3-2021

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EMV-Messtechnik Bild 4: Linearität des TDEMI S Messgeschwindigkeit und normkonforme Echtzeitmessung Durch die Kombination von Kurzzeit-FFT und digitalem Superheterodyn-Modus kann man nun gleichzeitig über ein ganzes Band von 685 MHz an allen Frequenzpunkten mit Quasi-Peak- und CISPR-Average-Detektoren messen. Technisch wird dies durch eine hochgradige Parallelisierung erreicht. Die Kurzzeit-FFT ist hierbei einer der mathematischen Bausteine, welcher es ermöglicht, Berechnungen auf hocheffiziente Weise durchzuführen und Symmetrieeigenschaften auszunutzen. Die gemäß CISPR 16-1-1 Norm erforderlichen Detektoren müssen an allen Frequenzpunkten vollständig parallel realisiert werden, was zu sehr hohen Anforderungen an die Rechenleistung führt. Dies ließe sich als vereinfachtes Blockschaltbild einer Kombination von Kurzzeit- FFT und Mehrkanalempfänger darstellen. Das TDEMI enthält eine Vielzahl solcher Funktionsblöcke. Auch ein Echtzeit-Spektrumanalysator ist im TDEMI S bereits standardmäßig vorhanden. Dieser kann an bis zu 32.000 Frequenzpunkten gleichzeitig eine Zero-Span-Messung durchführen. Der Echtzeit-Spektrumanalysator des TDEMI vereint somit auf einzigartige Weise die Vorteile der Zero-Span-Funktion mit der Möglichkeit, diese an tausenden Frequenzen gleichzeitig durchführen zu können. HyperOverlapping- Technologie Die HyperOverlapping-Technologie setzt zwar hier an, geht jedoch noch einen großen Schritt weiter. Es werden mehrere tausend Blöcke parallel verwendet, sodass die Signale an den einzelnen Frequenzpunkten mit einem Oversampling-Faktor von mehreren 1000 zur Verfügung stehen und die weitere Signalverarbeitung wie Filter, Detektor usw. ebenfalls mit hohem Oversampling betrieben werden. Dies führt u.a. auch bei EMV- Messungen zu höchster Genauigkeit sowie zu einer weiteren Beschleunigung der Messungen. Bild 1 skizziert den Aufbau der HyperOverlapping-Technologie. Das Eingangssignal wird mittels mehreren ADCs hochauflösend digitalisiert und mittels einer Digital-Down-Conversion-Einheit auf die Echtzeitbandbreite (RTBW) begrenzt. Im nächsten Schritt wird durch ein Echtzeitmodul, welches das HyperOverlapping steuert, das Signal zeitversetzt auf bis zu mehrere tausend FFT-Einheiten verteilt. Jede FFT-Einheit kann bis zu 32.000 Punkte gleichzeitig messen. Im Anschluss werden die Ausgangssignale wieder zusammengeführt und mit sehr hohem Oversampling durch Detektoren und Videofilter ausgewertet und zur Anzeige gebracht. Diese hohe zeitliche Auflösung in Verbindung mit hohem Oversampling führt zur Beschleunigung der Messung gegenüber einem Echtzeit-Messempfänger oder - Spektrumanalysator um bis zum Faktor 100. Dabei gelingt eine Beschleunigung um einen Faktor bis zu 3,2 Mio.! Bild 2 stellt die Messung eines OFDM-Signals dar. Hierzu wurde ein Auflösebandbreite von 100 Hz gewählt, ein HyperOverlapping von ca. 1000 und ein Videofilter mit 10 Hz Bandbreite. Man kann die einzelnen Träger sowie Breitbandstörungen, welche von der Umgebung stammen, sehr schön erkennen. Eine besonders herausfordernde Messung ist die Analyse von abgestrahlten Signalen auf Modulationen, welche z.B. durch Mikrophonie entstehen. Bild 3 zeigt die Analyse eines Signalgenerators auf Mikrophonie. Der Signalgenerator wurde mit einem Ausgangspegel mit 50 dBµV betrieben. Durch die Beschallung des Generators mit Signalen, kann festgestellt werden ob akustische Signale durch die Mikrophonie von Bauteilen auf einen Träger moduliert werden. Bei der Messung mit dem TDEMI S lassen sich mittels HyperOverlapping-Technologie Nebenaussendungen bei -147 dBm messen. Dadurch kann z.B. analysiert werden, ob EMV-Störungen auch weitere Informationen, wie z. B. eine Unterhaltung in einem Besprechungsraum, enthalten. Bild 5: Messung eines Trägers bei 500 MHz Dieses Beispiel zeigt, dass das TDEMI S für eine Vielzahl von Applikationen geeignet ist, welche eine besonders hohe Anforderung hinsichtlich Rauschboden, Geschwindigkeit und Dynamik haben. Bei EMV-Analysen ist es dadurch z.B. ebenfalls möglich, sehr schwache Signale genau zu analysieren und einer Störquelle zuzuweisen. Geringer Energieverbrauch Klassische High-Performance Messempfänger mit 30 MHz Echtzeitbandbreite wiegen meist mehr als 20 kg und nehmen ca. 300 W auf. Durch neueste Technologien wiegt das TDEMI S im Gegensatz hierzu weniger als 8 kg bei lediglich 60 W typisch. Gleichzeitig verfügt das TDEMI S über eine IQ-Echtzeitbandbreite von 500 MHz, HyperOverlapping-Technologie und erfüllt mit den Optionen EMI- UG, COM-UG und COM2- UG auch die Anforderungen der CISPR 16-1-1. Durch das geringe Eigengewicht, das handliche Format und den geringen Energieverbrauch ist ein mobiler Einsatz mit Akkus über mehrere Stunden möglich. Linearität und Messunsicherheit Das TDEMI S kann im FFTbasierenden und im Superheterodyn-Modus arbeiten. Durch die Kombination von mehreren hochauflösenden 14-Bit-ADCs mit hohem Oversampling und hoher Linearität ergibt sich eine sehr hohe Messgenauigkeit. Wird z.B. ein Signal im Pegelbereich 10 bis 90 dBµV gemessen, so liegen die typischen Abwei- 26 hf-praxis 3/<strong>2021</strong>
EMV-Messtechnik chungen im Bereich von +/-0,04 dB. Bild 4 informiert näher. Für Vormessungen sowie für eine finale vollständig normkonforme Messung ist ein sogenanntes FFT-based measuring Instrument gemäß CISPR Normen erforderlich, welches keine Unterschiede zwischen klassischen Frequenzschrittverfahren im Superheterodyn-Modus und dem FFT- Modus zeigen darf. Das TDEMI S wurde so konzipiert, dass beide Pfade mathematisch mit gleichen Filterkoeffizienten arbeiten. Weitere Maßnahmen sorgen dafür, dass bei beiden Betriebsarten keine Unterschiede hinsichtlich Anzeigepegel existieren. Somit wird sichergestellt, dass stets die mathematische Äquivalenz gemäß CISPR 16-3 eingehalten ist. Nur bei Messgeräten, welche eine exakte Identität der Ergebnisse zwischen FFT-basierenden Modus und Superheterodyn- Modus bereitstellen, wird der FFT-basierende Modus ebenfalls durch die Kalibrierung vollkommen abgedeckt. Das TDEMI S ist stets für beide Betriebsarten rückführbar nach ISO 17025 kalibriert. Die erreichte Performance z.B. hinsichtlich Linearität ist ebenfalls in beiden Betriebsarten gleich, sodass die Vorteile der Geschwindigkeit durch die Verwendung des FFT-basierenden Modus´ mit der hohen Messgenauigkeit kombiniert werden. Dynamik und Spurious Response im Vergleich Vor zehn Jahren bestand der Vorteil der klassischen Empfängertechnologie noch darin, dass die Dynamik höher war im Vergleich zu den ersten EMV- Zeitbereichsmesssystemen. Allerdings wurden durch neue Bauelementetechnologien, wie z.B. leistungsfähigere ADCs und neuartige Eingangsverstärkern, signifikante Verbesserungen erzielt. Somit verfügen heutige Zeitbereichsmesssysteme wie TDEMI X und TDEMI Ultra sogar über eine höhere Dynamik gegenüber konventionellen Empfängern bzw. der Superheterodyn-Technologie. Das TDEMI S wurde so entwickelt, dass z.B. durch neue ADCs die sogenannte Spurious Response nochmals deutlich verbessert wird. In Bild 5 ist z.B. die Messung eines Signals bei 500 MHz dargestellt. Die Messung erfolgte hierbei mit deaktivierter Vorselektion, um ausschließlich die Performance der ADCs und der Signalverarbeitung zu validieren. Es ist gut zu erkennen, dass über einen Bereich von ca. 90 dBc keine Spurious zu sehen sind – eine Performance, die selbst bei den am Markt verfügbaren teuersten (und somit von den HF-Eigenschaften her höchstwertigsten) konventionellen Empfängern nicht erreicht wird. Der abgebildete Rauschboden stammt vom Signalgenerator selbst. Durch Zuschalten der Vorselektion oder auch des patentierten Multisampling-Verfahrens lässt sich die Performance noch weiter verbessern. Digitale Demodulation Die große Echtzeitbandbreite des TDEMI S im Zusammenspiel mit seiner sehr leistungsfähigen Hardware erlaubt es auch, sehr breitbandige Signale von bis zu 510 MHz zu digitalisieren und analoge und digitale Demodulation durchzuführen. Bild 6 bringt den Blockaufbau für den IQ-Modus dargestellt. Das Eingangssignal des ADC-Systems wird mittels eines breitbandigen IQ-Mischers, ZF-Filters und Dezimators in Echtzeit verarbeitet und in einem leistungsfähigen Speicher zwischengespeichert. Im Anschluss daran kann eine digitale Demodulation erfolgen. Erweiterung des Frequenzbereichs Das TDEMI S umfasst den Frequenzbereich bis 50 GHz. Darüber werden externe Mischer verwendet, um bis in den THz- Bereich zu kommen. Dazu muss das TDEMI S mit der Option MX-UG (External Mixer Hardware Interface) ausgestattet werden. Bild 7 zeigt den Aufbau mit einem externen Mischer. Das TDEMI S verfügt hierzu über einen Generatorausgang, welcher als Lokaloszillator (LO) hinsichtlich der Frequenz frei definierbar ist. Hierdurch wird eine Kompatibilität mit verschiedensten am Markt verfügbaren externen Mischersystemen sichergestellt. Beim TDEMI S ist sowohl die LO-Frequenz als auch das ZF-Band des externen Mischers frei definierbar. Dieser innovative Ansatz ermöglicht es, erstmalig große Echtzeitbandbreiten herunterzumischen und diese gleichzeitig in Echtzeit auszuwerten. Das Beispiel eines solchen Konverterschemas ist für zwei Typen von externen Mischern in Tabelle 1 exemplarisch dargestellt. Wird beispielsweise ein externer Mischer mit dem Multiplikationsfaktor 16 betrieben bei 5 GHz LO-Frequenz, so ergibt sich an der Mischerdiode eine Frequenz von 80 GHz. Spezifiziert man nun beispielsweise ein Echtzeit- ZF-Band von 100 bis 685 MHz, so erhält man eine Echtzeitbandbreite von 585 MHz. Diese kann genutzt werden, um zum einen ein lückenloses Spektrogramm mit 300 ps POI darzustellen, zum anderen aber auch, um beispielsweise IQ-Daten auszuwerten und eine digitale Demodulation durchzuführen. Dieser Aufbau dient etwa für 5G-Messungen gemäß den FCC-Normen. Ein großer Vorteil ist, dass die Messgeschwindigkeit gegenüber bisherigen 5G-Messlösungen deutlich beschleunigt wird und neuartige Auswertemethoden zur Verfügung stehen. Im THz Bereich kann mit einem externen Konvertermodul, welches z.B. mit dem Multiplikationsfaktor 54 arbeitet und einen ZF-Bereich von bis zu 40 GHz hat, eine Konversion in den Bandbereich 1 bis 6 GHz erfolgen. Mittels Echtzeit-Scanning lässt sich somit eine Messung im Spektrogramm-Modus über den gesamten Bereich von 5 GHz darstellen. Durch den Vorstoß in den THz-Bereich und mehreren GHz Echtzeitdarstellung ergeben sich Möglichkeiten der Erfassung und Visualisierung, welche über die Anforderungen von 5G sogar noch hinausgehen. Unterdrückung von Spiegelfrequenzen bei externen Mischern Eine Herausforderung bei der Verwendung von externen Mischern besteht darin, während der Messung Spiegelfrequenzen zu unterdrücken. Mit dem patentierten Verfahren „Multisampling“, welches auch für externe Mischer anwendbar ist, gelingt eine zuverlässige Unterdrückung von Mischprodukten. Automatische Korrektur des Conversion Gains Zu den externen Mischern werden im TDEMI S Korrekturfaktoren als Transducer hinterlegt zwecks automatischer frequenzselektiver Korrektur des Messergebnisses. Zusammen mit den Transducer-Daten des Mischers werden auch LO-Frequenzen und Echtzeitbänder als dynamisch konfigurierbare Parameter in der Software automatisch hinterlegt. Dies führt zu einer sehr einfachen und intuitiven Bedienbarkeit. Wird z.B. der externe Mischer in der Geräte- Software durch den Benutzer aktiviert, so kann er einfach in jeder Betriebsart wie gewohnt alle weiteren Einstellungen vornehmen und seine Messung durchführen. Ist beispielsweise ein externer Mischer für 1,1...1,5 THz mit Transducer und LO- Konfiguration aktiviert, so lässt sich einfach ein Scan von 1,1 bis 1,5 THz definieren und dieser erfolgt dann automatisch mit den entsprechenden Einstellungen. Automatisierung für Funk- und EMV-Messungen Zur vollen Messautomatisierung unterstützt die Software EMI64k Automation Suite alle Betriebsarten des TDEMI S. Damit kann das TDEMI S sowohl für EMV-Messungen im klassischen Modus als auch im Echtzeit- Spektrogramm-Modus eingesetzt werden. Dies ist sowohl hf-praxis 3/<strong>2021</strong> 27
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