Messtechnik im Frequenzbereich 9 kHz - 1 GHz abgetastet und digitalisiert. Für Messungen oberhalb 1 GHz erfolgt eine breitbandige Frequenzumsetzung. Die spektrale Berechnung erfolgt mittels Kurzzeit-FFT. Ein Blockschaltbild eines TDEMI X zeigt Bild 4. Für gestrahlte Emissionsmessung verwendet man typischerweise eine breitbandige, logarithmisch-periodische Antenne. Alternativ können Messungen mittels Absorberzange oder Netznachbildung durchgeführt werden. Zur Untersuchung der Einkopplung an Antennen im KFZ kann das TDEMI X direkt angeschlossen werden. Das Eingangssignal wird mittels eines mehrstufigen Analog-Digital-Wandler-Systems digitalisiert. 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 eingesetzt. Dies ermöglicht einen äquivalenten Dynamikbereich von ca. 22 Bit, womit es möglich ist, eine hohe Empfindlichkeit von ca. –25 dB µV (Band B) zu erreichen und gleichzeitig Impulse von mehreren Volt 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. Ein EMV-Zeitbereichsmesssystem wurde erstmalig in [6] vorgestellt. Die Messung konnte hierbei um einen Faktor 1000 beschleunigt werden. 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. Bild 4: EMV-Zeitbereichsmesssystem TDEMI X Bei der Messung in einer 10-m-Absorberhalle mit leitendem Boden nehmen wir an, dass die Messung an 10 Höhen durchgeführt werden soll. Dadurch ergibt sich eine Messzeit für beide Polarisationen von insgesamt ca. 12 Minuten. Mittels TDEMI X ist die Messzeit mit einer Gesamtcharakterisierung an allen Frequenzpunkten über alle Positionen mit Quasi-Spitzenwert-Detektor kürzer als die Messzeit bei der Vormessung mittels Spitzenwertdetektor und konventionellen Verfahren. 2.5 Messung feldgebundener Emissionen in der GTEM-Zelle Bei der Messung in der GTEM-Zelle wird der Prüfling in drei Positionen gemessen und das Ergebnis superpositioniert. Bei einer Scanzeit von 7 Sekunden im Frequenzbereich von 30 MHz - 1 GHz dauert die Gesamtmessung ca. 21 Sekunden. Die Superpositionierung kann im Nachgang bei der Erstellung des Reports erfolgen. 3. Technische Funktionsweise des TDEMI X Das Eingangssignal wird mittels einer Analog-Digital-Wandler-Einheit zur Messung 3.1 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, das einer Darstellung des Spektrums über der Zeit entspricht. Während stationäre Signale ein konstantes Spektrum über der Zeit aufweisen, zeigt sich beim Spektrogramm 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] die Fensterfunktion ist, die welche das ZF-Filter eines Messempfängers nachbildet [6]. Üblicherweise wird diese Fensterfunktion gaussförmig ausgeführt, da hier ein exakter analytischer Zusammenhang zwischen dem Gaussfilter eines digitalen Messempfängers und dem Mehrkanal-Gaussfilter eines Mehrkanal-Messempfängers, wie dem TDEMI X, hergestellt werden kann. Es ist aus der Literatur bekannt, dass die Kurzzeit-FFT äquivalent zu einer Anordnung von Basisbandmischern und einer Filterbank ist [7]. Die Kurzzeit-FFT kann ebenfalls aus einer Anordnung mit einer Filterbank hergeleitet [8] werden. Das Verhältnis des Dezimators ist gegeben durch: Bild 5 Mehrkanalmessempfänger - Umsetzer, Filterbank, Dezimator und Detektor wobei fs die Abtastrate des Analog-Digital- Wandlers ist, und fsbb die inverse Schrittweite der Kurzzeit-FFT, welche der Basisband-Abtastfrequenz entspricht. Diese Abtastfrequenz fsbb muss so groß sein, dass die Nyquistbedingung im Basisband eingehalten wird. Ein zu geringe Abtastrate führt zu Messfehlern bei transienten Signalen. Um einen Mehrkanal-Messempfänger zu erhalten, muss anschließend an jedem Frequenzpunkt digital demoduliert werden, 8 HF-Einkaufsführer 2014/2015
Messtechnik sowie eine digitale Implementierung der Detektoren erfolgen. Die Realisierung eines solchen Mehrkanal-Empfängers wie dem TDEMI X ist in Bild 5 dargestellt. Bei der Implementierung eines Mehrkanal- Spektrumanalysators müssen die Signale an jedem Frequenzpunkt logarithmiert und mit einem Videofilter tiefpassgefiltert werden. Anschließend erfolgt die Anzeige mittels eines MaxPeak-, Sample- oder MinPeak- Detektors. 3.2 Frequenzumsetzung Im Frequenzbereich bis 40 GHz wird eine breitbandige Vorselektion eingesetzt. Die Konvertereinheit verwendet ein Mischerschema, das es ermöglicht, Spiegelfrequenzen und andere Mischprodukte zu unterdrücken und gleichzeitig eine Echtzeitbandbreite von 325 MHz zur Verfügung zu stellen. Ein Beispiel einer Konvertereinheit im Bereich 6 GHz - 26.5 GHz zeigt Bild 6. 3.3. Dynamikbereich Es wurden Messungen an einem TDEMI X mit 12-Bit-A/D-Wandler und TDEMI mit 8-Bit-A/D-Wandler durchgeführt. Tabelle 2 zeigt einen Vergleich zwischen dem Rauschboden und dem Aussteuerungsbereich des empfindlichsten A/D-Wandlers bei 0 dB Abschwächung. Diese Messung wurde beispielhaft bei 100 MHz und 1 GHz durchgeführt. Während beim TDEMI ca. 70 dB Dynamik erreicht werden, sind es beim TDEMI X über 100 dB. 4. EMV-Normen Grundsätzlich sind die EMV-Normen Technologie-unabhängig, d.h. neutral geschrieben. Die Norm CISPR 16-1-1 schreibt nur ein Anzeigeverhalten für Pegel und Signale vor. Es geht aus der Norm CISPR 16-1-1 nicht hervor, ob es sich um einen analogen Empfänger mit Superhetprinzip, einen Geradausempfänger, einen teildigitalen Messempfänger oder einen volldigitalen Messempfänger d.h., ein EMV-Zeitbereichsmesssystem, handeln muss. Auch ist nicht spezifiziert, dass man nur an einem Frequenzpunkt gleichzeitig messen darf. In den MIL461 und VG-Normen ist die Beschreibung noch technologieneutraler. Hier wird z.T. nur von einem frequenzselektiven Messgerät gesprochen. Frequenzselektive Messgeräte sind alle Messgeräte, die eine Anzeige des Pegels über der Frequenz liefern. Da im Automotive Bereich vorwiegend die Normen CISPR 16-1-1 und MIL461 für den unteren Frequenzbereich angewendet werden, soll hier nur auf diese beiden Normen eingegangen werden. Bild 6: Frequenzumsetzung 6 GHz - 26,5 GHz 4.1 CISPR 16-1-1 Die CISPR 16-1-1 [9] verlangt ein bestimmtes Anzeigeverhalten eines Instruments für unterschiedliche Prüfsignale. Man unterscheidet zwischen: • Anzeigeverhalten für Sinus und Pulsfolgen • Anforderungen an die Dynamik • Anforderungen für Ein- und Ausgänge Die CISPR 16-1-1 unterscheidet zwischen den Bändern A,B,C/D,E. Zu jedem Band muss das Messinstrument eine genormte ZF-Bandbreite bereitstellen. Für die Bänder A,B,C/D sind jeweils noch unterschiedliche Zeitkonstanten für den Quasi-Spitzenwertdetektor definiert. Ferner werden die ZF- Bandbreiten als 6-dB-Bandbreiten definiert. TDEMI- und TDEMI-X-Geräte von GAUSS INSTRUMENTS verwenden die Kurzzeit- FFT, erfüllen das Anzeigeverhalten nach CISPR 16-1-1 und werden für Abnahmemessungen eingesetzt. Die CISPR 16-1-1 geht traditionell davon aus, dass ein Messgerät nur gleichzeitig an einem Frequenzpunkt eine Messung durchführen kann, wobei die Messung über die Messzeit hinweg kontinuierlich ist. Messgeräte, wie z.B. die TDEMI-X-Geräte, die eine harte Echtzeitbedingung erfüllen, und eine unbegrenzte Messzeit für Quasipeak ermöglichen, können für Messungen nach CISPR 16-2-X eingesetzt werden. Sogenannte FFT-Analysatoren können keinen echten Mehrkanalempfänger nachbilden. Dies hängt damit zusammen, dass weder die ZF-Selektivität noch die nachfolgenden Einheiten, wie Detektoren, nachgebildet werden. Außerdem arbeiten diese nicht lückenlos. FFT-Analysatoren, bzw. Oszilloskope mit FFT-Funktionalität können deshalb nicht für EMV-Messungen sinnvoll oder gar normgerecht eingesetzt werden. 4.2 MIL 461 Die Norm MIL461 beschreibt einen Messempfänger, der dekadische 6-dB-Band- Rauschboden (ZF 120kHz) Aussteuerung (1 ADC) 8-Bit ADC -8 dBuV 68 dBuV 12-Bit ADC -12 dBuV 91 dBuV Tabelle 2: Rauschboden und Aussteuerung bei 100 MHz Rauschboden (ZF 120kHz) Aussteuerung (1 ADC) 8-Bit ADC -5d BuV 73 dBuV 12-Bit ADC -9 dBuV 94 dBuV Tabelle 3: Rauschboden und Aussteuerung bei 1 GHz HF-Einkaufsführer 2014/2015 9
