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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

EMV Bild 3:

EMV Bild 3: Breitbandimpuls und hohe Linearität (150 kHz – 30 MHz) die Verwendung von FPGAs mit der Fähigkeit mehrere Gigabyte pro Sekunde an Daten in Echtzeit zu verarbeiten kann auch ein POI von 300 ps erreicht werden. Im Gegensatz zu Echtzeit- Spektrum analysatoren wird damit eine voll normkonforme Messung und Bewertung nach CISPR 16-1-1 über Frequenzbereiche von bis zu 645 MHz in Echtzeit möglich. werden kann [3]. Daher wurde im Jahr 2008, im Rahmen der sog. Joint Taskforce zwischen CIS/A und CIS/D, welche an der Aktualisierung der CISPR 16-1-1 arbeitete, entschieden, das „FFT-based Measuring Instrument“ so zu definieren, dass keine Erleichterungen der Anforderungen vorgesehen wurden und damit keine Oszilloskope für EMV-Messungen verwendet werden dürfen. Für EMV-Messungen bleibt daher ein Messgerät mit normgerechter Bewertung nach wie vor unverzichtbar. Analysieren und normgerecht messen Durch den Einsatz der leistungsfähigsten am Markt verfügbaren Technologien und Komponenten, konnte bereits im Jahr 2007 eine Echtzeitbandbreite von 162,5 MHz für voll normkonforme TDEMI-Messsysteme realisiert werden. In 2013 wurde die Echtzeitbandbreite dann auf 325 MHz verdoppelt. Durch die inzwischen erfolgte Weiterentwicklung der Analog-Digital- Wandler Technik sowie der immer leistungsfähiger gewordenen FPGA-Technologie, besteht jetzt die Möglichkeit, ein Spektrum gleichzeitig mit Quasipeakund CISPR-Average-Detektoren gemäß der Norm CISPR 16-1-1 über einen Bandbereich von 645 MHz in Echtzeit zu messen. Dabei werden sämtliche Frequenzpunkte gleichzeitig gemessen und zur Anzeige gebracht. Von entscheidender Oszilloskope mit FFT-Funktion Der Einsatz von Oszilloskopen mit FFT-Funktion wurde intensiv in den Jahren 2002 – 2005 an der Technischen Universität München untersucht. Dabei zeigte sich, dass es nicht möglich ist mit lediglich einem Kanal des Oszilloskops die erforderliche Dynamik zu erreichen. Erst die Verwendung mehrerer Kanäle ermöglicht es, die geforderte Dynamik gemäß CISPR 16-1-1 zu erreichen. Auch ist es durchaus möglich mit intelligenten Algorithmen eine Datenreduktion im Zeitbereich durchzuführen, allerdings wurde gezeigt, dass auch hier die Norm CISPR 16-1-1 nicht ganz eingehalten Bild 4: Breitbandimpuls und hohe Linearität (30 MHz – 645 MHz) 10 hf-praxis 2/2017

EMV Bedeutung ist hierbei, dass auch der Echtzeitmodus des Messgeräts an jedem Frequenzpunkt die Norm CISPR 16-1-1 2007 bis zur heutigen Version vollständig einhält. Bei der Anzeige der Punkte werden alle Anforderungen der Norm CISPR 16-1-1 Ed. 3.1 vollständig erfüllt, insbesondere die geforderte lückenlose Auswertung. Damit kann flexibel nach allen Produkt- und Herstellernormen, welche auf die alte oder auf die neue Version des Standard CISPR 16-1-1 verweisen, gemessen und eine voll normkonforme (engl. full compliance) Messung mit direkter Maximierung durchgeführt werden. Funktionsweise TDEMI X Im Basisband wird das Eingangssignal mit einer hochlinearen Analog-Digital-Wandler-Einheit im Frequenzbereich DC - 1 GHz abgetastet und digitalisiert. Zusätzlich kommt eine Vorselektion mit hochlinearen Vorverstärkern zum Einsatz. Für Messungen im Bereich oberhalb des Basisbands von 1 GHz wird eine breitbandige Frequenzumsetzung mit integrierter Vorselektion eingesetzt. Die spektrale Darstellung kann einerseits digital superheterodyn oder mittels Kurzzeit-FFT erfolgen. Ein vereinfachtes Blockschaltbild der Funktionsweise eines TDEMI X ist in Bild 1 dargestellt. Für Messungen der gestrahlten Emission verwendet man typischerweise breitbandige logarithmisch-periodische Antennen zum Empfang der Störausstrahlung des Messobjekts. Alternativ können Messungen mittels Absorptionszangen, Nahfeldsonden und Netznachbildungen durchgeführt werden. Zur Untersuchung der Einkopplung an Antennen in einem Kraftfahrzeug kann das TDEMI X direkt angeschlossen werden. Durch das mehrstufige Analog-Digital-Wandler-System erfolgt die Digitalisierung des Messsignals in Gleitkommazahlarithmetik mit hoher Dynamik. Hierzu werden nach neuestem Stand der Technik mehrere kombinierte Analog-Digital-Wandler Bild 5: Emissionsmessung eines Mikrowellenherds bei 2,45 GHz eingesetzt. Dies ermöglicht es, einen äquivalenten Dynamikbereich von ca. 22 Bit zu erreichen, womit es einerseits möglich ist eine hohe Sensitivität von z. B. ca. -25 dBµV (Rauschboden in CISPR Band B) zu erreichen und andererseits gleichzeitig Pulse von mehreren Volt vollständig zu erfassen. Mit leistungsfähigen FPGAs mit einer Rechenleistung, die ca. 200 handelsüblichen PCs entspricht, erfolgt die Auswertung in einer Bandbreite von bis zu 645 MHz lückenlos in Echtzeit. Mit dem vorliegenden System können so bis zu 64000 Frequenzpunkte gleichzeitig gemessen werden. Zudem wurde die Dynamik nochmals um ca. 25 dB gegenüber der vorhergehenden Plattformen erhöht und der nutzbare Frequenzbereich für Applikationen bis hinauf zu 40 GHz erweitert. 645 MHz Echtzeitbandbreite vs. Dynamik Die Realisierung der 645 MHz Echtzeitbandbreite mit Quasi- Peak- und CISPR-Average- Bewertung gemäß CISPR 16-1-1 verlangt nicht nur eine sehr hohe Rechenleistung der FPGAs, sondern zusätzlich auch eine sehr hohe Dynamik der Eingangsseite des Messgeräts. Auch muss der Aussteuerbereich hoch linear sein[1]. Beim TDEMI X liegt der sog. 1dB- Kompressionspunkt durch die verwendete Basisbandtechnologie ca. 20 dB höher – im Vergleich zu den besten herkömmlichen Superheterodynempfängern. Dieser Vorteil ermöglicht es, 645 MHz Echtzeitbandbreite zur Verfügung zu stellen, während bei Superheterodynempfängern mit Time-domain-Scan für Full-Compliance Messungen die Echtzeitbandbreite derzeit bei max. ca. 30 MHz liegt, obwohl diese teilweise eine Echtzeitbandbreite von bis zu 80 MHz aufweisen. Diese hohe Dynamik ermöglicht es - neben dem schon beschriebenen Geschwindigkeitsvorteil - darüber hinaus Messungen für alle Anwendungen gleichzeitig mit höchster Präzision und Dynamik durchzuführen. Mehrkanalempfänger Die CISPR 16-1-1 fordert bei der finalen Maximierung Beobachtungszeiten von z. T. mehr als 15 s. In der Vergangenheit wurde die Maximierung sequentiell an mehreren Frequenzpunkten durchgeführt. Zuvor mussten die kritischen Frequenzen jedoch z. B. durch eine Vormessung (sog. Prescan) erst identifiziert werden. Durch die Kombination von Kurzzeit-FFT und digitalem Superhetmodus können nun - gleichzeitig über ein ganzes Band von 645 MHz - an allen Frequenzpunkten Messungen mit Quasi-Peak und CISPR-Average durchgeführt werden. Technisch wird dies durch eine hochgradige Parallelisierung erreicht. Die Kurzzeit-FFT ist hierbei ein mathematischer Baustein, der es ermöglicht doppelte Berechnungen auf effiziente Weise einzusparen und Symmetrieeigenschaften auszunutzen. Die Detektoren müssen an allen Frequenzpunkten vollständig parallel realisiert werden. Ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Kombination von Kurzzeit-FFT und Mehrkanalempfänger ist in Bild 2 dargestellt. Das TDEMI X enthält mehrere solche Funk- hf-praxis 2/2017 11

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