趙 陽 夏 歡 邱曉暉 宋百通 陳雪麗
(1.南京師范大學(江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室) 南京 210042 2.南京郵電大學 南京 210042)
?
基于獨立分量分析算法的醫(yī)療電子設(shè)備輻射電磁干擾EMI噪聲分析方法
趙 陽1夏 歡1邱曉暉2宋百通1陳雪麗1
(1.南京師范大學(江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室) 南京 210042 2.南京郵電大學 南京 210042)
針對多輻射源醫(yī)療電子設(shè)備的輻射EMI噪聲,提出了基于獨立分量分析算法的分析方法。采用獨立分量分析(Independent Component Analysis,ICA)算法處理醫(yī)療電子設(shè)備中多輻射源疊加的近場輻射時域信號,得到多個獨立的共模/差模輻射源,找出引起輻射噪聲超標的源頭,即可對該元器件實施針對性的整改措施。相較于目前的多輻射源分析方法,此方法能更準確快速地找出癥結(jié)所在,較為容易操作和實現(xiàn)。采用雙共模混合源、雙差模混合源和共差?;旌显?種模型進行實驗,結(jié)果驗證了該方法的可行性,最后將此方法應(yīng)用于醫(yī)療電子設(shè)備,其結(jié)果成功驗證了該方法的有效性,此項研究對今后的復(fù)雜電子設(shè)備溯源方法和多輻射源整改有積極參考意義。
獨立分量分析 輻射噪聲 電磁干擾 分析方法
近年來,隨著大量電力電子設(shè)備或系統(tǒng)不斷涌現(xiàn),(如射頻識別系統(tǒng)(RFID)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等),由高速數(shù)字印刷電路(PCB)引起的輻射電磁干擾噪聲嚴重影響其他電子設(shè)備的正常運行[1-7]。另一方面,各國均已制訂強制性電磁兼容標準,如中國的GB9254、GB 4824和美國的CISPR 22等。國家食品藥品監(jiān)督管理局辦公室也正式確定醫(yī)用設(shè)備電磁兼容標準YY 0505—2012于2014年1月1日正式實施。因此對醫(yī)療電子設(shè)備電磁輻射噪聲源的識別和診斷成為EMI故障分析中最大的挑戰(zhàn)[8-11]。
目前,針對復(fù)雜醫(yī)療電子設(shè)備的多輻射源噪聲問題,大部分學者選擇從電磁場分析角度進行研究。文獻[12]利用電磁場分析方法并結(jié)合電路仿真,建立了射頻電路輻射機理模型。文獻[13]根據(jù)電磁場特征函數(shù)展開法建立了一套近場、遠場轉(zhuǎn)換公式,并結(jié)合近場測量得到輻射目標特征。文獻[14]利用Mardiguian的遠場技術(shù),結(jié)合近-遠場修正因子分析了PCB的輻射目標特性。
還有部分學者選擇從信號分析角度分析醫(yī)療電子設(shè)備的多輻射源輻射噪聲問題,將信號分析方法應(yīng)用于輻射EMI噪聲診斷。文獻[15]建立了醫(yī)療設(shè)備的EMI模型,提出了采用有限差分時域分析方法。文獻[16]將EMI問題等效為非多項式的優(yōu)化問題,在現(xiàn)有遺傳算法的基礎(chǔ)上提出改進方法并應(yīng)用于EMI問題分析,節(jié)省了工作時間。文獻[17]針對可植入醫(yī)療設(shè)備的電磁干擾提出了磁通分布特性分析方法。
盡管現(xiàn)今的輻射EMI噪聲分析方法眾多,但仍存在很多問題。采用電磁場分析方法雖然能建立模型,但是遇到實際問題仍有不確定因素存在,影響實驗分析結(jié)果。而現(xiàn)有的信號分析方法雖然可以獲取目標特性,但是其運算復(fù)雜,且不能明確定位輻射源。鑒此,在實驗室前期研究[18-20]和文獻[21-25]基礎(chǔ)上,本文將獨立分量分析ICA算法應(yīng)用于輻射噪聲源分析,提出了一種醫(yī)療電子設(shè)備的輻射電磁干擾分析方法。本文采用獨立分量分析算法,對醫(yī)療電子設(shè)備中多輻射源疊加的近場輻射時域信號進行分離,得到多個獨立的共模/差模輻射源,找出輻射噪聲超標的源頭,進行針對性地整改。相較于目前的多輻射源分析方法,本文方法更簡單快捷,能準確快速地找出癥結(jié)所在,較為容易操作和實現(xiàn)。
1.1 輻射電磁干擾分析方法概述
醫(yī)療電子設(shè)備中通常包含ARM、單片機、晶振等器件,易產(chǎn)生高頻噪聲,通過共模/差模輻射在空間引起輻射電磁場,相互疊加后引起嚴重的輻射噪聲。由于在進行電磁兼容標準測試時,當檢測到輻射噪聲超標,并不能直接得出是由哪個或者哪幾個器件引起的輻射噪聲超標。因此有必要在總體輻射EMI測試基礎(chǔ)上,再檢測是哪種噪聲分量引起的整個EMI性能超標,即輻射機理描述。
實際中的PCB板上有多個噪聲源,如圖1所示,該設(shè)備中含有N個輻射源,則其單個輻射源產(chǎn)生的輻射噪聲分別可表示為E1,E2,E3,…,EN,這些輻射通過疊加形成該設(shè)備的輻射總噪聲。若該設(shè)備的輻射噪聲超標,則是由這些輻射源共同影響產(chǎn)生的,但其中若干個輻射源在超標頻點處的輻射噪聲相較于其他輻射源特別強,則該輻射源為造成輻射超標的主要噪聲。因此首先篩選出引起輻射超標的噪聲源十分重要,找到輻射源之后,再采取針對性的整改措施則更為有效快捷。
圖1 醫(yī)療電子設(shè)備多輻射源噪聲模型Fig.1 Multiple sources noise model of medical electronic equipment
本文將ICA算法應(yīng)用于輻射電磁干擾問題分析,建立一種新的輻射噪聲源篩選的方法。首先通過采集PCB輻射噪聲信號的時域信號,進行獨立分量分析,將EUT的總輻射噪聲進行分離,篩選出若干個輻射噪聲源,再將分離出的時域波形與該PCB板上單獨的噪聲時域信號進行比對,最終篩選出輻射噪聲源。
1.2 獨立分量分析算法原理
設(shè)1.1節(jié)中多輻射源模型的噪聲信號是由N個未知源噪聲信號si(t)(其中i=1,…,N)組成的,源噪聲信號構(gòu)成一個列矢量s(t)=[s1(t),s2(t),…,sN(t)]T,其中t為離散時間序列。A是由混合系數(shù){aij}組成的M×N的混合矩陣。
x(t)=[x1(t),…,xM(t)]T由M個觀察信號xi(t)(其中i=1,…,M)構(gòu)成的列矢量,其中N個未知源信號si(t)線性組合構(gòu)成觀察信號x(t),對于任意時刻t,源信號s(t)與觀測信號x(t)的關(guān)系為
(1)
其矩陣形式為
xM(t)=AsN(t),M≥N
(2)
獨立分量分析ICA的基本模型由圖2表示。
圖2 ICA基本模型Fig.2 ICA basic model
ICA要解決的問題是在A、s(t)未知的條件下,根據(jù)觀察信號x(t),通過衡量變量的獨特性準則的目標函數(shù)尋找出分離矩陣W,從而求得s(t)的最大估計。若輸出的分離信號設(shè)為y(t)=[y1(t),y2(t),…,yN(t)],則有
yN(t)=WN×MxM(t)=WN×MAM×NsN(t)=sN(t)
(3)
式中y(t)為源噪聲信號,是s(t)的一個最大近似估計,且各分離信號yi(t)之間盡可能相互獨立。值得注意的是,上述模型中,有如下幾點假設(shè)條件:
1)各信號源si(t)之間相互統(tǒng)計獨立,均值為0。
2)源信號數(shù)量M與觀察新號數(shù)量N相同,且A為滿秩矩陣。
3)si(t)(其中i=1,…,N)中的概率分布函數(shù)最多只允許有一個為高斯分布。
在諸多ICA算法中,固定點算法 (也稱FastlCA)以其收斂速度快、分離效果好被廣泛應(yīng)用于信號處理領(lǐng)域。因此,本文選取FastICA算法作為獨立分量分析方法,應(yīng)用于輻射電磁噪聲源識別中,將多輻射源混合輻射噪聲分離成若干個獨立的輻射噪聲信號。
1.3 基于ICA算法的輻射電磁干擾噪聲源篩選方法實現(xiàn)
本文提出將獨立分量分析ICA算法應(yīng)用于輻射噪聲EMI噪聲的分離,首先通過磁場探頭經(jīng)過高速示波器采集輻射噪聲的時域信號,再代入ICA算法進行分析,將混合的輻射噪聲信號分離成多個獨立的噪聲信號,從而篩選出被測設(shè)備的輻射噪聲源。具體分析流程圖如圖3所示。
由輻射EMI噪聲機理可知,共模電流產(chǎn)生共模輻射場;差模電流產(chǎn)生差模輻射場。設(shè)Z0為自由空間(遠場)波阻抗,則遠場中帶電導線產(chǎn)生的輻射場為
(4)
式中:I為共模/差模電流;Z0為自由空間(遠場)波阻抗,為377 Ω;β0=2π/λ,λ為相關(guān)頻率信號波長;θ為測試角度;r為測試距離。
輻射噪聲篩選方法模型如圖4所示,PCB板上3個芯片之間通過共模、差模輻射產(chǎn)生輻射噪聲,E1、E2、E3分別為這3個芯片本身產(chǎn)生的輻射噪聲,采用3個近場電場探頭同時測量測試點A、B、C處的輻射總電場,并將其接至高速數(shù)字示波器的3個通道。值得注意的是,高速數(shù)字示波器的最高測試頻率應(yīng)大于輻射電場的頻率,這3個觀測點處的輻射電場強度可表示為
(5)
式中:EA1、EB1、EC1分別為芯片1在測試點A、B、C處產(chǎn)生的輻射電場;EA2、EB2、EC2分別為芯片2在測試點A、B、C處產(chǎn)生的輻射電場;EA3、EB3,EC3分別為芯片3在測試點A、B、C處產(chǎn)生的輻射電場分;測試距離與測試角度均已知。
圖4 PCB輻射噪聲篩選方法模型Fig.4 PCB radiation noise screening method model
在測試過程中,測試距離、測試角度、芯片1電纜、芯片2電纜、芯片3電纜(L1、L2和L3)、Z0和β0均已確定。
(6)
式中:I1(t)、I2(t)、I3(t)分別為共模電流和差模電流;K11、K12、K13、K21、K22、K23、K31、K32、K33均為常量,其值為(i代表不同的測試點)
(7)
電場探頭可以輸出一個與射頻場強成比例的電壓至示波器,比例系數(shù)稱為天線系數(shù)AF,即AF=E/V。通過天線理論,可以得到場強計算公式。在測試中,3個近場探頭的天線系數(shù)均為已知(AF1,AF2,AF3),且3個電場探頭均采用羅德施瓦茨公司生產(chǎn)的近場電場探頭Stab 3 mm,因此3個探頭的性能非常相似,天線系數(shù)基本相等,即AF1=AF2=AF3。故由式(6)可得
(8)
由式(8)可以看出,電場探頭測得的電壓混合信號V1(t)、V2(t)、V3(t)是信號I1(t)、I2(t)、I3(t)的線性組合。當信號I1(t)、I2(t)、I3(t)相互獨立時,可以利用獨立分量分析算法先由接收信號V1(t)、V2(t)、V3(t)分離得到源信號的I1(t)、I2(t)、I3(t)、再由式(6)及式(8)得到輻射電場。
雖然分離后信號和源信號的波形特征基本相同,但其幅度發(fā)生了變化,尤其應(yīng)用于輻射電磁干擾噪聲,其波形無規(guī)律可循,難以判斷前后兩者的近似程度。為了評判該盲源分離算法的性能指標,本文采用用度量分離信號和源信號的近似程度的相似系數(shù)ξ[13]
(9)
式中N為選取的采樣點數(shù)量。當yi=csj(c為常數(shù))時,ξi,j=0,即相似系數(shù)矩陣越接近單位對角矩陣,該分離效果就越好。
2.1 ICA算法基本性能仿真實驗
在Matlab中進行獨立分量分析算法仿真。首先創(chuàng)建4個獨立的源信號,分別為正弦信號、方波信號、鋸齒信號和隨機噪聲,其波形如圖5a所示,然后將這4個信號通過隨機的混合系數(shù)矩陣進行混合,混合后的信號時域波形圖如圖5b所示,經(jīng)過去均值、白化處理等步驟,尋求合理條件使分離矩陣的非高斯性最大化,從而將信號分解成獨立的4組信號,圖5c所示為經(jīng)ICA分解后的信號波形。
將圖5c的分離結(jié)果與圖5a中的源信號波形進行對比,可以明顯看出通過ICA算法能成功地將混合信號分離成源信號,因此ICA算法可以應(yīng)用在混合信號分解中。
圖5 ICA算法特性仿真Fig.5 ICA algorithm characteristics simulation
2.2 基于ICA算法的輻射電磁干擾噪聲源篩選方法仿真
為了驗證獨立分析方法在電磁兼容中應(yīng)用的有效性,在電磁干擾噪聲中進行獨立分量分析算法的應(yīng)用。
為了進一步驗證仿真結(jié)果,本文采用相關(guān)系數(shù)來計算準確分離后信號與源信號之間的相關(guān)度,可得兩個差模信號的前后相關(guān)系數(shù)為0.99和0.97,由此可見,應(yīng)用ICA算法的分離結(jié)果十分理想。
圖6 ICA算法應(yīng)用于輻射電磁干擾噪聲的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of ICA algorithm applied in the radiated electromagnetic interference noise
本文中的3組驗證實驗主要采用3個不同的被測設(shè)備,分別為雙共模源、雙差模源和共差?;旌夏P?。實驗布置圖如圖7a所示。將近場探頭通過屏蔽線纜和BNC接頭與高速示波器連接,探頭置于被測設(shè)備上方,采用多個探頭同時測量輻射噪聲的混合時域信號。
實驗中,本文選用江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室所提供的泰克DPO5204多通道高速示波器和Rohde&Schwarz(羅德施瓦茨)公司生產(chǎn)的近場探頭組HZ-11進行測試,其實物圖分別如圖7b和圖7c所示。其中,DPO5204的采樣率設(shè)置為1GS/s,即可滿足實驗需要。
圖7 驗證實驗裝置和設(shè)備Fig.7 Verification experiment device and equipment
1)雙共模源PCB條件下實驗。
本實驗的實驗實物布置如圖8所示。該PCB板上有6M和20M兩個晶振,采用江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室的3m電波暗室進行標準輻射噪聲測試,得到該PCB的輻射噪聲結(jié)果如圖9a所示,可以看出低頻有多個頻點超標,因此需要快速有效地找出引起輻射超標的主要因素。
圖8 雙共模輻射電磁干擾噪聲源模型實物圖Fig.8 Two common mode radiation EMI noise model picture
圖9 整改前后共模輻射電磁干擾模型暗室測量結(jié)果Fig.9 The measurement results before and after rectification of CM radiated EMI model in chamber
實驗中,首先通過高速示波器采集兩組混合信號,如圖10a所示,將這兩組混合信號組成矩陣。示波器在測試時,需要注意設(shè)置采樣點數(shù)和采樣頻率,本實驗中,采樣頻率的設(shè)置不低于1GS/s。然后通過ICA算法,進行獨立分量分析,將混合的輻射噪聲信號分離成兩組獨立的噪聲信號y1(t)、y2(t),其時域波形如圖10b所示。
圖10 雙共模輻射模型分離前后時域信號Fig.10 The time-domain signal before and after seperation of two common mode radiation model
本實驗中采取FastICA算法進行分離后,計算分離信號和源信號的相似系數(shù)為0.99與0.94,約等于1,由此可見,采用該算法的分離效果較好。因此可以得出該PCB的輻射噪聲主要是由于6 M和20 M晶振通過共模輻射疊加產(chǎn)生的,在進行輻射噪聲抑制過程中,只需要對這兩個芯片進行共模噪聲抑制整改,通過減少共模電流或等效短直天線長度,整改后的暗室測量結(jié)果如圖9b所示,將輻射噪聲抑制至通過測試標準。
2)雙差模源PCB條件下實驗。
圖11為雙差?;旌夏P蚉CB板,分別是32 M和6 M晶振的差模模型混合,其暗室測量的輻射噪聲結(jié)果如圖12a所示,有多個頻點超標。通過雙磁場探頭同時通過高速示波器測量被測設(shè)備的信號,得到兩組混合噪聲信號,其時域波形如圖13a所示。
將測得的混合時域信號進行獨立分量分析,把混合信號分離成兩個獨立的噪聲信號,結(jié)果如圖13b所示。鑒于數(shù)據(jù)量較大,采用相似系數(shù)來評判分離信號與源信號近似程度,得到兩個信號的相似系數(shù)分別為1和0.996,近似于1,說明這兩組信號的分離情況很理想。
圖11 雙差模輻射電磁干擾噪聲模型實物圖Fig.11 Two differential mode radiation EMI noise model picture
圖12 整改前后差模輻射電磁干擾模型暗室測量結(jié)果Fig.12 The measurement results before and after rectification of DM radiated EMI model in chamber
圖13 雙差模輻射模型分離前后時域信號Fig.13 The time-domain signal before and after seperation of two differential mode radiation model
綜上所述,可以看出該PCB模型的輻射噪聲主要是由32 M和6 M晶振通過差模輻射疊加產(chǎn)生,在進行輻射整改時,對于差模模型,主要采取減少環(huán)路面積等措施,減小輻射噪聲。整改后,該PCB的暗室測量結(jié)果如圖12b所示,輻射噪聲已降至標準限值以下。
3)共差?;旌螾CB條件下實驗。
圖14為共模差?;旌夏P蚉CB板,分別是由32 M 和20 M的晶振產(chǎn)生的信號,在暗室測量其輻射噪聲后,發(fā)現(xiàn)該噪聲超標,如圖15a所示。用兩個磁場探頭連接高速四通道示波器之后,在兩個不同點測量輻射噪聲信號,得到兩個混合信號,其混合時域波形如圖16a所示。
同樣采用FastICA算法對混合時域信號進行獨立分量分析,分離結(jié)果如圖16b所示,由于采樣點數(shù)較多,無法單從時域圖形上判斷分離效果,仍然采用上文提到的相似系數(shù)ξ來評判該盲源分離算法的性能指標。在共差?;旌夏P偷拿ぴ捶蛛x實驗中,其分離信號和源信號的相似系數(shù)為0.997和0.995,趨近于1,該實驗的分離效果較好。
由此可以判斷該PCB模型的輻射噪聲主要是由32 M晶振通過共模輻射和20 M晶振通過差模輻射疊加形成,需要針對不同輻射模型進行輻射整改。對于共模模型,主要采取減少線纜長度,對于差模模型,主要采取減少環(huán)路面積等措施,減小輻射噪聲。整改后,該PCB的暗室測量結(jié)果如圖15b所示,輻射噪聲已降至標準限值以下。
圖14 共差模輻射電磁干擾噪聲模型實物圖Fig.14 CM and DM mixed radiation EMI noise model picture
圖15 整改前后共差模輻射電磁干擾模型暗室測量結(jié)果Fig.15 The measurement results before and after rectification of CM and DM mixed radiated EMI model in chamber
圖16 共差?;旌陷椛淠P头蛛x前后時域信號Fig.16 The time-domain signal before and after seperation of CM and DM mixed radiation model
上述3個實驗分別是對雙共模模型、雙差模模型和共差?;旌夏P洼椛湓肼曅盘柕姆蛛x,其分離近似程度即相似系數(shù)見表1,各模型的分離信號與源信號的相似系數(shù)都近似或等于1,說明分離情況非常理想,可以得出獨立分量分析算法適用于輻射噪聲信號的分離。
表1 各輻射電磁干擾噪聲模型相似系數(shù)
因此,在今后的輻射噪聲源篩選和分析中,可以將獨立分量分析方法應(yīng)用于其中,幫助工程師篩選出待處理的輻射源,更快速準確地進行輻射噪聲整改,提高工作效率,縮短工作時間,對輻射噪聲源的識別方法研究具有重要的參考意義。
將獨立分量分析算法應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備的輻射電磁干擾噪聲診斷,從實際應(yīng)用檢驗本文方法的有效性。圖17為醫(yī)療電子設(shè)備,該設(shè)備在暗室進行輻射噪聲標準測試后,其結(jié)果表明該產(chǎn)品的輻射噪聲不符合標準,如圖18a所示,需對其輻射超標問題進行診斷。
首先采集該醫(yī)療電子設(shè)備的輻射噪聲混合時域信號,其噪聲如圖19a所示,對混合信號進行獨立分量分析,如圖19b所示,圖中為兩個獨立的噪聲信號,將這兩組時域信號轉(zhuǎn)變成頻域后,發(fā)現(xiàn)該信號在50 M較強,比對該設(shè)備,發(fā)現(xiàn)是由50 M晶振產(chǎn)生引起的輻射噪聲超標。對該器件進行輻射整改后,其標準噪聲測試結(jié)果如圖18b所示,成功通過輻射標準。
圖17 JY-SF I型電子式肺活量計實物圖Fig.17 JY-SF I electronic spirometer picture
圖18 整改前后電子式肺活量計的暗室測量結(jié)果Fig.18 The measurement results before and after rectification of electronic spirometer radiated EMI model in chamber
圖19 電子式肺活量計分離前后時域信號Fig.19 The time-domain signal before and after seperation of electronic spirometer
該應(yīng)用案例表明,本文方法可應(yīng)用于實際醫(yī)療電子設(shè)備的多輻射噪聲問題研究,通過獨立分量分析算法對混合噪聲信號進行分離,篩選出輻射電磁干擾噪聲超標的源頭,為進一步的整改工作提供參考和基礎(chǔ)。
本文將信號中的獨立分量分析算法應(yīng)用于復(fù)雜醫(yī)療電子設(shè)備的輻射電磁干擾噪聲分析,通過ICA算法將混合的輻射噪聲分離,篩選輻射噪聲源。通過這種信號分析方法,可以迅速找到輻射噪聲源,分析噪聲源的噪聲模型后,采取相應(yīng)的整改措施。本文通過3組 PCB驗證實驗,對ICA算法在輻射噪聲中的應(yīng)用進行驗證,結(jié)果表明獨立分量分析算法能成功地對多輻射源輻射干擾噪聲進行分離。最后,本文將獨立分量分析算法應(yīng)用于醫(yī)療電子設(shè)備,用實際的整改前后結(jié)果對比,驗證了本方法的可行性和有效性。可以看出,相較于傳統(tǒng)的經(jīng)驗診斷法,更具有針對性和準確性,大大提高了輻射整改的效率。
然而,本文方法仍存在需要改進的地方,比如多輻射源的二次輻射問題仍有待解決。因此,關(guān)于復(fù)雜電子設(shè)備的輻射電磁干擾噪聲問題研究還有待更進一步地研究。
[1] Clayton R Paul.Introduction to Electromagnetic Compatibility[M].2nd ed.New York:John Wiley & Sons Inc.,2006.
[2] Aouine O,Labarre C,Costa F.Measurement and modeling of the magnetic near field radiated by a buck chopper[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2008,50(2):445-449.
[3] Tong Xin,Thomas D W P,Nothofer A,et al.Modeling electromagnetic emissions from printed circuit boards in closed environments using equivalent dipoles[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2010,52(2):462-470.
[4] 錢照明,陳恒林.電力電子裝置電磁兼容研究最新進展[J].電工技術(shù)學報,2007,22(7):1-11. Qian Zhaoming,Chen Henglin.State of art of electromagnetic compatibility research on power electronic equipment[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(7):1-11.
[5] 汪泉弟,劉青松,安宗裕,等.混合動力客車低頻電磁輻射機理及抑制方法[J].電工技術(shù)學報,2014,29(1):202-207. Wang Quandi,Liu Qingsong,An Zongyu.Electromagnetic radiation mechanism and noise suppression method for hybrid electric bus[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(1):202-207.
[6] 崔翔,李琳,盧鐵兵,等.電力系統(tǒng)電磁環(huán)境的數(shù)值預(yù)測方法及其應(yīng)用[J].華北電力大學學報,2002,29(5):18-24. Cui Xiang,Li lin,Lu Tiebing,et al.Numberical prediction methods of electromagnetic environment in power system and applications[J].Journal of North China Electric Power University,2002,29(5):18-24.
[7] 張衛(wèi)東,邢悅,崔翔.電力線通信網(wǎng)絡(luò)電磁輻射近場測量系統(tǒng)[J].中國電機工程學報,2010,30(12):117-121. Zhang Weidong,Xing Yue,Cui Xiang.Measurement system for near field electromagnetic radiation of power line communication networks[J].Proceedings of CSEE,2010,30(12):117-121.
[8] Capizzi G,Coco S,Laudani A.A new tool for the identification and localization of electromagnetic sources by using independent component analysis[J].IEEE Transactions on Magnetics,2007,43(4):1625-1628.
[9] Fiori S,F(xiàn)aba A,Albini L,et al.Numerical modeling for the localization and the assessment of electromagnetic field sources[J].IEEE Transactions on Magnetics,2003,39(3):1638-1641.
[10]Song Zhenfei,Su Donglin,Xie Shuguo.Detecting the number of EMI sources based on higher order statistics[C].IEEE International Symppsium on Electromagnetic Compatibility,Zurich,2009:465-468.
[11]Yan Wei,Wang Enrong,Zhao Yang,et al.Modeling of electromagnetic interference noise mechanism for magneto-rheological damper[C].Proceedings of the 5th International Conference on Intelligent Robotics and Application,Motreal,QC,Canada,2012,7507LNAI(PART2):153-163.
[12]Han-Chang H,Cheng-Nan C,Chi-Hsueh W.A new approach for fast Analysis of spurious emissions from RF/microwave circuits[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2009,51(3):631-638.
[13]Ricciardi G F,Stutzman W L.A near-field to far-field transformation for spheroidal geometry utilizing an eigenfunction expansion[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2004,52(12):3337-3349.
[14]Bertocco M,Sona A,Stellini M.Simplified approach for the analysis of PCB radiated emissions in the near field region[C].International Symposium on Electromagnetic Compatibility-EMC Europe,Hamburg,2008:1-6.
[15]Malik M M.EMI model of automatic implantable medical device(AIMDs)[C].Second International Conference on Electrical Engineering,Lahore,2008:25-26.
[16]Di Lin,F(xiàn)abrice L.Accelerated genetic algorithm for bandwidth allocation in view of EMI for wireless healthcare[C].IEEE Wireless Communications and Networking Conference,Shanghai,2012:3312-3317.
[17]Shunichi,Koike B.A novel assement methodology for the EMI occurrence in implantable medical devices based upon magnetic flux disttibution of RFID reader/writers[J]. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility,2007,4(6):1-6
[18]趙陽,顏偉,趙波,等.電路輻射干擾機理診斷與特性估計方法研究[J].電工技術(shù)學報,2010,25(10):6-13. Zhao Yang,Yan Wei,Zhao Bo,et al.EMI radiated noise diagnosis and estimation for HF circuits[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(10):6-13.
[19]趙陽,羅永超,顏偉,等.高頻電路輻射干擾快速分析與預(yù)估方法[J].電波科學學報,2010,25(3):466-471. Zhao Yang,Luo Yongchao,Yan Wei,et al.Rapid analysis and prediction method of radiation interference of high frequency circuit[J].Chinese Journal of Radio Science,2010,25(3):466-471.
[20]趙陽,董穎華,陸婋泉,等.大功率開關(guān)磁阻電機EMI噪聲綜合分析與處理[J].中國電機工程學報,2011,31(21):135-141. Zhao Yang,Dong Yinghua,Lu Xiaoquan,et al.EMI noise analysis and process for large-power switched reluctance motor[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(21):135-141.
[21]Fu Yan,Hubing T H.Analysis of radiated emissions from a printed circuit board using expert system algorithms[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2007 49(1):68-75.
[22]Gillman T H,Le May I.Mechanical and electrical failures leading to major fires[J].Engineering Failure Analysis,2007,14(6):995-1018.
[23]Bhargava A,Pommerenke D,Kam K W,et al.DC-DC Buck converter EMI reduction using PCB layout modification[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2011,53(3):806-813.
[24]Qiu Xiaohui,Zhao Yang,Chen Hao,et al.Blind signalseparation (BSS) algorithm applied in EMI noise diagnosis[C].Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility (APEMC),Beijing,2010:1602-1605.
[25]Wang Q D,An Z Y.Electromagnetic interference pattern recognition for vehicle wiper motor based on wavelet packet decomposition[J].International Journal of Electric and Hybrid Vehicles,2012,4(2):186-196.
The Radiated EMI Analysis Method for Electromedical Equipments Based on ICA
ZhaoYang1XiaHuan1QiuXiaohui2SongBaitong1ChenXueli1
(1.Nanjing Normal University Jiangsu Electrical Equipment EMC Engineering Laboratory Nanjing 210042 China 2.Nanjing University of Posts and Telecommunications Nanjing 210042 China)
Aiming at the multi-point electromagnetic interference (EMI) radiation of the medical electronic equipment,this paper designs the analysis method based on the independent component analysis (ICA) algorithm.The near field time-domain signals,resulted from the superposition of multiple radiation sources,can be separated into several independent common mode and differential mode (CM/DM)radiation sources by applying the ICA algorithm.After the over standard sourceis found,technicians can take the corresponding improvement measures.Comparing to the present analysis methods,this one is more convenient and simple.It can quickly locate the over standard source and is easy to be manipulated and realized.In this paper,with three experiments,i.e.the double CM mixed source,the double DM mixed sources,and the CM/DM mixed source,the feasibility of the method is verified.And the validity of the method is tested by the application example in the electronic medical equipment.In the meantime,this method may offer a reference for tracing source in the complex electronic equipment and multiple radiation sources improvements in the future.
ICA,radiated noise,electromagnetic interference,analysis method
江蘇省自然科學基金(BK2011789)、毫米波國家重點實驗室開放基金(K201309)和江蘇省科技廳產(chǎn)學研究聯(lián)合創(chuàng)新資金(BY2012004)資助項目。
2015-01-27 改稿日期2015-03-19
O441.4
趙 陽 男,1966年生,教授博導,研究方向為電磁兼容。(通信作者)
夏 歡 女,1991年生,碩士研究生,研究方向為電磁兼容。