Architektur und Technologie moderner Messempfänger. deren Anwendung für EMV-Messungen und Spektralanalyse in Echtzeit

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1 1 Architektur und Technologie moderner essempfänger und deren Anwendung für EV-essungen und Spektralanalyse in Echtzeit Dipl.-Ing. Arnd Frech GAUSS INSTRUENTS GmbH 2 Gliederung Einführung & Grundlagen Traditioneller essempfänger & Spektrumanalysator Anforderungen der CISPR EV-Zeitbereichsmesssysteme Anwendung der EV-Zeitbereichsmesstechik Zusammenfassung

2 3 * Zeitbereich Frequenzbereich odulationsbereich * Grafik aus Hochfrequenzmeßtechnik,. Thumm W. Wiesbeck 4 Zeit-/Spektralbereich * * Grafik aus Hochfrequenzmeßtechnik,. Thumm W. Wiesbeck

3 5 Klassifizierung d. Signale Zu untersuchende Signale unterscheiden sich nach Frequenz, Zeit und essaufbau Eigenschaften Bedingung kontinuierlich, schmalbandig BW Sig < BW Res kontinuierlich, breitbandig BW Sig > BW Res transient, pulsartig Pulsdauer, -wiederholrate z. B.: Signal mit Bandbreite Hz (CISPR Band B) klassifiziert als 40 Hz (CISPR Band C) klassifiziert als schmalbandig Frequenzband A B C D E khz 0,15 30 Hz Hz 0,3 1 GHz 1-18 GHz Frequenzauflösung 200 Hz 9 khz 120 khz 120 khz 1 Hz 6 Beispiel Heterodynprinzip Blockschaltbild essempfänger basierend auf dem Superheterodynprinzip: Attenuator Vorselektion IF Detektoren: Spitzenwert Quasispitzenwert Effektivwert ittelwert Spektrum VCO

4 7 Spektrumanalysator Blockschaltbild Spektrumanalysator (gesweept): RF Attenuator IF Detector Video Filter 8 CISPR ZF - Filter Filter asken 6 db Bandbreite Verzerrungsfreier Dynamikbereich Sinussignal > 40 db Transientes Signal > 36 db ZF-Dynamik > 43.5 db Detektorimplementierung Peak, Quasi-Peak Average und RS Anzeigepegel abhängig von Pulswiederholfrequenz Anzeigepegel für stationäre und transiente Signale CISPR Analoge Ausgänge Quasi-Peak (optional) ZF Signal (optional) aximaler essfehler 2 db Eingangsbuchse VSWR < 2.0

5 9 CISPR Compliance - Example IF Filter (TDEI) 200 Hz 9 khz 120 khz 1 Hz IL & DO Hz 0 Hz khz khz 30 relative input in db for constant output relative input in db for constant output Hertz of mid-band Hertz of mid-band 1 khz khz 0 khz khz Hz Hz relative input in db for constant output relative input in db for constant output relative input in db for constant output Hertz of mid-band khz of mid-band khz of mid-band

6 11 Impulsbandbreite x(t) t r Z p (f) 1/f A p t p 1.4 B imp A p t p 1/f 2 t 1/(t p ) 1/(t r ) f Impulsbandbreite: Zusammenhang zwischen Impulsfläche IS und Z p eines Impulses 120 khz Filter : B IP =126 khz Impuls: t p =0.3 ns, V=146V, IS=0.044μVs, Z p = 77.7 dbμv Entspricht einem Sinussignal mit Amplitude 7.7 mv 12 Äquivalente Rauschbandbreite 2 W( f ) 2 W ( f ) 2 H 0 2 H 0 B f B ENBW f Äquivalente Rauschbandbreite: Gleiche Rauschleistung wie am Ausgangs eines Rechteckfilters mit Bandbreite B ENBW

7 l Fachtagung EV, 20. Januar Bewertungskurven Band C/D - Anzeigepegel Impulsantwort der Detektortypen Pegelanzeige 15 - für Sinussignale: PK = QP = RS = AV Peak CISPR-AVG Detektor: -ittelwertdetektor mit ZeitKonstante, ittelung über Zeigerinstrument (ähnlich Quasispitzenwertdetektor) R elative Indication Level [db] 5 - für Pulse: PK > QP > RS > AV 0-5 Quasi-peak - RS -15 Average -20 APD Amplitude Propability Distribution Funktion: -Statistische Auswertung der Störemission pro Frequenzpunkt Pulse Repetition Frequency (RPF) [Hz] 4 l Fachtagung EV, 20. Januar 2016 CISPR RS-AVG Detektor Relevante Pulswiederholraten (CISPR ) 80 Relativer equivalent level for constant indication CISPR Interpolation 70 Band CD Band E 0 Band A 1 Band B 0 1k k Pulsrepetition Frequency / Hz 0k

8 15 Konzept & Architektur Zeitbereichsmesssystem (Beispiel TDEI) Antenne Konversions einheit Hz- 40 GHz LP Gleitkomma ADC Einheit DSP Einheit (FPGA) Spektrum LISN Signalverarbeitung in Echtzeit Echtzeitbandbreite, z. B. 162,5 Hz, 325 Hz oder 645 Hz CISPR Bandbreiten 200Hz, 9 khz, 120 khz, 1 Hz IL/DO Bandbreiten Hz,0 Hz, 1kHz, khz, 0 khz, 1 Hz Peak, Average, CISPR-AVG, RS, CRS und Quasipeak Detektor Gewichtetes Spektrogramm, i.e. Real-time EI Receiver Zeitbereichsanalyse bis 1 GHz (Oszilloskopmodus) (16-Bit) 16 Hochauflösende 2,6 GS/s 12 Bit ADCs (2013) Power Splitter < -1.5 db A D Digital Signal Processing -22 db A D 2 ADCs 12 Bit and 2.6 GS/s Begrenzer und Verstärker ca. 25 db Verbesserung 0 db bei 120 khz ZF-Filter Performance ähnlich realem 16-Bit ADC

9 17 Konversionseinheit 1 GHz 6 GHz Hz 1 GHz IF (7 GHz) 1GHz 6 GHz 490 Hz PLL 1 PLL 2 Frequenzband wird auf eine ZF von 7 GHz hochgemischt Breites ZF Filter mehrere 0 Hz Konversion in Basisbandbereich der ADCs Unterdrückung von Spiegelfrequenzen und unerwünschte ischprodukte durch Wahl der PLLs und Filter 18 Konversionseinheit 6 GHz 40 GHz Hz 6 GHz 6GHz 40 GHz 6-9 GHz Hz 6 GHz 9-13 GHz GHz PLL GHz 22-26,5 GHz 26,5 40 GHz

10 19 Rauschboden 1 GHz 40 GHz Hz 120kHz 30 Noisefloor / dbuv Frequency / GHz 20 Statistische Verteilung Abweichungen 1 GHz 40 GHz

11 21 Echtzeitauswertung wobei r = w + c r = Antwortzeit w = Wartezeit c = Rechenzeit d = Deadline (durch den techn. Prozess gegeben) wobei t = Prozesszeit i = jeweiliger Prozess 22 Echtzeitsignalverarbeitung -sin(2p f d t) Im Virtual IF-Signal x[n] Re STFFT Detector modes Spectrum cos(2p f d t) Signal wird bandpassgefiltert und digital heruntergemischt Parallele Implementierung von bis zu >16000 digitalen essempfängern Parallele Implementierung von bis zu >16000 QP Detektoren FPGAs mit Rechenleistung von ca. >0 PCs Embedded PC für Anzeige und Kommunikation

12 23 Analoger essempfänger Blockschaltbild essempfänger basierend auf dem Superheterodynprinzip + weiterer essempfänger für paralleles essen an zwei Frequenzpunkten Attenuator Attenuator Pre-selection Pre-selection IF IF Peak Quasi-peak Peak RS Quasi-peak Average RS Average Spectrum Spectrum 2 VCO/PLL VCO/PLL 24 Short-time Fast Fourier Transform f 8 7 Time-domain ode Traditional EI Receiver / Spectrum Analyzer Real-time TDEI, Real-time Spectrum Analyzer Real-time TDEI Real-time Real-time TDEI TDEI X X 645 Hz 1GHz Sequential easurement Preselection (Option) dwell time unlimited Ultra-fast measurement 2-7 frequency Bands (DC - 1 GHz) Several ADCs GS/s ADCs 2 1 EI Receiver t t min IF-Bandwidth Frequency points tdwell Trad. EI-Receiver Real-time TDEI X 9 khz ms 20 min < 1 s 120 khz 24 0 ms 33 min 2 s 120 khz 24 3 s (QP) 9 h < 9 s 1kHz DO ms min < 1 s

13 25 Digital STFFT based Instrument e -j2 0n / N W[f] Receiver e.g. CISPR S bb,0 [m] S QP (f 1 ) x[n] e -j2 1n / N W[f]... S bb,1 [m]... S QP (f 2 ) e -j2 (N-1)n / N W[f] S bb,(n-1) [m] S QP (f N-1 ) Downconverter STFFT IF-Filter (6 db) Downsampler Detectors, e.g. Quasipeak 26 Äquivalenz STFFT Digitaler essempfänger Digitaler Empfänger e -j2 n / N x[n] x dc [n] W[f] y[m] STFFT X[ k, m] s [ m] k n n x[ n] w[ n m] e x[ n] w[ n m] e j 2 kn / N j2 kn / N ischer sk[ m] x[ n] e n j 2 kn / N w[ n m] x dc [ n] x[ n] e j 2 kn / N y[ m] N / 2 1 i N / 2 w[ i] x dc [ m i] sk[ m] xdc[ n] w[ n m] n Substitution i n m s [ m] k N / 2 1 xdc i N / 2 N / 2 1 s [ m] x k s [ m] k dc i N / 2 N / 2 1 i N / 2 [ i m] w[ i] [ m i] w[ i] w[ i] x dc [ m i] w[ i] w[ i]

14 27 FFT-based easuring Instrument EV Zeitbereichsmesssystem essungen an mehreren Frequenzen gleichzeitig möglich Schneller Scan mit hoher Frequenzauflösung Genaue essung von Pulsen und Sinussignalen Software defined EI Receiver / Spectrum Analyzer Analyse von Einzelvorgängen Sehr schnelle Scans mit ehrkanalspektrumanalyzer (2013) Demodulation an einzelnen Frequenzpunkten (2013) Weitere Dynamikverbesserungen (2013) 325 Hz Echtzeit Spektrogramm (2013) Echtzeit Quasipeak Spektrogramm mit 325 Hz (2014) 645 Hz Echtzeit CISPR AVG und QP Spektrogramm (2016) 28 Real-time Digital Signal Processing Spektrumanalysator -sin(2p f d t) x[n] Im Re ultistage Digital Converter STFFT Video Filter Detectors Spectrum A/F Demodulation cos(2p f d t) Signal wird bandpassgefiltert und digital heruntergemischt ehrstufige digitale Konvertereinheit Implementierung von Filterbänken (STFFT) Parallele Implementierung von bis zu Spektrumanalysatoren Digitale Implementierung von A- und F-Demodulator

15 29 Digital ultichannel Spectrum Analyzer (TDEI) e -j2p0n / N W[f] Single Spectrum Analyzer DISPLAY x[n]... e -j2p1n / N... e -j2p(n-1)n / N W[f]... W[f] S bb,0 [m] S bb,1 [m]... S bb,(n-1) [m] AXPEAK INPEAK SAPLE AXPEAK INPEAK SAPLE AXPEAK INPEAK SAPLE Downconverter IF-Filter (3dB) Downsampler Video Filter Detector 30 Test Setup: Leitungsgebundene Emissionsmessung für 4 Phasen Control RF LISN Automatische essung von L1,L2,L3 und N Extraction of axima Approx. 2 sec. /Phase (Band A,B) Approx. 1sec. /Phase (Band B) Extraction of axima Report Generator ~ 8 sec. für gesamte essung

16 31 Leitungegebundene essung Band A+B essung einer Tischleuchte bis 30 Hz 32 Test Setup: Störleistungsmessung RF Verschieben entlang der Gleitzangenbahn Spektrogramm 30 Hz 300 Hz ax Hold Report ~ 30s für Komplettmessung

17 33 Störleistungsmessung 30 Hz 300 Hz in Echtzeit 34 Test Setup: Gestrahlte Emissionsmessung Antenne EUT Kontinuierliche essung in Segmenten axima Report Report generator

18 35 Spektrogrammodus: Peak und Quasipeak parallel 36 Kontinuierliches 3D Spektrogramm einer Störfeldstärkemessung

19 37 Gestrahlte Emissionsmessung ikrowellenherd Grundwelle (IS Band) Oberwelle 38 Applikation Automobilbereich Anlassvorgang eines KFZs

20 l 39 l 40 Fachtagung EV, 20. Januar 2016 Gestrahlte Emissionen Elektromotor: Abhängigkeit von der Verweildauer E-Field / dbµv/m 40 2s 200ms 0s ms Frequency / Hz 00 Wichtig: Richtige Wahl der Verweildauer beachten! Fachtagung EV, 20. Januar 2016 Application Field IT Equipment: Radiated Emission of a Wifi Adapter -Emissions of a Wifi Client (searching for available wireless networks at 3s) -3D Plot

21 41 APD essfunktion 42 Zusammenfassung Anforderungen und Aufbau essempfänger essempfänger und FFT-basierendes essgerät mathematisch an je einem Frequenzpunkt vollständig äquivalent Einhaltung der Norm CISPR , IL461, DO160 Frequenzbereich DC 40 GHz Echtzeitspektrogramm auch für normative essungen essung der Störspannung essung der Störleistung essung der Funkstörfeldstärke Emissionsmessung von ikrowellenherden