电磁兼容问题及处理 –
04 常见的电磁骚扰的波形和频谱特征
在上一篇文章中，我们已经为大家介绍了在工业场合常见的电磁骚扰及产生的原因。有了这些概念，我们在日常工作中以及现场遇到问题时，就会大致的知道电磁骚扰是由什么设备产生的，有助于我们更加快速的定位骚扰源。但是否有更加准确的特征帮助我们对骚扰进行进一步的确认呢，今天我们从电磁骚扰的物理和数学描述来谈一谈这个问题。
（1）时域和频域
对于一个电磁波信号来讲，我们想要了解该信号，一般都会从时域和频域等几个方面来对该信号进行分析。无论是有用的信号还是骚扰信号，都存在其特定的时域特性和频域特性。因此，我们从这些方面对某个信号进行分析，就可以对该信号的特征进行描述，一方面有助于我们了解该信号，另外一方面有助于我们识别该信号。
1）时域
时域（Time domain）是描述数学函数或物理信号对应时间的关系。例如：一个信号的时域波形可以表达信号随着时间的变化。
时域波形的两个重要参数是周期和上升时间。
而当波形与实际的物理量对应时，相应的参数也可能变为具体的物理量的参数。
图1 波形的时域特征
对于骚扰来讲，其信号的时域描述也是其波形。例如，当骚扰是正弦波时，其波形可以用正弦波的频率、电压有效值以及电流有效值等来描述。对于脉冲噪声，其主要参数应该是上升时间、下降时间、脉冲宽度、脉冲幅值等；如果是周期性脉冲，还应考虑脉冲的重复频率和周期。之前我们介绍过，工业现场比较常见的干扰就是脉冲型的干扰信号，因此工业现场的脉冲型干扰信号可能有多种波形，例如：矩形、梯形、三角形、指数衰减、高斯型、衰减正弦震荡等等。
2）频域
频域（Frequency domain）是描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系。在电子学、控制系统工程和统计学中，频域图显示了在一个频率范围内每个给定频带内的信号量。频域，尤其在射频和通信系统中运用较多，在高速数字应用中也会用到频域。
图2 波形与频谱的对应关系
从上图中可以看到，通过波形看到的是信号的时域特性，而通过频谱可以看到信号的频率特性。通过频域特性，就可以了解信号分布在哪些频段上。而如果是骚扰信号，则可以确定骚扰在哪些频段上对其他设备产生干扰。如果骚扰的频谱范围与设备的通频带没有重叠，则一般不会产生干扰（除非骚扰强度特别高），反之，则有可能对设备产生危害。而对于骚扰采取应对措施时，也应考虑频率的范围，不同的频率范围、不同的频段所采用的方法可能是不同的。常用的骚扰抑制器件如滤波器、磁环、屏蔽材料等都是有一定的频率作用范围的，所以研究电磁骚扰的频谱在电磁兼容分析过程中起着重要的作用。
3）常见脉冲波形的频谱
对于动态信号，可以通过傅里叶变换为频域。例如，对于电信号，我们可以通过傅里叶变化求得其频谱函数。
其中f(t)为电信号得时域波形函数，F(ω)为该信号的频谱函数，ω为角函数（ω=2πf），f为频率。
对于正弦波，其频谱非常简单，就是一根谱线（见图3）。
图3 正弦波对应的频谱
但对于脉冲波形，其频谱相对就比较复杂。下图是常见的一些脉冲波形的频谱，供大家参考（图4）。
图4 常见脉冲信号的频谱
通过这些频谱其实可以发现，能量主要集中在频率较低的频段。随着频率的升高，频谱的幅度越来越小，直至可以忽略不计。
这里，我们举个例子，以矩形脉冲的频谱为例来说明频谱幅度与频率的关系。
从图4中可以看到，矩形脉冲信号的频谱是由主瓣和若干副瓣构成，但副瓣的幅度都没主瓣高，且逐渐趋向于越来越低。
下图（图5）是以一个幅度A=1V，宽度τ=1us的矩形脉冲的频谱。图中的频率轴采用对数坐标，单位为MHz，频率函数取绝对值；幅度轴也使用对数坐标，单位是dB(0dB=1uV/MHz)。
图5 矩形脉冲的频谱峰值与频率关系
经过计算后，可以将频谱中各副瓣的最大值用一条假想的切线连接起来，可以得到该切线的斜率为-20dB/10倍频。
从图中可以看出，矩形脉冲的频谱在低频段（f<1/πτ）时幅度基本不变，而在高频段（f>1/πτ）时，总的趋势是幅度以每10倍频-20dB的速率下降。
通过同样的方法，我们可以绘制出其他脉冲波形的频谱峰值包络切线随频率变化的关系图（图6）。
图6 各种脉冲的频谱峰值与频率关系
我们可以看到，其他类型的脉冲波形有着与矩形脉冲波形类似的特性，因此，我们可以得到如下结论：
a. 脉冲波形具有相当宽的频率带宽
b. 脉冲波形的频谱幅度在低频段较高，在高频段随着频率的增加而降低，降低的速率与脉冲边沿的陡度有关，脉冲越陡（即上升时间越短）则频谱幅度下降的越慢，反正，脉冲越圆滑则下降速度越快。这就说明，陡峭的脉冲比圆滑的脉冲含有更高的频率成分，有效频率带宽更宽。
从电磁兼容的角度看，脉冲的频谱带宽太宽是我们所不希望的，因为高频成分比低频成分更容易通过辐射或耦合途径传输，从而对其他设备产生干扰。
今天我们介绍了骚扰信号在时域和频域的描述方法，相信大家对干扰信号有了更加深入的理解。我们在现场往往通过示波器、频谱仪等设备对现场的干扰信号进行采集，可以对现场的干扰信号进行比较深入的分析，更加有助于进行干扰源的定位。但现场的骚扰信号往往是比较随机也比较复杂的，因此还应该结合实际的情况进行分析，结合我们的经验，才能最终捕捉到干扰产生的真正的原因。但无论如何，对信号的了解和理解是解决问题的基础，希望本篇介绍的内容对大家有所帮助。
至此，对于电磁干扰的理论部分的内容我们就简单的给大家总结到这里，更加深入的内容希望大家再进一步的深入学习，我们也可以进行探讨。接下来，我将对现场的骚扰产生的途径进行一些介绍，请大家持续关注随后的内容。
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