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3-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

EMV Ultra-Low Noise

EMV Ultra-Low Noise Option für TDEMI X ermöglicht niedrigstes Rauschen bis 40 GHz Emissionsmessungen wurden traditionell im Frequenzbereich mittels Superheterodyn-Empfängern durchgeführt. Der Vorteil dieses Verfahrens bestand darin, eine hohe Empfindlichkeit und niedriges Rauschen zu erreichen. Der Nachteil besteht allerdings darin, dass die einzelnen Frequenzpunkte sequentiell nacheinander gemessen werden müssen und daher sehr lange Messzeiten entstehen. Erste Messempfänger, basierend auf dem Superheterodynprinzip, wurden bereits in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts von Siemens, General Electric [1] sowie Stoddard gebaut und zur Messung elektromagnetischer Störungen eingesetzt. Modernere Funkstörmessempfänger führen die Filterung des Zwischenfrequenzsignals sowie die Bewertung mittels Detektoren bereits digital durch. Dadurch konnte eine Verbesserung der Reproduzierbarkeit von Emissionsmessungen erreicht werden. Da bei einer Emissionsmessung jedoch mehrere tausend Frequenzpunkte gemessen werden müssen und dies bei solchen Funkstörmessempfängern üblicherweise sequentiell erfolgt, ergeben sich bei derartigen Messungen für eine Charakterisierung der Störaussendungen eines Messobjektes leicht mehrere Stunden Messzeit. Bild 1 TDEMI X Mittels diskreter Fouriertransformation (DFT) lässt sich das Spektrum aus einem Signal im Zeitbereich berechnen. Ein Berechnungsverfahren der DFT, welches die Anzahl der Multiplikationen reduziert, ist die sogenannte schnelle Fouriertransformation (engl. fast Fourier transform, FFT) [2]. Ein weiteres Verfahren, welches aus einem Signal im Zeitbereich ein Spektrogramm berechnet, ist die Kurzzeit-FFT (engl. Short time FFT, STFFT) [3]. Allerdings genügt alleine die Durchführung einer FFT nicht, um gleiche Ergebnisse bzw. Anzeigen wie mit einem konventionellen Messempfänger zu erreichen. Hierzu sind Signalverarbeitungsmethoden notwendig, welche über die bloße Berechnung einer FFT deutlich hinausgehen. Beispielsweise wird die FFT zusammen mit Fensterfunktionen eingesetzt, um sogenannte spectral leakage Effekte zu minimieren. Bei einem herkömmlichen Messempfänger spricht man hier von Nebenempfangsstellen. Um exakt gleiche Messergebnisse bei Einzelfrequenzpunktmessung, wie mit einem klassischen Messempfänger nach Superheterodynprinzip, und einem Mehrkanalmessempfänger mit FFT, welcher somit an vielen Frequenzpunkten gleichzeitig misst, zu erhalten, muss ein analytischer Zusammenhang zwischen Filterkoeffizienten des ZF-Filters und den Koeffizienten der verwendeten Fensterfunktion hergestellt werden. Dieser kann eindeutig berechnet werden, soll aber hier aufgrund der Komplexität nicht näher erläutert werden [4]. Weiter muss die Dynamik der verwendeten Analog-Digital- Wandler ausreichend sein, um die typischen Signale, welche im Bereich der EMV-Prüfungen auftreten, mit hohem Signal- Rausch-Abstand erfassen zu können. Im letzten Jahr wurden hier von der Firma Gauss Instruements weitere Analog-Digital-Wandler Systeme realisiert, welche es ermöglichen, einen nochmals deutlich verbesserten Signal-Rausch-Abstand zu erreichen, verglichen mit der Technik vor wenigen Jahren. Messgeräte die diese Anforderungen erfül- Autoren: Stephan Braun Arnd Frech GAUSS INSTRUMENTS GmbH München Bild 2: EMV-Zeitbereichsmesssystem TDEMI eXtreme 34 hf-praxis 3/2015

EMV digitalen Messempfängers und dem Mehrkanalgaussfilter eines Mehrkanalmessempfängers wie dem TDEMI X hergestellt werden kann. Aus der Fachliteratur kann entnommen werden, dass die Kurzzeit-FFT äquivalent zu einer Anordnung von Basisbandmischern und einer Filterbank ist [7]. Die Kurzzeit-FFT kann somit ebenfalls aus der Anordnung einer Filterbank hergeleitet [8] werden. Das Verhältnis des Dezimators ist gegeben durch: Bild 3: Mehrkanalmessempfänger-Umsetzer, Filterbank, Dezimator und Detektor len, dürfen für Zertifizierungsmessungen eingesetzt werden. Im Frequenzbereich oberhalb der sog. Nyquistfrequenz der Analog-Digital-Wandler wird zudem eine mehrstufige und sehr breitbandige Frequenzumsetzung eingesetzt. Die Anforderungen an eine solche Frequenzumsetzung sind unter anderem eine Echtzeitbandbreite von einigen hundert MHz, sowie ein geringes Rauschen. Es wurden bereits in der Vergangenheit Konzepte vorgestellt, die einen mit einem Superheterodynempfänger vergleichbaren Rauschboden bieten [10]. Für die Geräteserie TDEMI eXtreme (TDEMI X), in Bild 1 dargestellt, ist nun eine ultra Low Noise Option verfügbar, die mittels spezieller Low Noise Amplifier (LNAs), Filterbänke und MMICs einen Rauschboden von weniger als -167 dBm/Hz (0 dBµV bei 1 MHz ZF-Bandbreite) bei 40 GHz erreicht. Technische Funktionsweise des TDEMI X Im Basisband wird das Eingangssignal mittels einer Analog-Digital-Wandler-Einheit zur Messung im Frequenzbereich 9 kHz - 1 GHz abgetastet und digitalisiert. Für Messungen oberhalb des Basisbands bis 1 GHz erfolgt eine breitbandige Frequenzumsetzung. Die spektrale Berechnung erfolgt mittels Kurzzeit-FFT. Ein Blockschaltbild eines TDEMI X ist in Bild 1 dargestellt. Für gestrahlte Emissionsmessung verwendet man typischerweise breitbandige logarithmisch-periodische Antennen. Alternativ können Messungen mittels Absorberzangen oder Netznachbildungen durchgeführt werden. Zur Untersuchung der Einkopplung an Antennen in einem Kfz kann das TDEMI X direkt angeschlossen werden. Durch das mehrstufige Analog-Digital-Wandler-System erfolgt die Digitalisierung in eine Gleitkommazahl. Hierzu werden nach neuestem Stand der Technik zwei 12-Bit Analog-Digital- Wandler kombiniert eingesetzt. Dies erlaubt es, einen äquivalenten Dynamikbereich von ca. 22 Bit zu erreichen, womit es einerseits möglich ist eine hohe Empfindlichkeit von ca. -25 dBµV (CISPR Band B) zu erreichen und andererseits gleichzeitig Pulse von mehreren Volt vollständig zu erfassen. Mittels leistungsfähiger FPGAs mit einer Rechenleistung, welche ca. 100 handelsüblichen PCs entspricht, erfolgt die Auswertung in einer Bandbreite von 325 MHz lückenlos in Echtzeit. Heute können bis zu 64000 Frequenzpunkte gleichzeitig gemessen werden. Zudem wurde die Dynamik nochmals um ca. 25 dB und der Frequenzbereich bis 40 GHz erweitert. Mehrkanalempfänger Die Kurzzeit-FFT wird als eine FFT-Berechnung über einen begrenzten Abschnitt verstanden, welche im Zeitbereich verschoben wird. Mittels Kurzzeit-FFT wird ein Spektrogramm berechnet, welches einer Darstellung des Spektrums über der Zeit entspricht. Während stationäre Signale ein konstantes Spektrum über der Zeit aufweisen, zeigt sich beim Spektrogramm außerdem das instationäre Verhalten des Störsignals. Die mathematische Definition der Kurzzeit- FFT ist gegeben durch: Da die Fensterfunktion w[n] symmetrisch ist, existieren mehrere Möglichkeiten diese Gleichung zu vereinfachen, wobei w[n] das ZF-Filter eines Messempfängers nachbildet [6]. Üblicherweise wird diese Fensterfunktion gaussförmig ausgeführt, da hier ein exakter analytischer Zusammenhang zwischen dem Gaussfilter eines wobei f s die Abtastrate des Analog-Digital-Wandlers ist, und f sbb die inverse Schrittweite der Kurzzeit-FFT, welche der Basisbandabtastfrequenz entspricht. Die Basisbandabtastfrequenz fsbb muss so groß sein, dass die Nyquistbedingung im Basisband eingehalten wird. Eine zu geringe Abtastrate führt zu Abweichungen und Messfehlern bei transienten Signalen. Um einen Mehrkanalmessempfänger zu erhalten, muss anschließend an jedem Frequenzpunkt digital demoduliert werden, sowie eine digitale Implementierung der Detektoren erfolgen. Die Realisierung eines solchen Mehrkanalempfängers, wie im TDEMI X realisiert, ist in Bild 2 dargestellt. Im Unterschied zu einem Mehrkanalmessempfänger müssen bei der Implementierung eines Mehrkanalspektrumanalysators, wie ebenfalls im TDEMI X realisiert, die Signale an jedem Frequenzpunkt logarithmiert werden und mit einem Videofilter tiefpassgefiltert werden. Anschließend erfolgt die Anzeige mittels eines MaxPeak, Sample oder MinPeak Detektors. Frequenzumsetzung mit Ultra Low Noise Option Im Frequenzbereich bis 40 GHz wird eine sehr breitbandige Vorselektion verwendet. Die Konvertereinheit verwendet ein Mischerschema, das es er- hf-praxis 3/2015 35

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