Broadband EMI Noise Measurement in Time Domain

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1 Broadband EMI Noise Measurement in Time Domain Florian Krug, Peter Russer Institute for High-Frequency Engineering Technische Universität München 1

2 Inhalt Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 2

3 Inhalt Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 3

4 Stand der Technik Konventioneller Messempfänger Zur Untersuchung der elektromagnetischen Verträglichkeit werden gegenwärtig in erster Linie Messsysteme verwendet, welche die Messdaten im Frequenzbereich erfassen. Nachteile konventioneller Messemfpänger: Sehr lange Messzeit (typ. 30 Minuten für einen Frequenzbereich von 30 bis 1000 MHz) Keine parallele Detektorauswertung möglich Verlust der Phaseninformation Keine Messung von transienten Vorgängen möglich, P. Russer, Echtzeit-Spektralanalyse mit klassischen Schätzmethoden im Bereich der EMV, EMC Kompendium, p. 93,

5 Stand der Technik Veröffentlichungen Stand der Technik: Kein Zeitbereichsmesssystem für Messungen bis 1 GHz und höher Keine systemtheoretische Beschreibung der Zeitbereichsmessungen Keine Messungen von impulsförmigen Störungen möglich Keine Messungen mit dem Quasi-Peak-Detektor möglich Keine erweiterten Untersuchungen im Zeitbereich, Theorie und Anwendung von Zeitbereichsmethoden im Bereich der Emissionsmesstechnik, Shaker Verlag, ISBN ,

6 Zielsetzung TDEMI-Messsystem Die vorliegende Arbeit behandelt die Grundlagen der Emissionsmessung im Zeitbereich welches die Möglichkeit bietet, mittels klassischer spektraler Schätzmethoden der Emissionsspektrum komplexer Störungen zu messen Vorteile des TDEMI-Messsystems: Reduzierung der Messzeit um 90 % Parallele Auswertung der Detektoren möglich Keine vergleichenden Messungen mit konventionellen Messempfänger nötig Messung von transienten Vorgängen möglich 6

7 Inhalt Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 7

8 Messaufbau TDEMI Measurement System, P. Russer, Ultra-fast broadband EMI measurement in time domain using classical spectral estimation, IEEE MTT-S International Microwave Symposium, pp ,

9 Messaufbau Messumgebung: EMV Messkammer 1m Abstand zwischen Antenne und EUT Vertikal polarisierte Antenne EUT: Rauschgenerator DC/DC-Wandler 9

10 Inhalt Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 10

11 Übersicht Einteilung der Störungen Die gemessene Störausstrahlung (engl. electromagnetic interference, EMI) von dem zu untersuchenden Messobjekt (engl. equipment under test, EUT) hängt von der Frequenz, Zeit und geometrischer Anordnung ab. Klasse Beschreibung Eigenschaften A Kontinuierlich schmallbanding BW Störung < BW Empfänger B Kontinuierlich breitbandig BW Störung > BW Empfänger C Impulsmoduliert Impulsdauer, -frequenz W. P. Kodali, Engineering Electromagnetic Compatibility: Principles, Measurements, Technologies, and Computer Models, Wiley,

12 Inhalt Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 12

13 Arbeitsweise TDEMI Measurement System Messung: AD-Wandler (Oszilloskop) Datenübertragung: Oszilloskop Berechnung: Amplituden-Spektrum mit FFT Korrektur: TDEMI System Verhalten Simulation: Peak-, Average-, QP-Detektor Korrektur: ENBW, Coherent-Gain Anzeige: EMI Amplituden-Spektrum 13

14 Systemverhalten TDEMI Measurement System Um ein korrektes Emissionsspektrum von der Messung im Zeitbereich zu erhalten muss das Frequenzverhalten der Zeitbereichsmesssystem vollständig kompensiert werden. Gesamtübertragungsfunktion TDEMI-System: H ( f ) H ( f ) H ( f ) H ( f ) H ( f ) H ( f CF = AF Amp LP Cable ADC ), P. Russer, Ultra-fast broadband EMI measurement in time domain using FFT and Periodogram, IEEE International Symposium On Electromagnetic Compatibility, pp ,

15 15 Spektrale Schätzmethoden Diskrete Fourier Transformation = = ] [ ] [ N n N kn j e n s k S π Discrete Fourier Transformation ) ( 1 0 ) ( ] [ 1 1 ) ( = = = D n fnt j p P p p B e n x T DT P f P π = + = ] [ ] [ ], [ N m N km j m e n w m s n k S π Short-Time Fourier Transformation Barlett- Periodogramm ) ( 1 0 ) ( ] [ ] [ 1 1 ) ( = = = D n fnt j p P p p W e n x w n T UDT P f P π Welch- Periodogramm R. N. Barcewell, The Fourier Transform and its Applications, MCGraw-Hill, 1978.

16 Arbeitsweise Konventioneller Messemfpänger Ausgangssignal Mischer S IF ( f ) = S IN ( f f LO ) Ausgangssignal IF-Filter S LP ( f ) = H ( f ) S ( f LP IF ) Ausgangssignal Gleichrichter s D ( t) t 1 = slp ( t) t t t dt 16

17 Arbeitsweise IF Filter 17

18 Arbeitsweise Konventioneller Messemfpänger Spitzenwert-Detektor s V ( t) = MAX{ s ( τ ) n {1... N}} D Mittelwertdetektor s V N t 1 ( t) = sd ( τ ) dτ N t 0 18

19 Signalbeschreibung Breitbandiges weißes Rauschen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion p s µ 1 2 2σ ( ) s = e 2πσ Rauschamplitude N( f ) = σb k, D. Mueller, P. Russer, Statistical Physical Noise Behavior Analysis of the Time Domain EMI Measurement System, IEEE AP-S International Symposium on Antennas and Propagation, pp ,

20 Signalbeschreibung Hüllkurve konv. Messempfänger Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion p(s) der Hüllkurve s(t) von weißem gaussischen Rauschen wird durch die Rayleigh Verteilung beschrieben p 1 N 2 2NRe c ( ) s = 2 Rec e s 2, D. Mueller, P. Russer, Statistical Physical Noise Behavior Analysis of the Time Domain EMI Measurement System, IEEE AP-S International Symposium on Antennas and Propagation, pp ,

21 Signalbeschreibung Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion 21

22 Detektor-Modell Mittelwert-Detektor Mittelwert des empfangenen Signals s(t) : mit 22

23 Inhalt Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 23

24 Emissionsmessung Breitbandiges weißes Rauschen voltage [dbµv] TDEMI EMI receiver Peak RMS Average frequency [MHz] 24

25 Emissionsmessung Average-Detektor 25

26 Emissionsmessung DC/DC Wandler 26

27 Zeit-Frequenz-Analyse Echtzeituntersuchung Laptop 27

28 Performanzvergleich Messzeit TDEMI System Messempfänger Datenlänge 64 ksample 19 ksample Messzeit 13 µsec. 40 min. Übertragungszeit 100 msec. -- Rechenzeit 2 min. -- Gesamtzeit 2.5 min. 40 min., P. Russer, Ultra-fast broadband EMI measurement in time domain using FFT and Periodogram, IEEE International Symposium On Electromagnetic Compatibility, pp ,

29 Performanzvergleich Dynamikbereich Ein mit einem harmonischen Eingangssignal vollausgesteuerter Analog-Digital-Wandler hat ein maximales Signalrauschverhältnis in db von: SNR db = 6.02N log Dynamikbereich: 8-bit ADC: SNR = 49,92 db 10 f 2 f Überabtastung: 2x 3dB höheres SNR sample max, P. Russer, Ultra-fast broadband EMI measurement in time domain using FFT and Periodogram, IEEE International Symposium On Electromagnetic Compatibility, pp ,

30 Inhalt Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 30

31 Conclusion Broadband EMI Noise Measurement in Time Domain Zusammenfassung: Idee der Emissionsmessung im Zeitbereich Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale 31