Moderne Spektrumanalyse. Peter Mosshammer

Transkript

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2 Moderne Spektrumanalyse Agenda 2

3 Moderne Spektrumanalyse 3

4 Moderne Spektrumanalyse Warum Spektrumanalyse? Beispiele: Mehr wireless Services im begrenzten Spektrum DVB-T neben LTE Power Line überlagert KW Elektronik wird immer schneller (EMV!), die Spannungslevel sinken, gleichzeitig Emission bei höheren Frequenzen 4

5 Moderne Spektrumanalyse Warum Spektrumanalyse? IEEE802.xx Wireless Standards lizenzfreie Applikationen in sog. ISM-Bändern 868 MHz, 2,45 GHz Wir hängen von immer mehr dieser Applikationen ab. Digitale Übertragung kennt keine allmähliche Degradation 5

6 Moderne Spektrumanalyse Fazit Es bedarf eines universellen Messgerätes, das im Zeit- und Frequenzbereich messen kann das Leistung über der Frequenz messen kann das die Integrität relevanter Services überprüfen kann (Datendurchsatz, richtige Übertragung, etc. ) das für eine Vielzahl verschiedener Übertragungsnormen geeignet ist das das EMV-Störpotential messen und bewerten kann das Signalanalysefähigkeiten in der Code- und Modulationsdomain hat 6

7 Moderne Spektrumanalyse Grundlagen: Zusammenhang Frequenz- und Zeitbereich (SH1_timefreq.exe) Amplitude (power / voltage) frequency time Time domain Measurements (Oscilloscope) Frequency Domain Measurements (Spectrum Analyzer)

8 Moderne Spektrumanalyse Grundlagen: Arbeitsweise swept analyzer Entspricht dem Prinzip des Überlagerungsempfängers RF input attenuator mixer IF gain IF filter (RBW) envelope detector Input signal Pre-Selector Or Low Pass Input Filter local oscillator Log Amp video filter sweep generator Crystal Reference Oscillator ADC, Display & Video Processing

9 Moderne Spektrumanalyse Grundlagen: Arbeitsweise swept analyzer Swept Analyzer A Filter 'sweeps' over range of interest LCD shows full spectral display f 1 f2 f

10 Spektrumanalyse Grundlagen: Arbeitsweise Mixer MIXER RF IF f f LO- sig f + LO f sig f sig 1.5 GHz LO f sig f L O 3,6 GHz f LO 6.5 GHz

11 Moderne Spektrumanalyse Hybrider Spektrumanalysator mit digitaler ZF FFT Analyzer A Parallel filters measured simultaneously LCD shows full spectral display f 1 f 2 f 11

12 Moderne Spektrumanalyse Hybrider Spektrumanalysator mit digitaler ZF Güte-Unterschiede moderner Analyzer: Güte des Front End mit Mixer (HF!) Geschwindigkeit und Auflösung des ADC Gute HF-mäßige Implementierung der Digitaltechnik Clevere Datenverarbeitung in ASICs und FPGAs Mathematische Auswertung Geschickte Aufbereitung zur Visualisierung 12

13 Moderne Spektrumanalyse Blockdiagramm eines modernen Spektrumanalysators Auto Alignment Temp & time calibration 3 to 50 GHz Pre-amp Improve 1 GHz DANL -153dBm to -168dBm Analog Pre-Filter (Single Pole) 160 RBW filters 1 Hz to 8 MHz ±0.03 db switching error Digital IF Filters FFT 4.1:1 Shape factor Fast sweep EMI RBW s Digital Detectors Normal Peak Min Sample RMS QPD Avg Attenuation 2 db step to 50 GHz Digitally Synthesized LO Fast tuning Close-in phase noise Far-out phase noise 16 bit ADC Wider dynamic range with autoranging Dither on/off FFT vs Swept RBW Faster Sweep w/max DR Digital Log Amp ±0.07 db Scale Fidelity >100 db Dynamic range ±0.0 db reference level error Digital Video Filters Power, voltage, log filtering Frequency Counter Fast (0.1s) High resolution (mhz)

14 The Swept Analysis Mode A swept LO w/ an assigned RBW. Covers much wider span. Good for events that are stable in the freq domain. Magnitude ONLY, no phase information (scalar info). Captures only events that occur at right time and right frequency point. Data (info) loss when LO is not there. Swept LO Lost Information Lost Information Lost Information Freq Time

15 Basic Mode (Complex) Spectrum and Waveform Measurements A parked LO w/ a given IF BW Collects IQ data over an interval of time. Performs FFT for timefreq-domain conversion Captures both magnitude and phase information (vector info). Data is collected in bursts with data loss between acquisitions. Lost Information Lost Information Lost Information Lost Information Parked LO Lost Information Freq Meas Time or FFT Window Length Meas Time or FFT Window Length Time Analysis BW (10 MHz)

16 Deep Capture Playback No information dropouts w/in 160MHz! During 1.5s acquisitions Analysis BW 160 MHz Freq Continuous Data Observation Capture Length Time

17 Moderne Spektrumanalyse Introduction to I/Q modulation

18 Moderne Spektrumanalyse I/Q modulation Die Darstellung eines elektrischen Signals in Betrag und Phase oder in komplexen Koordinaten I und Q (In-Phase und Quadraturanteil) ist eine reine mathematische Transformation. Der Empfänger muss jeweils Amplituden- und Phasenzustände bzw. Änderungen fehlerfrei detektieren. 18

19 Moderne Spektrumanalyse Möglichkeiten eines Signalanalysator Why more than just Spectrum? Front End, Signal Down Conversion & Conditioning Analog Processing Amplification Filtering Detection Digital Processing Sampling, Mathematical Detection, Calculations Spectrum Analyzer Results -> Know the RF transmission quality Vector Signal Analyzer Results -> Know the information quality 19

20 Moderne Spektrumanalyse Key Specifications Safe/robust spectrum analysis Frequency Range Accuracy: Frequency & Amplitude Resolution Sensitivity Distortion Dynamic Range Phase Noise

21 Moderne Spektrumanalyse Wirkung des ZF-Filters (RBW) - Resolution IF Filter Input Spectrum IF Bandwidth (RBW) Display A B C

22 Moderne Spektrumanalyse Wirkung des ZF-Filters (RBW) - Sensitivity Displayed Noise is is a Function of of IF Filter Bandwidth 100 khz RBW 10 db 10 db 10 khz RBW 1 khz RBW Decreased BW = Decreased Noise

23 Moderne Spektrumanalyse Phase Noise Phase Noise Noise Sidebands can prevent resolution of unequal signals

24 Moderne Spektrumanalyse Grundlagen: Dynamic Range +30 dbm +3 dbm MIXER COMPRESSION DISPLAY RANGE db/div (200 20dB/Div) INCREASING RBW OR ATTENUATION MEASUREMENT RANGE 198 db -41 dbm THIRD-ORDER DISTORTION SIGNAL/NOISE RANGE 157 db SIGNAL /3rd ORDER DISTORTION 113 db range SIGNAL/ 2nd ORDER DISTORTION 103 db RANGE -51 dbm SECOND-ORDER DISTORTION 0 dbc NOISE SIDEBANDS SIGNAL/NOISE SIDEBANDS kHz OFFSET (Dynamic Range) (Dynamic Range) (Dynamic Range) -154 dbm (1 Hz BW & 0 db ATTENUATION) -168 dbm with preamp MINIMUM NOISE FLOOR (DANL)

25 Moderne Spektrumanalyse Flexible Vektormodulationsanalyse Digital demodulators settable in Center Frequency, Symbol Rate, Filter Type and Filter Shape Analog demodulators AM, FM, PM Wide demodulation bandwidth Signal recording and playback Adaptive equalizer Pre-sets for standard formats Baseband & RF analysis: Constellation & Polar displays, Eye Diagram, EVM Spectrum & Time, Error Screens, Multiple Displays, 25

26 Moderne Spektrumanalyse 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 26

27 Moderne Spektrumanalyse Vergleich Money Spec CXA EXA MXA PXA Frequency Range 9 khz to 3/7.5 GHz 9 khz to 3.6/7/13.6/26.5 GHz 20 Hz to 3.6/8.4/13.6/26.5 GHz 3 Hz to 3.6/8.4/13.6/26.5 GHz Analysis BW 10 MHz 10, 25, 40 MHz 10, 25, 40 MHz 10/25/40/140 MHz Amplitude Acc (to 3 GHz, 95% confidence) ± 1.4 db ± 0.5 db ±1.0 db 0.27 db ±0.78 db 0.23 db ± 0.52 db ± 0.19 db TOI (at 2 GHz, 18 GHz) DANL (NFE) (at 2 GHz, 18 GHz) + 13 dbm +13 dbm +9 dbm -142 dbm/hz -146 dbm/hz -137 dbm/hz +16 dbm +10 dbm -151 dbm/hz -143 dbm/hz >+20 dbm >+13 dbm -152 (-156, -160)* dbm <-147 (-151,-155)* dbm Preamp off Φ Noise (1 khz offset 1MHz offset) -90 dbc/hz -117 dbc/hz -98 dbc/hz -130 dbc/hz -103 dbc/hz -133 dbc/hz -120 dbc/hz -145 dbc/hz W-CDMA ACPR ( noise correction) 3 rd order dynamic range RF/uW Common X-Series -60, -63 dbc -68, -74 dbc -73, -78 dbc >81, -83 dbc 102 db 106/97 db 113/104 db 115/112 db Common measurement SW, 100% CC, Speed Price $12-16k USD $17-35k USD $30k - 47k USD $50-65k USD 27 * NFE

28 Moderne Spektrumanalyse X-Serie Eigenschaften 1. 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) 2. License expandable features Preamps IF Bandwidth Measurement Applications 3. Hardware expandable features More IF Bandwidth PC & associated peripherals Future upgrades like tracking generator 28

29 Moderne Spektrumanalyse Industry Exclusive! 29

30 Moderne Spektrumanalyse klassische HF-Analyse 1- Button Power Suite Power Suite Included with all X-Series Preset, standards-based, 1-button power measurements ACPR Channel power Occupied Bandwidth Spectrum Emission Mask CCDF Burst Power Spurious Emissions Harmonics TOI Measurement 30

31 Moderne Spektrumanalyse Darstellungsmöglichkeiten Spectrogramm Zoom Trace Zone Span 31

32 Moderne Spektrumanalyse General Purpose Applications Analog demodulation Phase noise Noise figure VXA vector signal and WLAN modulation analysis EMC precompliance MATLAB Pulse SCPI command language compatibility Remote language compatibility for 856xE/EC, 8566/68 Common algorithms, programming commands and shared library of measurement applications across all X- Series signal analyzers ensure consistent, repeatable results 32

33 Moderne Spektrumanalyse Cellular Communication Applications LTE FDD LTE TDD W-CDMA/HSPA/HSPA+ GSM/EDGE/EDGE Evo TD-SCDMA/HSPA cdma2000/cdmaone 1xEV-DO iden/widen/mototalk Common algorithms, programming commands and shared library of measurement applications across all X- Series signal analyzers ensure consistent, repeatable results 33

34 Moderne Spektrumanalyse Wireless Connectivity Applications OFDMA Mobile WiMAX a/b/g WLAN Fixed WiMAX Bluetooth Common algorithms, programming commands and shared library of measurement applications across all X- Series signal analyzers ensure consistent, repeatable results 34

35 Moderne Spektrumanalyse Digital Video Application CMMB DTMB(CTTB) DVB-C DVB-T/H/T2 Common algorithms, programming commands and shared library of measurement applications across all X- ISDB-T/T SB Series signal analyzers ensure consistent, repeatable results

36 Pre-Compliance EMI Messtechnik plus 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 1xEV-DO iden/widen/mototalk 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 EMC Remote & SCPI language compatibility 36

37 Moderne Spektrumanalyse Auswahl des richtigen Analyzer (Informations-)Bandbreite des Nutzsignals Signal-/Rausch Verhältnis bei der Messung Empfindlichkeit des Analysators Verzerrungsfreier Dynamikbereich (bedingt z.b. durch effektive bits des Digitizers) Speichertiefe des ZF-Digitzers Je nach Bandbreite ergibt sich die maximale Realtime-Aufzeichnungslänge Auswertung mit fertigen, erprobten Tools/Applications möglich? Ggf. Verarbeitung der Rohdaten in Matlab o.ä. Benutzerfreundlichkeit des Analyzers und der Applikationen die Technik ist schon komplex genug 37

38 Moderne Spektrumanalyse Vielen Dank für Ihr Interesse! Sollten Sie Fragen haben, erreichen Sie mich unter 38

39 EMV- und EMI Messtechnik Agenda 39

40 EMV- und EMI Messtechnik Wann fliegen Sie das nächste Mal?. Guten Flug und gutes Wetter! 40

41 EMV- und EMI Messtechnik EMV - Begriffsdefinition 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 41

42 EMV- und EMI Messtechnik Wie passiert elektromagnetische Beeinflussung? 42

43 EMV- und EMI Messtechnik EMV von Geräten und Systemen EMV ist ein Qualitätsmerkmal 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 43

44 EMV- und EMI Messtechnik Auswirkungen bei nicht vorhandener EMV 1. Funktionsstörungen 2. Beeinträchtigung der Qualität des speisenden Netzes 3. Erhöhung der elektromagnetischen Umgebungsstörung 4. Gefährdung von Personal 44

45 EMV- und EMI Messtechnik Definition: Geräte und Systeme System System: Gesamtheit untereinander in Beziehung stehender Geräte (z.b. Fahrzeuge) Gerät: technische Einrichtung zur Erfüllung vorgegebener Funktionen mit Komponenten, die mechanisch und elektrisch zusammengefasst sind 45

46 EMV- und EMI Messtechnik Klassifizierung Störungsarten Störungsarten (juristisch) Intrasystemstörung Intersystem 46

47 EMV- und EMI Messtechnik Störung Funktionsstörung Funktionsminderung Fehlfunktion Funktionsausfall reversibel irreversibel 47

48 EMV- und EMI Messtechnik Störmodell Störquelle Störsenke Koppel- mechanismus (Pfad) 48

49 EMV- und EMI Messtechnik Kopplungsarten im Störmodell 1) Galvanische Kopplung: die Ströme zweier Stromkreise fließen über eine gemeinsame Impedanz 2) Kapazitive Kopplung: (Stör)signalübertragung lässt sich auf Grund eines elektrischen Feldes zwischen Systemen beschreiben 3) Induktive Kopplung: (Stör)signalübertragung lässt sich auf Grund eines magnetischen Feldes zwischen Systemen beschreiben 4) Elektromagnetische Strahlungskopplung: erfolgt über das elektromagnetische Feld bei gleichzeitiger Wechselwirkung zwischen Quelle und Senke 1) 2) 3) 4) 49

50 EMV- und EMI Messtechnik Störgrößen Können elektrische magnetische oder elektromagnetische Größen sein, die in einer elektrischen Einrichtung unerwünschte Beeinflussungen hervorrufen. 50

51 EMV- und EMI Messtechnik Störgrößen Werden gemessen als: Leistungspegel: PdB = 10log Px / Po dbm (Po = 1mW) Spannungspegel: UdB = 20log Ux / Uo dbµv (Uo = 1µV) Strompegel: IdB = 20log Ix / Io dbµa (Io = 1µA) Elektr. Feldstärkepegel: EdB = 20log Ex / Eo db µv/m (Eo = 1µV/m) Magnet. Feldstärkepegel: HdB = 20log Hx / Ho db µa/m (Ho = 1µA/m) 51 Sind entweder: - Gleichgrößen, - periodische oder - transiente Größen

52 EMV- und EMI Messtechnik Störquellen, nach Art der Störsignale BW (quelle) >> BW (senke) =BB-Störer BW (quelle) << BW (senke) =SB-Störer Elektromagnetische Umwelt Schmalbandige Quellen Breitbandige Quellen I I f f Die jeweilige Unterscheidung orientiert sich an der Verwendung bestimmter Empfangssysteme Rauschstörer Transiente Störer 52

53 EMV- und EMI Messtechnik Störquellen, nach ihrer Herkunft 53

54 EMV- und EMI Messtechnik Störschwelle, Störabstand, Pegel / db Störabstand Nutzpegel Störschwellenpegel Störgröße großer kleiner mittlerer großer Störsicherheitsabstand Zeit Frequenz 54

55 EMV- und EMI Messtechnik Maßnahmen zur EMV Sicherung Zeitlich spektral lokal 55

56 EMV- und EMI Messtechnik Maßnahmen zur EMV Sicherung Durch Entkopplung von Störquelle ubnd Störsenke: D.h. Aufhebung / Reduzierung des Koppelmechanismus zeitlich, spektral oder lokal 56

57 Kosten-Nachbesserung Kosten-Gesamt EMV- und EMI Messtechnik Kostenkurven Kosten-Präventiv Kostenminimum 57 W-EMB

58 EMV- und EMI Messtechnik Unterschiedliche Mess- und Prüfverfahren zum Nachweis der Einhaltung der EMV 1. EMI - Messungen Die Messung ungewollter Emissionen des Gerätes Messen von Strörströmen, 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 58

59 2 unterschiedliche Mess- und Prüfverfahren Übersicht über EMI Messverfahren Störaussendung Auf Leitungen Als Störfeld Versorgungsleitungen Magnetische Feldstärke 20 Hz 100 MHz 10 khz 100 MHz Störstrom 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 59

60 Pre-Compliance EMI Messtechnik Mess- und Hilfsmittel f. EMI Messungen Spektrumanalyzer Receiver Pulse Limiter Antennen Nahfeldsonden Sensoren, Tastköpfe Netzwerkanalyzer HF Stromwandler Netznachbildungen 230 V, Kfz, etc. 60

61 Commercial Antennas for radiated measurements Tuned Dipole (Spot Frequency) Biconical Log Periodic Broadband Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

62 Beispiele von Breitbandantennen Double ridged horn antennas Biconical antenna Log Periodic antenna Hybrid log periodic Hybrid log periodic Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

63 Transducers: Loop Antennas For the measurements of radiated emissions below 30MHz (usually the measurement of magnetic field) The loop is a coil of wire that produces voltage at its terminals proportional to the frequency according to Faraday s Law E = 4π N. A. 2π. F. H N = number of turns in the loop A = area of the loop in m 2 F = the measured frequency in Hz H = The magnetic field, Amps/meter Schwarzbeck VLF-HF RX Loop, Diam. 250mm, 50k 30MHz, 1 turn Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

64 Transducers: Large Loop Antennas (Van Veen) Alternative method: Surround the EUT with 3 orthogonal loops Currents induced in each loop is sensed by a current transformer. The 3 signals are measured in turn by the test receiver It is already a standard in EN for lighting equipment Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

65 Transducers: Artificial Mains Network / Line Impedance Stabilizing Network Used for conducted voltage emissions test on the mains port Purpose: Provides a defined impedance at RF across the terminals of the EUT Couples the disturbance voltage to the measuring receiver Isolates the test circuit from unwanted interference signals on the supply mains Impedance (Ohm) LISN impedance versus frequency from CISPR Frequency (MHz) Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

66 Transducers: Absorbing Clamp Measures the interference currents on connected cables and it relate to the accepted field strength Simplifies radiated emissions tests for household appliances and electric tools (EN 55014) Consist of current transformer and ferrite rings (forming a power absorber and impedance stabilizer) Clamps around and moved along the EUT power cord until maximum vhf power is obtained Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

67 Transducers: Current Probe Similar to absorbing clamp but without the absorbers Wideband current transformer Useful for diagnostics Also can be used for compliance with some Military specifications and EN (3rd ed.) Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

68 Transducers: Near field probes ( Sniffer ) Detects field strength in the near field Two types available: (Electric) E-field (rod construction) (Magnetic) H-field (loop construction) Used to physically locate the source of emissions from a product Can simply be constructed using coaxial cables or buy calibrated ones H Field Probe E Field Probe Probe design is a trade off between sensitivity and spatial accuracy Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

69 Transducers: DIY Near field probes e.g. by using semi rigid cable Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

70 Facilities Open Area Test Site (OATS) for radiated emissions test Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

71 Receive Antenna Factor, A FR Measurement distance, D (3 or 10m) CISPR : A measurement Site will be considered acceptable when the measured vertical and horizontal NSAs are within ±4dB of the theoretical normalized site attenuation Height varied over 1 to 4m, For max signal [2] Direct wave, V DIRECT [1] Transmit Antenna Factor, A FT Atten Atten Ground reflected wave, V SITE H T Tracking Generator Signal Analyzer Normalized Site Attenuation, NSA = V DIRECT V SITE A FT A FR Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

72 Facilities Open Area Test Site (OATS) Example of a 10 meter OATS Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

73 Facilities Open Area Test Site (OATS) Radiated emissions compliance test should be done on an open area test site OATS offers a controlled RF attenuation characteristic between the emitter and the measuring antenna (Site Attenuation) No RF reflecting objects must be placed in the vicinity of the site Ambient RF levels must be sufficiently low compared to the measurement levels Ground plane is used to regularized ground reflections Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

74 Facilities OATS Site Attenuation NSA is an indicator of the site performance (without any relation to antenna or instrumentation) Site Attenuation = Insertion loss measured between the terminals of 2 antennas on test site. One antenna is swept over a specified height range Normalized Site Attenuation (NSA) = Site Attenuation Transmit & Receive Antenna Factors NSA is performed for both vertical and horizontal polarizations Height scan ensures that nulls caused by destructive addition of the direct & ground reflected waves are removed from the measurement. Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

75 Transducers: GTEM Cell for emissions tests Gigahertz Transverse ElectroMagnetic Enclosed Transmission line, continuously tapered and terminated in a broadband RF load Prevent resonances & has flat frequency response from DC to GHz range Alternative to OATS (Open Area Test Site) No antenna required EUT is placed inside the GTEM EUT must be electrically small GTEM measurements must be correlated to OATS results Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

76 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 Antenna DUT 3, 10, or 30 meters 76

77 Pre-Compliance EMI Messtechnik EMI Grundausrüstung Agilent X-Serie Analyzer mit EMC Application Nahfeldsondensatz Netznachbildung (LISN) ESD gun 77

78 Pre-Compliance EMI Messungen Orientierende Messungen während der Entwicklungsphase Messverfahren in der EMV sind genormt zur: Erreichung der Reproduzierbarkeit Vergleichbarkeit zwischen versch. Messeinrichtungen Reduzierung der Messunsuicherheit 78

79 Pre-Compliance EMI Messtechnik X-Analyzer von Agilent Vom 3 GHz Modell bis zur Mikrowelle Volle Signalanalyse & EMV FähigkeitenF 79

80 Full-Compliance EMI Messtechnik MXE Full-Compliance EMI Analyzer von Agilent MXE High-Performance N9030A Von 20 Hz bis 8/26 GHz Volle Signalanalyse & EMV Fähigkeiten F 80

81 Pre-Compliance EMI Messtechnik Option EMC CISPR Detectors (QP, P, A, RMS) EMI Bandwidths EMI Presets Limit Lines (2000 pts) Correction factors (2000 pts) Sweep points (40000 pts) Tune & Listen (AM, FM ΦM) Measure at Marker 81

82 Pre-Compliance EMI Messtechnik Option EDP - Multi Instrument Analysis Spectrogramm Trace Zoom Zone Span 82

83 Pre-Compliance EMI Messtechnik W/N6141A Full Featured EMC Application in X-Series Verfügbar in allen X.Analyzern Kompatibel mit R&S Receiver Mode Log oder Lin Frequenzdisplay Simultane Detektoren Innovative Strip Chart Messung 83

84 Pre-Compliance EMI Messtechnik W/N6141A Full Featured EMC Application in X-Series Bis zu 10 verschiedene Scan Ranges Unabhängig voneinander 84

85 Pre-Compliance EMI Messtechnik W/N6141A Full Featured EMC Application in X-Series Auto-detect peaks Log Display Realtime Meters with any 3 Simultaneous Detectors Peak List Limit Delta 85

86 Pre-Compliance EMI Messtechnik W/N6141A Full Featured EMC Application in X-Series Innovatives Strip Chart Patent Applied For X-Achse rollt nach links Rechts aktuelle Messwerte Bis zu 3 Detektoren simultan Dokumentation des Zeitverhaltens eines Signals zur Korrelation mit Funktionsablauf z.b. für Klickratenmessung bei Haushaltsgeräten oder zur Aufnahme eines Strahlungsdiagramms 86

87 Pre-Compliance EMI Messtechnik W/N6141A Full Featured EMC Application in X-Series Sweep oder Step Bis zu 3 Traces gleichzeitig Limit und Margin Test Schneller Einzelsweep viele Durchläufe in MaxHold Lin. oder Log. Frequenzachse 87

88 Measurement Instrumentation: Detector Common detector use in RF emissions measurements Peak, Quasi Peak & Average Detector The measured level indicated for different types of modulation depend on the type of the detector used Peak Detector ( Envelope Detector) Responds almost instantaneously to the peak value of the signal Discharges rapidly If the receiver dwells on 1 frequency, peak detector outputs the envelope of the signal Its Fast respond is useful for diagnostic or quick look Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

89 Measurement Instrumentation: Detector functions Average Detector Measures the average value of the detector For a continuous signal, the average level is the same as its peak value For a pulsed or modulated signal, the average level is lower than its peak Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

90 Measurement Instrumentation: Detector functions Quasi Peak ( not quite peak ) Detector Peak detector with weighted charge and discharge time mimics the subjective human response to pulse-type interference Interference at low PRF is subjectively less annoying on radio reception vs. high prf Quasi Peak detector de-emphasize peak response at low PRFs Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

91 Measurement Instrumentation: Detector Indicated Level versus modulation waveform for different detectors Electromagnetic Compatibility Agilent Restricted

92 Pre-Compliance EMI Messtechnik Unterschiede EMI Messempfänger vs. Spektrumanalyzer Was ist noch dran? Kann man das heute noch so sagen? NEIN! 92

93 Pre-Compliance EMI Messtechnik Verbleibende Empfängerunterschiede Synchronisierter SCAN oder SWEEP (Oder Besser Beides ) Schräges Transportband vs. Lange Treppe Ganz oft kurz messen vs. einmal pro Punkt länger messen Immer wieder nachschauen vs. Darauf vertrauen dass einmal lange genug nachgeschaut wurde 93

94 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 94

95 EMV Analyse Analyse komplexer Strahlungskopplungen Numerische Simulationen von EMV Problemen auf Basis der Momentenmethode werden häufig als Hilfsmittel benutzt, um komplexe Strahlungskopplungen, auch von parasitätren Strahlern, zu analysieren 95

96 Pre-Compliance EMI Messtechnik Vielen Dank für Ihr Interesse! Sollten Sie Fragen haben, erreichen Sie mich unter 96

97 Störfestigkeit Messtechnik Agenda 97

98 Nachweis der Einhaltung der EMV 2 unterschiedliche Mess- und Prüfverfahren 1. EMI - Messungen Die Messung ungewollter Emissionen des Gerätes Messen von Strörströmen, Störspannungen, Störfeldern 2. Immunitiy Tests Die Prüfung der inneren und äußeren Störfestigkeit des Gerätes Gegen leitungsgeführte Störgrößen Gegen gestrahlte Störgrößen Störquelle Störsenke Koppel- mechanismus (Pfad) Untersuchung von Koppelpfaden Kopplungswiderständen Koppeldämpfungen Schirmdämpfungen 98

99 Störfestigkeit Messtechnik Ziel der Störfestigkeitsprüfung Störfestigkeitsprüfungen sollen die Störschwelle des Geräts/System ermitteln, bis zu der keine Funktionsstörungen auftreten Funktionsstörung Funktionsminderung Fehlfunktion Funktionsausfall reversibel irreversibel 99

100 Störfestigkeit Messtechnik Übliche Messtechnik für Störfestigkeitsprüfungen Signal Generator 100 khz- 40 GHz AM, FM, PM, Pulse Powermeter Powersensoren Antennen Verstärker Einspeisezangen Richtkoppler HF-Leistungsumschaltung ESD Pistole Feldsonden Burst-, Surgegenerator 100

101 Störfestigkeit Messtechnik Typ. Messanordnung Radiated Immunity 30 MHz 18 GHz Conducted Immunity 100 khz 1 GHz 101

102 Störfestigkeit Messtechnik Grundsätzliche Anforderungen an die Messtechnik Gerät Parameter Wesentliche Mindestanforderungen Signalgenerator Verstärker Antennen/ Einspeisezangen Powermeter/ Powersensoren/ HF-Leistungsumschalter Richtkoppler HF-Leistungskabel Feldsonde Frequenzbereich: Modulation : Schnittstellen: Frequenzbereich: Leistung: Typ: Schnittstellen: Frequenzbereich: Leistung: Gewinn: große Beleuchtungsfläche: Frequenzbereich: Leistung: Schnittstellen: Leistungsverträglichkeit: Frequenzbereich: Leistungsverträglichkeit: Frequenzbereich: Typ: 100 khz 1, 3, 6, 20 GHz AM, FM, Pulse, Phase GPIB, LAN breitbandig ausreichend im ges. Frequenzbereich Klasse A Verstärker GPIB, LAN wie der Verstärker Verträgt die Verstärkerleistung groß groß Breitbandig, wie Signalgenerator Großer Dynamikbereich GPIB, Verstärkerleistung LAN wie Verstärker Verstärkerleistung Dämpfungsarm Breitbandig 3-D, klein, optische Speisung, linear 102

103 Störfestigkeit Messtechnik Anforderungen an die Verstärker Folgende grundsätzliche Anforderungen, je nach gewähltem Prüfverfahren, sind bestimmend für die Wahl des Verstärkers Daneben gibt es weitere Kriterien, die bei der Verstärkerwahl eine wichtige Rolle spielen Leistung Frequenzbereich Modulationsverfahren Koppeldämpfung Einfügedämpfung Antennengewinn Antennenöffnungswinkel Anschaffungskosten Verstärkertyp, Lasttoleranz Linearitätsverhalten Bauweise und Bauform Betriebskosten 103

104 Störfestigkeit Messtechnik Abschätzung der benötigten Verstärkerleistung oberhalb von 30 MHz bei gestrahlten Prüfungen Aus dem gegebenen physikalischen Zusammenhang lässt sich die erforderliche Verstärkerleistung P errechnen: P = X 2 k (1) X stellt darin eine der vorgegebenen, zu erzeugenden, wellenwiderstandsbezogenen, physikalischen Störgröße dar E, H, U, I k ist ein Proportionalitätsfaktor, der alle Koppel- und Übertragungsdämpfungen, Anpassungen, Transformationsverluste, Gewinne, etc. beinhaltet. Je exakter k bekannt ist, desto genauer P vorhergesagt werden. Für die elektrische Feldstärke im Fernfeld gilt: E P G = 30 d (2) Hierin bedeuten: E: elektrische Feldstärke im Messpunkt P: HF-Leistung am Antenneneingang G: Fernfeldgewinn der Antenne d: Abstand zwischen Messpunkt und Phasenzentrum der Antenne 104

105 Störfestigkeit Messtechnik Abschätzung der benötigten Verstärkerleistung oberhalb von 30 MHz bei gestrahlten Prüfungen Da für die erforderliche Leistung gemäß (1) folgender Zusammenhang gilt: P = E 2 k (3) ergibt sich die erforderliche Verstärkerleistung mit (2) und (3) zu: P = E 2 d 2 2 ( m + 1) 30 G A R (4) Je genauer k, desto genauer die Vorhersage für P wobei: k = d 2 2 ( m + 1) 30 G A R (5) Hierin bedeuten: A: Dämpfung (z.b. im Kabel) R: raumabhängige Regelreserve erforderlich auf Grund schlechter Strahlungskopplung Resonanzen etc. m: Modulationsgrad für AM 105

106 Störfestigkeit Messtechnik Einfluss von Feldstärke und Entfernung auf die Leistung Abhängigkeit der HF-Leistung von Feldstärke und Entfernung P = f ( E, 2 d 2 ) 106

107 Störfestigkeit Messtechnik Einfluss von Ausgangsanpassung auf die Leistung Minimal verfügbare Ausgangsleitsung in Abhängigkeit der reflektierten Leistung bzw. des VSWR relativer Preis eines Klasse AB- Verstärkers in Abhängigkeit des VSWR bezogen auf einen Klasse A- Verstärker gleicher Leistung Nominale HF-Ausgangsleistung / % Klasse A-Verstärker Klasse AB- Verstärker % 150% is re 100% P r e tiv la e 50% R VSWR < 2:1 VSWR = 3:1 VSWR = 4:1 Reflektierte Ausgangsleistung / % 0% :1 3: 4:1 6:1 8:1 20:1-50% HF-Leistung / Watt VSWR 107

108 Störfestigkeit Messtechnik Einfluss von Modulation auf die benötigte Verstärkerleistg. Erhöhung der erforderlichen Leistung durch 80% AM-Modulation bei gestrahlten Störfestigkeitsuntersuchungen Uc Umax Der Modulationsgrad m ist definiert: ( max ) m = U Uc Uc (6) U max = ( m + 1) U C Der Spannungshub durch die Modulation geht mit seinem Quadrat in die Leistung ein: R ist der Leitungswiderstand P = U R 2 (7) Für eine 80-%ige AM bedeutet dies eine 1,8-fache Spannungserhöhung bzw. 3,24-fache der für ein cw-signal erforderlichen Verstärkerleistung! 108

109 Störfestigkeit Messtechnik Kalibrierung des Störfeldes zum Homogenitätsnachweis Die Kalibrierung des Störfeldes ist eine aufwendige Prozedur mit Hilfe von Feldsonden Kalibrieraufbau gemäß EN Draufsicht 109

110 Störfestigkeit Messtechnik Kalibrierung des Störfeldes zum Homogenitätsnachweis Die Vermessung des Feldes erfolgt auf einem Array aus 16 Punkten 110

111 Störfestigkeit Messtechnik Kalibrierung des Störfeldes zum Homogenitätsnachweis Der Homogenitätsnachweis erfordert die Einhaltung einer vorgegebenen maximalen Differenz auf allen Messpunkten für jede Frequenz zur geforderten Feldstärke in beiden Polarisationen. Die Anforderung ist erfüllt bei einer Abweichung von 0dB bis + 6dB Beispiel für die Einhaltung der Homogenität bei einer Frequenz 111

112 Störfestigkeit Messtechnik Einfluss der Antenne, Beleuchtungsfläche Bei der Antennenauswahl ist ein Kompromiss zwischen Antennengewinn und großer Ausleuchtung zu finden 6 db mehr Feldstärke heißt: = doppelte Feldstärke oder = 4-fache Leistung 112

113 Störfestigkeit Messtechnik Antennenöffnungswinkel, Abstand vs. Beleuchtungsfläche Aus den Kenngrößen Öffnungswinkel und Abstand lässt sich eine ausreichende Beleuchtungsfläche erhalten um ein homogenes Feld zu erzeugen 113

114 Störfestigkeit Messtechnik Beispielrechnung, Feldstärke + Leistung Verstärker: 250W1000C 1 db Kompression: 250 W Antenne: Frequenz: 1 GHz numerisch Pegelwerte Faktor Fak dB Abstand Phasenzentrum(Antenne) - EUT r EUT 3m 4.8dB(Meter) erforderliche Feldstärke 10V/m 26.0dB(V/m) Berücksichtigung d. Öffnungswinkels 1.4 3dB Feldstärke mit Öffnungswinkel E req 28.3V/m 29.0dB(V/m) gegebene Verstärkerleistung P giv 250Watt 54.0dB(mW) Fernfeldgewinn Antenne G F dBi Gewinnreduzierung Fernfeld-Nahfeld G R 1.0 0dB Nahfeldfeldgewinn Antenne G N dBi AM-Modulationsgrad Mod 80% 5.1dB Dämpfung (Kabel, Stecker etc.) A Kabel dB Betriebssicherheit+ Verstärkerlinearität D Amp dB Regelreserve VSWR R VSWR 1.3 1dB benötigte Verstärkerleistung P N = 57.4 db(mw) für E req bei G N P N = Watt erreichbare Feldstärke E N = 25.6 db(v/m) für P giv bei G N E N = V/m Beispiel 114

115 Störfestigkeit Messtechnik Fehlerquellen gestrahlter Störfestigkeitsuntersuchungen 115

116 Störfestigkeit Messtechnik Beispiel BCI Test Rack mit Racklayout 116

117 Störfestigkeit Messtechnik Beispiel BCI Testsystem 117

118 Störfestigkeit Messtechnik Beispiel fahrbares µw-rack, radiated Immunity 118

119 Störfestigkeit Messtechnik Beispiel EMI+EMS System 119

120 Störfestigkeit Messtechnik Beispiel EMI+EMS System 120

121 Störfestigkeit Messtechnik Grundnormenübersicht 121

122 Störfestigkeit Messtechnik 122

123 Störfestigkeit Messtechnik Produktauswahl, Agilent Signalgenerator 9 khz 3 GHz, AM, FM, Phase, Pulse IQ Modulator, 40 MHz Mod.-BW Signalgenerator N5182, N5182, N khz- 1,3, 6, 20, 40 GHz, AM, FM, Phase, Pulse, optional vektoriell, 120 MHz Mod.-BW, step, sweep, USB-Powermeter included Powermeter/ Powersensors E441x, E191x, N8262, U200x 100 khz 40 GHz single channel, dual channel, USB, peak, envelope, pulse Accessories Richtkoppler, Kabel, Adapter, Switches etc. 123

124 Störfestigkeit Messtechnik Vielen Dank für Ihr Interesse! Sollten Sie Fragen haben, erreichen Sie mich unter 124

125 EUT Monitoring Agenda 125

126 EUT Monitoring Definition Was ist EUT Monitoring? Die Beobachtung des Prüflings während der Störfestigkeitsprüfung Wozu braucht man EUT Monitoring? Um das Störschwellenprofil des Prüflings aufzunehmen Anforderungen an EUT Monitoring? Sicher, fehlerfrei beeinflussungsfrei Zeit- und Kostensparend Reproduzierbar Automatisierbar kostengünstig 126

127 EUT Monitoring Automatisierung um Zeit- und Kosten zu sparen ALLE, wirklich alle Signale, die sich messtechnisch überwachen lassen, sind für eine Automatisierung sinnvoll. Mögliche Anforderungen an die entsprechende Messtechnik sind: Ausreichend schnell, präzise Triggerfähigkeit auf Ereignisse des überwachten Signals Log-Funktionalität, Recording Genormte Schnittstellen (GPIB, LAN) Einbindungsfähigkeit in EMV Software Ausschluß jeglicher Störbeeinflussung 127

128 EUT Monitoring Automatisierung um Zeit- und Kosten zu sparen 128

129 EUT Monitoring Beispiel eines automatisierten EUT-Monitorings 129

130 EUT Monitoring Oszilloskope DCA-J Sampling X-Series Fastest Growing Scope Company New New Series 9000 Series U1604B Series U2700 Series X-Series X-Series 6000 Series 7000B Series 130

131 EUT Monitoring Oszilloskope Analog: Digital: Portable 7000 Series Infiniium 9000 Series 2-4 ch, 100 MHz-1 GHz bandwidth 4 ch, 600 MHz-4 GHz bandwidth Industry s highest resolution displays: XGA with 256 intensity levels Fast waveform update rate: 100 k waveforms/s Vector signal analysis option Segmented Memory Data Acquisition Extensive applications suite including jitter analysis and compliance testing software 16 digital timing channels time correlated with analog channels: Pattern and mixed-signal triggering FPGA dynamic probe application Serial: I 2 C, SPI, CAN, LIN, FlexRay trigger and decode Up to 8 Mpts MegaZoom deep memory I²C, SPI, CAN, USB and Ethernet serial decode and analysis Up to 1Gpts MegaZoom very deep memory 131

132 EUT Monitoring Generatoren 3352xA New Arbitrary Waveform Generator 1- and 2-channel configurations 30MHz sine, square, and pulse waveform bandwidth Functions, pulses, and point-by-point arbitrary waveforms with sequencing, Channel Sum-Up, Modulations 30 MHz 33250A Arbtirary Waveform Generator AM, FM, PM, FSK 80 MHz 81150A Pulse Function Arbtirary Noise Generator 1- and 2-channel configurations Gaussian Noise Generation Functions, pulses, and point-by-point arbitrary waveforms with sequencing, Channel Sum-Up, Modulations 240 MHz 81160A New Pulse Function Arbtirary Noise Generator 1- and 2-channel configurations Gaussian Noise Generation Functions, pulses, and point-by-point arbitrary waveforms with sequencing, Channel Sum-Up, Modulations 500 MHz A Pulse Pattern Generator Extremely low jitter, 3,35GSa/S 3.35 GHz

133 EUT Monitoring zusätzliche Messtechnik 34410A, 34411A Standard 6 ½ digit DMM 3458A High Performance, high speed 8 ½ digit DMM 3497xA Data Acquisition, Switch Unit Family 34980A Data Acquisition, Switch Unit Family 133

134 EUT Monitoring zusätzliche Messtechnik and Families Logic Analyzer SingleEnded or Differential Up to 256M Memory Many Protocols, Processors, Busses and FPGAs supported >500 channels on single Timebase U8903A N6705A w/ N67xx Modules Series New New New Audio Analyzer DC Power Analyzer Up to 4 DC PowerSupplies, DMM, Oscilloscope, AWG, Datalogger 25 Modules available for mix and match, basic, performance, precision, SMU Counter High Resolution, high speed, puls Datalog, Histogram, Built-in math analysis and stats 1M reading memory, USB storage 134

135 EUT Monitoring zusätzliche Messtechnik PXI and AXIe modular Products 47 products, more to come soon! DMMs M9018A 18- slot PXIe Chassis Source High Density Switch PCI Gen 3 Analyzer M9502A/05A 2- or 5-slot AXIe Chassis Signal Analyzer Optical Modules uw switches High-speed Digitizers - I/O and SW - - Mainframes - RF Vector Signal Analyzer - Scopes - AWGs - RF Signal Sources - BERT - Pattern Generator - DMMs - Multiplexer, Switches - Digital IO New 135

136 EUT Monitoring Vielen Dank für Ihr Interesse! Sollten Sie Fragen haben, erreichen Sie mich unter 136

137 Quellenangaben K. H. Gonschorek/H. Singer, Elektromagnetische Verträglichkeit, Grundlagen, Analysen, Maßnahmen Teubner Verlag Stuttgart, 1992 A.Meißner, Skript zur Vorlesung Antennen und Felder, FHTW Berlin, 1998/99 Meinke Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 1992 Josef Bauer, Armin Hudetz, Siemens AG, Center for Quality Engineering München, Messunsicherheit bei der Störfestigkeitsprüfung nach IEC/EN und Maßnahmen zur Reduzierung, München 2009 Jason Smith, Amplifier Research, Souderton, PA, Application Note #41A Update on the latest release of IEC , Edition 3, Souderton 2009, Pennsylvania 137