牛宏亮

【摘 要】利用短時(shí)FFT算法對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，信號(hào)需滿足平穩(wěn)性假設(shè)條件，因此對(duì)尖峰、脈沖等瞬態(tài)信號(hào)無(wú)法得到正確的分析結(jié)果。重疊FFT是對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析的有力工具，其引入不同的交疊深度，對(duì)采樣信息進(jìn)行精細(xì)分析，這樣可以避免因?yàn)榇昂瘮?shù)的兩端零點(diǎn)對(duì)干擾信號(hào)可能造成的頻譜泄露，實(shí)現(xiàn)對(duì)非周期、尖峰、脈沖以及跳頻等瞬態(tài)信號(hào)的無(wú)縫捕獲。

【關(guān)鍵詞】電磁干擾；瞬態(tài)信號(hào)；重疊傅里葉變換；短時(shí)傅里葉變換

【Abstract】Analyse the time-domain data of spectrum with short-time FFT algorithm， the signal need to meet stationarity assumptions. Therefore， transient signal such as peak and impulse， cannot get the correct analysis results.Overlapping FFT is a powerful tool for time domain analysis of non-stationary signal.Bring in different overlapping depth， detailed analysis was carried out on the sample information. So it can avoid leakage frequency spectrum which the zero point of both window function sides may influence on the interference signal.It can seamless capture the transient signal， such as aperiodic， peak， impulse and frequency hopping.

【Key words】Electromagnetic interference； Transient signal； Overlapping FFT； Short-time FFT

0 前言

隨著越來(lái)越多的電子電器設(shè)備在科研生產(chǎn)和日常生活中的廣泛應(yīng)用，電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）問(wèn)題也日益突出。在諸多的電磁干擾現(xiàn)象中，周期性的干擾易于發(fā)現(xiàn)，但那些偶發(fā)性的電磁干擾現(xiàn)象由于其自身的不規(guī)律性，采用傳統(tǒng)的EMI接收機(jī)去測(cè)量往往很難發(fā)現(xiàn)，會(huì)發(fā)生頻譜泄露現(xiàn)象，從而使得測(cè)量結(jié)果失真[1]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)時(shí)域EMI測(cè)量技術(shù)中的信號(hào)處理環(huán)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種為新的信號(hào)處理方法—重疊FFT算法，來(lái)解決瞬態(tài)信號(hào)難以準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題。重疊FFT算法主要是根據(jù)CISPR16-1-1標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]，為了能夠捕獲并分析瞬態(tài)干擾信號(hào)，不同于傳統(tǒng)的順序處理采樣點(diǎn)的信息，而是引入了不同的交疊深度，對(duì)采樣信息進(jìn)行精細(xì)分析，這樣可以避免因?yàn)榇昂瘮?shù)的兩端零點(diǎn)對(duì)干擾信號(hào)可能造成的頻譜泄露，實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)干擾信號(hào)的測(cè)量。

1 短時(shí)FFT（Short-Time FFT，STFFT）算法

利用FFT算法可以對(duì)寬帶時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，但使用FFT時(shí)，需要信號(hào)滿足平穩(wěn)性假設(shè)條件，對(duì)尖峰、脈沖等瞬態(tài)信號(hào)無(wú)法得到正確的分析結(jié)果[3，4]。STFFT是對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析的有力工具，它在FFT前乘上一個(gè)時(shí)間有限的窗函數(shù)，將信號(hào)劃分為多個(gè)短時(shí)間間隔的塊進(jìn)行并行快速處理，從而得到信號(hào)的一組局域頻譜，根據(jù)不同時(shí)刻局部頻譜的差異，獲得信號(hào)的時(shí)變特性。在本文中，采用STFFT對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)非周期、尖峰、脈沖以及跳頻等瞬態(tài)信號(hào)的無(wú)縫捕獲。

時(shí)域EMI測(cè)量系統(tǒng)在進(jìn)行電磁干擾測(cè)量時(shí)，由于實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理單元處理的數(shù)據(jù)量巨大，每秒鐘處理的數(shù)據(jù)量達(dá)到Gbps級(jí)別。如此規(guī)模的數(shù)據(jù)吞吐量一般由超大規(guī)模FPGA陣列組成的硬件模塊來(lái)作為基礎(chǔ)平臺(tái)來(lái)應(yīng)對(duì)，因此高效的數(shù)據(jù)處理算法就顯得尤為必要。為了完成數(shù)據(jù)處理的繁重任務(wù)，可采用短時(shí)FFT信號(hào)處理算法。把數(shù)據(jù)分流到FPGA陣列中，然后采用短時(shí)FFT信號(hào)處理算法，在每一個(gè)FPGA芯片上，把數(shù)據(jù)分割成大量的短時(shí)間間隔塊，由FPGA芯片內(nèi)部豐富的內(nèi)嵌功能單元來(lái)完成短時(shí)數(shù)據(jù)塊的處理。

2 重疊FFT（Overlapping FFT）算法

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)非周期、尖峰、脈沖以及跳頻等瞬態(tài)電磁干擾信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了一種重疊FFT信號(hào)處理技術(shù)。

在短時(shí)FFT算法分析中，一個(gè)固有的假設(shè)是要處理的數(shù)據(jù)是單個(gè)周期定期重復(fù)的信號(hào)。圖1描述了一系列時(shí)域樣點(diǎn)。

假如在幀2上使用 FFT 處理時(shí)，在信號(hào)上進(jìn)行周期擴(kuò)展。一般會(huì)在連續(xù)幀之間發(fā)生不連續(xù)點(diǎn)，如圖2所示。

這些人為的不連續(xù)點(diǎn)生成原始信號(hào)中不存在的雜散響應(yīng)，在附近存在大的信號(hào)時(shí)，不可能檢測(cè)到小的信號(hào)，這種效應(yīng)稱為頻譜泄漏[5]。

應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的重疊FFT算法，可解決頻譜泄露效應(yīng)，以及完成對(duì)瞬態(tài)信號(hào)的無(wú)縫測(cè)量。

重疊FFT算法主要是根據(jù)CISPR16-1-1標(biāo)準(zhǔn)的要求，為了能夠捕獲并分析瞬態(tài)干擾信號(hào)，不同于傳統(tǒng)的順序處理采樣點(diǎn)的信息，而是引入了不同的交疊深度，對(duì)采樣信息進(jìn)行精細(xì)分析，這樣可以避免因?yàn)榇昂瘮?shù)的兩端零點(diǎn)對(duì)干擾信號(hào)可能造成的頻譜泄漏，實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)干擾信號(hào)的測(cè)量[6]。

重疊FFT算法的一個(gè)核心就是把待處理的數(shù)據(jù)依據(jù)一定的長(zhǎng)度劃分為一個(gè)個(gè)小的單元，在對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析分析時(shí)，相鄰兩個(gè)單元之間的數(shù)據(jù)有一定量的重復(fù)，這個(gè)重復(fù)的部分就命名為重疊幀。重疊幀的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是提高了顯示更新速率，這一效應(yīng)在要求采集時(shí)間長(zhǎng)的窄跨度中最為明顯。如果沒(méi)有重疊幀，那么直到采集整個(gè)新幀時(shí)才能更新顯示屏幕。在使用重疊幀時(shí)，將在以前的幀完成前顯示新幀。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在頻譜圖中實(shí)現(xiàn)的無(wú)縫頻域顯示。由于窗口濾波器降低了幀的每端樣點(diǎn)對(duì)零的影響，如果幀沒(méi)有重疊，在兩個(gè)相鄰幀接合處發(fā)生的頻譜事件可能會(huì)丟失。但是，重疊幀保證了可以在頻譜圖上查看所有頻譜事件，而不考慮窗口效應(yīng)。

3 仿真驗(yàn)證

為了評(píng)估所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的精確度，采用配置為Intel Celeron 600-MHz的臺(tái)式電腦對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，臺(tái)式電腦采用300MHz的時(shí)鐘對(duì)內(nèi)部CPU進(jìn)行記錄。以一個(gè)典型的dc/dc轉(zhuǎn)換器的電磁干擾測(cè)量為實(shí)例，用時(shí)域EMI測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合重疊FFT信號(hào)處理算法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

如圖3所示，應(yīng)用了重疊FFT算法的時(shí)域EMI測(cè)量系統(tǒng)，在不同時(shí)間點(diǎn)上成功捕獲到了頻率分別為296MHz和188MHz的瞬態(tài)電磁干擾信號(hào)，充分驗(yàn)證了本算法的有效性。

4 結(jié)論

本文在短時(shí)FFT算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的重疊FFT算法，解決了電磁干擾測(cè)量中非周期、尖峰、脈沖以及跳頻等瞬態(tài)電磁干擾信號(hào)難以準(zhǔn)確捕獲并測(cè)量的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，本方法準(zhǔn)確、有效。隨著各種電子電器產(chǎn)品的大規(guī)模應(yīng)用，本算法在電磁干擾測(cè)量和電磁干擾預(yù)防等領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王偉平]