Spektrumanalyse Spektrumanalyse in Echtzeit für EMV- und Funkmessungen

Autor / Redakteur: Stephan Braun und Arnd Frech * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Dank leistungsfähiger A/D-Wandler steigt auch die Messqualität der Spektrumanalysatoren. Die Serie TDEMI X scannt in Echtzeit bei Messungen für EMV und Funk.

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Echtzeitscanning in GHz: Mit der Serie TDEMI X lassen sich Frequenzen bis 6 GHz erfassen und als Spektrogramm in Echtzeit darstellen.
Echtzeitscanning in GHz: Mit der Serie TDEMI X lassen sich Frequenzen bis 6 GHz erfassen und als Spektrogramm in Echtzeit darstellen.
(Bild: Gauss Instruments)

Emissionsmessungen wurden traditionell im Frequenzbereich mit Superheterodynempfänger durchgeführt. Dank schneller A/D-Wandler, hochlinearer Verstärker und FPGAs mit einer hundertfachen Rechenleistungen im Vergleich zu leistungsfähigen PCs sowie patentierter Echtzeitverfahren ist es möglich, voll normkonform mit einer Echtzeitbandbreite von 162,5 MHz (2013), 325 MHz (2015) und 645 MHz (2016) zu messen. Im Gegensatz zu konventionellen Echtzeitspektrumanalysatoren lassen sich mit dem Echtzeitspektrogrammmodus der Produktfamilie TDEMI normkonform nach CISPR 16-1-1, MIL461 sowie weiteren zivilen und militärischen Normen messen.

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Damit sind Messungen der Funkstörspannung, der Störleistung sowie feldgebundene Messungen in Echtzeit möglich. Für Anwendungen im Automobilbau lassen sich leitungsgeführte Emissionsmessungen bis 30 MHz bzw. 110 MHz in Echtzeit ermitteln. Echtzeit bedeutet, dass eine normkonforme Messung mit allen CISPR-Detektoren an allen Frequenzen gleichzeitig möglich ist.

Die Störleistung bis 300 MHz kann ebenfalls in Echtzeit gemessen werden. Dabei wird die Messzeit auf einen einzigen Durchlauf mit der Gleitzangenbahn reduziert. Für gestrahlte Emissionsmessungen bis 1 GHz kann diese ebenfalls mit zwei CISPR-Detektoren (Quasi-Peak und CISPR-Average) in zwei Teilbereichen in Echtzeit erfolgen. Zunächst werden alle Positionen in Echtzeit von 30 bis 645 MHz gemessen, abschließend wird von 645 MHz bis 1 GHz an allen Positionen gemessen.

Erweiterter Frequenzbereich und Echtzeitscanning

Der Frequenzbereich der Messgeräteserie TDEMI X lässt sich hinab bis DC erweitern (Option OSC) oder mit Echtzeitscanning (Option UFSPA) ausstatten. Eine mögliche Anwendung ist beispielsweise die Emissionsmessung an Schienenfahrzeugen während der Vorbeifahrt. Oberhalb 1 GHz lässt sich Echtzeitscanning einsetzen, um Prüflinge anhand der Richtcharakteristik gemäß den EMV-Produktnormen zu charakterisieren und zu zertifizieren.

Mit dem Einbau von Funk- und PLC-Modulen in Elektrogeräten müssen diese auf Funk qualifiziert werden. Dabei unterdrückt die Messlösung Harmonische durch ein lineares Front-End und speziell abgestimmte Vorselektionsfilter. Das erlaubt eine Messdynamik der Oberwellen von ISM-Bändern von ungefähr 100 dB und für PLC-Bänder von ungefähr 85 dB. Es lassen sich auch die Richtcharakterstik und die Emission von Nebenaussendungen untersuchen. Eine dynamische Analyse der Signale ist ebenfalls möglich. Bei den entsprechenden Messungen gemäß den vorgegebenen Standards sind aufgrund der hohen Dynamik der Messgeräte keine Notch-Filter nötig.

Mit dem Einsatz von Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandlern sowie steigender paralleler Rechenleistung und erhöhte Speicherkapazitäten ist es möglich, beispielsweise Frequenzen von 30 MHz bis 6 GHz mit einer zeitlichen Auflösung von 500 ms gleichzeitig zu erfassen und als Spektrogramm in Echtzeit darzustellen. Bandbreiten von 162,5 MHz können spektral mit einer zeitlichen Auflösung von 1 µs an 64.000 Frequenzpunkten gleichzeitig analysiert werden. Die Daten werden lückenlos gespeichert und können später ausgewertet oder weiterverarbeitet werden. Dank des 64-Bit-Adressraums können Datenmengen von mehreren Gigabytes gespeichert und verarbeitet werden.

Ein weiteres Merkmal ist vollständige parallele Implementierung von bis zu 64.000 echten Spektrumanalysatoren auf mehreren FPGAs. Echtzeit-Spektrumanalysatoren haben den Nachteil, dass sich Ergebnisse nur bedingt mit den Ergebnissen eines Spektrumanalyzers vergleichen lassen. Die patentierte Technik des TDEMI unterscheidet sich von einem konventionellen Echtzeitspektrumanalysator, dass alle Merkmale eines echten Spektrumanalysators vorhanden sind, aber die Ergebnisse parallel dargestellt werden. Das Bild 1 zeigt das Ergebnis einer Messung bis 6 GHz.

Emissionen an Schinenfahrzeugen und E-Mobilität

Das Bild 2 zeigt das gemessene Emissionsspektrum bei der Vorbeifahrt eines Schienenfahrzeugs. Die einzelnen Spektren sind mit einem Abstand von 40 ms aufgenommen und über die Zeit von ungefähr 15 s dargestellt. Bei 11 s zeigt sich eine Breitbandstörung mit einer Bandbreite von 1 GHz. Es folgen weitere Breitbandstörungen mit einer Bandbreite von rund 600 MHz. Die stationären Umgebungsstörungen sind ebenfalls zu erkennen. Die FM-Rundfunksender, Funk, sowie unterschiedliche GSM Bänder.

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In einem vollautomatisierten Messsystem wird das Messsystem TDEMI X so betrieben, dass der Prüfling kontinuierlich rotiert, während die Messung im Spektrogrammmodus in Echtzeit stattfindet. Es erfolgt also eine Synchronisation zwischen der Position des Drehtischs und dem Echzeitspektrogramm. Sämtliche Frequenzpunkte werden gleichzeitig gemessen, wobei die Abstrahlung hinsichtlich Winkel, Höhe und Polarisation an jedem Frequenzpunkt gespeichert wird.

AM- und FM-Signale in Echtzeit streamen

Basierend auf diesen Daten kann die vollständige Richtcharakterisitk eines Prüflings dargestellt werden. Wird die Messung an mehreren Höhen wiederholt, so ergibt sich eine dreidimensionale Darstellung wie in Bild 3 gezeigt. Bei der Demodulation von AM- und FM-Signalen ist es möglich, diese mit dem TDEMI in Echtzeit zu streamen oder über Lautsprecher auszugeben. Weiter kann mit der Option „IQ-UG“ das empfangene Signal mit einer maximalen Samplingrate von 325 MHz (I+Q) abgespeichert und ausgewertet werden. Das Bild 4 zeigt solch eine demoduliertes AM-Signal als I+Q-Signal.

Das TDEMI X ist mit der Echtzeitauswertung in der Lage, alle Quasipeakmesspunkte und CISPR-Average-Messpunkte gleichzeitig zu messen und darzustellen. Damit ist es mit dem Messgerät möglich, Signale und finale Abnahmemessungen zu analysieren. Das Bild 5 zeigt die Messung eines CISPR-B-Impulses mit einer Pulswiederholrate von 0,6 Hz für Peak und Quasipeak. Die eingestellte Verweildauer (Dwell Time) beträgt 500 ms, wobei die abgebildete Darstellung über den Zeitraum von 5 s vollständig lückenlos ist. Man kann erkennen, wie die einzelnen Pulse mit dem Spitzenwertdetektor (rot) erfasst werden und mit dem Quasispitzenwertdetektor (grün) kontinuierlich bewertet werden. Weiter ist zu erkennen, dass das System eine hohe Dynamik, deutlich mehr als von CISPR 16-1-1 gefordert wird, aufweist und der Impuls ohne Verzerrungen gemessen wird.

Low-Noise- und DC-Option für Präzision und Dynamik

Das Messgerät ist im Empfängermodus und Spektrogrammmodus voll normkonform und kann daher in beiden Betriebsarten für Full-Compliance-Messungen eingesetzt werden. Der Spektrogrammmodus vereint den Single-Frequency-Modus eines klassischen Messempfängers mit der Möglichkeit, an allen Frequenzpunkten über einen Bandbereich von bis zu 645 MHz gleichzeitig zu messen. Das Timing kann während oder nach der Messung an einem oder mehreren Frequenzpunkten analysiert werden.

Der Spektrogrammmodus lässt sich fernsteuern und die Daten können exportiert werden. Das TDEMI X mit der Option „MIL/DO-UG“ sowie „OSC-UG“ misst nach CISPR 25, MIL461 DO160 sowie VG- und PLC-Normen. Neben der Messung ab DC mit zwei Kanälen erhöht die Option auch die Dynamik. Dabei ist es möglich, beispielsweise im leitungsgeführten Messbereich von DC bis 110 MHz Oberwellen von 85 dB zu unterdrücken. Der Wert lässt sich durch Vorselektion nochmals verbessern.

Der Rauschboden ab DC ermöglicht es, nach allen automobilen, zivilen und militärischen Normen zu messen. Auch PLC-Messungen können ohne zusätzlicher Notch-Filter erfolgen. Mikrowellenherde arbeiten im ISM-Band bei 2,4 GHz. Hier zeigen die Geräte üblicherweise starkes, nicht stationäres Emissionsverhalten. Die Norm CISPR 11 regelt die zulässigen Emissionen außerhalb des Bandes.

Typischerweise liegen die Grenzwerte außerhalb des ISM-Bandes um 60 dB niedriger als die eigentliche Emission. Mit einer integrierten Filterbank und rauscharmen Vorverstärker werden Oberwellen von typ. 100 dB unterdrückt. Damit lassen sich Emissionen von 1 bis 18 GHz für Mikrowellenherde komplett an einem Stück messen.

Das Bedienkonzept des Messgeräts im Überblick

Das TDEMI X wird mit einem Touchscreen gesteuert. Grenzwertlinien, Transducer, Transducer-Sets, Einstellungen und Scanlisten können abgespeichert und in Verzeichnissen strukturiert werden. Der Benutzer sieht sofort, welche Einstellungen er vorgenommen hat und kann komplette Setups erneut laden, um schnell zu messen. Für die Dokumentation lassen sich alle Einstellungen und Graphen exportieren. Wird der Reportgenerator „RG-UG“ verwendet, werden die Einstellungen automatisch dokumentiert.

Im Bild 6 ist das Auswahlfenster zum Anlegen der Transducer und Sets dargestellt. So können beispielsweise pro Messplatz oder pro Messhalle alle verwendeten Transducer in Verzeichnisse abgelegt werden. Im oberen Graphen wird die Kurve des ausgewählten Transducers angezeigt. Beim Zusammensetzen der Messkette (Antenne, Vorverstärker oder Leitung) erhält man im unteren Graphen sofort das Resultat der Korrekturfaktoren der zusammengesetzten Messkette. Bei Prüfverfahren mit einer Vor- und Nachmessung sind in der Regel mit hohen Kosten und hohem zeitlichen Aufwand verbunden.

Bei einer Vor- und Nachmessung bleibt zusätzlich immer eine Unsicherheit übrig: Durch wechselnde Betriebszustände verhalten sich die Prüflinge zwischen der Vor- und Nachmessung unterschiedlich. Gemäß der Normung sind zwar derzeit noch solche Messverfahren zulässig, allerdings mit dem Risiko behaftet, dass Störungen nicht korrekt erfasst und dadurch falsche Prüfberichte erzeugt werden können. Messgeräte wie der TDEMI X mit seiner Echtzeitbandbreite von 645 MHz verkürzen bei Störspannungsmessungen, Störleistungsmessungen und gestrahlte Emissionsmessungen die Messzeit und erhöhen die Prüfqualität.

* Stephan Braun und Arnd Frech arbeiten bei Gauss Instruments in München.

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