東陽テクニカとキーサイト・テクノロジーが提案する、
FFTベース測定技術を利用した新しいEMIコンプライアンス測定ソリューションを紹介するスペシャルサイトです。
新ソリューションの原理から、効果的な測定事例、製品の詳細まで測定業務に役立つ情報をお届けいたします。

まずは最新EMIレシーバー「PXE」で解決できることを動画でご紹介！

EMI測定において、こんな事お困りではないですか？

これ、全てFFTベースのEMIレシーバーで解決できます！

では、FFTベースの測定技術、ソリューションとはどういうものでしょうか？
本サイトでは、以下をご紹介致します。

1. FFTベースの測定技術とは？

計測で利用されているFFT(Fast Fourier Transform、高速フーリエ変換）とは、オシロスコープのように時間軸でサンプリングした信号を、演算処理により周波数軸（周波数スペクトラム）に変換・表示するものです。
従来、EMCのような周波数スペクトラムの解析では、ヘテロダイン方式による掃引型の測定が主流でした。これは、従来のFFTでは下記に述べるような制限事項があり、ノイズ測定には不向きで、かつCISPR規格で求められる測定器仕様を満たせなかったためです。

従来のFFTの制限事項とは？

FFT演算を行う際、時間軸でサンプリングしたデータの一部を離散的に抜き出してスペクトラムに変換していたため、時間軸方向でかなりのデータの抜けが発生します。
CW信号の場合はこれでも実用上問題は少ないのですが、ノイズ測定の場合、時間的に変動するものは、取りこぼしたり、測定レベルの読み値の信頼性が損なわれる問題が生じます。

Time Domain Scan (TDS)

従来のFFTの制限を解決したのが、Time Domain Scan (TDS)と呼ばれる手法です。FFTを利用して時間軸でサンプリングしたデータを周波数スぺクトラムに変換する作業は同じですが、サンプリングデータを時間的にオーバーラップをかけてFFT処理することにより、データの抜けを無くし、測定レベルの確度をはじめ、CISPR規格で求められる測定器の仕様を満たすようになっています。

従来の掃引型にないTDSの特徴は、一定の帯域幅をまとめてスペクトラムに変換するため、QP検波のような時定数が長いものでも、掃引型のように測定ポイントごとに時定数時間処理する必要はなく、ある程度の帯域（30MHz程度）を１測定ポイントの時間とほぼ同じ時間で処理できます。

例：測定範囲　150KHz～30MHz（RBW 9KHz、 dwell time 1秒）の場合

• 掃引型でQP検波測定すると完了まで約4時間弱
• TDSでは同条件で約2秒

これにより、特定の測定条件では、大幅に測定時間を短縮できるようになりました。しかし、次に解説するTDSの制限事項により、多くのケースでユーザーがメリットを享受するにはいたりませんでした。

TDSの制限事項とは？

TDSは、FFT演算を大量に行うため、従来の演算ハードウェアの処理能力の限界により、表現できる周波数スペクトラムの帯域幅が制限されました。一般的にはピーク検波の場合で、40MHz程度、QP検波を行うとさらに演算負荷が重くなるため帯域は30MHz程度まで制限されたりしています。
これにより、伝導帯域の測定では測定時間の大幅な短縮が可能ですが、30MHz～1GHzの放射試験においては、TDSだと数10MHz幅の測定を小刻みに繰り返して測定する結果、全体の測定時間が長くなり、掃引型の測定を置き換えるまでには至っていません。

Accelerated Time Domain Scan（A-TDS）

TDSの登場により、伝導帯域でのQP検波測定など一部のEMI試験でメリットが生まれましたが、さらに機能を拡張し、30M～1GHzの放射測定への対応を狙ったのが、A-TDSです。
A-TDSは、高性能なハードウェアエンジンにより、一気にTDSの帯域幅を350MHz（ピーク、QP、EMIアベレージの３検波同時）まで拡張し、さらにTDS帯域幅350MHz内の信号・ノイズを最小Dwell time 50msecで時間軸方向の一切の取りこぼしなく、連続的に測定できるようになっています。
この連続的にギャップレスで測定する機能をReal Time Scan (RTSC)と呼んでいます。

350MHzの広帯域化により、自動車などQP検波で1GHzまで測定される場合の測定時間の大幅な短縮はもちろんですが、Real time scanを使うと、30MHz～1GHzの一般的なEMI測定全般に大きなメリットが生まれます。

自動車の例：

測定範囲　30MHz～1GHz（RBW 120KHz、dwell time 1秒、ピーク/QP/EMIアベレージ3検波)の場合
TDS測定（30MHz帯域）　約80秒
A-TDS測定（350MHz帯域）　約5.8秒

Real time scan (RTSC)が実現する新たなEMI測定

RTSCは、TDSをベースに350MHz帯域内の信号・ノイズに対し、連続的、ギャップレスの測定を行う事が出来ます。
この時、ピーク、QP、EMIアベレージの３検波のトレースを同時に表示、最小50msecからのDwell timeに対応していますので、検波ごと、いつ、どの動作でノイズが発生したかを把握したり、ノイズの変動など真の立ち振る舞いを観測する事が可能です。
また、RTSCの操作は、スタート周波数とストップ周波数、Dwell timeを設定するだけのシンプルな体系ですので、スペアナやレシーバーの操作経験の少ないユーザでも簡単にすぐ利用出来ます。

Real time scan (RTSC)を利用した新たな放射エミッション試験

RTSCを活用することで、30MHz～1GHzの放射エミッション測定について、冒頭で述べた以下のような問題を解決できます。

RTSCは原理的にノイズの取りこぼしがなく、変動するノイズの変化も見逃しません。これにより従来の掃引型のスペアナやEMIレシーバーのように、測定条件や測定者ごとに値が異なるという問題を排除できます。
また、ベテランの測定者以外、対策が主な用途のR&Dエンジニアでも、簡単な操作でノイズの立ち振る舞いが観測できるので、本来の現象確認や対策に集中できます。

Real time scan (RTSC)を放射コンプライアンス試験に利用する

RTSCのギャップレス測定という特長をプリスキャンに利用する場合、3つのバンド（30MHz～300MHz/300MHz～650MHz/650MHz～1000MHz）それぞれでターンテーブルを回しながら測定するフローが考えられます。ギャップレスであるため、従来の掃引測定に比べて、取りこぼしやバラつきを抑えた、各段に信頼性の高い測定を実現できます。

また、プリスキャン後の最終測定においても、ターンテーブルやアンテナマスト高を調整しながら最悪値を探す際に、RTSCを利用してある程度の帯域幅を常時モニタしながら行えば、より信頼性の高い結果を得る事が出来ます。

後述する東陽テクニカの放射エミッション計測評価ソフトウェア「EPX」シリーズはRTSC機能をフル活用、上記の工夫を盛り込んだ、新世代の自動測定ソフトウェアとなっています。「EPX」シリーズを利用すれば、多くのユーザがベテラン測定者並みの信頼性の高い測定を実現できます。

Accelerated Time Domain Scan (A-TDS) の注意事項

多くのメリットがあるA-TDSですが、測定帯域幅を350MHzに広げたことのトレードオフが存在します。CISPR規格で規定される測定器仕様のうち、以下の点において適合出来ません。

「インパルス信号で、RPF（繰り返し周期）が20Hz以下のものを測定する際のQP検波の応答」

ここで言うインパルスとは、非常に時間の短い（数nsec程度以下）パルス状の信号のことです。このインパルスの発生周期が20Hz以下の場合^※1、A-TDSのQP測定結果がCISPR規格で定められた仕様を満たせなくなります。

※1 インパルスでRPFが低いという事は、信号のピークレベルに対し、QP測定レベルが小さく、測定器のダイナミックレンジが必要とされます。A-TDSは広い帯域の信号を一括して処理するため、ダイナミックレンジが不足する場合が起こります。

ただ、この様な信号があった場合、東陽テクニカの放射・伝導エミッション計測評価ソフトウェア 「EPX」シリーズはその特許技術^※2により、自動的に識別、CISPR規格に適合した測定となるよう、Standard TDS^※3に自動で切り替えて測定する機能を持っています。 この機能により、A-TDSを利用した場合でも、フルコンプライアンスの試験として運用できます。

※2 特許第6505348号　放射妨害波測定方法及び放射妨害波測定システム
※3 N9048 PXEはA-TDSの他、Standard TDS(測定帯域幅の狭いTDS）の動作も可能で、 Standard TDSはCISPR規格に完全適合しています。

2. A-TDSの効果的な測定事例

A-TDSを利用すると、EMI放射測定において、これまで頭を悩ませていた多くの測定の問題を解決できます。ここでは、いくつかの改善事例をご紹介します。

事例その1　「最終試験の対象ノイズを合理的に絞り込み、試験時間を短縮する」

従来、掃引型のスペアナやEMIレシーバーでプリスキャンを行う際、掃引に時間がかかるQP/EMIアベレージ検波は選択出来ませんでした。ユーザーは、ピーク検波およびそのMAX Holdのトレースから、QP/EMIアベレージ検波でのレベルや挙動を想像して、最終試験で測るべきノイズをピップアップすることになります。この時、リミットに対するマージンを考慮すると、実際に測るべきノイズより多くの候補を最終測定せざるを得ません。これは非常に手間と時間のかかる作業です。さらに、手間を惜しむと、本来測るべき最悪値を取りこぼす恐れもあります。
これに対し、RTSCでは、プリスキャンでもピーク/QP/EMIアベレージの3検波を同時に測定出来ます。これにより、QP/EMIアベレージ検波でのレベルを実際に把握することが出来るので、測るべきノイズを合理的に判断できます。また、細かいDwell timeの設定により、時間的に変動するノイズのレベルや周期も確認できるので、最終測定の測定条件を間違いなく設定、正確な測定が行えます。
ノイズの可視化による合理的な判定で無駄を省き、正しい条件設定による最終試験で、作業効率と正確性を両立できます。

実際の測定例　(東陽テクニカ　放射・伝導エミッション計測評価ソフトウェア 「EPX」の測定画面）

同じEUTを従来の掃引測定とRTSC測定、それぞれで最終試験のための候補ノイズをピックアップしています。
RTSC測定では、大幅に候補ノイズの絞り込みができています。

事例その2　「測定値のバラつきを低減する」

測定の度に値がバラつく、同じEUTなのに前回の値と異なる、これらはEUTの動作状態を確認すると同時に測定の確からしさも検討する必要があります。 そもそも時間的に変動するノイズなどは、発生タイミングを考慮した測定の条件設定がない限り、取りこぼしたり、正しいレベルを測定出来ていない恐れがあります。従来の掃引測定の場合、このノイズの立ち振る舞いを、ユーザの経験や知識で予測して対応する必要がありました。ただ、全てのユーザが同じ品質の作業を行うのは非常にハードルが高く、測定者によって、結果が異なるという悩みもよく耳にします。

A-TDSの最大350MHz帯域のRTSCを利用すれば、ギャップレスでノイズの真の振る舞いを把握することにより、従来の掃引測定や、狭帯域のTDSに比較し、ユーザの経験や知識に関係なく、各段に測定値のバラつきを低減できます。これにより、再測定やリワークなど、無駄な作業を回避できます。

以下は、実際にハイブリッド車の放射ノイズを、掃引、狭帯域のTDS（約30MHz帯域）、RTSC（A-TDSによる30MHz～100MHz帯域一括）の３つの測定手法を行い、測定手法ごとのバラつき（偏差）をまとめたグラフです。掃引や狭帯域のTDSに比較して、RTSCによる偏差の少ない（＝再現性が高い）様子が分かります。

測定結果の僅差（ピーク検波）

注：　掃引測定は一部の周波数で偏差が最も少ない様に見える箇所があるが、インパルス性ノイズの取りこぼしが発生しており“ノイズがない”結果となっているため。RTSCは取りこぼしがなく、すべての領域で偏差が少ない。

事例その3　「複雑なノイズに騙されない！」　広帯域ノイズに埋もれた狭帯域ノイズ

EMI測定を難しくしている典型的なノイズとして、広帯域ノイズに埋もれた狭帯域ノイズがあります。広帯域のノイズはスイッチング電源などでよく見受けられますが、最近はスイッチング周波数の高速化もあり、より広範囲なノイズが出る傾向があります。
従来の掃引測定の場合、プリスキャンではピーク検波とMax Holdのトレースを見ていきますが、Max Holdのトレースで最悪値を読むと、見かけ上レベルの小さい狭帯域ノイズはMax Holdのトレースに隠れてしまい、ピックアップの候補になりません。
しかし、実際には殆どの広帯域ノイズはインパルス的なので、QP検波では大した値にはならないのに対し、埋もれた狭帯域ノイズでも連続的だったり、頻度の高いものだったりすると、QP検波で大きなレベルを示します。気づかないと、本来は測定すべきノイズなのに取りこぼしてしまう恐れがあり、要注意です。
RTSCは、この様な広帯域ノイズに埋もれた狭帯域ノイズを、どなたでも簡単に識別出来ますので、測るべきノイズを取り逃がす危険を避けて、測定の信頼性を向上できます。

3. A-TDSに対応した製品

4. よくあるご質問