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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik

Messtechnik Funkmessungen mit modernen Messempfängern Smart Grid, vernetztes Wohnen, autonomes Fahren und Internet der Dinge sind neuartige Technologien, welche in unserem Alltag zunehmend an Bedeutung gewinnen und diesen mehr und mehr prägen. Bei der Umsetzung dieser neuen Technologien werden Elektrogeräte aller Arten miteinander vernetzt, so dass diese z. B. mit dem Smart Phone gesteuert werden oder miteinander kommunizieren können. Bild: 1 EMV-Zeitbereichsmesssystem TDEMI eXtreme Die zunehmende Vernetzung ist gerade von besonderer Bedeutung, wenn es um das Thema Smart Metering oder Smart Grid via Power Line Communication geht. Beim Thema Smart Home wird zunehmend die Vernetzung mittels Funk via WLAN vorangetrieben. Die Ausstattung von Haushaltsgeräten mit Funkmodulen erfordert somit also auch zusätzliche Prüfungen hinsichtlich der Funkstandards. So ist es z. B. notwendig, dass ein Haushaltsgerät nicht nur nach EN55014 geprüft wird, sondern auch nach ETSI- Funkstandards. Neben dem konventionellen EMV-Test muss ein Haushaltsgerät mit aktivem Funkmodul außerdem auch auf Nebenaussendungen (engl. spurious emissions) getestet werden. Zusätzlich müssen auch Abstrahlcharakteristik, Abstrahlleistung sowie weitere Parameter je nach ETSI-Standard geprüft und dokumentiert werden. Klassische Messempfänger geraten bei diesen Prüfungen an ihre technischen Grenzen. 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 klassische Messempfänger zum Teil über nicht genügend Dynamik, so dass hier dann zusätzlich externe oder interne Notch-Filter verwendet werden müssen. EMV-Zeitbereichsmesssysteme, wie z.B. das TDEMI X, sind so konzipiert, dass eine Echtzeitbandbreite von bis zu 325 MHz bzw. sogar 645 MHz zur Verfügung steht. Der CISPR 16-1-1 Standard verlangt dabei gleichzeitig eine Dynamik, welche derart hoch ist, dass sie von herkömmlichen Superhetero dyn- Stephan Braun Arnd Frech GAUSS INSTRUMENTS, München www.gauss-instruments.com Bild 2: Mehrkanalmessempfänger - Umsetzer, Filterbank, Dezimator und Detektor 10 HF-Einkaufsführer 2017/2018

Messtechnik Bild 3: Messung des GSM-Bandes im Echtzeit- Spektrumanalysatormodus Spektrumanalysatoren üblicherweise nicht erreicht wird. Der TDEMI X Messempfänger bietet 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 eingesetzte Technologien von mehreren parallelen ADCs sowie FPGAs mit einer Rechenleistung von ca. 200 PCs bietet somit gerade bei Funkmessungen erhebliche Vorteile gegenüber klassischen Messempfängern oder Spektrumanalysatoren. Funktionsweise TDEMI eXtreme Das zu messende Empfangs- Signal wird im Basisband (Frequenzbereich DC - 1 GHz) mittels einer hochlinearen Analog- Digital-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 HF-Einkaufsführer 2017/2018 digital superheterodyn oder mittels Kurzzeit-FFT erfolgen. Ein vereinfachtes Blockschaltbild der Funktionsweise eines TDEMI eXtreme (kurz TDEMI X) Messempfängers zeigt Bild 1. Durch das mehrstufige Analog-Digital-Wandler-System erfolgt die Digitalisierung des Messsignals in Gleitkommazahl- Arithmetik mit entsprechend hoher Dynamik. Hierzu werden nach neuestem Stand der Technik mehrere Analog-Digital-Wandler in Kombination eingesetzt. Dieses Verfahren ermöglicht einen äquivalenten Dynamikbereich von ca. 22 Bit, 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 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 durchgeführt werden. 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 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 aus Bild 2 zu ersehen. Das TDEMI X enthält mehrere solcher Funktionsblöcke in Kombination mit Superhetarchitektur. Auch ein Echtzeitspektrumanalysatormodus ist im TDEMI X 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 Echtzeitspektrumanalysatormodus des TDEMI X vereint damit einmalig die Vorteile der Zero-Span- Funktion mit der Möglichkeit die Zero-Span-Messung an bis zu 64000 Frequenzen gleichzeitig durchführen zu können. In Bild 3 ist die Emissionsmessung des GSM-Bandes mit dem TDEMI-X-Echtzeitspektrumanalysators dargestellt. Die Messung erfolgt lückenlos mit Effektivwert-Detektor (kurz RMS) an allen Frequenzpunkten gleichzeitig. Die aufgezeichneten Daten können an jedem Frequenzpunkt als Zero span dargestellt werden. Vergleich der Dynamik mit Superheterodynempfänger Bei der Emissionsmessung von Nebenaussendungen (engl. spurious emissions) ist es erforderlich, dass der verwendete Messempfänger eine hohe Dynamik Bild 4: Messung eines 2,4-GHz-Signals mit einem klassischen Messempfänger 11

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel