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3-2018

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Titelstory Bild 8:

Titelstory Bild 8: Schneller klassischer Messempfängermodus Frequenzbereich Band Scanzeit analoger Empfänger ca. Scanzeit TDEMI X ca. 9 kHz - 150 kHz A 24 Minuten 1s 150 kHz - 30 MHz B 1:40 Stunden 1s 30 MHz - 300 MHz C 1:30 Stunden 1s 30 MHz - 1 GHz C/D 5:25 Stunden 3s Tabelle 3: Typische Scanzeiten Superhetempfänger im Vergleich zu TDEMI X mit Quasi-Peak und CISPR-AVG parallel Frequenzbereich Band Scanzeit analoger Empfänger ca. Scanzeit TDEMI X ca. 1 GHz – 6 GHz E 50 s 0,4 s Tabelle 4: Typische Scanzeiten im Band E Frequenzbereich Band Dwell time Scanzeit TDEMI X 1 GHz – 6 GHz E 0,1 ms 1,5 s Tabelle 5: Typische Scanzeiten im Band E Wandler-Einheit mit einer Rate von mehreren Gigasamples/ Sekunde abgetastet und digitalisiert. Zusätzlich kommt im Front-End 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 6 dargestellt. Durch das mehrstufige Analog-Digital-Wandler-System erfolgt die Digitalisierung des Messsignals in Gleitkommazahlarithmetik mit entsprechend hoher Dynamik. Hierzu werden nach neuestem 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 erreichen 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 64.000 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. Vorselektion Im Eingangspfad des Empfängers befindet sich eine Vorselektion. Diese kann zugeschaltet werden und ermöglicht es, nochmals zusätzlich den Rauschboden und die Dynamik weiter zu verbessern. Bei standardmäßigen EMV-Messungen nach kommerziellen oder militärischen EMV- Standards ist die Zuschaltung der zusätzlichen Vorselektion nicht notwendig. Sollen allerdings sog. „out-of-band spurs“, insbesondere Harmonische von Funksignale ohne die Verwendung von externen Notchfiltern unterhalb von 1 GHz gemessen werden, so kann durch Zuschalten der Vorselektion die Dynamik hierfür nochmal deutlich verbessert werden. 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 durchgeführt werden. Technisch wird dies durch eine hochgradige Parallelisierung erreicht. Die 28 hf-praxis 3/2018

Titelstory Bild 9: Emissionsmessung des Bandbereichs 30 MHz – 6 GHz in Echtzeit (Peak Detektor) Kurzzeit-FFT ist hierbei einer der mathematischen Bausteine, der es ermöglicht Berechnungen auf effiziente Weise durchzuführen und Symmetrieeigenschaften auszunutzen. Die gem. 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 ist in Bild 7 dargestellt. Das TDEMI X enthält eine Vielzahl solcher Funktionsblöcke. Auch ein Echtzeitspektrumanalysator ist im TDEMI X bereits standardmäßig integriert, welcher an bis zu allen 64.000 Frequenzpunkten eine Messung gemäß einer Zero-Span Messung eines herkömmlichen Spektrumanalysators an einem einzigen Frequenzpunkt durchführen kann. Der Echtzeitspektrumanalysator des TDEMI X vereint damit auf einzigartige Weise die Vorteile der Zero-Span Funktion mit der Möglichkeit diese an bis zu 64000 Frequenzen gleichzeitig durchführen zu können. Der klassische Empfängermodus ermöglicht es, im Gegensatz zum FFT-Modus die Schrittweite frei zu wählen, sowie eine kontinuierliche Messung an einzelnen Frequenzpunkten durchzuführen. Dieser Modus verwendet eine analoge und digitale Superheterodynstufe. Durch eine interne Pipeline-Architektur und einen internen Speicher, welcher Frequenz punkte mit einer maximalen Geschwindigkeit von mehr als 200 Mio. Punkte pro Sekunde verarbeiten kann, sind somit extrem schnelle Messungen auch im klassischen Empfängerbetrieb möglich. So dauert z. B. ein Receiver Scan von 1 bis 18 GHz nur ca. 4 Sekunden. Dies entspricht wiederrum einer deutlichen Beschleunigung gegenüber herkömmlichen Empfängern. Ein Vergleich zwischen einem konventionellen Superheterodyn-Messempfänger und dem schnellen klassischen Empfängermodus ist in Bild 8 dargestellt. Während der konventionelle Empfänger große Totzeiten durch Verarbeitung des Signals und Initialisierung eines neuen Scans hat, werden durch eine Pipeline-Architektur eine nahezu parallele Messung und Verarbeitung möglich. Der Vorteil für EMV Messungen sind kurze Messzeiten auch im klassischen Modus und geringe Totzeiten, so dass Emissionen oder Signale nicht übersehen werden. Erreichte Scanzeiten FFTbased Measuring Instrument Üblicherweise werden Emissionsmessungen nach zivilen Normen mit dem Quasi-Peak- Detektor durchgeführt. Typische Scanzeiten für die Emissionsmessungen mit dem Quasi-Peak- Detektor unter Verwendung eines Superheterodynempfängers sind in Tabelle 3 exemplarisch dargestellt und mit dem TDEMI X (mit 645 MHz Echtzeitbandbreite) verglichen: In Tabelle 4 sind die Scanzeiten für typische Messungen mit dem Peak und Average Detektor unter der Verwendung einer typ. Verweildauer von 10 ms im Band E angegeben Erreichte Scanzeiten in der Betriebsart Superhet Neue Empfänger verfügen auch über eine sehr schnellen Superheterodynmodus. Dieser Modus wurde durch leistungsfähige Hardware gegenüber klassischen analogen Empfängern deutlich beschleunigt. Es ergeben sich exemplarische Scanzeiten für Band E, wie in Tabelle 5 zu sehen ist. Emissionsmessungen Der TDEMI X Messempfänger ist sowohl im Empfängerbetrieb als auch im Echtzeit-Spektrogrammbetrieb vollständig norm- Schneller klassischer Messempfängermodus Bild 10: Emissionsmessung des Bandbereichs 30 MHz – 6 GHz in Echtzeit (Mittelwert Detektor) hf-praxis 3/2018 29

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