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11-2017

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik Parameter

Messtechnik Parameter Peak Quasi-Peak Average Pulswiederholrate f p 100 Hz 100 Hz 5000 Hz Pulsbreite 380 ps 380 ps 380 ps Differenz 12 dB 0 dB (Referenz) 16,12 dB Pulsamplitude 16 V 63,7 V 407 V Tabelle 1: Anforderungen an die Eingangsstufe des Messempfängers hat nicht nur den Nachteil, dass die Messungen sehr lange dauern, sondern einige Messungen mit solchen Messempfängern schlicht nicht möglich sind. Gerade bei OFDM-basierenden Übertragungssignalen oder Frequency-Hopping-Signalen weisen die ETSI-Standards hier auf die eindeutigen Vorteile der Verwendung von FFT basierenden Messverfahren hin. Des Weiteren verfügen viele klassische Messempfänger oder Spektrumanalysatoren üblicherweise nicht über genügend Dynamik, so dass oft zusätzlich externe oder teilweise auch interne Notchfilter verwendet werden müssen. EMV-Zeitbereichsmesssysteme, wie z.B. das TDEMI X, sind so konzipiert, dass eine Echtzeitbandbreite von bis zu 325 MHz bzw. sogar bis zu 645 MHz zur Verfügung steht. Der CISPR- 16-1-1-Standard verlangt dabei gleichzeitig eine Dynamik, welche derart hoch ist, dass diese von herkömmlichen Superheterodyn-Spektrumanalysatoren nicht erreicht wird. Im Gegensatz hierzu bietet der TDEMI-X- Messempfänger hier den signifikanten Vorteil, dass auch mit einer solch hohen Echtzeitbandbreite alle Anforderungen der CISPR-16-1-1-Norm jederzeit vollständig eingehalten werden. Die beim TDEMI X eingesetzten Technologien von mehreren parallelen ADCs sowie FPGAs mit einer Rechenleistung von ca. 200 PCs bieten somit gerade bei Funkmessungen erhebliche Vorteile gegenüber klassischen Messempfängern oder Spektrumanalysatoren. Funktionsweise TDEMI eXtreme Das empfangene Signal wird im Basisband (Frequenzbereich DC bis 1 GHz) mittels einer hochlinearen Analog/Digital- Wandler-Einheit mit einer Rate von mehreren Gigasamples/ Sekunde abgetastet und digitalisiert. Zusätzlich kommt im Frontend eine Vorselektion mit hochlinearen Vorverstärkern zum Einsatz. Für Messungen im Bereich oberhalb des Basisbands von 1 GHz wird eine sehr breitbandige Frequenzumsetzung mit integrierter Vorselektion eingesetzt. Die spektrale Darstellung des Messsignals kann einerseits digital superheterodyn oder mittels Kurzzeit- FFT erfolgen. Ein vereinfachtes Blockschaltbild der Funktionsweise eines TDEMI eXtreme (kurz TDEMI X) Messempfängers ist in Bild 1 dargestellt. Durch das mehrstufige Analog/ Digital-Wandler-System erfolgt die Digitalisierung des Messsignals in Gleitkommazahlarithmetik mit entsprechend hoher Dynamik. Hierzu werden nach neustem Stand der Technik mehrere Analog/Digital-Wandler in Kombination eingesetzt. Dieses Verfahren ermöglicht es, einen äquivalenten Dynamikbereich von ca. 22 Bit zu erreichen, womit es einerseits möglich ist eine sehr gute Sensitivität von z. B. ca. -25 dBµV (Rauschboden in CISPR Band B) zu erzielen und andererseits gleichzeitig Pulse von mehreren Volt vollständig zu erfassen. Durch sehr leistungsfähige FPGAs mit einer Rechenleistung, welche jeweils ca. 200 handelsüblichen PCs entspricht, erfolgt die Auswertung in einer Bandbreite von bis zu 645 MHz vollständig lückenlos in Echtzeit. Mit dem vorliegenden System können so bis zu 64000 Frequenzpunkte gleichzeitig gemessen werden. Zudem ist die Dynamik nochmals um ca. 25 dB gegenüber vorhergehenden Plattformen verbessert worden und der nutzbare Frequenzbereich für Applikationen bis hinauf zu 40 GHz erweitert. Mehrkanalempfänger – FFT Durch die Kombination von Kurzzeit-FFT und digitalem Superheterodynmodus kann nun gleichzeitig, über ein ganzes Band von 645 MHz, an allen Frequenzpunkten die Messung mit Quasi-Peak- und CISPR- Average-Detektoren erfolgen. Technisch wird dies durch eine hochgradige Parallelisierung erreicht. Die Kurzzeit-FFT ist hierbei einer der mathematischen Bausteine, der es ermöglicht, Berechnungen auf effiziente Weise durchzuführen und Symmetrieeigenschaften auszunutzen. Die gemäß CISPR 16-1-1 erforderlichen Detektoren müssen an allen Frequenzpunkten vollständig parallel realisiert werden, was zu sehr hohen Anforderungen an die Rechenleistung führt. Ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Kombination von Kurzzeit-FFT und Mehrkanalempfänger zeigt Bild 2. Das TDEMI X enthält eine Vielzahl solcher Funktionsblöcke. Auch ein Echtzeit-Spektrumanalysator ist im TDEMI X bereits integriert, welcher an bis zu allen 64000 Frequenzpunkten eine Messung gemäß einer Zero- Span-Messung eines herkömmmlichen Spektrumanalysators an einem einzigen Frequenzpunkt durchführen kann. Der Echtzeit- Spektrumanalysator des TDEMI X vereint damit auf einzigartige Weise die Vorteile der Zero- Span-Funktion mit der Möglichkeit, die Zero-Span-Messung an bis zu 64.000 Frequenzen gleichzeitig durchführen zu können. Anforderungen an die Dynamik des Messempfängers Anforderungen der CISPR 16-1-1 Im Wesentlichen werden heute für Emissionsmessungen gemäß CISPR 12 und CISPR 25 die Detektoren Peak, Average und Quasi-Peak verwendet. Die CISPR 16-1-1 formuliert unterschiedliche Anforderungen an die Genauigkeit hinsichtlich der Anzeige für Pulse und Sinussignale. So wird z.B. für ein Sinussignal eine Messgenauigkeit von ±2 dB verlangt. Die Pulsanzeige wird je nach Detektor zunächst als absolute Pulsanzeige gegenüber einem Sinussignal spezifiziert. Bei dem Spitzenwertdetektor hat die Variation der Pulswiederholrate keinen Einfluss auf die Anzeige, während beim Quasi-Peak- und beim Average-Detektor eine Spezifikation der Abhängigkeit von der Pulswiederholrate gegeben ist. Man spricht hier von der relativen Pulsbewertung. Gerade im Frequenzbereich zwischen 30 und 300 MHz stellt die CISPR 16-1-1 die höchsten Anforderungen an die Dynamik des Messempfängers. Daher soll im Folgenden dieser Bereich genauer betrachtet werden. Absolute Pulsbewertung Bei der absoluten Pulsbewertung wird eine Pulsfolge mit einer Pulswiederholrate f p am Messempfänger angelegt. Für eine Anzeige von 60 dBµV ergeben sich gemäß dem Standard CISPR 16-1-1 für den Impuls die Anforderung einer Pulsbreite von 380 ps. In Tabelle 1 ist eine Übersicht über die wesentlichen Anforderungen für eine Anzeige bei dem Referenzpegel von 60 dBµV in Band C/D (Frequenzbereich 30 MHz bis 1 GHz) dargestellt. Die CISPR 16-1-1 legt fest, dass der Unterschied in der Anzeige zwischen Peak und Quasi-Peak bei einer Pulswiederholrate von 100 Hz genau 12 dB beträgt. Des Weiteren beträgt der Anzeigeunterschied zwischen Quasi-Peak bei einer 26 hf-praxis 11/2017

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