移动平均值(例如50 - 200个样本窗口)，也可以计算为中频电压迹的希尔伯特变换的幅度(时域)。使用低通滤波器过滤包络迹线是很方便的，以便去除噪声(在图9中很明显)。然后计算包络下的面积为电压样本数除以包络样本数的总和。

利用(6)从EMI接收机中频输出电压的示波器样本中计算频谱幅度。获取了接收机对脉冲和等效正弦连续波信号的响应。示波器走线具有良好的可重复性(A型不确定性小)，但是从中频脉冲包络确定脉冲带宽可能不是唯一的任务。中频脉冲包络被计算为示波器样本的希尔伯特变换的幅度

在哪里v_env示波器的分立包络是采样的吗v_osc,象征H(.)表示希尔伯特变换，算子(*)表示时域卷积。

希尔伯特变换在MATLAB中使用命令Hilbert (x)实现。在计算包络线的开始和结束处去除噪声会影响计算的脉冲带宽，从而影响频谱幅度。这一过程被考虑为频谱幅度总不确定度的一部分。

表8所示。不确定度计算示例，频带A, frep = 25 Hz，频率9 kHz。

测量脉冲幅度和持续时间

该方法使用示波器，而脉冲采样具有高时间分辨率。该方法最适用于脉冲调制射频发生器。频谱幅值由脉冲的面积[V·s]计算。理想的测量方程可以写成

在哪里U_rms为未调制连续波信号电平，T调制脉冲的持续时间和k_天哪是考虑到接通脉冲后信号电平变化的校正因子。脉冲重复频率应保持稳定，校正系数不随连续波频率变化。使用实时示波器获取的脉冲调制连续波信号的示例如图10所示。

图10。测量脉冲幅度和持续时间，脉冲调制射频发生器。

该方法同样适用于基带脉冲发生器。脉冲形状必须非常接近矩形，这对于测量的IGUU2916发生器(特别是C/D波段)并不总是正确的。脉冲幅度和持续时间是用示波器测量的。脉冲在时域的形状通常会被电缆+衰减器的传递函数和示波器的传递函数所扭曲。为了正确地消除这种影响，必须在频域对传递函数进行反卷积。

然而，脉冲形状是使用较短的示波器历元(只有脉冲在屏幕上可见)获得的，这使得频率分辨率非常粗糙，并且不容易进行校正。

在哪里

图11显示了改变脉冲重复率的不同波段的IGUU2916脉冲形状示例。

图11。IGUU2916主发生器A/B/C/D波段的脉冲形状随脉冲重复率的变化而变化，右边是脉冲最大值的细节(未经电缆和衰减器校正的幅度)。

在特定波段，测量到的IGUU 2916主发电机的相对脉冲频率稳定性优于±2´10⁴。该IGUU 2916使用一个4 MHz晶体振荡器和一个多级分频器，这导致一个非常好的近似准确的分频比。脉冲频率的偏差通过脉冲响应曲线引起幅度的偏差。

从图11中可以看出，A和B波段的脉冲形状接近矩形，计算结果与其他方法相当。然而，C/D波段的脉冲形状是扭曲的，并且比A和B波段的脉冲包含更多的噪声。

下面显示的结果只是提供信息，它们与傅里叶变换方法或中频脉冲测量方法的结果不太一致。脉冲形状(在时域测量)必须根据发生器和示波器之间的电缆+衰减器的衰减以及示波器的频率响应进行校正。

由于只获得了少量点的脉冲形状轨迹，因此没有足够的数据来进行正确的反褶积，并且只进行了近似的校正。从图11中也可以明显看出某些超调和过调。测量不确定度主要包括电缆+衰减器校正、阻抗失配和A型不确定度。显然，这种方法更适合于脉冲调制射频发生器，而不是像IGUU 2916这样的基带脉冲发生器。

计算结果(粗体红色的值与其他方法的结果有明显偏差):

测量一个谱线振幅

该方法的原理是将脉冲信号的一条谱线与已知的连续波信号谱(等频)进行比较。这种方法假设发生器脉冲重复频率足够高，因此只有一条谱线落在EMI接收器滤波器带宽内:见图12。6db幅度降的标称滤波器带宽分别为200hz(频带A)、9khz(频带B)和120khz(频带C/D)。这种方法在[1]中称为“谐波测量”。

图12。测量一个谱线振幅。

然后用一个简单的公式计算谱幅

在哪里一个是替代CW信号电平为相同的读取接收器和f_代表为发生器脉冲重复频率。在这种情况下，需要一个校准的测量接收器。测量设置如图13所示。接收机滤波器应具有良好的对称性。

图13。用于测量一个谱线振幅的测量装置。

IGUU2916主发生器的最大脉冲重复率为200hz，因此只有A波段可以验证。在其他频带，必须使用辅助发生器(最大)。振幅40 dBμV，最大。重复频率20千赫)。脉冲形状必须不随脉冲重复频率发生显著变化，这并不完全正确(参见图14,Aux发生器)。请注意图11和图14中IGUU2916主和辅助发生器的特定CISPR频段的脉冲形状略有不同，这是由于不同的原理(带电传输线和机械开关与带固态半导体开关的电子发生器)。

图14。改变脉冲重复率的IGUU2916 Aux发生器A/B/C/D波段的脉冲形状，右边是脉冲最大值的细节(未经电缆和衰减器校正的幅度)。

在特定波段，IGUU 2916辅助发生器脉冲重复频率的指定稳定性较好±2´10⁴适用于0 Hz ~ 200 Hz，优于±2´10³为0-2 kHz，±1.5%为0 Hz至20 kHz。

该方法仅对IGUU 2916 Aux发生器(波段A, B)进行了评价，并与其他方法的结果进行了比较。A波段接收机标称滤波器带宽为200 Hz，选取500 Hz的脉冲重复频率进行评估(脉冲形状变化不明显，见图14)。B波段接收机标称滤波器带宽为9 kHz，脉冲重复频率为15 kHz(脉冲形状仍无明显变化)。

对于波段C/D，发生器重复频率必须至少为120khz，以便在EMI接收器滤波器带宽内仅测量1条谱线(IGUU 2916 Aux发生器的最大重复频率设置为20khz)。最终结果如表10所示。需要注意的是，IGUU 2916辅助发生器的最大幅值设置为40 dBμV，而IGUU 2916主发生器的最大幅值设置为60 dBμV。

为了验证该方法，还使用傅里叶变换方法对40 dBμV的Aux发生器的频谱幅值进行了评估(由于计算频谱的a型不确定度较高，低频时的测量不确定度高于主发生器和幅值为60 dBμV的测量不确定度，见表5)。使用傅里叶变换方法从20次测量中评估的平均频谱幅度如图15所示。辅助发生器脉冲的可重复性比主发生器脉冲的可重复性差。

图15。平均频谱幅度(红色)由20次测量(绿色)计算得出，IGUU 2916, Aux。发电机。虚线表示±1.5 dB频谱均匀性极限。

本文讨论了各种校准脉冲发生器的方法，并给出了特定脉冲发生器Schwarzbeck IGUU 2916频谱幅值的测量结果。采用以下方法评估频谱幅度:a)时域脉冲波形的傅里叶变换，b)中频测量法，c)测量脉冲幅度和持续时间，d)测量一条谱线幅度。

该方法a)测量不确定度最低，操作简单。它需要一个快速的数字实时或采样示波器，并且被测量波形的频谱必须根据已知的信号路径衰减进行校正。方法b)使用在校准实验室中更常见的EMI接收器。测量不确定度与方法a)相当。

必须小心，不要使接收器输入过载，因为时域脉冲发生器使用的峰值幅度高，可能会破坏输入混频器。方法c)更适合于脉冲调制射频发生器，对于基带脉冲发生器IGUU 2916波段的c /D，由于脉冲形状失真，结果不可靠。测量不确定度略高于方法a)、b)。方法d)仅适用于脉冲重复率非常高的脉冲发生器(a波段至少500 Hz, b波段至少10 kHz, C/ d波段至少120 kHz)。在IGUU 2916 Aux发生器的A和B波段获得的结果与方法A)相当，但由于脉冲的噪声和低重复性，测量不确定度相当高。使用方法d)无法达到标准中给出的最大±0.5 dB的目标不确定度。表11总结了具有测量不确定度的测量结果。

方法A =时域脉冲波形的傅里叶变换
方法B =中频测量法
方法C =测量脉冲振幅和持续时间

确认

这项工作得到了15RPT01 RFMicrowave项目的支持。该项目得到了参与国共同资助的EMPIR方案和欧洲联盟的“地平线2020”研究和创新方案的资助。

参考文献

[1]无线电干扰和抗扰度测量仪器和方法规范。第1-1部分:无线电干扰和抗扰度测量仪器。测量仪器。EN 55016-1-1第3版标准，2014。

[2]CISPR 16-1-1第4版:无线电干扰和抗扰度测量仪器和方法规范。第1-1部分:无线电干扰和抗扰度测量仪器。测量仪器，国际电工委员会，IEC, 2015。

[3]安德鲁，j.r.;m.g.阿瑟:频谱振幅-定义，产生和测量;国家标准局;1977

［4］IEEE脉冲强度和脉冲带宽测量标准;IEEE标准376-1975(非活动-退出)

[5]校准中测量不确定度的表达，欧洲认证合作，1999

[6] PVF BKIT 1，用于EFT/Burst验证的负载电阻，EM测试。(在线):http://www.emtest.com/products/product/135120100000013765.pdf

MIL-STD-462，军用标准:电磁干扰特性测量，1967。

[8]说明书VLF/HF/VHF/UHF校准脉冲和正弦波发生器IGUU 2916[j].中国机械工程，2014。可用:http://schwarzbeck.de/Datenblatt/m2916.pdf