幅度概率分布(APD)测量技术介绍

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引言
    APD是AmplitudeProbabilityDistribution的缩写，即幅度概率分布。它是一个用来描述无线电骚扰统计特性的参量，定义为“骚扰幅度超过某个规定电平的时间概率的累积分布”。APD测试是目前最新的干扰测试方法，与典型的测量方法，如:准峰值检波等常规研究方法相比较，能更好地描述干扰本身的统计特性，突破了准峰值测量的局限性；采用数理统计的方法研究干扰源的本质，为研究分析不同特性的骚扰源对不同制式的通信系统的影响开辟了新的途径。
    CISPR规定的各种骚扰测量限值都以峰值、准峰值、平均值或有效值来表示，其目的是为了保护广播、电视、通信系统和其它电子设备的正常运行。准峰值反映了人的耳朵和眼睛对干扰的主观感觉；通信系统和电子设备根据信噪比来要求电磁环境，这里的噪声常用有效值、平均值、峰值等表示。这些量值对评价模拟系统是有效的，但是很难与误码率建立联系。随着社会的进步，数字系统已大大发展，而数字系统是用误码率来评价系统性能的，只有确定了干扰的幅度统计特性才能确定数字通信系统的误码率，并且找出误码率和系统输入信噪比的关系，因此与衡量数字通信系统性能直接有关的是干扰的幅度统计特性，而非传统的准峰值、平均值。APD测试就是用来测量干扰模型的统计特性的，是评估数字通信系统性能的最优方案之一。
    APD测量方法[1]
    APD测量是针对频率点进行的。APD分析仪连接在骚扰测量仪（测试接收机或频谱仪）的中频包络检波输出端，对中频包络分层测量，各层幅度对应于接收机输入端的电平。APD分析仪的结构有二种，一是用比较器+计数器，比较器数即分层数;二是使用A/D变换器+计数器+存储器，分层数即A/D变换器的分辨率，例如8位A/D变换器可有256层。
    APD测量结果如图1和图2所示，横轴是层电平，纵轴是幅度超过某层电平的概率。由曲线可知超过低电平层的概率大，超过高电平层的概率小。骚扰增强，曲线向右移动。

    图1  用APD作符合测试的方法之一

    图2  用APD作符合性测试的方法二

    其中APD定义的限值点有二个参数:电平限值Elimit和概率限值Plimit。用APD作符合性测试时有两种方法。
    方法一（如图1所示）:确定Plimit,测量Plimit条件下的电平E。如果E
    方法二（如图2所示）:确定Elimit，测量超过Elimit的概率P。如果P
    APD限值的确定[1]
    只有确定了APD和通信接收抗误码率BER之间的相关性，才可导出APD限值的确定方法。
    首先测出通信接收机的误码率BER，测试方法见图3。测量结果见图4，横轴为接收到的有用信号电压U，纵轴是误码率。图4中最右边曲线为没有EUT干扰时的误码率。接收到的有用信号越大，误码率越小。右边4条曲线是EUT发出不同强度干扰时的误码率。干扰越大，曲线越右移。由图4可知，在确定误码率为10-2条件下，有EUT干扰时必须增加有用信号强度U，在可接受的性能降低的极限情况下需增加U。

    图3  通信接收机误码率BER的测试方法

    图4  通信接收机误码率和接收到的有用信号的测试结果

    图5  用频谱仪和APD分析测量EUT干扰的APD值

    图6  EUT干扰的APD值测量结果

    然后再用频谱仪和APD分析仪测量EUT干扰的APD值，测量方法见图5。测量结果见图6，横轴为干扰电压，纵轴是概率，最左边曲线是EUT不工作情况，右边4条曲线是EUT发出不同强度干扰时的APD。由图6可知当概率确保在10-2条件下，干扰的层电压增加了V。
    实验和仿真结果证明:当误码率和干扰概率相等的情况下，测误码率时U的增加量U和测APD时干扰V的增加量V有很明显的相关性。因此可以利用这种相关性来确定APD的限值点。通常要求通信系统话音传输的BER为10-2，数据传输的BER为10-4。由此可规定APD的概率限值Plimit分别为10-2,10-4。再根据二者的相关性，由图6中的V,得出与Plimit10-2和10-4相应的两个电平限值Vlimit值。
    APD测量仪的规范[1]
    3.1APD测量仪的指标要求
    以上分析了CISPR关于APD测量方法、APD限值的确定的进展，下面进一步介绍APD测量仪的指标要求。
    APD测量功能可作为测量设备的附加功能，附加到现有测量仪器或使用一体化测量仪器上。APD测量功能可由两种方法实现:一种使用比较器和计数器，如图7所示，设备确定超出一组预设电平的概率，电平的数目等于比较器的数目;另一种使用A/D变换器、逻辑电路、存储器，如图8所示，该设备也可提供预设电平的APD图，电平的数目取决于A/D变换器的分辨率（如8bit变换器提供256级电平）。

    图7  APD测量电路（比较器、计数器）框图

    图8  APD测量电路（A/D变换器）框图

    3.2APD测量功能的规范
    如果能够判定设备或设备系列可能造成对数字通信系统的干扰，APD测量就可应用于这些产品。下面是应用于APD测量功能的规范。
    （1）幅度动态范围:大于60dB。
    幅度的动态范围定义为获得APD的必要范围。动态范围的上限应大于要测量的骚扰的峰值电平，下限应低于产品委员会规定的骚扰限值电平。根据CISPR11中，对于ISM设备，group2，ClassB，峰值限值规定为110dBμV/m，加权限值指定为60dBμV/m。因此提议动态范围大于60dB，并有10dB余量。
    （2）幅度精度（包括阀值电平设置误差）:优于±2.7dB。
    （3）骚扰最大测量时间:≥2min，测量中断时间小于总测量时间的1%。
    CISPR11为1GHz以上的微波烹饪器具的峰值测量制订的最大保持时间为2min一周期，因而APD的测量时间的最小值为2min。因为计数器或存储器的数量是有限的，对于长测量周期，连续测量可能有困难，因此，在测量中断时间小于总测量时间的1%的条件下，允许间断测量。
    （4）APD测量功能可分配至少两级电平，能够同时测量所有预设电平的概率，预设电平的分辨率优于:0.25dB。
    （5）最小可测概率:10-7。
    为获得有意义的测量结果，测量过程中出现约100次取值是必要的。因此最小可测概率计算如下:
    假定测量时间2min，采样率10M/s，概率确定为
    100/(12010106)～10-7。
    （6）采样率:≥10M/s（分辨带宽1MHz）。
    理想情况下，使用要保护的无线设备的等效带宽测量骚扰的APD。然而，对于1GHz以上的频率范围频谱分析仪的分辨带宽指定为1MHz，因而采用率应大于10M/s。
    （7）推荐规范:使用A/D变换器时，测量结果显示的幅度分辨率优于:0.25dB。
    APD结果显示的分辨率取决于动态范围和A/D变换器的分辨率。例如，使用8bitA/D变换器，动态范围60dB时，显示的分辨率小于0.25 dB（60 dB/256）。
    总结
    传统的测量方法，如准峰值检波、有效值检波，是测量干扰对系统影响的最终结果，与干扰的本质有关，还同系统的性能有关，这给无线干扰的测量带来了不确定因素。随着无线技术的发展，干扰的研究是测量行业面临的突出问题——必须寻找新的测量方法，对其进行评估，而APD测量结果是干扰本身的统计特性，与系统性能无关，所以更具有广泛性和适宜性，但APD技术现在只是摸索阶段，标准化和产品化进程相对缓慢。
    根据CISPR的进展可知，有关APD的内容有三部分:
    （1）APD测量仪的指标要求——CISPR/A分会已于2006.2.24全部通过，不久就会写进第二版CISPR16-1-1中。
    （2）APD测量方法——已进入CDV阶段，即将付与投票，建议加入CISPR16-2-3中。
    （3）APD限值的确定（APD与BER的关系）——CISPR/A分会已写出指南，发给各产品委员会，等待他们提出建议。限值确定以后，将加入CISPR-16-3中。
    国内的测量界同仁们应积极跟踪APD技术，制订相关测试标准，研制相关仪器仪表，开展相关的测试工作，更好地服务于干扰的测量和研究，为无线电监测和设备检测提供更科学、更准确的测量方法和手段。
    参考文献
    [1]CISPR/A/594/DC:Guidancefor applying the APD method to compliance testing and for developing APD emission limits.
    [2]CISPR16-1-1Ed.2: Specification for radio disburbance and immunity measuring apparatus and methods-Part 1-1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus - Measurement apparatus.
   作者：宋起柱  王文俭