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3-2019

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Titelstory Automation

Titelstory Automation Software EMI64k Vollautomatisierte Emissionsmessungen mit Echtzeitverfahren nach CISPR in 64 Bit FFT-basierende Verfahren und Methoden können Emissionsmessungen signifikant beschleunigen. Stephan Braun, Arnd Frech Gauss Instruments International GmbH, München https://gauss-instruments.com Die CISPR 16-1-1 enthält seit 2010 das FFF-based measuring Instrument, um explizit Messund Prüfzeiten zu reduzieren. Bei gestrahlten Emissionsmessungen besteht hierbei die Herausforderung auch darin, diese Verfahren effizient in heutige Prüfabläufe zu integrieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit der Messergebnisse zu erhöhen. FFT-basierende Zeitbereichsmesssysteme können die Messung selbst signifikant beschleunigen und mehrere Frequenzpunkte gleichzeitig erfassen und darstellen. Je größer die CISPR- 16-1-1-konforme Echtzeitbandbreite ist, umso mehr lässt sich die Geschwindigkeit einer Messung erhöhen. Eine Echtzeitbandbreite von 30 MHz erlaubt immerhin eine leitungsgeführte Emissionsmessung in Echtzeit. Allerdings wird das Potential des Verfahrens erst deutlich, wenn man sich Technologien mit 685-MHz-CISPR-konformer Echtzeitbandbreite ansieht, die es erstmalig ermöglichen, den Bereich von 30 MHz bis 1 GHz in zwei Bänder zu unterteilen und diese dann sequentiell vollständig in Echtzeit zu messen. Bei einem konventionellen Messempfänger hingegen können im Vergleich in der gleichen Zeit lediglich zwei Frequenzpunkte gemessen werden. Doch es bleibt die Frage offen, wie eine EMV-Software aussehen muss, um diese Datenmengen verarbeiten zu können und die Emissionsmessung nicht nur zu beschleunigen, sondern auch die zusätzlich gewonnenen Informationen dem Anwender zur Verfügung zu stellen. Das Stichwort „Big Data“ bzw. 64-Bit-Emissionssoftware, die auch die neuen Echtzeitverfahren unterstützt, findet Einzug in die Praxis. Dies bedeutet hochpräzise Messungen, welche Informationen über Abstrahlcharakteristik und Abhängigkeit von Funktionszyklen und viele weitere Informationen des Prüflings enthalten können. Das TDEMI Ultra Ein CISPR-konformes FFTbased measuring Instrument in Echtzeit hat folgenden Hintergrund: In den letzten Jahren wurde zunächst die Echtzeitbandbreite von 162,5 auf 345 MHz und schließlich auf 645 MHz erhöht [1]. Neben den mittlerweile sehr schnellen, vollständig normkonformen Emissionsmessungen mit hoher Echtzeitbandbreite erfolgten teilweise immer noch Emissionsmessungen im klassischen Frequenzschrittverfahren. Diese sind nach wie vor äußerst zeitaufwendig. Das neue TDEMI Ultra (s. o.) führt nun beide Welten zusammen und vereint die Vorteile beider Ansätze. Dabei wurde sehr großer Wert darauf gelegt, dass auch das klassische Frequenzschrittverfahren im Vergleich zum Stand der Technik nun erstmals deutlich beschleunigt wird. Durch die Verwendung höchstperformanter Mikrowellenkomponenten unter Nutzung der neuesten Technologien von Galliumnitrid, extrem schnellen PLL-Schaltkreisen sowie leistungsfähigen FPGAs mit interner Pipelinestruktur setzt das TDEMI Ultra neue Maßstäbe hinsichtlich Dynamik, Messgeschwindigkeit und Rauschboden. Messgeschwindigkeit und normkonforme Echtzeitmessung Durch die Kombination von Kurzzeit-FFT und digitalem Superheterodynmodus kann nun gleichzeitig über ein ganzes Band von 685 MHz an allen Frequenzpunkten die Messung mit Quasi-Peak- und CISPR- Average-Detektoren erfolgen. 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 gemäß 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 zeigt Bild 1. Das TDEMI enthält eine Vielzahl solcher Funktionsblöcke. Auch ein Echtzeit-Spektrumanalysator ist im TDEMI Ultra bereits standardmäßig integriert, der an bis zu 64.000 Frequenzpunkten gleichzeitig eine Messung gemäß einer Zero-Span- Messung eines herkömmlichen Spektrumanalysators an einem einzigen Frequenzpunkt durchführen kann. Der Echtzeitspektrumanalysator des TDEMI 24 hf-praxis 3/2019

Titelstory Bild 1: Mehrkanal-Messempfänger – Umsetzer, Filterbank, Dezimator und Detektor vereint damit auf einzigartige Weise die Vorteile der Zero- Span-Funktion mit der Möglichkeit, diese an bis zu 64.000 Frequenzen gleichzeitig durchführen zu können. mit gleichen Filterkoeffizienten arbeiten. Weitere Maßnahmen stellen sicher, dass keine Unterschiede beider Betriebsarten hinsichtlich Anzeigepegel existieren. Hierdurch wird sichergestellt, dass stets die Anforderung einer mathematischen Äquivalenz, welche gemäß CISPR 16-3 gefordert wird, eingehalten wird. In Bild 2 ist ein Vergleich einer Messung eines Signalgemischs (Puls + Sinussignal) im FFTbasierenden Modus und im traditionellen Modus mittels TDEMI Ultra dargestellt. Die Kurven stimmen exakt überein. Bei genügend großem SNR sieht man eine Abweichung von 0 dB. Bei niedrigerem Pegel wird ein Unterschied von ca. 0,15 dB gemessen. Dieser entspricht der Wiederholbarkeitsgenauigkeit bei dem entsprechend vorhandenen Rauschabstand. Nur bei Messgeräten, welche eine exakte Identität der Ergebnisse zwischen FFT-basierendem und Superheterodyn-Modus bereitstellen, ist gewährleistet, dass der FFT-basierende Modus ebenfalls durch die Kalibrierung vollkommen abgedeckt ist. Das Messunsicherheit und Vergleich zum Superhet-Mode Es existieren zahlreiche Publikationen, bei denen der sogenannte TD-Scan mit dem traditionellen Superheterodyn-Modus im gleichen Messempfänger verglichen wird. Zum Beispiel zeigt eine in 2017 durchgeführte Untersuchung, dass ein Unterschied von maximal 3 dB zwischen diesem TD-Scan und klassischem Superhet-Betrieb im gleichen Messempfänger besteht [6]. Auch Untersuchungen, bei denen Speicheroszilloskope verwendet werden und eine Offline- FFT-Berechnung erfolgt, zeigen Abweichungen von bis zu 3 dB. Für den Einsatz zur Vormessung sowie für eine finale normkonforme Messung ist jedoch ein FFT-based measuring Instrument erforderlich, welches keine Unterschiede zwischen klassischen Frequenzschrittverfahren im Superhet-Modus und dem FFT-Modus zeigt. Das TDEMI Ultra wurde so entwickelt, dass z.B. beide Pfade mathematisch Bild 2: Vergleich des Superhet-Modus mit FFT-based measuring Instrument beim TDEMI Ultra hf-praxis 3/2019 25

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