CN105572485A - 一种频谱空间复合显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种频谱空间复合显示方法，属于电磁场分析测试技术领域。它能有效地解决被测设备内部场的可视化以及数字化表征问题。通过频谱分析仪探头捕捉前端电场、磁场的信号并用计算机进行后期处理，来获取信号特征从而完成空间场的电场、磁场分布图。首先，根据数据流方向构建主控制、信号采集、信号分析处理、显示和数据流模块，利用数据采集卡对频谱仪的功能进行补充，使其满足设计要求，并大幅度提高采样点数量；采用GPIB卡来实现频谱仪和PC机之间的数据交换，实现底层频谱仪和主机之间的通信；在该过程中将采集到数据的频率f和相应的幅值A；对频率f采用临近插值，幅值A采用双线性插值；利用四单元网格进行频率和幅值的插值。

Description

一种频谱空间复合显示方法

技术领域：

本发明涉及电磁场分析测试技术领域。

背景技术：

目前传统的频谱扫描分析仪，只是给出频谱信息图，人们通过该图只能知道空间场的频谱峰值和对应频率，而空间扫描只能给出一个峰值点的场强分布，在实际排故过程中，形象找出空间多个不同频率干扰峰值的分布，对排查具有重要的影响。中国发明专利公开号CN104020330A提供了“一种提高信号分析仪频谱测量准确度的方法”中提到如何改善频谱分析的精度，但还是局限在一维空间的测量。

发明内容：

本发明的目的是提供一种频谱空间复合显示方法，它能有效地解决被测设备内部场的可视化以及数字化表征问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种频谱空间复合显示方法，通过频谱分析仪探头捕捉前端电场、磁场的信号并用计算机进行后期处理，来获取信号特征从而完成空间场的电场、磁场分布图。首先，根据数据流方向构建功能模块，各模块的功能如下：

一、主控制模块

主控制模块的功能，它能够实现接收用户采集信号后，启动各个线程。信号采集控制线程进行连续采样，采集到样本信号后，产生实时分析消息，通知信号分析线程进行信号分析,同时并启动数据流线程，将原始数据保存到硬盘中便于事后分析，分析结束后通知图形显示线程进行结果显示，***扫描前的各种参数设定均由主控制模块实现。

二、信号采集模块

信号采集模块的功能，它在收到控制模块的采集指令后，进行数据的采集，对采集到的数据的存储通过SQL数据库进行管理，以供控制模块处理、调用。频谱仪的采集方式分为单扫描方式和连续扫描方式：单次扫描即启动一次，执行一次扫描操作；连续扫描即以连续扫描方式执行空间扫描时，形成的图像会在单位时间内被刷新多次。连续扫描方式能使观测到参数变化和频谱之间的定量关系。

由于考虑到空间多点信号采集，本发明采用程控调节扫描次数和具备峰值扫描保持功能的选项，最大限度发挥频谱仪分析效能。

三、信号分析处理模块

信号分析处理模块的功能，当信号采集完毕，主控制模块调用信号分析处理模块对数据进行分析、处理；处理过程为将采集到的信号进行图像插值处理，并将采集到的电磁干扰频率和幅值作为待处理的数据，把整个二维空间划分为网格，利用插值算法拟合得到其他未知点的频率和幅值。

四、显示模块

显示模块的功能，它负责图形的绘制、显示。频谱扫描显示：包括频谱图、空间图、频谱/空间图的显示，显示还可以随意放大、缩小、标注等。

当网格数为1×1时，为单点频谱扫描显示模式，此时不对频率和幅值进行插值处理，只是测量和画出选定频率范围内各频率的幅度峰值。空间扫描显示：当网格数为M×N时，网格每个点的频率都一样，只对其幅值进行插值处理，便可得到某频率的空间分布，此为空间扫描显示模式；空间扫描可以提供设备上有关EMI位置和强度的信息。设置空间扫描区域，通过多点信号的采集与分析，找出有问题的频率点，测量电磁辐射的强度。不同的幅度以不同的颜色表示，形成空间分布图。

频谱/空间扫描显示：当网格数为M×N时，对网格每个点进行频段扫描，此时频率和幅值都进行插值处理，便可得到电磁干扰的频谱/空间分布。此为频谱/空间扫描方式，频谱/空间扫描方式能使我们对选定的区域进行一个频率范围的扫描，并给出RF辐射图。这种扫描方式结合了空间扫描的最佳特性(可视和定位)以及频谱扫描的最佳特性(频率信息)。

五、数据流模块

数据流模块的功能，该模块负责数据的输入、输出管理，包括频谱仪数据控制与数据采集卡接口驱动，能够对频谱仪的数据进行多功能底层控制操作，包括GPIB数据协议的解码、输出数据的同步；模块能够对底层数据进行存储，多种检索方式的灵活调用，对于频谱、空间数据，还要具备再现和回放处理功能。

其次，按照以上模块实现的功能包括捕捉前端近场信号、高速数据采集、数据处理分析与显示，采用多线程技术，将界面响应当作主程序，数据采集处理当作次线程进行编程。其具体操作步骤如下：

(1)捕捉前端近场信号

由于前端信号的复杂性，干扰源的性质无法把握，故采用两种探头，即电场探头和磁场探头组合，构成前端传感组；电场探头相当于极子天线，当探头接近辐射源时，电场探头与电场成电容耦合；磁场探头的工作是基于法拉第电磁感应定律，一个闭合导体环的输出电压与穿过这个环的总磁通量的时间变化率成正比。

(2)高速数据采集

首先，利用数据采集卡对频谱仪的功能进行补充，使其满足设计要求，并大幅度提高采样点数量；其次，采用GPIB卡来实现频谱仪和PC机之间的数据交换，实现底层频谱仪和主机之间的通信；在该过程中将采集到数据的频率f和相应的幅值A。

(3)数据处理分析与显示

将采集到数据的频率和相应的幅值采用图像插值法进行处理，对数据的频率f采用临近插值，即采用横向和纵向两个方向减半向上取整实现，数据的频率f采用的公式如下所示：

相应的幅值A采用双线性插值，即横向和纵向两次线性插值来实现；利用四单元网格进行频率和幅值的插值，单元网格内点(m+u,n+v)的相应的幅值A采用的公式如下所示：

A(m+u,n+v)＝uvA(m+1,n+1)+(1-u)vA(m,n+1)+u(1-v)A(m+1,n)+(1-m)(1-n)A(m,n)

本发明通过幅值和频率的两种插值运算可得到电磁干扰的频率/空间分布图并在屏幕上显示。

本发明与现有技术相比的有益技术效果：

传统的频谱扫描，只是给出频谱信息，人们通过传统频谱扫描只能知道空间场的频率峰值和对应频率，若对应的扫描位置点不止一个，则找不出具体那个频率峰值对应的空间位置，而空间扫描只能给出一个峰值点的场强分布，在实际排故过程中，为了形象找出空间多个不同频率干扰峰值的分布，对排查具有重要的影响。本专利就是为该功能设计的，频谱/空间扫描得到的数据中既有频率信息也有空间信息。它既包含了频谱特征(频率信息)又包含了空间特征(可视和定位)。频谱/空间扫描获得整个扫描区域或指定区域内每个探头的全部频谱数据。通过鼠标在空间图上移动，动态显示出该点的峰值大小，对应的干扰频率，这为排查带来了极大的方便，提高了效率。

附图说明：

图1为本发明测试装置结构示意图

图2为本发明数据流方向框图

图3为本发明流程图

图4为本发明电磁干扰插值单元网格图

图5为本发明电磁干扰频谱/空间显示图

具体实施方式：

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

该发明测试装置整体结构如图1所示，主要实现的功能包括捕捉前端近场信号、高速数据采集、数据处理分析与显示。为了提高***性能，采用多线程技术(线程是程序中一个单一的顺序控制流程)。将界面响应当作主程序，数据采集处理当作次线程，本方法实施过程的流程如图3。其具体操作步骤如下：

(1)捕捉前端近场信号

该操作主要通过探头捕捉空间信号：由于前端信号的复杂性，干扰源的性质无法把握，因此必须采用两种探头，即电场探头和磁场探头组，构成前端传感组。两种场典型探头功能：电场探头呈杆状，用来检取空间电场强度信号；磁场探头呈环状，用来捡取空间磁场信号。

电场探头相当于极子天线，当探头接近辐射源时，电场探头与电场成电容耦合；磁场探头的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，一个闭合导体环的输出电压与穿过这个环的总磁通量的时间变化率成正比。

对空间信号的检测，采取何种探头，由两个因素决定，第一、信号源的性质，对于由回路形成的电磁干扰，磁场信号较强，须利用磁场探头进行测试，例如接地环路所引起的共模干扰，对于由线状辐射体所引起的电磁干扰，电场信号较强，例如电缆的传导发射，须利用电场探头进行测试。第二、由干扰频率决定，例如，对于3GHz的信号，波长为10cm，若以5cm外径的磁场探头进行测试，显然没有意义，一般，工程上30MHz以下的干扰信号，多利用磁场探头进行测量，3GHz以上的干扰信号，磁场探头，接收效果很差。

(2)高速数据采集

首先利用数据采集卡对频谱仪的功能进行补充，使其满足设计要求，并大幅度提高采样点数量。其次采用GPIB卡来实现频谱仪和主机之间的数据交换，实现底层频谱仪和主机之间的通信。在该过程中将采集到数据的频率f和相应的幅值A。

(3)数据处理分析与显示

将采集到数据的频率和相应的幅值采用图像插值法进行处理，对数据的频率f采用临近插值，即采用横向和纵向两个方向减半向上取整实现，数据的频率f采用的公式如下所示：

相应的幅值A采用双线性插值，即横向和纵向两次线性插值来实现；利用四单元网格进行频率和幅值的插值，单元网格内点(m+u,n+v)的相应的幅值A采用的公式如下所示：

A(m+u,n+v)＝uvA(m+1,n+1)+(1-u)vA(m,n+1)+u(1-v)A(m+1,n)+(1-m)(1-n)A(m,n)

本发明通过幅值和频率的两种插值运算可得到电磁干扰的频率/空间分布图并在屏幕上显示。通过频谱/空间扫能看到所有位置上的整个频率段的辐射情况，测量结果包含了完整的EMI特性，测量一次后，可以在计算机上进行详细的分析。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所作出的所用等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (1)

1.一种频谱空间复合显示方法，通过频谱分析仪探头捕捉前端电场、磁场的信号并用计算机进行后期处理，其特征在于：首先，根据数据流方向构建功能模块，各模块的功能如下：

一、主控制模块

主控制模块的功能，它能够实现接收用户采集信号后，启动各个线程；信号采集控制线程进行连续采样，采集到样本信号后，产生实时分析消息，通知信号分析线程进行信号分析,同时并启动数据流线程，将原始数据保存到硬盘中便于事后分析，分析结束后通知图形显示线程进行结果显示，***扫描前的各种参数设定均由主控制模块实现；

二、信号采集模块

信号采集模块的功能，它在收到控制模块的采集指令后，进行数据的采集，对采集到的数据的存储通过SQL数据库进行管理，以供控制模块处理、调用；频谱仪的采集方式分为单扫描方式和连续扫描方式：单次扫描即启动一次，执行一次扫描操作；连续扫描即以连续扫描方式执行空间扫描时，形成的图像会在单位时间内被刷新多次；

三、信号分析处理模块

信号分析处理模块的功能，当信号采集完毕，主控制模块调用信号分析处理模块对数据进行分析、处理；处理过程为将采集到的信号进行图像插值处理，并将采集到的电磁干扰频率和幅值作为待处理的数据，把整个二维空间划分为网格，利用插值算法拟合得到其他未知点的频率和幅值；

四、显示模块

显示模块的功能，它负责图形的绘制、显示，频谱扫描显示：当网格数为1×1时，为单点频谱扫描显示模式，此时不对频率和幅值进行插值处理；只是测量和画出选定频率范围内各频率的幅度峰值；空间扫描显示：当网格数为M×N时，网格每个点的频率都一样，只对其幅值进行插值处理，便可得到某频率的空间分布，此为空间扫描显示模式；

频谱/空间扫描显示：当网格数为M×N时，对网格每个点进行频段扫描，此时频率和幅值都进行插值处理，便可得到电磁干扰的频谱/空间分布；

五、数据流模块

数据流模块的功能，该模块负责数据的输入、输出管理，包括频谱仪数据控制与数据采集卡接口驱动，能够对频谱仪的数据进行多功能底层控制操作，包括GPIB数据协议的解码、输出数据的同步；模块能够对底层数据进行存储，多种检索方式的灵活调用，对于频谱、空间数据，还要具备再现和回放处理功能；

其次，按照以上模块实现的功能包括捕捉前端近场信号、高速数据采集、数据处理分析与显示，采用多线程技术，将界面响应当作主程序，数据采集处理当作次线程进行编程；其具体操作步骤如下：

(1)捕捉前端近场信号

由于前端信号的复杂性，干扰源的性质无法把握，故采用两种探头，即电场探头和磁场探头组合，构成前端传感组；电场探头相当于极子天线，当探头接近辐射源时，电场探头与电场成电容耦合；磁场探头的工作是基于法拉第电磁感应定律，一个闭合导体环的输出电压与穿过这个环的总磁通量的时间变化率成正比；

(2)高速数据采集

首先，利用数据采集卡对频谱仪的功能进行补充，使其满足设计要求，并大幅度提高采样点数量；其次，采用GPIB卡来实现频谱仪和PC机之间的数据交换，实现底层频谱仪和主机之间的通信；在该过程中将采集到数据的频率f和相应的幅值A；

(3)数据处理分析与显示

将采集到数据的频率和相应的幅值采用图像插值法进行处理，对频率f采用临近插值，即采用横向和纵向两个方向减半向上取整实现，频率f采用的公式如下所示：

幅值A采用双线性插值，即横向和纵向两次线性插值来实现；利用四单元网格进行频率和幅值的插值，单元网格内点(m+u,n+v)的幅值A采用的公式如下所示：

A(m+u,n+v)＝uvA(m+1,n+1)+(1-u)vA(m,n+1)+u(1-v)A(m+1,n)+(1-m)(1-n)A(m,n)；

本发明通过幅值和频率的两种插值运算可得到电磁干扰的频率/空间分布图并在屏幕上显示。