EMI Receiver 數值 & LISN 模擬

用數值方法虛擬模擬 EMI 接收器，是非常不容易的工作，首先其工作是將時域資料轉換成頻域的 Peak、AV、QP 等值，其實是需要具備EMI Receiver的原理了解且有數值計算的能力才能做到，IEEE上有許多論文在探討這方面的研究，讀者有興趣可以去收尋參考。

EMI Receiver 虛擬計算原理

這邊筆者用簡單的方式和讀者說明，如何把前節介紹的EMI Receiver 零組件用軟體方式虛擬等效。

圖2-4

如圖2-4，虛擬等效可以分為以下幾個步驟進行：

1. 數據採集 (Data Acquisition)：從測試設備或模擬信號源中獲取時域資料。這些資料可以是電壓隨時間變化的波形。

2. 數字信號處理 (Digital Signal Processing)

   • 前處理 (Pre-processing)：對時域信號進行必要的過濾，以去除噪聲和不需要的頻率成分。這可以通過低通濾波器或帶通濾波器來實現。

   • FFT 轉換 (FFT Transformation)：使用快速傅立葉變換 (Fast Fourier Transform, FFT) 將時域信號轉換成頻域信號。這可以得到信號的頻譜，顯示各個頻率分量的幅度和相位。

3. 決定 fstart、fend​、RBW ，並計算計算中頻濾波器在當前頻率 ( f if_filter ​ ) 下的輸出。

4. 計算濾波後信號的包絡線 (Calculate the Envelope)

5. 信號檢測 (Signal Detection)

   • 峰值檢測 (Peak Detection)：在頻譜中查找每個頻率分量的最大值，即信號的峰值。這通常是通過找到頻譜數據中的最大值來實現。

   • 平均檢測 (Average Detection)：計算頻譜的平均值，以得到信號的平均幅度。這可以通過對頻譜數據進行平均運算來實現。

   • 準峰值檢測 (Quasi-Peak Detection)：準峰值檢測需要考慮信號的持續時間和間隔，這通常是用來衡量間歇性干擾的影響。可以使用標準中定義的加權函數來處理頻譜數據，得到準峰值。

6. 數據後處理 (Post-Processing)：對頻譜數據進行平滑處理，以消除由 FFT 引起的頻譜泄漏現象。這可以通過使用窗函數 (Window Function) 在 FFT 前對時域信號進行加窗來減少。

7. 數據可視化 (Data Visualization)：使用圖形軟件將處理後的數據進行可視化展示。可以繪製頻譜圖，顯示不同頻率分量的幅度，並標示出峰值、平均值和準峰值。

EMI Receiver 虛擬模擬展示

圖2-5 展示了虛擬EMI Receiver使用數值計算的結果，利用編碼，將數值資料做時域 -> 頻域 -> 包絡 -> 檢測分析 -> 數據處理 -> 波形可視化 的流程分析。

圖2-5

圖中，筆者使用數值方法在軟體中計算一個時域單一頻率的弦波來確認其頻譜轉換的正確性。確認軟體轉換是成功的後。再將其打包成一GUI的小軟體，方便後續使用。

LISN 模擬

LISN 的建模，可以參考儀器規範 CISPR 16-1-2，裡面有詳細的說明。簡單來說，LISN 其實就是一個低頻濾波器，參考說明，我們能簡單的覆現模型，如圖2-5所示。更能參考法規的內容確認所模擬的 LISN 是否符合法規要求。

圖2-6

Ansys Simplorer 中亦提供多種 LISN 模型，可以從 Component Libraries 中拉出使用。結合 Simplorer 的電路模擬功能，我們能更有效地進行 EMI 分析。例如在現實測試中，CISPR 25 用於測量車輛、船隻及內燃機設備中的無線電干擾特性，實驗室中常使用 R&S 的 ESH3-Z6 LISN。我們可以從資料庫中直接拉出 CISPR 25 等效模型的 LISN 使用。

圖2-7

可以注意到 Simplorer 中，包含了 CISPR 15、16、25，RTCA DO-160F及MIL-STD-461F 的 LISN，各個法規適用不同的產品及公用，例如CISPR標準旨在減少消費電子產品及車載設備的電磁干擾；RTCA DO-160F確保航空設備在各種飛行條件下的可靠性；MIL-STD-461F確保軍事設備在嚴苛環境下的可靠運行和兼容性。使用者可以依需要做選擇，筆者將其整理如下表格：

EMC Standards Comparison Table

標準名稱	適用範圍	重點內容	目的
CISPR 15	照明設備	射頻干擾測試，頻率範圍：9kHz-30MHz	減少照明設備對其他電子設備的干擾
CISPR 16	測試儀器及方法	測試儀器性能要求和測試程序	提供一致的測試方法和準確結果
CISPR 25	車載電子設備	車輛電子設備的射頻干擾測試，頻率範圍：150kHz-2.5GHz	確保車載電子設備不干擾其他設備，且抵抗外界干擾
RTCA DO-160F	航空電子設備	溫度、濕度、振動、電磁干擾等環境測試	確保航空設備在極端環境中穩定運行
MIL-STD-461F	軍用設備	電磁輻射、電磁抗擾度、電源線干擾等測試，頻率範圍：直流-40GHz	確保軍用設備在嚴苛環境中正常運行，不干擾其他設備

然而，即使資料庫中內建了這些模型，筆者仍建議使用者在運用前進行比對確認，以確保資料庫中的元件準確無誤，避免因元件錯誤而導致模擬結果不準確的問題。