用于相符性和先期认证测试的EMI接收器和频谱分析仪，采用数位中频(IF)处理技术来分析讯号。数位中频不仅可提高整体仪器的可靠性，还能改善振幅准确度、提高量测速率，并且让网路业者不再依赖经验来进行测试。这些优势同时还可提高运作效率和降低成本。 面对今日瞬息万变的商业环境和不断加快的开发周期，工程师需要可提供更短测试时间和更高量测速率，同时还提供准确而可靠量测结果的EMC测试设备，以获致更大的成就。

本应用说明将讨论类比和数位中频架构的差异，并解释数位中频如何增强相符性和先期认证量测程序。

类比中频架构

您必须深入瞭解类比和数位IF架构之间的差异。图1显示一个具类比中频之传统超外差式接收器(superheterodyne receiver)的基本架构图。RF区块可接受指定仪器频率范围内的输入讯号，并使用本地振荡器(LO)所产生的频率以及降频器(或混频器)，将这些输入讯号降为中频。输入频率范围可达40GHz或更高，而中频频率可达数百MHz。将输入讯号降频为较低的单一频率，有助于以简易、低成本方式，开发出可将输入讯号数位化并执行进一步分析的电路。


图1：具类比中频的传统超外差式接收器架构

在类比架构中，IF区块包含几种不同类型的分析电路。解析频宽(RBW)滤波器是一组可选择的分析滤波器(频率通常为10 Hz至1 MHz或更高)，可用来观察具有不同频率解析度的待测讯号。窄RBW滤波器可用来解析紧密间隔的输入讯号；而宽RBW滤波器则可用来快速观察更宽的频率范围。所测得的滤波器频宽都是3dB或6dB，而且可具备CISPR 16-1-1规定的特殊形状。类比RBW滤波器通常是由石英晶体或集总元件所组成的。

中频增益级是可切换的线性增益放大器，可用来调整讯号路径增益，以便观察各种讯号振幅。您可选择额外的增益以便降低参考位准，进而将显示幕中的低位准讯号拉高。类比IF增益区块通常介于30dB至50dB之间，可选择以10dB为单位步进。

对数放大器可改善讯号显示，方便您观察显示幕中较高的讯号振幅。透过对数方式扩大低位准讯号的振幅，您可同时看到小讯号和大讯号。

类比中频误差

您可使用参考讯号，在已知频率和振幅上校验接收器和频谱分析仪IF电路，因此参考讯号的品质会直接影响整个接收器的准确度。我们通常使用一个参考RBW和一个参考增益步阶来校验IF讯号，并且校验所有其他与这些参考讯号相关的RBW和增益设定。

调整接收器设定以量测讯号时，不论是手动或是使用软体，甚或使用自动调整范围功能，您通常会使用不同于校验时使用的IF设定。如果改变校验设定的IF设定，将会产生振幅量测误差。使用不同于校验RBW的类比RBW会导致切换误差，又称为RBW切换不确定性。调整校验灵敏度之接收器灵敏度，会导致中频增益误差，又称为参考位准不确定性。

此外，在不同级别的对数显示上量测讯号，类比对数放大器的不理想对数效能，会导致量测误差，又称为显示比例传真度误差。如果在远远偏离指定参考位准的数曲线下方量测讯号，会增加振幅误差。这些频宽切换、位准切换和对数显示误差，都与温度变化有连动关系，使得量测变得更复杂。

接收器藉由使用客制的校验程式来量测参数改变后所产生的误差数，以便一定程度地修正这些误差。接着接收器可根据目前的仪器设定，在操作期间施加合适的偏移。这些修正虽可提高接收器效能，但只能有限度地改善讯号位准。

如果施加过多的IF增益将导致更多的误差，并使得IF讯号超出接收器参考位准讯号，最后造成IF电路压缩和失真。执行手动和电脑控制操作时，关键是务必在线性范围使用类比IF，将讯号位准维持在或低于仪器的参考位准。

数位中频架构

数位IF架构可减少类比中频电路所产生的量测误差。如图2所示，最终混频器和数位转换器之间的所有类比RBW、步进增益，以及对数放大全都被去除，并改以数位方式部署所有RBW、线性和对数IF增益，以及和最后的检测。


图2：数位中频架构

将讯号数位化之后，它就不会在中间频率，而且会以数位资料数值呈现。“数位IF”一词是指可取代传统接收器和频谱分析仪之类比IF处理的数位处理方法。

数位化RBW可同时改善切换准确度和滤波器效能。类比RBW需进行IF增益调整，以修正滤波器电路之间的振幅差异。这种修正技术会导致十分之几分贝的RBW切换不确定性。数位化RBW的切换不确定性可小于0.05dB。执行相符性量测时，这点非常重要，因为这些量测需使用CISPR或MIL-STD频宽，不同于校验时使用的RBW。

数位化RBW还可改善滤波器效能并提供更严格的滤波形状系数。RBW形状系数有时以选择性表示，通常定义为-60dB滤波器频宽与-3dB滤波器频宽的比值。类比滤波器的形状系数约为12:1，而数位中频滤波器则具有更严格的5:1形状系数。此外，类比RBW滤波器具10%左右的整体频宽准确度，而数位RBW滤波器则高达2-3%。更严格的形状，有助于提升解析过于靠近大讯号的低位准讯号。

数位中频增益可提供非常准确的参考水准。类比IF增益步进会因设计和温度的关系而出现十分之几分贝的误差；而数位IF增益步进则非常精确(0dB误差)，因为它们是以软体乘数表示。

数位对数修正法可显着减少类比对数放大器所产生的量测误差。这个方法的准确度，决定着输入位准的量测误差数。举例而言，输入混频器端低于27dBuV(-80dBm)的输入讯号误差，在采用数位IF架构的仪器中，可在5至50℃范围内，有效降低为±0.15dB。相较之下，采用类比IF架构的仪器在20-30℃的温度范围内，其误差可能大于±0.85dB。

图3显示数位IF架构与类比IF架构的准确度比较。我们透过调查接收器和频谱分析仪规格指南来收集这些资料。


图3：数位IF与类比IF架构之振幅不确定性比较

数位中频的优点

使用数位IF架构改进效能后，EMC测试实验室可享受许多优点。

改善仪器振幅准确度 数位IF架构可提供增强的准确度，如此可改善接收器和频谱分析仪的振幅规格。您不仅可更准确地进行量测，同时还可提高各种仪器设定的准确度。如前所述，数位对数修正法可提高超低位准讯号的量测准确度。对于EMC量测环境，这点非常重要，执行相符性量测时会定期出现低讯号位准。

提升量测速率 EMC实验室普遍采用一种量测技巧来减少类比IF振幅所产生的误差，就是在执行最终准峰值或均值检测器量测之前，一定先将使峰值讯号导入参考位准。如此可将中频位准导入现有参考位准设定之上，藉以消除对数显示误差。这种量测技巧虽然有效，但颇费时间，因为它必须逐一处理每个讯号。自动化软体可以减少花费的时间，但仍须逐一量测每个讯号，而整体节省的时间取决于所需量测的讯号总数。

数位化对数修正的出色准确度，可大幅减少在最终量测之前，将每个讯号调整为量测参考位准的需求。在测试具有大量放射讯号的装置时，这个方法可以节省极为可观的时间。

减少对操作者经验的依赖 许多相符性测试都可自动执行，但最终的量测仍需透过手动方式来计算讯号振幅变化率(每CISPR)、进行微调以放大讯号，并调整量测接收器，以确保振幅准确度。这些作业全都需要经过专业训练的操作人员。

对于经验不足的操作人员而言，正确操作符合EMI标准的接收器，是极为艰?的任务。唯有训练有素并具备一定技能的操作人员，才有能力调整接收器，以便用最高准确度来进行量测。相较之下，数位中频技术让缺乏经验的操作人员也能轻松执行量测，以达成商业和军事应用对讯号振幅的要求。

例如，使用类比IF技术进行量测时，缺乏经验的操作人员很容易在无意中让仪器过载，导致因仪器压缩和失真而得到不正确的振幅值。数位中频不需要步进IF增益，因此当讯号低于线性操作所容许的最大输入位准，可减少仪器过载的机会。图4显示这个范例。图4a显示107 dBuV(0dBm)CW讯号，而图4b则显示参考讯号偏移了50dB的相同讯号。请注意，两个画面显示的标记值几乎完全相同。然而，在相同条件下，采用类比IF的接收器或频谱分析仪出现严重失真，而且标记值截然不同。

图4显示数位中频减少了仪器过载的机会。


图4a：接近参考位准的测试讯号。将标记值与图4b相比较。相同的测试讯号，比参考位准高50dB

图4b：具有与图4a几乎完全相同的标记值

由于操作人员无需具备特定技能，因此即便新进员工也能快速上手并开始进行测试。如此还可减轻实验室管理者对量测准确度的疑虑，并且大幅减少将操作人员训练成更有经验的实验室成员的时间。

提高在嘈杂环境中辨识低位准放射讯号的能力 在开放式环境中执行相符性或先期认证放射量测时，您很难找出被大环境讯号所遮蔽的低位准放射讯号。这些环境讯号包括商业无线电和电视广播、蜂巢式行动通讯，以及公共安全通讯。

数位IF解析频宽可提供更紧密的形状系数，让您能够解析并辨识靠近环境讯号的放射讯号。准确识别和量测这些讯号，可降低在遮蔽环境中进行最终量测时，因为隐藏讯号导致意外故障的机会。这种能力对于通常是在露天环境中进行的先期认证量测至关重要。


 图5：数位中频RBW提供比类比RBW更大的选择性，可在环境中存在大讯号时增强放射检测

结语

全数位中频架构可显着改善测试速率、量测准确度，而且无需训练操作人员。您可以用这些优势来增进实验室运作效率，进而降低运作成本，获得更大的量测资产投资报酬率。