罗德与施瓦茨APD EMI 测量技术简介

在电磁兼容（EMC）测试领域，电磁干扰（EMI）测量是评估电子设备是否符合相关标准的核心环节，其目的是精准检测设备在运行过程中对外产生的电磁干扰电平，避免对周边设备及系统造成不良影响。在众多的消费类电子产品EMC标准中，无论是EMI骚扰电压或场强，通常是以准峰值 (Quasi-Peak)检波器的测量结果作为判断，与对应的标准限值线作比较，低于限值线则判定产品通过测试。准峰值检波器早在20世纪30年代就发明了，主要用于评估干扰对模拟无线电接收机的干扰程度。因为大部分的干扰具备脉冲特性，而具备适当时间常数的准峰值检波器电路可以近似地模拟干扰对模拟无线电接收机的影响程度，准峰值检波器的加权测量方法一直沿用至今。

图1 EMI接收机准峰值检波器加权测试

随着技术的不断演进，无线电接收机经历了翻天覆地的变化，目前已全面从模拟时代迈入数字时代，因此EMI对无线电接收机的影响评估方法也需要作出相应变化，在此背景下，幅度概率分布（Amplitude Probability Distribution，APD）技术应运而生，为EMI测量提供了全新的统计分析测试解决方案，APD的评估方法相对于准峰值检波器更适用于EMI对数字无线电接收机的干扰评估。CISPR早在2006年就把APD引入到EMI认证测量方法之中，成为标准认可的EMI测量方法之一。由于数字调制的通信系统主要集中在1GHz以上，因此CISPR规定APD的测量方法目前主要针对频率在1GHz以上的EMI发射。

APD测量本质上是一种基于统计理论的干扰信号表征技术，其核心原理是通过对被测设备的干扰信号进行持续采样，统计不同幅度等级的干扰信号出现的概率，并以分布曲线的形式直观呈现干扰的幅度-概率特性。与传统的峰值检测（仅捕获最大幅度）、准峰值检测（考虑信号重复频率的加权检测）等方法相比，APD技术打破了单一数值表征的局限，能够完整反映干扰信号的统计分布特征，包括干扰的幅度范围、出现频率、脉冲宽度等关键信息。根据EMI测试标准的要求，需要在幅度和概率两个维度去判断干扰是否超出对应的限值线。

图2 APD EMI加权测试评估

深入了解APD测量方法 

使用准峰值检波器进行EMI评估，其实是模拟了人对无线电接收机受到干扰严重程度的主观判断。这就类似于一个人直接通过耳朵去判断FM广播收音机被干扰信号影响的严重程度。由于准峰值检波器最初设计时候是通过严谨的验证实验和大量数据确定的，因此对于当时实验的对象-模拟无线电接收机，该方法具有很好的参考意义的。

图3 通过人耳评估FM接收机的被干扰程度

但由于无线电通信技术在这几十年间飞速发展，模拟收发技术不再是主流，取而代之的是全面的数字化。由于数字无线电接收机的架构和设计概念和模拟时代完全不同，因此在受到干扰时候的表现也是截然不同的，如果还沿用主观判断的方法进行评估，显然是不合理的。目前，对于数字接收机的性能评估主要是通过特定的测量系统或者仪表进行监控，对干扰的影响进行量化分析，例如通过R&S的无线综测仪CMW500来监控蜂窝通信系统接收机的误码率BER值。

图4 通过综测仪监控接收系统的误码率

幅度概率分布APD的定义是：幅度超过某一指定值的时间概率，其表达式与累积分布函数对应如下：

那么利用APD的测量方法时，标准是如何确定测量限值线的呢？换句话说，APD的测量结果是如何与数字无线电接收机在被干扰时的性能下降程度关联起来的？

实际上骚扰信号的幅度概率分布（APD）与数字接收机误码率BER的关系是可以量化确定的，目前已有不少已经发表的文献叙述过这两者关系的验证方法。

验证试验可以通一个干扰发射装置（模拟受试设备）在固定的距离如3米或者10米，产生干扰电场，使得通信系统的误码率达到临界值（如3GPP的最低要求），此时把通信系统移除，替换为天线与频谱分析仪的组合，直接测量干扰的APD的值，此时得到的即为APD的最大允许值。

图5 APD测量限值确认方法

APD的限值 (Vlimit, Plimit) 可以通过以下公式确定：

式中：

Uref为通信系统被干扰后到达BER临界值时的参考电平。

α为通信系统传输符号率与比特率之比。

β为一个和比特能量相关的值，是在调制域中两个临近星座点的归一化距离的一半。

SF为扩频因子（适用于扩频系统）。

该公式的成立基于以下几点假设：

测量系统（如EMI接收机）噪声功率与无线通信接收机相同

无线通信接收机采用相干检波

测量系统滤波器带宽与无线通信接收的带宽相同

在测量中如果使用电场表示的 APD限值只要将以上电压限值再加上天线因子。由此可见，APD的限值大小其实是取决于通信系统的敏感度。以WCDMA为例（下行链路，QPSK, α=0.5和β=1），3GPP标准规定在测试信道（扩频因子为128）上信号强性低于-106.7 dBm/3.84 MHz时的BER至少为10-3。因此，APD限值 (Elimit, Plimit) 可由下式计算得到：

其中，AFm为测试天线的天线因子，系数R的确定参见CISRP 23《工业、科学和医疗设备允许值的确定方法》。对不同的通信系统都是采用类似的方法得到相应的APD限值，最终，某些重要的限值被标准采用。

APD 测量方法的应用

现如今的很多频谱分析仪都具备APD测量功能，但在EMI测试领域上CISPR对APD测量设备提出了更高的参数要求以满足测量动态范围及精度的要求 。如在CISPR 16-1-1 Ed.5版本的附录G中就有APD测量设备参数的详细描述：

幅度动态范围大于 60dB

采样率高于 10M/s

最大测量时间至少 2 min

最小可测量概率 10-7

足够小的幅度分辨率，建议优于 0.25dB（取决于A/D的位数）

首先引入APD EMI 测量方法的EMC产品标准是工科医标准CISPR 11 Ed.6版本，对于分类为Group 2的产品在1GHz-18GHz频率范围的辐射骚扰测试，可以使用APD对在特定频段的峰值干扰频点进行评估，满足标准限值要求即可判定为通过。CISPR 11 Ed.6版本要求干扰场强电平超过70dBμV/m的概率不能超过10%。

多媒体产品EMI发射标准CISPR 32目前辐射骚扰测量频率最高到6GHz，现行版本要求频率1GHz-6GHz使用峰值检波器及线性平均值检波器进行限值评估，而在即将发布的CISPR 32 Ed.3的版本中，会加入APD EMI 测量方法，同样适用用于1GHz-6GHz的辐射骚扰测试，该版本标准预计将于2026年底发布。后续各个类别产品的EMI发射标准更新将陆续加入APD EMI 测量方法，因此APD测量将会是未来1GHz以上EMI 发射测试的主流方法。

图6 多媒体产品EMI测试

罗德与施瓦茨的EMI APD测量方案

罗德与施瓦茨的EMI测量接收机是最早支持APD EMI测量的设备。从早期型号ESCI开始，之后每一代产品更新都把满足CISPR要求的APD测量功能作为标准配置交付给用户, 如型号ESU, ESR, ESW。

图7 R&S EMI 测量接收机型号演进

通常APD测量是针对单一频率点进行采样测量分析幅度和概率的分布，例如下图是针对中心频率为200MHz的一个脉冲信号进行测量，左边为时域频谱图，右边为APD测量结果。由于脉冲是周期性的，因此脉冲出现的概率即电平高于底噪的概率是相同的，基本为一条直线，而超出峰值的功率为0。

图8 针对单频点的APD测量

根据标准CISRP 11 Ed.5版本的要求，需要执行APD测量频段有2个，每个频段取一个峰值频率点进行评估，同时这两个峰值频率点的±5MHz偏移的频率点也需要测试，即总共需要评估6个频率点，按要求每个频点的测量时间至少30秒，那么对于每次只能单点测量的EMI接收机，总体的测量时间还不算太长。然而，CISPR 11目前最新版本Ed.6.2中对APD测量流程作出了修改，其中最大的变化是测量频段的增加（参考标准Tabel 20），因此其关注的频点由原来的2个变为7个，同时针对每个频点的±5MHz和±10MHz频移都需要测量，则全部需要测量的频率点实际增加至35个，那么传统的单频点APD测量方法耗时太长，测量效率会很低。

有鉴于此，R&S在高性能EMI接收机ESW中增加了多通道APD的测量方法，在完全符合CISPR标准的条件下最高可以同时测量21个通道，如果把分析带宽ABW降至120kHz，测量通道甚至可达67个。

图9 ESW 多通道APD测量方法

ESW在进行多通道APD EMI测量时，可同时显示单个调谐频率（通道）的测量结果以及所有频率的结果总览，以颜色区分分布概率大小，还可以3D视图显示频率-幅度-概率的关系，结果表格中详细描述各个通道的测量值以及与对应限值线的裕量。

图10 ESW多通道APD测量结果显示

考虑到用户在EMI测量中需要实现自动化以提高效率，R&S把APD测量功能集成到了自动化测试软件ELEKTRA中，用户可以直接在软件数据库中调取APD测量模板，模板中预设测量参数简化了用户的操作流程，用户可以轻松一键完成测试。

图11 自动化测试软件ELEKTRA支持APD测试 

总结一下

APD 测量作为EMI测试领域的新兴技术，通过幅度概率分布的核心机制，有效解决了数字化时代干扰测量评估的难题。此外APD测量技术解决了传统测量方法在非稳态、脉冲式干扰场景下表征不全面的问题，为电子设备的EMI评估和干扰溯源提供了可靠的统计技术支撑。随着电子设备向数字化、高频化、集成化方向快速发展，各行业EMI标准对干扰统计特性的要求不断升级，APD测量技术的应用范围将进一步扩大，成为未来EMI测量中不可或缺的核心技术方向。