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Broadband EMI Noise Measurement in Time Domain Florian Krug, Peter Russer Institute for High-Frequency Engineering Technische Universität München [email protected] F. Krug 1 Inhalt F. Krug Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 2 Inhalt F. Krug Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 3 Stand der Technik Konventioneller Messempfänger Zur Untersuchung der elektromagnetischen Verträglichkeit werden gegenwärtig in erster Linie Messsysteme verwendet, welche die Messdaten im Frequenzbereich erfassen. Nachteile konventioneller Messemfpänger: Sehr lange Messzeit (typ. 30 Minuten für einen Frequenzbereich von 30 bis 1000 MHz) Keine parallele Detektorauswertung möglich Verlust der Phaseninformation Keine Messung von transienten Vorgängen möglich F. Krug F. Krug, P. Russer, „Echtzeit-Spektralanalyse mit klassischen Schätzmethoden im Bereich der EMV“, EMC Kompendium, p. 93, 2002. 4 Stand der Technik Veröffentlichungen Stand der Technik: Kein Zeitbereichsmesssystem für Messungen bis 1 GHz und höher Keine systemtheoretische Beschreibung der Zeitbereichsmessungen Keine Messungen von impulsförmigen Störungen möglich Keine Messungen mit dem Quasi-Peak-Detektor möglich Keine erweiterten Untersuchungen im Zeitbereich F. Krug F. Krug, „Theorie und Anwendung von Zeitbereichsmethoden im Bereich der Emissionsmesstechnik “, Shaker Verlag, ISBN 3-8322-1802-5, 2003. 5 Zielsetzung TDEMI-Messsystem Die vorliegende Arbeit behandelt die Grundlagen der Emissionsmessung im Zeitbereich welches die Möglichkeit bietet, mittels klassischer spektraler Schätzmethoden der Emissionsspektrum komplexer Störungen zu messen Vorteile des TDEMI-Messsystems: Reduzierung der Messzeit um 90 % Parallele Auswertung der Detektoren möglich Keine vergleichenden Messungen mit konventionellen Messempfänger nötig Messung von transienten Vorgängen möglich F. Krug 6 Inhalt F. Krug Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 7 Messaufbau TDEMI Measurement System F. Krug F. Krug, P. Russer, „Ultra-fast broadband EMI measurement in time domain using classical spectral estimation“, IEEE MTT-S International Microwave Symposium, pp. 2237-2240, 2002. 8 Messaufbau Messumgebung: EMV Messkammer 1m Abstand zwischen Antenne und EUT Vertikal polarisierte Antenne EUT: Rauschgenerator DC/DC-Wandler F. Krug 9 Inhalt F. Krug Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 10 Übersicht Einteilung der Störungen Die gemessene Störausstrahlung (engl. electromagnetic interference, EMI) von dem zu untersuchenden Messobjekt (engl. equipment under test, EUT) hängt von der Frequenz, Zeit und geometrischer Anordnung ab. F. Krug Klasse Klasse Beschreibung Beschreibung Eigenschaften Eigenschaften A A Kontinuierlich Kontinuierlich schmallbanding schmallbanding BW < BW Empfänger BWStörung Störung < BWEmpfänger B B Kontinuierlich Kontinuierlich breitbandig breitbandig BW > BW Empfänger BWStörung Störung > BWEmpfänger C C Impulsmoduliert Impulsmoduliert Impulsdauer, Impulsdauer, -frequenz -frequenz W. P. Kodali, „Engineering Electromagnetic Compatibility: Principles, Measurements, Technologies, and Computer Models“, Wiley, 2001. 11 Inhalt F. Krug Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 12 Arbeitsweise TDEMI Measurement System Messung: Messung: AD-Wandler AD-Wandler (Oszilloskop) (Oszilloskop) Datenübertragung: Datenübertragung: Oszilloskop Oszilloskop Berechnung: Berechnung: Amplituden-Spektrum Amplituden-Spektrum mit mit FFT FFT Korrektur: Korrektur: TDEMI TDEMI System System Verhalten Verhalten Simulation: Simulation: Peak-, Peak-, Average-, Average-, QP-Detektor QP-Detektor Korrektur: Korrektur: ENBW, ENBW, Coherent-Gain Coherent-Gain Anzeige: Anzeige: EMI EMI Amplituden-Spektrum Amplituden-Spektrum F. Krug 13 Systemverhalten TDEMI Measurement System Um ein korrektes Emissionsspektrum von der Messung im Zeitbereich zu erhalten muss das Frequenzverhalten der Zeitbereichsmesssystem vollständig kompensiert werden. Gesamtübertragungsfunktion TDEMI-System: HCF ( f ) = H AF ( f ) H Amp ( f ) H LP ( f ) H Cable ( f ) H ADC ( f ) F. Krug F. Krug, P. Russer, „Ultra-fast broadband EMI measurement in time domain using FFT and Periodogram “, IEEE International Symposium On Electromagnetic Compatibility, pp. 577-582, 2002. 14 Spektrale Schätzmethoden Diskrete Fourier Transformation Discrete Fourier Transformation Short-Time Fourier Transformation BarlettPeriodogramm WelchPeriodogramm F. Krug N −1 S [k ] = ∑ s[n]e − j 2πkn N n =0 N −1 S [k , n] = ∑ w[m]s[n + m]e − j 2πkm N m=0 PB ( p) PW (f)= ( p) P −1 D −1 1 1 ( p) − j 2πfnT T x [ n ] e ∑ ∑ P p =0 DT n =0 P −1 2 D −1 1 1 (f)= ∑ T ∑ w[n]x ( p ) [n] e − j 2πfnT P p =0 UDT n =0 R. N. Barcewell, „The Fourier Transform and its Applications“, MCGraw-Hill, 1978. 15 2 Arbeitsweise Konventioneller Messemfpänger Ausgangssignal Ausgangssignal Mischer Mischer S IF ( f ) = S IN ( f − f LO ) Ausgangssignal Ausgangssignal IF-Filter IF-Filter S LP ( f ) = H LP ( f ) ⋅ S IF ( f ) Ausgangssignal Ausgangssignal Gleichrichter Gleichrichter t 1 sD (t ) = sLP (t ) dt ∫ ∆t t − ∆t F. Krug 16 Arbeitsweise IF Filter F. Krug 17 Arbeitsweise Konventioneller Messemfpänger Spitzenwert-Detektor Spitzenwert-Detektor sV (t ) = MAX {sD (τ ) n ∈{1...N }} Mittelwertdetektor Mittelwertdetektor 1 sV (t ) = N∆t F. Krug N∆t ∫s D (τ ) dτ 0 18 Signalbeschreibung Breitbandiges weißes Rauschen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion Rauschamplitude F. Krug 1 p( s) = e 2πσ − s−µ 2σ 2 N ( f k ) = σB F. Krug, D. Mueller, P. Russer, „Statistical Physical Noise Behavior Analysis of the Time Domain EMI Measurement System “, IEEE AP-S International Symposium on Antennas and Propagation, pp. 212-215, 2003. 19 Signalbeschreibung Hüllkurve konv. Messempfänger Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion p(s) der Hüllkurve s(t) von weißem gaussischen Rauschen wird durch die Rayleigh Verteilung beschrieben 1 p(s) = 2 e N Re c F. Krug − s2 2 N Re c 2 F. Krug, D. Mueller, P. Russer, „Statistical Physical Noise Behavior Analysis of the Time Domain EMI Measurement System “, IEEE AP-S International Symposium on Antennas and Propagation, pp. 212-215, 2003. 20 Signalbeschreibung Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion F. Krug 21 Detektor-Modell Mittelwert-Detektor Mittelwert des empfangenen Signals s(t) : mit F. Krug 22 Inhalt F. Krug Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 23 Emissionsmessung Breitbandiges weißes Rauschen 24 22 voltage [dBµV] 20 Peak 18 TDEMI EMI receiver 16 RMS 14 12 10 Average 100 F. Krug 200 300 400 500 600 frequency [MHz] 700 800 900 1000 24 Emissionsmessung Average-Detektor F. Krug 25 Emissionsmessung DC/DC Wandler F. Krug 26 Zeit-Frequenz-Analyse Echtzeituntersuchung Laptop F. Krug 27 Performanzvergleich Messzeit F. Krug TDEMI TDEMI System System Messempfänger Messempfänger Datenlänge Datenlänge 64 64 kSample kSample 19 19 kSample kSample Messzeit Messzeit 13 13 µsec. µsec. 40 40 min. min. Übertragungszeit Übertragungszeit 100 100 msec. msec. -- Rechenzeit Rechenzeit 22 min. min. -- Gesamtzeit Gesamtzeit 2.5 2.5 min. min. 40 40 min. min. F. Krug, P. Russer, „Ultra-fast broadband EMI measurement in time domain using FFT and Periodogram “, IEEE International Symposium On Electromagnetic Compatibility, pp. 577-582, 2002. 28 Performanzvergleich Dynamikbereich Ein mit einem harmonischen Eingangssignal vollausgesteuerter Analog-Digital-Wandler hat ein maximales Signalrauschverhältnis in dB von: SNRdB f sample = 6.02 N + 1.763 + 10 log10 2 f max Dynamikbereich: 8-bit ADC: SNR = 49,92 dB Überabtastung: 2x 3dB höheres SNR F. Krug F. Krug, P. Russer, „Ultra-fast broadband EMI measurement in time domain using FFT and Periodogram “, IEEE International Symposium On Electromagnetic Compatibility, pp. 577-582, 2002. 29 Inhalt F. Krug Einführung Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale Zusammenfassung 30 Conclusion Broadband EMI Noise Measurement in Time Domain Zusammenfassung: Idee der Emissionsmessung im Zeitbereich Time-Domain Electromagnetic Interference (TDEMI) System Klassifizierung der Störungen Systemtheoretische Grundlagen Messung komplexer EMI Signale F. Krug 31
