Broadband EMI Noise Measurement in Time Domain Florian Krug, Peter Russer Institute for High-Frequency Engineering Technische Universität München fkrug@ieee.org 1
Inhalt Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 2
Inhalt Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 3
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, 2002. 4
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 3-8322-1802-5, 2003. 5
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
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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. 2237-2240, 2002. 8
Messaufbau Messumgebung: EMV Messkammer 1m Abstand zwischen Antenne und EUT Vertikal polarisierte Antenne EUT: Rauschgenerator DC/DC-Wandler 9
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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, 2001. 11
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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
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. 577-582, 2002. 14
15 Spektrale Schätzmethoden Diskrete Fourier Transformation = = 1 0 2 ] [ ] [ N n N kn j e n s k S π Discrete Fourier Transformation 2 1 0 2 ) ( 1 0 ) ( ] [ 1 1 ) ( = = = D n fnt j p P p p B e n x T DT P f P π = + = 1 0 2 ] [ ] [ ], [ N m N km j m e n w m s n k S π Short-Time Fourier Transformation Barlett- Periodogramm 2 1 0 2 ) ( 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.
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
Arbeitsweise IF Filter 17
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
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. 212-215, 2003. 19
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. 212-215, 2003. 20
Signalbeschreibung Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion 21
Detektor-Modell Mittelwert-Detektor Mittelwert des empfangenen Signals s(t) : mit 22
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Emissionsmessung Breitbandiges weißes Rauschen 24 22 voltage [dbµv] 20 18 16 14 TDEMI EMI receiver Peak RMS 12 10 Average 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 frequency [MHz] 24
Emissionsmessung Average-Detektor 25
Emissionsmessung DC/DC Wandler 26
Zeit-Frequenz-Analyse Echtzeituntersuchung Laptop 27
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. 577-582, 2002. 28
Performanzvergleich Dynamikbereich Ein mit einem harmonischen Eingangssignal vollausgesteuerter Analog-Digital-Wandler hat ein maximales Signalrauschverhältnis in db von: SNR db = 6.02N + 1.763 + 10log 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. 577-582, 2002. 29
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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