傳統的電子設備電磁兼容測量一般在微波暗室中進行，但這種測量具有很多的局限性。首先微波暗室無法完全模仿電子設備的工作環境，其次大型的電子設備無法搬進微波暗室中測量。針對上述情況，需要對設備的電磁兼容進行現場測量。在現場測量中，廣播、電視、基站等潛在的輻射源會嚴重干擾測量精度，甚至會超出EMC的測量極限值。EUT（受試設備）的輻射信號會被淹沒在復雜的環境噪聲中，環境噪聲還可能含有與受試設備同頻的信號分量。這會導致測量誤差大，測量時間長，或誤將環境信號當成受試設備的的輻射信號等嚴重影響。這就需要合適的處理方法濾除設備測量現場的噪聲信號，從而對設備的電磁輻射進行精確的測量。

    早期的電磁兼容現場測量采用分時測量方法，即先將EUT關閉進行掃描產生電磁環境曲線，選出幅值較高或比較敏感的頻率點寫入電磁環境列表。其次打開EUT，再進行測試并將結果記錄下來，此時記錄的是包含了電磁環境和EUT發射的信號。最后對混合信號分析，剔除與電磁環境電平相同的頻率點。分時測量存在測量時間的不同、環境噪聲不同的問題。隨著自適應濾波的發展，參考文獻[1]提出了虛擬暗室，并且在2005年獲得了專利。美國軍方采用了以該專利為基礎的CASSPER系統。加拿大容向科技的CASSPER系統是基于時域的自適應濾波。參考文獻[2]對時域的虛擬暗室作了實驗，證明該系統在背景噪聲中含有與EUT信號幅度值相同或相近成分時，測試效果不理想。虛擬暗室在使用時受到諸多的限制，如參考通道不能有EUT的輻射信號，環境不能含有與EUT設備同頻的信號等，這些都限制了其應用。參考文獻[3]提出了基于波束形成的干擾對消的方法，該方法不需要參考通道依然具有良好的濾波效果。參考文獻[4-5]提出了基于空域濾波的電磁輻射測量方法，但該方法在處理相干信號時較慢，且會出現偽峰導致波達方向估計誤差從而導致濾波性能下降。

    本文根據空域濾波原理，在多維空間譜估計算法上引入空間平滑算法，再根據波束形成技術對干擾信號形成空域濾波，改善虛擬暗室在現場中的不足。本文介紹了空域濾波原理并仿真驗證方法的有效性。其能有效改善虛擬暗室在同頻信號下的測量和去除相干信號的性能。

1 基本原理

1.1 波達方向估計

    MUSIC算法在估計相干信源時，Rs秩虧損使得信號特征向量擴展到噪聲特征向量中，繼而導致信號空間和噪聲空間不正交，最終波達方向估計出現誤差。空間平滑技術是對副相干或者強相干信號的有效處理方法。

    將M個陣元的線性均勻陣列分成相互交錯的p個子陣。其中每個子陣包含的m個陣元滿足M=m+p-1。信號源個數為N。如圖1所示，取第一個子陣為參考子陣，那么每個子陣的輸出矢量為：

    對第k個子陣，有：

    當滿足m>N且p>N時，前向空間平滑數據協方差矩陣R^f是滿秩的。即可以通過特征分解求得相應的信號子空間和噪聲子空間，進而求出干擾信號和EUT輻射信號的來向。

1.2 陣列信號的波束形成

    在獲得輻射信號的波達方向后，利用MVDR準則確定各陣元的加權系數使陣列主波束指向輻射信號。其在干擾信號的來向上形成零點，且在最大程度上保證被測信號的完整性，最大化抑制干擾信號。MVDR在期望信號來向上增益為1。以M陣元的線陣為例，x_i(t)表示第i個陣元接收到的信號，ω_i表示對應的加權值，則波束形成的輸出功率為：

式中R=E{X(t)X^H(t)}是陣列輸入協方差矩陣。

    在波束形成器輸出功率中，信號不僅在來波方向上有貢獻，且在對波束寬度內的其他方向也有貢獻。MVDR準則的波束形成就是在保持EUT輻射信號波達方向能量不變的前提下，使干擾信號和噪聲功率在波束寬度內最小化。實際上是一個約束最佳化問題的解：

2 仿真結果

   本節對方法的有效性進行仿真驗證。設接收陣列為一元線性陣列，有M個陣元，陣元間距為d。取M=8，d=200 mm。設空間中有3個不同信號，其中一個為EUT的單頻輻射信號，一個為EUT輻射信號經地面反射的干擾信號，第3個是環境中存在的干擾信號。所使用的均為窄帶信號，其數學形式為：

其中A₀=2A₁=A₂，f₀=400 MHz，f₁=200 MHz。信號的來向分別為40°、-20°、60°，信噪比和干噪比均為10 dB。

2.1 EUT和干擾信號來向仿真

    要對背景噪聲在EUT信號來向上進行波束形成，必須先測得信號來向和各個干擾信號的波達方向，經典MUSIC算法是對陣列信號測向的有效算法。仿真如圖2所示，在測量EUT輻射信號和相干信號時出現了較嚴重的偏差。對不相干信號的估計較準確，但相干信號的波達方向就分辨不出來。

    使用基于空間平滑技術的MUSIC算法估計波達方向，仿真結果如圖3所示。其較為準確地測量了EUT輻射信號和相干干擾信號的來向，但是空間平滑技術是以犧牲分辨率為代價估計信號波達方向的。本文暫用空間平滑技術來估計EUT信號和干擾信號的波達方向。

2.2 MVDR準則的波束形成仿真

    圖4是基于MVDR的波束形成圖，本實驗仿真的干擾和EUT輻射信號均為單頻窄帶信號。如圖所示此時波束在干擾來向形成了精確的位置零點。在保證期望信號不失真的情況下波束對于背景噪聲中不相干的窄帶干擾信號有60 dB的抑制效果，對于相干窄帶干擾信號的抑制效果同樣也達到了50 dB以上。

圖5和圖6分別是陣列接收信號和根據MVDR準則恢復出的EUT輻射信號，雖然干擾信號含有較強的與EUT輻射信號同頻的信號，但此法仍然較好地恢復出了EUT輻射信號。對于陣元接收到的加性噪聲，該算法使得噪聲下降了20 dB。

    本文提出了一種解決現場電磁兼容測量的相關信號干擾的方法。將陣列信號處理運用到電磁兼容現場測量中，相較于基于雙通道的虛擬暗室，其能較好地剔除背景噪聲中與EUT輻射相干的信號。仿真驗證其可獲得與屏蔽暗室測試結果相一致的效果?？捎脕頊y量大型系統的電磁屏蔽效能、定位干擾源等，具有良好的工程運用前景。由于本文的干擾和輻射信號均為窄帶信號，下步將根據陣列信號處理的先進知識對干擾和輻射進行分析使此方法適用于更復雜的環境。

參考文獻

[1] SVACINA J，DRINOVSKY J，VIDENKA R.Virtual anechoic room-an useful tool for EMI pre-compliance testing[C].Proc.of the 17th International Conference Radioelectronica，2007：1-4.

[2] 楊金濤，馬蔚宇.虛擬暗室背景濾除模式性能分析[J].微波學報，2012(8)：286-289.

[3] DMOCHOWSKI J P.Decoupled beam forming and noise cancellation[J].IEEE Trans.on Instrumentation and Measurement，2007，56(1)：80-88.

[4] LU Z H，LIU P G，LIU J B.A novel method of ambient interferences suppressing for in-situ electromagnetic radiated emission test[J].IEEE Trans.on Electromagnetic Compatibility，2012，54(6)：1205-1215.

[5] 盧中昊，林銘團，劉繼斌，等.基于陣列信號處理的新型虛擬暗室測試方法[J].系統工程與電子技術，2013，35(10)：2021-2026.

[6] CASSPER測試系統技術文檔[Z].加拿大：容向系統科技有限公司，2006.

[7] 虛擬暗室系統操作手冊[Z].加拿大：容向系統科技有限公司，2006.

[8] 劉易勇，郭恩全.電磁干擾預測試系統研制[J].測控技術，2003，22（11）：37-41.

[9] 陳京平，劉建平，田軍生，等.虛擬暗室系統實驗研究[J].安全與電磁兼容，2008(3)：85-89.

[10] 程君佳.虛擬暗室測試平臺總體設計與算法研究[D].成都：電子科技大學，2004.

[11] 張小飛，汪飛，陳偉華.陣列信號處理的理論和應用[M].北京：國防工業出版社（第2版），2013.