Spektrum Analyse. Grundlagen, Anwendungen und EMV Messungen. Measurement Days 2011

Transkript

1 Spektrum Analyse Grundlagen, Anwendungen und EMV Messungen 1

2 Agenda Wozu ein Spektrumanalyser? Theorie und Aufbau eines Spektrumanalysers Anwendungsbeispiele Die X-Serie im Detail EMV Beispiele Der MXE Full-Compliance Analyser

3 Moderne Hilfsmittel erleichtern das tägliche Leben Den eigenen Sinnen auf die Sprünge helfen: besser sehen besser hören und hierfür???

4 Labormessgeräte für jeden Tag und jedes Elektronik- Labor DC, AC, niederfrequente Signale? Multimeter!!! Schnelle Wellenformen, saubere Bit- Übergänge, Busse? Oszilloskope!!! Spektrale Bestandteile, Oberwellen, Störursachen, EMV, Demodulation von (digitalen) Signalen, Übertragungsgüte? Spektrum Analysatoren!!!

5 Der Konflikt: immer mehr Wireless Serivces im begrenzten Spektrum DVB-T Terrestrische TV Ausstrahlung neben LTE Mobilfunkbändern Emission von Power Line Kommunikation überlagert Kurzwelle In sog. ISM-Bändern (z.b. 868 MHz, 2,45 GHz etc.) drängeln sich ganz viele lizenzfreie Applikationen Wir hängen von immer mehr dieser Applikationen ab. Elektronik wird immer schneller (EMV!), die Spannungslevel sinken (Störfestigkeit!) Digitale Übertragung kennt keine allmähliche Degradation

6 Anforderungsprofil an das Messgerät Es bedarf eines Messgerätes Das Leistung über Frequenz messen kann Das die Integrität der relevanten Services überprüfen kann z.b. Datendurchsatz, richtige Übertragung, etc. Das für eine Vielzahl verschiedener Übertragungsnormen geeignet ist. Das das Störpotential messen kann (EMV).

7 Frequency versus Time Domain Amplitude (power / voltage) frequency time Time domain Measurements (Oscilloscope) Frequency Domain Measurements (Spectrum Analyzer)

8 FFT Analyzer Different Types of Analyzers A Parallel filters measured simultaneously LCD shows full spectral display f 1 f 2 f Fast Speed Wide Demod Bandwidth Recording capabilities

9 Different Types of Analyzers Swept Analyzer (Überlagerungsempfänger Superheterodynempfänger) A Filter 'sweeps' over range of interest LCD shows full spectral display Good Dynamic Range Selectivity f 1 f2 f Sensitivity

10 Different Types of Analyzers Modern Spectrum Analyzer (hybrid) A Filter 'sweeps' over range of interest A Parallel filters measured simultaneously LCD shows full spectral display f 1 f2 f1 f2 f Good Dynamic Range Selectivity Sensitivity Fast Speed Wide Demod Bandwidth Recording capabilities

11 Hybrider Spektrumanalysator mit digitaler ZF Güte-Unterschiede Güte des Front End mit Mixer (HF!) Geschwindigkeit und Auflösung des ADC Gute HF-mäßige Implementation der Digitaltechnik Clevere Datenverarbeitung in ASICs und FPGAs Mathematische Auswertung Geschickte Aufbereitung zur Visualisierung

12 X-Serie Eigenschaften Premium X features available in all units Fast signal analysis measurements Runs same applications set Code compatible (also with older analyzers) Open Windows user interface Most connectivity options (USB2.0, LAN, GPIB) License expandable features Preamps IF Bandwidth Measurement Applications Hardware expandable features More IF Bandwidth PC & associated peripherals Future upgrades like tracking generator Agilent Confidential

13 Digitale ZF im PXA (2010) 500 Msamples complex (at 140 MHz bandwidth) Single capture Multiple playback with 89601A 140 MHz BW (option B1X) 300 MHz IF ADC FPGA 400 MHz CLK Xilinx Virtex 5 FPGA 83K logic cells Room for future growth 2 GB DDR2 SDRAM 300 MHz CLK PCI bus (to CPU) Real-time correction Downconverter Resampler Decimator Arbitrary channel filter Flexible output formats: IQ, mag/phase log mag/phase mag squared) Agilent- Proprietary 300 MHz CLK ASIC I/O FPGA PCIe switch PCIe connection

14 Agilent X-Serie SA Drive your evolution Accelerate to market Maximize throughput Expect more N9000A CXA Intro Sept 2009 N9010A EXA Intro Sept 2007 N9020A MXA Intro Sept 2006 N9030A PXA Intro Sept 2009 Future-ready test instruments Consistent framework Broadest set of applications Stay ready, stay in sync and arrive ahead with the Agilent X-Series

15 Anwendungsbeispiel: Drahtlose Datenübertragung Hilfsmittel: Analysator Antenne Was bekomme ich: Sendeleistung Störleistung in Nachbarbändern Mitschrieb externer Störeinflüsse Gütemass für Übertragungsparameter wie FSK-Fehler, f-ablage, etc. Modulationseigenschaften

16 Anwendungsbeispiel: Drahtlose digitale Datennetze Hilfsmittel: Analysator Antenne Was bekomme ich: Sendeleistung Störleistung in Nachbarbändern Mitschrieb externer Störeinflüsse Gütemass für Übertragungsparameter (z.b. EVM) Modulationseigenschaften Demodulation von Daten (Sync-Pattern, Daten-Bitfolgen etc.)

17 Anwendungsbeispiel: mobile Kommunikation Hilfsmittel: Analysator Antenne Was bekomme ich: Test auf Einhaltung der Übertragungsstandards (Sende-)Leistungsmessungen Funktionstest für Komponenten Interoperabilität sicherstellen Gütekriterien für Übertragung Demodulation von Daten bei komplexesten Modulationsarten Protokoll Analyse und Fehlerraten

18 N9000A CXA: Introducing Nine New Measurement Apps! The same applications that are available on MXA and EXA signal analyzers. W9073A WCDMA/HSPA W9071A GSM/EDGE W9075A Mobile WiMAX W9079A TD-SCDMA W9081A Bluetooth Renaming of 89601X VXA to W9064A W6156A DTMB W 6158A CMMB W6153A DVB-T/H W6155A ISDB-T

19 EDP Enhanced Display Options 2,45 GHz ISM Band: Konkurrierende Systeme, mehrere WLAN s

20 EDP Enhanced Display Options 2,45 GHz ISM Band: teilen sich das Spekrum mit Diensten wie Bluetooth. Hier eine Bluetooth Übertragung mit Frequency Hopping aktiv

21 Multi Domain Analysis Trigger und Analysemöglichkeiten im Zeitbereich gekoppelt Detaildarstellung in Frequenzoder Modulationsbereich erlauben eine Aussage über die Übertragungsgüte

22 EMI Messung mit der X-Serie Log Display Auto-detect peaks Realtime Meters with any 3 Simultaneous Detectors Peak List Limit Delta

23 EMI App. Messung: Strip Chart Patent Applied For X = Zeitachse, rollt nach links, rechts aktuelle Messwerte Bis zu 3 simultane Detektoren aufgetragen Dokumentation des Zeitverhaltens eines Signals zur Korrelation mit Funktionsablauf z.b. für Klickratenanalyse bei Haushaltsgeräten Page 23 3/21/2011

24 Die Grundausrüstung Antennen Spektrumanalysator Koppelnetzwerke HF Tastköpfe Sonden (Antennen speziell für Nahbereich): E-Feld und H-Feld

25 Anwendungsbeispiel: Störursachen finden Hilfsmittel: Analysator E-Feld Sonde Vorverstärkte H-Feld Sonde (H-Sonde ermöglich bessere Ortsauflösung) Was bekomme ich raus: Woher kommt es wirklich? Komponentenauswahl optimieren Zusammenspiel von Komponenten??

26 Anwendungsbeispiel: Störer erkennen und lange Zeit überwachen (Stunden, Tage..) Hilfsmittel: Analysator Antenne, USB Stick/Festplatte Was bekomme ich: Spektrogramm = Amplitude über Frequenz & Zeit Erkennen von Mustern und damit mögliche Ursachen Mitschreiben seltener Ereignisse Nachweis gegenüber dritten Beteiligten Nachträgliche Durchsicht auch der einzelnen aufgenommenen Daten möglich Aufzeichnungsdauer nur durch Größe des USB Mediums begrenzt Auswertung auch auf PC (oder direkt Steuerung per LAN/USB)

27 Der feldtheoretische Hintergrund E Merke: Wo gehobelt wird, da fallen Späne Wo ein Strom fließt, da entstehen (Abstrahl-)Felder. Elektrisches Feld radial, Magnetisches Feld umgebend. E-Feld Sonde/ Antenne H H-Feld Sonde Was machen Antennen/Sonden? Die H-Feld-Sonde sieht das Feld nur, wenn es in die Spulenfläche in der Spitze der Sonde fällt. Die E-Feld-Sonde ist eine Art Stabantenne, sieht immer einen Teil des Feldes, für den der Winkel stimmt. Antenne & Sonden machen aus Feldern wieder Spannungen und Ströme, die man messen kann. Es fliesst ein Strom durch eine Leitung/ Leiterbahn/integrierte Schaltung H-Feld nimmt mit Abstand viel schneller ab als E- Feld. Funkwellen sind Wechselfelder mit beiden Anteilen: elektromagnetische Wellen.

28 Anwendungsbeispiel: Klassische EMV Pre-Compliance Messungen Hilfsmittel: Analysator Komplette Grundausstattung möglich Was bekomme ich: Vergleich mit Prüfling, der EMV Test bestanden hat Vorabeinschätzung vor dem Gang zum Dienstleister Eigenes EMV-Wissen in der Entwicklung aufbauen Vergleich gegen Grenz- und Erfahrungswerte Regelmäßige Kontrolle gegen unbeabsichtigte Verschlimmbesserungen

29 Anwendungsbeispiel: Verbesserung eigener Entwicklung Hilfsmittel: Analysator kohm Tastkopf Was bekomme ich: Signalverfolgung auf Platine Wirkung von Bauelementen Hilfe für Neudimensionierung (z.b. mehr C ) Arbeiten wie mit dem Scope Entkopplung von DC-Anteilen für die Messung

30 Anwendungsbeispiel: Bestimmung der Einfüge-Dämpfung von Kabeln und Filtern Hilfsmittel: Analysator Option Mitlaufgenerator Was bekomme ich: Dämpfungsmaß von Abschirmmassnahmen Verlustfaktor durch Kabel Übersprechen bei Datenkabeln Übertragungsverhalten von Komponenten (z.b. Übertragern, Filter etc.) Überprüfung von anderen Hilfsmitteln (z.b. Oszilloskop- Tastköpfen, Stromzangen etc.)

31 Tracking Generator or External Source Control Scalar Network Analysis Stimulus Response External Source DUT Receive RF in Receiver = Spectrum Analyzer IF LCD Display DUT LO TG out Tracking Adjust Tracking Generator Source

32 Measurement Days 2010

33 Überblick über die Full-Compliance Lösungen von Agilent Previous Generation Existing PSA Based EMI Receiver System In progress MXE Pre-compliance EMC Analyzer CXA/MXA/EXA/PXA With N/W6141A

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35 N/W6141A EMI Measurement Process Setup Scan Table Select Signal of Interest Setup Limit Lines and Corrections Zoom in for a closer look in SA Mode Scan the Freq. Range View same signal in EMI Mode Set Search Criteria and Search for signals Replace or append signal to list Remeasure Peak, QP, Ave of signals in list Zoom in on a signal of interest

36 DataTec EMV Precompliance Portfolio Advances EMV Option Spec Hameg - EMC- PCS3Spectrum Analyzer N9320B Signal Analyzer CXA Signal Analyzer Frequency Range 100KHz- 3 Ghz 9kHz to 3 GHz 9KHz to 3 or 7 GHz Price DANL Best with pre Amp at 3 GHz Φ Noise (10 khz offset)/ (1 MHz offset) Amplitude Accuracy (to 3 GHz, 95% confidence) -135 dbm/hz -105dBc/Hz, -135 dbc/hz 1,5dB, typ. 0,5dB -148 dbm/hz -158 dbm/hz -99 dbc/hz -130 dbc/hz ± 0.40 db -99dBc/Hz -121 dbc/hz ±0.6dB Analysis BW 1MHz 1 MHz Up to 25Mhz Relative Speed Fast Fastest Fastest Base Price 3GHz incl pre amp EMC Option Im Preis HZ540 Sonden (3 GHz) zur EMV Messung (E-, H-Feld und Hochimpedanz Sonde) Option EMF 233 icnludes EMC Filters Advances EMV Option N6141A 4000 Automated Scan Tabels Yes / EMC Option via external PC Not includes but integrated limit and EMC filters / no external PC required Most Powerful EMC Solution Performance Page 36

37 Programmende Vielen Dank für Ihr Interesse an Spektrum-Analysatoren!