Grundlagen und EMV Messungen

Transcription

Spektrum
Analyse
Grundlagen und EMV Messungen
Agenda
• Wozu ein Spektrumanalysator?
• Theorie und Aufbau eines Spektrumanalysators
• Anwendungsbeispiele
• Die X-Serie im Detail
• EMV Messungen
• MXE Full-Compliance Analysator
© Measurement Days 2012
Moderne Hilfsmittel erleichtern das
tägliche Leben
Den eigenen Sinnen auf die Sprünge
helfen:
… besser sehen
… besser hören
… und hierfür ???
Labormessgeräte für jeden Tag und
jedes Elektronik-Labor …
DC, AC, niederfrequente Signale?
Multimeter !!!
Schnelle Wellenformen, saubere BitÜbergänge, Busse?
Oszilloskope !!!
Spektrale Bestandteile,
Oberwellen, Störursachen,
EMV, Demodulation von (digitalen)
Signalen, Übertragungsgüte?
Spektrum Analysatoren !!!
Das Problem:
Bei schnelleren digitalen Signalen immer höhere Frequenzanteile
-> Störungen von Wireless Services
+
Immer mehr Wireless Services im begrenzten Spektrum
• DVB-T Terrestrische TV Ausstrahlung „neben“ LTE Mobilfunkbändern
• Emission von Power Line Kommunikation überlagert Kurzwelle
• In sog. ISM-Bändern (z.B. 868 MHz, 2,45 GHz etc.) drängeln sich ganz viele
lizenzfreie Applikationen
• Wir hängen von immer mehr dieser Applikationen ab.
• Elektronik wird immer schneller (EMV!), die Spannungslevel sinken
(Störfestigkeit!)
• Digitale Übertragung kennt keine allmähliche Degradation
Anforderungsprofil an das Messgerät
• Es bedarf eines Messgerätes …
• Das Leistung über Frequenz messen kann
• Das die Integrität der relevanten Services überprüfen
kann z.B. Datendurchsatz, richtige Übertragung, etc.
• Das für eine Vielzahl verschiedener
Übertragungsnormen geeignet ist.
• Das das Störpotential messen kann (Oberwellen, EMV)
• …….
Über 40 Jahre Erfahrung in Signal Analyzer
Innovation
1964
First swept SA
851A/8551A
1970
First absolute
amplitude calibration
8553B
2006
Fastest SA
X-series
2000
First all digital IF
PSA
MXA
EXA
1977
First 1 Hz resolution
8566/68A
2008
First 80 MHz BW @ 50 GHz
PSA
1992
First rugged portable SA
8560E
2009
First noise floor extension
PXA
Frequency versus Time Domain
Amplitude
(power / voltage)
f
cy
n
e
r equ
tim
e
Time domain
Measurements
(Oscilloscope)
Frequency Domain
Measurements
(Spectrum Analyzer)
Different Types of Analyzers
FFT Analyzer
A
Parallel filters measured
simultaneously
LCD shows full
spectral display
f1
f2
f
Fast Speed
Wide Demod Bandwidth
Recording capabilities
Swept Analyzer
(Überlagerungsempfänger
Superheterodynempfänger)
A
Filter 'sweeps' over range
of interest
LCD shows full
spectral display
f1
f2
f
Good Dynamic Range
Selectivity
Sensitivity
Modern
A
Spectrum Analyzer (hybrid)
Filter 'sweeps' over range
of interest
A
Parallel filters measured
simultaneously
LCD shows full
spectral display
f1
f2
Good Dynamic Range
Selectivity
Sensitivity
f1 f2
f
Fast Speed
Wide Demod Bandwidth
Recording capabilities
Traditioneller Spektrum Analysator
Scalar Analysis
Digitizing the Video Signal
Product Detector
Loss of Phase
Information
Classic Superheterodyne Swept Spectrum Analyzer
Hybrider Spektrumanalysator mit digitaler ZF
Güte-Unterschiede
• Güte des Front End mit Mixer (HF!)
• Geschwindigkeit und Auflösung des
ADC
• Gute HF-mäßige Implementation der
Digitaltechnik
• Clevere Datenverarbeitung in ASICs
und FPGAs
• Mathematische Auswertung
• Geschickte Aufbereitung zur
Visualisierung
Resolution Bandwidth
Mixer
Input
Spectrum
LO
3 dB BW
3 dB
IF Filter/
Resolution Bandwidth Filter
(RBW)
Sweep
RBW
Display
Envelope
Detector
Detektoren
Detector
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"bins"
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Positive detection: largest value
in bin displayed
Negative detection: smallest value
in bin displayed
Sample detection: middle value in
•
bin displayed
•
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•
Other Detectors: Normal
• (Rosenfell), Average (RMS Power)
Detektoren
Beispiel: Power Amplifier Design/Charakterisierung
Gleichzeitige Anzeige: Peak, RMS & Neg
Peak
Identifiziert Signalcharakteristik und
Verstärkerverhalten
1-Knopf-Preset -> alle 3
Trace+Detektoren an
bis zu 6 Trace für Signalvergleiche
1-Knopf Messung: Channel Power
Misst die Gesamtleistung in
einer spezifizierten Bandbreite
Spektrale Leistungsdichte
(Leistung normalisiert auf 1Hz)
Bandbreite wird angezeigt
Anwender stellt ein (oder nutzt
Auto Tune):
centre frequency, reference
level and Bandwidth
1-Knopf Messung: Occupied Bandwidth (OBW)
OBW:
Zeigt die aufintegrierte Leistung
zwischen 2 Markern, die
automatisch gesucht werden (z.B.
3 dB Punkte)
Transmit Frequency Error:
zeigt den Unterschied zw.
Analysator Center Frequenz u.
Center Frequenz des Kanals
1-Knopf Messung: CCDF
Complementary Cumulative
Distribution Function (CCDF):
Liefert statistische Informationen
über digital modulierte Signale
Zeigt auf, wieviel Zeit (bzw. mit
welcher Wahrscheinlichkeit) die
Waveform bei oder über einem
gegebenen Leistungslevel
verbringt
Die Gauss-Linie (Referenzlinie)
ist das bandbegrenzte Rauschen
1-Knopf Messung: Burst Power
Burst Power (oder Transmit Power):
ergibt die mittlere Leistung eines
HF Signalbursts – abhängig von
einem Schwellwert oder einer
Burstbreite
Burstbreite kann manuell oder
automatisch gesetzt werden
X-Serie Eigenschaften
Premium X features available in all units
Fast signal analysis measurements
Runs same applications set
Code compatible (also with older analyzers)
Open Windows user interface
Most connectivity options (USB2.0, LAN, GPIB)
License eXpandable features
Preamps
IF Bandwidth
Measurement Applications
Hardware eXpandable features
More IF Bandwidth
PC & associated peripherals
Future upgrades like tracking generator
• Agilent Confidential
500 Msamples complex
(at 160 MHz bandwidth)
Single capture Multiple playback
with 89601A
Digitale ZF im PXA (2010)
160 MHz BW (option B1X)
300 MHz IF
ADC
FPGA
Xilinx Virtex 5 FPGA
83K logic cells
Room for future growth
2 GB DDR2
SDRAM
300 MHz
CLK
400 MHz CLK
PCI bus (to CPU)
Real-time correction
Downconverter
Resampler
Decimator
Arbitrary channel filter
Flexible output formats:
• IQ, mag/phase
• log mag/phase
• mag squared
AgilentProprietary
ASIC
300
MHz
CLK
I/O
FPGA
PCIe
switch
PCIe connection
Agilent X-Serie Spectrum Analyzer
Drive your evolution
N9030A PXA
Intro Sept 2009
Accelerate to market
N9020A MXA
Intro Sept 2006
Maximize throughput
N9010A EXA
Intro Sept 2007
Expect more
N9000A CXA
Intro Sept 2009
Future-ready
test instruments
Consistent framework
Broadest set of applications
Anwendungsbeispiel: Drahtlose
Datenübertragung
Hilfsmittel:
Analysator
Antenne
Was bekomme ich:
Sendeleistung
Störleistung in Nachbarbändern
Mitschrieb externer Störeinflüsse
Gütemass für Übertragungsparameter
wie FSK-Fehler, f-Ablage, etc.
Modulationseigenschaften
Anwendungsbeispiel: Drahtlose digitale Datennetze
Hilfsmittel:
Analysator
Antenne
Was bekomme ich:
Sendeleistung
Störleistung in Nachbarbändern
Mitschrieb externer Störeinflüsse
Gütemass für Übertragungsparameter
(z.B. EVM)
Modulationseigenschaften
Demodulation von Daten (Sync-Pattern,
Daten-Bitfolgen etc.)
Digital I/Q Modulation Formats
BPSK
16QAM
DQPSK and QPSK
32QAM
MSK
π/4 DQPSK
8 PSK
I and Q Modulator
Q(t)
•Sine 2π fc
o
90
Phase Shift
•Σ
Composite
Output
Signal
Local Osc.
(Carrier Freq.)
•Cosine 2π fc
I(t)
o
Quadrature (90 ) mixing, I and Q are "Orthogonal” to each other and do not
interact.
Demodulating I and Q in a Receiver
Quadrature
Component
2 sin ωLOt
90
x M (t) cos [ωct +φ(t)] = ?
o
Phase Shift
Composite
Input Signal
Power
M (t) cos [ωct +φ(t)]
Let ωc = ωLO
splitter
Local Osc.
(Carrier Freq.)
2 cos ωLOt
x M (t) cos [ωct +φ(t)] = ?
In-Phase
Component
I(t) = In-Phase, Q(t) = Quadrature
Can be extracted from the carrier with simple circuits
viele weitere Applikationen…
Cellular
Communication
LTE-FDD
LTE-TDD
W-CDMA/HSPA/HSPA+
TD-SCDMA/HSPA
GSM/EDGE/EDGE Evo
cdma2000/cdmaOne
1xEV-DO
iDEN/WiDEN/MotoTalk
Wireless
Connectivity
802.16 OFDMA
Fixed WiMAX
802.11 WLAN
Bluetooth
Digital
Video
Digital Cable TV
DVB-T/H/T2
ISDB-T/TSB
DTMB (CTTB)
CMMB
General
Purpose
VXA vector signal analysis
Analog demodulation
Phase noise
Noise figure
MATLAB
Pulse
EMC
Remote & SCPI language
compatibility
Peter Mosshammer
November, 24.2010
EMV
Elektromagnetische Verträglichkeit:
Ist die Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung in ihrer
elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend
zu funktionieren ohne andere Einrichtungen
unzulässig zu beeinflussen.
Es gilt das Verträglichkeitsprinzip
EMV von Geräten und Systemen
Ist ein Qualitätsmerkmal von 3 Kenngrößen:
• Eigenstörfestigkeit (interne EMV), d.h. Immunität gegenüber
interner elektrischer Größen
• Fremdstörfestigkeit (externe EMV) Immunität gegenüber
gerätefremder elektromagnetischer Störgrößen
• Störemssionsgrad beschreibt die von einem Gerät/System
ausgehende leitungsgebundene oder strahlungsgebundene
Störaussendung
Peter Mosshammer
Auswirkungen bei nicht vorhandener EMV
• Funktionsstörungen
• Beeinträchtigung der Qualität des speisenden Netzes
• Erhöhung der elektromagnetischen Umgebungsstörung
• Gefährdung von Personal
Funktionsstörung
Funktionsminderung
Fehlfunktion
reversibel
Funktionsausfall
irreversibel
Peter Mosshammer
Störquellen, nach ihrer Herkunft
Störschwelle, Störabstand
Pegel
/ dB
Störabstand
Nutzpegel
Störschwellenpegel
Störgröße
großer
kleiner
mittlerer
großer
Störsicherheitsabstand
Zeit
Frequenz
2 unterschiedliche Mess- und Prüfverfahren
zum Nachweis der Einhaltung der EMV
1. EMI - Messungen
2. Immunitiy Tests
Die Messung ungewollter Emissionen
des Gerätes
Messen von Störströmen,
Störspannungen, Störfeldern
Die Prüfung der inneren und äußeren
Störfestigkeit des Gerätes
Gegen leitungsgeführte Störgrößen
Gegen gestrahlte Störgrößen
Störquelle
Störsenke
Koppelmechanismus
(Pfad)
Untersuchung von Koppelpfaden
Kopplungswiderständen
Koppeldämpfungen
Schirmdämpfungen
2 unterschiedliche Mess- und Prüfverfahren
Übersicht über EMI Messverfahren
Störaussendung
Auf Leitungen
Als Störfeld
Versorgungsleitungen
20 Hz – 100 MHz
10 kHz – 100 MHz
Magnetische Feldstärke
Störstrom
Störspannung
Signalleitungen
20 Hz – 100 MHz
150 kHz – 100 MHz
Antennanschlußleitung
8 kHz – 12.4 GHz
Sendebetrieb
Empfangsbetrieb
20 Hz – 200 kHz
15 kHz – 30 MHz
Elektrische Feldstärke
Störstrom
Störspannung
14 kHz – 30 MHz
Elektromagnet. Feld
30 MHz – 40 GHz
Pre-Compliance EMI Messtechnik
EMV Messungen selbst durchführen
Conducted Emissions
Commercial Frequency Range 9 kHz to 30 MHz
X-Analyzer
Limiter
LISN
DUT
Radiated Emissions
Commercial Frequency Range 30 MHz to 18 GHz (40 GHz)
X-Analyzer
Antenne
DUT
3, 10, or 30 meters
Die Grundausrüstung
Antennen
Spektrumanalysator
Koppelnetzwerke
HF Tastköpfe
Sonden (Antennen speziell
für Nahbereich):
E-Feld und H-Feld
EMI Messung mit der X-Serie
Log Display
Auto-detect peaks
Realtime
Meters
with any 3
Simultaneous
Detectors
Peak List
Limit Delta
EMI App. Messung: Strip Chart
Patent
Applied
For
• X = Zeitachse, rollt
nach links, rechts
aktuelle Messwerte
• Bis zu 3 simultane
Detektoren
aufgetragen
• Dokumentation des
Zeitverhaltens
eines Signals zur
Korrelation mit
Funktionsablauf
z.B. für Klickratenanalyse bei Haushaltsgeräten
•Page 40
•3/9/2012
Der feldtheoretische Hintergrund
Merke:
Wo gehobelt wird, da fallen Späne …
Wo ein Strom fließt, da entstehen
(Abstrahl-)Felder. Elektrisches Feld
radial, Magnetisches Feld umgebend.
E
H
H-Feld Sonde
E-Feld Sonde/
Antenne
Es fliesst ein Strom durch eine Leitung/
Leiterbahn/integrierte Schaltung …
Was machen Antennen/Sonden?
Die H-Feld-Sonde sieht das Feld nur, wenn es in
die Spulenfläche in der Spitze der Sonde fällt.
Die E-Feld-Sonde ist eine Art Stabantenne, sieht
immer einen Teil des Feldes, für den der Winkel
stimmt.
Antenne & Sonden machen aus Feldern wieder
Spannungen und Ströme, die man messen
kann.
H-Feld nimmt mit Abstand viel schneller ab als EFeld. Funkwellen sind Wechselfelder mit beiden
Anteilen: elektromagnetische Wellen.
Anwendungsbeispiel:
Verbesserung eigener Entwicklung
Hilfsmittel:
Analysator
kOhm Tastkopf
Was bekomme ich:
Signalverfolgung auf Platine
Wirkung von Bauelementen
Hilfe für Neudimensionierung (z.B.
„mehr C“)
Arbeiten wie mit dem Scope
Entkopplung von DC-Anteilen für
die Messung
Anwendungsbeispiel: Bestimmung der
Einfüge-Dämpfung von Kabeln und Filtern
Hilfsmittel:
Analysator
Option „Mitlaufgenerator“
Was bekomme ich:
Dämpfungsmaß von Abschirmmassnahmen
Verlustfaktor durch Kabel
Übersprechen bei Datenkabeln
Übertragungsverhalten von
Komponenten (z.B. Übertragern,
Filter etc.)
Überprüfung von anderen
Hilfsmitteln (z.B. OszilloskopTastköpfen, Stromzangen etc.)
Tracking Generator or External Source Control
Scalar Network Analysis – Stimulus Response
DUT
External
Source
Receive
Receiver = Spectrum Analyzer
RF in
LCD
Display
IF
DUT
LO
TG out
Tracking
Adjust
Tracking Generator Source
Pre-Compliance EMI Messtechnik
Verbleibende Empfängerunterschiede
Vorselektion
• Nur bei teuren „Compliance“ Geräten
• Bei Messungen in Schirmkabine zu 99,x% überflüssig
• Bei Nahfeldfmessungen in 99,x% überflüssig
• Suggeriert Schutz vor Übersteuerung der aber nur in speziellen
Situationen wirklich hilft
Leistungsschalter
time
Breites HFSpektrum
frequency
Große Signalamplituden
time
Hohe HF-Energie übersteuert Mischer,
Mischer kann in Kompression gehen
Großteil der
Energie bei einer
Frequenz
frequency
Full Compliance Tests
MXE
The FIRST Agilent 1-Box EMI Receiver
Überblick über die Full-Compliance Lösungen von Agilent
Previous Generation
Existing
PSA Based
EMI Receiver System
Pre-compliance EMC
Analyzer
CXA/MXA/EXA/PXA
With N/W6141A
In progress
MXE
MXE
conducted
filter board
block
diagram
N9038A MXE EMI Receiver
CISPR 16-1-1 2010
Compliant EMI Receiver
20 Hz to 1 GHz for
Conducted Emissions
(built-in limiter)
Compliant
Preselection 20 Hz
to 3.6 GHz in both
EMI Receiver
Mode and SA
Mode on
Both Inputs
20 Hz to 26.5
GHz for
Radiated
Emissions
N/W6141A EMI Measurement Process
Setup Scan
Table
Select Signal
of Interest
Setup Limit
Lines and
Corrections
Zoom in for a closer
look in SA Mode
Scan the Freq.
Range
View same signal
in EMI Mode
Set Search Criteria
and Search for
signals
Replace or append
signal to list
Remeasure Peak,
QP, Ave of signals in
list
Zoom in on a
signal of interest
DataTec EMV Portfolio
Spec
Hameg - EMCPCS3Spectrum Analyzer
N9320B Signal
Analyzer
CXA Signal Analyzer
MXE Full Compliance
Analyzer
Frequency Range
100KHz- 3 Ghz
9kHz
to 3 GHz
9KHz to 3 or 7 GHz
20 Hz to 8 or 26.5 GHz
-135 dBm/Hz
-148 dBm/Hz
-158 dBm/Hz
-158 dBm/Hz
-105dBc/Hz,
-135 dBc/Hz
-99 dBc/Hz
-130 dBc/Hz
-99dBc/Hz
-121 dBc/Hz
-103dBc/Hz
(to 3 GHz, 95%
confidence)
‹1,5dB, typ. 0,5dB
± 0.40 dB
±0.6dB
±0.33dB
Analysis BW
1MHz
1 MHz
Up to 25Mhz
Up to 25 MHz
Relative Speed
Fast
Fastest
Fastest
Fastest
Base Price 3GHz
incl pre amp
5.120€
6.500€
10.800€
56.000€
Option EMF
EMC Option
Im Preis HZ540 Sonden (3
GHz) zur EMV Messung (E-,
H-Feld und Hochimpedanz
Sonde)
Advances EMV Option
N6141A
included
DANL
Price
Best with pre Amp at
3 GHz
Φ Noise
(10 kHz offset)/
(1 MHz offset)
-135dBc/Hz
Amplitude Accuracy
Automated Scan
Tabels
Yes / EMC Option via
external PC
233€ icnludes EMC
Filters
Not includes but
integrated limit and EMC
Powerful EMC Solution
filters / no external PC
required
Performance
•Page 51
4000€
Most Powerful EMC
Solution
Programmende
Vielen Dank für Ihr Interesse an
Spektrum-Analysatoren!

Grundlagen und EMV Messungen

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