Spektrum Analyse. Grundlagen und EMV Messungen

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1 Spektrum Analyse Grundlagen und EMV Messungen

2 Agenda Wozu ein Spektrumanalysator? Theorie und Aufbau eines Spektrumanalysators Anwendungsbeispiele Die X-Serie im Detail EMV Messungen MXE Full-Compliance Analysator

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 Das Problem: Bei schnelleren digitalen Signalen immer höhere Frequenzanteile -> Störungen von Wireless Services + Immer mehr Wireless Services 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 (Oberwellen, EMV).

7 Über 40 Jahre Erfahrung in Signal Analyzer Innovation 1964 First swept SA 851A/8551A 1970 First absolute amplitude calibration 8553B 1977 First 1 Hz resolution 8566/68A 1992 First rugged portable SA 8560E 2000 First all digital IF PSA 2006 Fastest SA X-series 2008 First 80 MHz 50 GHz PSA 2009 First noise floor extension PXA MXA EXA

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

9 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

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

11 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

12 Traditioneller Spektrum Analysator Scalar Analysis Digitizing the Video Signal Product Detector Loss of Phase Information Classic Superheterodyne Swept Spectrum Analyzer

13 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

14 Resolution Bandwidth Mixer 3 db BW 3 db Envelope Detector Input Spectrum LO IF Filter/ Resolution Bandwidth Filter (RBW) Sweep RBW Display

15 Detektoren Detector "bins" Positive detection: largest value in bin displayed Negative detection: smallest value in bin displayed Sample detection: middle value in bin displayed Other Detectors: Normal (Rosenfell), Average (RMS Power)

16 Detektoren Beispiel: Power Amplifier Design/Charakterisierung Gleichzeitige Anzeige: Peak, RMS & Neg Peak Identifiziert Signalcharakteristik und Verstärkerverhalten 1-Knopf-Preset -> alle 3 Trace+Detektoren an bis zu 6 Trace für Signalvergleiche

17 1-Knopf Messung: Channel Power Misst die Gesamtleistung in einer spezifizierten Bandbreite Spektrale Leistungsdichte (Leistung normalisiert auf 1Hz) Bandbreite wird angezeigt Anwender stellt ein (oder nutzt Auto Tune): centre frequency, reference level and Bandwidth

18 1-Knopf Messung: Occupied Bandwidth (OBW) OBW: Zeigt die aufintegrierte Leistung zwischen 2 Markern, die automatisch gesucht werden (z.b. 3 db Punkte) Transmit Frequency Error: zeigt den Unterschied zw. Analysator Center Frequenz u. Center Frequenz des Kanals

19 1-Knopf Messung: CCDF Complementary Cumulative Distribution Function (CCDF): Liefert statistische Informationen über digital modulierte Signale Zeigt auf, wieviel Zeit (bzw. mit welcher Wahrscheinlichkeit) die Waveform bei oder über einem gegebenen Leistungslevel verbringt Die Gauss-Linie (Referenzlinie) ist das bandbegrenzte Rauschen

20 1-Knopf Messung: Burst Power Burst Power (oder Transmit Power): ergibt die mittlere Leistung eines HF Signalbursts abhängig von einem Schwellwert oder einer Burstbreite Burstbreite kann manuell oder automatisch gesetzt werden

21 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

22 Digitale ZF im PXA (2010) 500 Msamples complex (at 160 MHz bandwidth) Single capture Multiple playback with 89601A 160 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

23 Agilent X-Serie Spectrum Analyzer 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

24 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

25 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.)

26 Digital I/Q Modulation Formats BPSK DQPSK and QPSK π/4 DQPSK 16QAM 32QAM MSK 8 PSK

27 I and Q Modulator Q(t) Sine 2π fc 90 o Phase Shift Σ Composite Output Signal Local Osc. (Carrier Freq.) Cosine 2π fc I(t) Quadrature (90 o ) mixing, I and Q are "Orthogonal to each other and do not interact.

28 Demodulating I and Q in a Receiver Quadrature Component 2 sin ωlot x M (t) cos [ωct +φ(t)] =? 90 o Composite Input Signal M (t) cos [ωct +φ(t)] Power splitter Phase Shift Local Osc. Let ωc = ωlo (Carrier Freq.) 2 cos ωlot x M (t) cos [ωct +φ(t)] =? In-Phase Component I(t) = In-Phase, Q(t) = Quadrature Can be extracted from the carrier with simple circuits

29 viele weitere Applikationen Cellular Communication Wireless Connectivity Digital Video General Purpose LTE-FDD LTE-TDD W-CDMA/HSPA/HSPA+ TD-SCDMA/HSPA GSM/EDGE/EDGE Evo cdma2000/cdmaone OFDMA Fixed WiMAX WLAN Bluetooth Digital Cable TV DVB-T/H/T2 ISDB-T/T SB DTMB (CTTB) CMMB VXA vector signal analysis Analog demodulation Phase noise Noise figure MATLAB Pulse 1xEV-DO EMC iden/widen/mototalk Remote & SCPI language compatibility Peter Mosshammer November,

30 EMV Elektromagnetische Verträglichkeit: Ist die Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung in ihrer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren ohne andere Einrichtungen unzulässig zu beeinflussen. Es gilt das Verträglichkeitsprinzip

31 EMV von Geräten und Systemen Ist ein Qualitätsmerkmal von 3 Kenngrößen: Eigenstörfestigkeit (interne EMV), d.h. Immunität gegenüber interner elektrischer Größen Fremdstörfestigkeit (externe EMV) Immunität gegenüber gerätefremder elektromagnetischer Störgrößen Störemssionsgrad beschreibt die von einem Gerät/System ausgehende leitungsgebundene oder strahlungsgebundene Störaussendung Peter Mosshammer

32 Auswirkungen bei nicht vorhandener EMV Funktionsstörungen Beeinträchtigung der Qualität des speisenden Netzes Erhöhung der elektromagnetischen Umgebungsstörung Gefährdung von Personal Funktionsstörung Funktionsminderung Fehlfunktion Funktionsausfall reversibel irreversibel Peter Mosshammer

33 Störquellen, nach ihrer Herkunft

34 Störschwelle, Störabstand Pegel / db Störabstand Nutzpegel Störschwellenpegel Störgröße großer kleiner mittlerer großer Störsicherheitsabstand Zeit Frequenz

35 1. EMI - Messungen 2 unterschiedliche Mess- und Prüfverfahren zum Nachweis der Einhaltung der EMV Die Messung ungewollter Emissionen des Gerätes Messen von Störströmen, Störspannungen, Störfeldern Störquelle 2. Immunitiy Tests Die Prüfung der inneren und äußeren Störfestigkeit des Gerätes Gegen leitungsgeführte Störgrößen Gegen gestrahlte Störgrößen Störsenke Koppel- mechanismus (Pfad) Untersuchung von Koppelpfaden Kopplungswiderständen Koppeldämpfungen Schirmdämpfungen

36 Auf Leitungen 2 unterschiedliche Mess- und Prüfverfahren Übersicht über EMI Messverfahren Störaussendung Als Störfeld Versorgungsleitungen Magnetische Feldstärke 20 Hz 100 MHz Störstrom 10 khz 100 MHz Störspannung 20 Hz 200 khz 15 khz 30 MHz Signalleitungen Elektrische Feldstärke 20 Hz 100 MHz Störstrom 150 khz 100 MHz Störspannung 14 khz 30 MHz Antennanschlußleitung Elektromagnet. Feld 8 khz 12.4 GHz Sendebetrieb Empfangsbetrieb 30 MHz 40 GHz

37 Pre-Compliance EMI Messtechnik EMV Messungen selbst durchführen Conducted Emissions Commercial Frequency Range 9 khz to 30 MHz X-Analyzer Limiter LISN DUT Radiated Emissions Commercial Frequency Range 30 MHz to 18 GHz (40 GHz) X-Analyzer Antenne DUT 3, 10, or 30 meters

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

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

40 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 40 3/9/2012

41 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.

42 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

43 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.)

44 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

45 Pre-Compliance EMI Messtechnik Verbleibende Empfängerunterschiede Vorselektion Nur bei teuren Compliance Geräten Bei Messungen in Schirmkabine zu 99,x% überflüssig Bei Nahfeldfmessungen in 99,x% überflüssig Suggeriert Schutz vor Übersteuerung der aber nur in speziellen Situationen wirklich hilft Leistungsschalter Breites HF- Spektrum Große Signalamplituden Großteil der Energie bei einer Frequenz time frequency time frequency Hohe HF-Energie übersteuert Mischer, Mischer kann in Kompression gehen

46

47 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

48 MXE conducted filter board block diagram

49

50 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

51 DataTec EMV Portfolio Spec Hameg - EMC- PCS3Spectrum Analyzer N9320B Signal Analyzer CXA Signal Analyzer MXE Full Compliance Analyzer Frequency Range 100KHz- 3 Ghz 9kHz to 3 GHz 9KHz to 3 or 7 GHz 20 Hz to 8 or 26.5 GHz DANL Best with pre Amp at 3 GHz -135 dbm/hz -148 dbm/hz -158 dbm/hz -158 dbm/hz Price Φ Noise (10 khz offset)/ (1 MHz offset) Amplitude Accuracy (to 3 GHz, 95% confidence) -105dBc/Hz, -135 dbc/hz -99 dbc/hz -130 dbc/hz -99dBc/Hz -121 dbc/hz -103dBc/Hz -135dBc/Hz 1,5dB, typ. 0,5dB ± 0.40 db ±0.6dB ±0.33dB Analysis BW 1MHz 1 MHz Up to 25Mhz Up to 25 MHz Relative Speed Fast Fastest Fastest Fastest Base Price 3GHz incl pre amp EMC Option Automated Scan Tabels Im Preis HZ540 Sonden (3 GHz) zur EMV Messung (E-, H-Feld und Hochimpedanz Sonde) Yes / EMC Option via external PC Option EMF 233 icnludes EMC Filters Not includes but integrated limit and EMC filters / no external PC required Performance Advances EMV Option N6141A 4000 Powerful EMC Solution included Most Powerful EMC Solution Page 51

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

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