EMV-Messverfahren auf Basis von FFT in der Medizintechnik

| Autor / Redakteur: Stephan Braun und Arnd Frech * / Hendrik Härter

Mit der Spektrumanalyse misst der Entwickler Emissionen in der Medizintechnik mithilfe von FFT-basierten Messverfahren. Untertützt wird der Entwickler mit dem TDEMI Ultra.
Mit der Spektrumanalyse misst der Entwickler Emissionen in der Medizintechnik mithilfe von FFT-basierten Messverfahren. Untertützt wird der Entwickler mit dem TDEMI Ultra. (Bild: Gauss Intruments)

Entwickler von Medizintechnik können auf FFT-basierende Messverfahren zurückgreifen, um den strengen Anforderungen der CISPR zu genügen. Was ist beim Einsatz eines Spektrumanalysators zu beachten?

Gerade in der Medizintechnik spielt die Zuverlässigkeit von technischen Geräten eine entscheidende Rolle. Dabei werden die Systeme selbst als auch ihre Umgebung zunehmend komplexer. Es ist daher notwendig, dass sich Entwickler mit den komplexen Szenarien genauer auseinandersetzen. Vor allem sollte man einen Blick auf Störaussendung und Störbeeinflussung haben und diese untersuchen und prüfen.

Hinsichtlich der Störaussendung, also der maximalen Störemission, fallen Geräte der Medizintechnik unter die Norm CISPR 11. Für Geräte mit Multimediafunktionen ist die Norm CISPR 32 anzuwenden. Gerade medizinische Geräte sind komplex und vereinen oftmals viele verschiedene Funktionen in einem Gerät, so besitzen viele zunehmend noch Funkschnittstellen, so dass außerdem auch noch eine Qualifizierung gemäß der ETSI-Standards erforderlich werden kann.

Den Prüfling vollständig charakterisieren

Die daraus resultierende Aufgabe, den Prüfling vollständig hinsichtlich seiner maximalen Emission zu charakterisieren und sicher zu erfassen, kann durch den Einsatz moderner Prüfverfahren sichergestellt und stark vereinfacht werden. Die Normen CISPR 11 und CISPR 32 lassen den Einsatz von FFT-basierenden Prüfverfahren nach CISPR 16-1-1 zu. Die Vorteile von FFT-basierenden Prüfverfahren ist eine deutliche Steigerung der Messgeschwindigkeit und Prüfqualität.

Erfüllen diese dann noch die Anforderungen der Norm CISPR 16-1-1, so erreicht man mit einem FFT-basierenden Prüfverfahren das gleiche Ergebnis. FFT-basierende Messempfänger nach CISPR 16-1-1 sind nicht zu verwechseln mit FFT-Analysen, wie sie bei Echtzeitspektrumanalysatoren typischerweise angewandt werden. Moderne Messempfänger, wie das TDEMI Ultra, führen diese Welten zusammen. Vereint werden alle drei Verfahren in einem Gerät. Mithilfe normkonformer Echtzeitauswertung wird beim FFT-basierenden Verfahren eine Echtzeitbandbreite von 685 MHz erreicht. Messungen, welche früher mehrere Stunden dauerten, können nun in wenigen Sekunden in Echtzeit realisiert werden.

Die Anforderungen an FFT-basierte Messinstrumente

Bei Messungen von sogenannten ISM-Geräten (= Industrial, Scientific, Medical), zu welchen medizinische Geräte zählen, misst man die Emissionen im Frequenzbereich von 9 kHz bis 18 GHz. Im unteren Frequenzbereich werden Magnetfeldmessungen durchgeführt sowie die Messung der Störspannung. Ab 30 MHz wird die elektrische Feldstärke mittels einer Antenne gemessen. Echtzeitdarstellungen mit einem FFT-Verfahren erhöhen die Messgeschwindigkeit und sie können einfach und komfortabel zur Analyse von Geräten und Systemen eingesetzt werden.

Herkömmliche Messempfänger oder Spektrumanalysatoren sind heute teilweise mit einer Echtzeitbandbreite von einigen MHz bis 30 MHz oder auch 80 MHz ausgestattet. Möchte man nun allerdings solche Ergebnisse nicht nur zur Analyse sondern auch für eine Konformitätsmessung und abschließende Konformitätsaussage benutzen, so muss diese „Echtzeitdarstellung“ eben auch den Anforderungen der Normen CISPR 16-1-1, ANSI 63.2 sowie MIL-Std. 461G genügen. Hierbei sind die in den nachfolgenden Abschnitten beschriebenen wesentlichen Punkte und Eigenschaften einzuhalten:

Die CISPR 16-1-1 legt fest, dass für Messungen mit dem FFT-based-Measuring-Instrument eine lückenlose Auswertung sichergestellt werden muss. Diese lückenlose Auswertung muss dazu geeignet sein, um Einzelimpulse von 300 ps ohne Totzeiten zu erfassen und darzustellen. Man spricht vom sogenannten Probability of Intercept (POI), welcher kleiner 300 ps sein muss. Die meisten Messempfänger mit Echtzeitdarstellungen haben typischerweise ein POI = 15 µs. Diese können daher nur zur Analyse eingesetzt werden und nicht für eine abschließende Konformitätsaussage. Beim TDEMI Ultra hingegen ist in allen Betriebsarten gewährleistet, dass aufgrund der eingesetzten patentierten Technik der POI gemäß den Anforderungen der CISPR 16-1-1 eingehalten wird. Es lässt sich in allen Betriebsarten für eine voll normkonforme Messung mit Konformitätsaussage einsetzen.

ANSI 63.2 und MIL-Std. 461G

ANSI 63.2 und MIL-Std. 461G legen fest, dass im oberen Frequenzbereich bis 40 GHz Nebenempfangsstellen von 40 dB unterdrückt werden. Das bedeutet in der Praxis, dass ein FFT-based Measuring Instrument im oberen Frequenzbereich über eine Vorselektion verfügen muss, welche Spiegelfrequenzen und andere Mischprodukte entsprechend unterdrückt. Herkömmliche Messempfänger mit einer aufgesetzten Echtzeitfunktion können typischerweise oberhalb von 8 GHz nur im Echtzeitmodus betrieben werden, wenn die Vorselektion ausgeschaltet ist. Das ist notwendig, da die verwendeten YIG Preselektoren zu schmalbandig sind, um eine höhere Echtzeitbandbreite zu erhalten. Schaltet man die Vorselektion ab, so führt das jedoch zu einem nicht mehr normkonformen Betrieb des Messempfängers hinsichtlich ANSI 63.2 und MIL 461G. Beim TDEMI Ultra steht hingegen eine aktive Filterbank mit Low-Noise-Verstärkern zur Verfügung, welche permanent in allen Betriebsarten aktiv ist und daher auch in diesem Punkt die Anforderungen der ANSI 63.2 sowie MIL 461G jederzeit vollständig einhält.

Sowohl die Norm CISPR 16-1-1 als auch die CISPR 16-3 definieren jeweils explizit, dass kein Unterschied in der Anzeige bei den Betriebsarten Superheterodyn und FFT-based Measuring Instrument existieren darf. Für eine finale normkonforme Messung ist ein FFT-based Measuring Instrument erforderlich, welches keine Unterschiede zwischen klassischen Frequenzschrittverfahren im Superhet-Modus und FFT-Modus zeigt. Das TDEMI Ultra wurde so entwickelt, dass beide Pfade mit mathematisch exakt gleichen Filterkoeffizienten arbeiten. Hierdurch wird sichergestellt, dass beim TDEMI Ultra stets die Anforderung einer mathematischen Äquivalenz eingehalten wird, welche gemäß CISPR 16-3 gefordert wird. In einem einfachen Test kann der Anwender feststellen, ob ein Gerät diese Anforderung einhält.

Dazu vergleicht man den Rauschboden in beiden Betriebsarten mit einem Anschlusswiderstand von 50 Ohm. Sieht der Rauschboden im FFT-Modus anders aus als im traditionellen Superhet-Modus, so muss der Anwender davon ausgehen, dass keine vollständige Identität zwischen FFT-Modus und traditionellem Modus vorhanden ist. Ein ähnlicher Test kann mit Pulsen erfolgen. Das Bild 1 zeigt den Vergleich einer Messung eines Signalgemischs (Puls + Sinussignal) im FFT-basierenden Modus und im traditionellen (superheterodyn) Modus dargestellt. Die Kurven stimmen exakt überein.

Emissionen in Echtzeit messen und wie das funktioniert

Die neuentwickelte „Echtzeit Receiver Scanning Technologie“ ermöglicht es, herkömmliche Frequenzschrittverfahren sowie Messungen gemäß der Definition des FFT-based Measuring Instrument der CISPR 16-1-1, ANSI 63.2 und MIL 461G, auch als TDEMI-Technologie bekannt, zu beschleunigen. Eine automatische Abschwächung und Notching in Echtzeit gewährleisten eine hohe Dynamik über den kompletten Frequenzbereich.

Beim klassischen Frequenzschrittverfahren wird die Messgeschwindigkeit im Vergleich zu althergebrachter Techniken stark verbessert. Zum Beispiel dauert eine Messung im Frequenzschrittverfahren von 1 bis 6 GHz mit zwei parallelen CISPR-Detektoren ungefähr 1,5 s. Ist der FFT-basierte Messmodus aktiv, benötigt eine Messung weniger als 100 ms. Beide Modi zeigen die gleichen Ergebnisse und erfüllen die Anforderungen der aktuellen CISPR 16-1-1 sowie ANSI 63.2 und der vorhergehende Versionen vollständig. Das „TDEMI Ultra System“ nutzt für das Echtzeit-Streaming eine volle 64-Bit-Architektur. Es lassen sich mehrere Gigabyte in Echtzeit verarbeiten und anzeigen. Langzeitbeobachtungen sowie die Analyse von nichtstationären Signalen im Mikrosekundenbereich sind zudem verfügbar.

Die Störfeldstärke bei Frequenzen bis 1 GHz

Messungen der Störfeldstärke, gerade im Frequenzbereich bis 1 GHz, sind sehr zeitaufwendig. Der Entwickler muss sowohl gemäß CISPR und FCC-Standards bei allen Abstrahlrichtungen des Prüflings sowie über mehrere Höhen der Antenne die maximale Emission finden. Mithilfe des TDEMI Ultra Messempfängers mit einer Echtzeitbandreite von 685 MHz und lückenloser Auswertung, erfolgt die finale Maximierung in Echtzeit an allen Frequenzpunkten und über alle Positionen. Vereint werden die Einzelfrequenzpunktmessung eines klassischen Empfängers mit der Möglichkeit, alle Frequenzen über einen Bandbereich von 685 MHz gleichzeitig zu erfassen und zu maximieren. Sowohl die Mittelwert- (CISPR-Average-) als auch die Quasispitzenwert- (Quasipeak-)Anzeige sind parallel aktiv und werden über den gesamten Frequenzbereich gleichzeitig gemessen und vom Messgerät in Echtzeit dargestellt.

Für Emissionsmessungen im Umfeld der Medizintechnik können FFT-basierende Messverfahren, welche den strengen Anforderungen der CISPR genügen, eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft sind dabei die Verfügbarkeit von großen Echtzeitbandbreiten und Echtzeit-Scanning, um die unterschiedlichen Betriebszustände der Prüflinge zu erfassen und die Prüfqualität zu erhöhen. Es erfolgt eine vollständige Charakterisierung. Die Einhaltung aller Anforderungen der Normen CISPR, ANSI 63.2 sowie MIL 461G in allen Betriebsarten ermöglichen einen sehr breiten Einsatzbereich und effiziente Prüfabläufe.

Grundlagen Spektrumanalysator: praktische Tipps für den Messtechniker

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* Stephan Braun und Arnd Frech sind beide Geschäftsführer bei Gauss Instruments in München.

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