WO2003016927A1

WO2003016927A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des spektralen verlaufs von elektromagnetischen signalen innerhalb eines vorgegebenen frequenzbereichs

Info

Publication number: WO2003016927A1
Application number: PCT/DE2002/002609
Authority: WO
Inventors: Jean-Claude Nickel
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2004-01-26
Also published as: DE10136626A1

Abstract

Die EMV-Abstrahlungsmessung wird in groben Schritten mit einer grossen Messbandbreite von 1 MHz durchgeführt. Das EMV-Signal wird durch die Messbandbreite gefiltert. Das gefilterte Signal wird zeitlich abgetastet. Die weitere Unterteilung des Frequenzbereichs geschieht mittels Fast-Fourier-Transformation (FFT). Dadurch werden mehrere Frequenzpunkte praktisch gleichzeitig gemessen, was die Messzeit drastisch reduziert.

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des spektralen Verlaufs von elektromagnetischen Signalen innerhalb eines vorge- gebenen Frequenzbereichs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des spektralen Verlaufs von elektromagnetischen Signalen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs.

Bei Messungen der Storaussendung zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) werden elektromagnetische Signale analysiert. Insbesondere werden Gerate hinsichtlich ihrer EMV untersucht, indem die von dem Gerat erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Signale analysiert werden. Die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen werden als Storsignale bezeichnet. Bestimmt wird die spektrale Intensität bzw. das Spektrum der Storsignale, d. h. die Intensität der Storsignale als Funktion der Frequenz. Dazu muss ein vorgegebener Fre- quenzbereich, z. B. zwischen 20 MHz und 1 GHz, vermessen werden.

EMV-Messungen erfolgen üblicherweise mit Hilfe einer Antenne, die die von dem Gerat ausgesandten elektromagnetischen Wellen empfangt. Das Ausgangssignal der Antenne wird einem Messempfanger zugeführt. Ein Messempfanger ermöglicht das Ausmessen des Spektrums der Storsignale in kleinen Frequenzschritten entsprechend zugehörigen kleinen Frequenzintervallen von typischerweise 10 kHz. Die genaue Funktionsweise eines Messemp- fangers ist im Zusammenhang mit Fig. 1 weiter unten beschrieben. Die Breite der Frequenzintervalle wird als Zwischenfrequenz- oder ZF-Bandbreite des Messempfangers bezeichnet. Sie stellt die Messbandbreite dar, also den Frequenzbereich, der vom Messempfanger zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erfasst wird. Jedes Frequenzintervall uss eine bestimmte Zeit lang vermessen werden. Die Dauer T einer EMV-Messung ergibt sich somit aus

T = T mess*(f max -f min) /Frequenzschrittweite

wobei T mess die Zeitdauer bezeichnet, mit der ein einzelnes Frequenzintervall vermessen wird, f max die obere Grenze des zu vermessenden Frequenzbereichs, f mm die untere Grenze des zu vermessenden Frequenzbereichs und die Frequenzschrittweite angibt, um welche Frequenzdifferenz das für die Messung verwandte Frequenzintervall zwischen zwei Messpunkten verschoben wird.

Um Messfehler durch das Filter zu vermeiden, das die ZF-

Bandbreite bestimmt, wird die Frequenzschrittweite m der Regel gleich der halben ZF-Bandbreite gewählt, d. h.

Frequenzschrittweite = ZF-BB / 2

wobei ZF-BB die ZF-Bandbreite bezeichnet. Die Dauer der Messung T ergibt sich dann aus

T = 2*T mess*(f max -f min) /ZF-BB

Typische Werte für T mess sind 1 bis 100 ms. Typische Werte für die ZF-Bandbreite sind 9 kHz und 120 kHz.

Bei einem großen Frequenzbereich mit kleiner Messbandbreite und damit kleiner Schrittweite kommen lange Messzeiten zustande. Beispielsweise bei dem Scannen eines Frequenzbereichs von 20 MHz bis 1 GHz und einer ZF-Bandbreite von 9 kHz sowie einer Schrittweite von 5 kHz und einer Messdauer T mess pro Frequenzschritt von 12 ms ergibt sich eine Gesamtmessdauer von etwa einer Stunde. Werden drei Gerate in jeweils zwei Betriebszustanden und sowohl in horizontaler als auch vertikaler Polarisationsrich- tung vermessen (zusammen 12 Messungen) und zusätzlich noch eine Nullmessung (Überprüfung des Messplatzes auf externe Störungen) durchgeführt (insgesamt 13 Messungen), wobei jeweils sowohl der Spitzenwert als auch der Mittelwert im Frequenzintervall gemessen wird, so ergeben sich 37h 45' für die Messung.

Aus dem Buch „Grundlagen der Spektrumanalyse* , Christoph Rauscher, Rohde & Schwarz, München, 2000 ist ein Verfahren zum Bestimmen des spektralen Verlaufs von elektromagnetischen Signalen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs bekannt, bei dem große Frequenzbereiche in einzelne Segmente unterteilt werden, die dann blockweise auf eine Zwischenfrequenz umgesetzt und im Zeitbereich abgetastet werden. Um die Eindeutigkeit zu bewahren wird dabei ein analoges Vorfilter verwendet. Mit Hilfe einer Fourier-Transformation wird aus den Abtastwerten das Spektrum der einzelnen Frequenzblocke ermittelt.

Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelost. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteranspruchen gekennzeichnet .

Es ist heutzutage üblich, Storsignale bis 1 GHz zu bestimmen, teilweise sogar dar ber. Wurde man derartige Frequenzen zeitlich abtasten wollen, so musste man für eine Maximalfrequenz von 1 GHz aufgrund des Abtasttheorems (siehe die Erläuterungen zu Fig. 2) mit einer Abtastrate von 2,5 GS/s (S/s = Sam- ples pro Sekunde) abtasten, um den zeitlichen Verlauf eindeutig rekonstruieren zu können. Wurde jeder Messpunkt mit einer Auflosung von 1 Byte aufgenommen, so ergäbe sich eine Daten- rate von 2,5 GByte pro Sekunde, die mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Mitteln schwerlich handhabbar wäre. Gleichzeitig wäre die längste Messzeit auf die maximale Punktzahl des Oszilloskops dividiert durch die Abtastrate, also beispielsweise auf

120 000 / (2,5 GHz) = 48 μs beschränkt .

Erfindungsgemäß wird der vorgegebene Frequenzbereich in eine Mehrzahl von Frequenzintervallen aufgeteilt. Der vorgegebene Frequenzbereich mag von 20 MHz bis 1 GHz reichen. Er wird in Frequenzintervalle von beispielsweise 1 MHz eingeteilt. Für jedes Frequenzintervall wird das elektromagnetische Signal hinsichtlich der in das Frequenzintervall fallenden Frequen- zen gefiltert. Dazu kann beispielsweise ein handelsüblicher Messempf nger verwendet werden, dessen ZF-Bandbreite die Breite des Frequenzintervalls zu 1 MHz festlegen kann. Der zeitliche Verlauf des gefilterten Signals wird abgetastet, beispielsweise mit einem üblichen Single-Shot-Speicheroszil- loskop. Der abgetastete zeitliche Verlauf wird in den Frequenzraum transformiert, um den spektralen Verlauf der elektromagnetischen Abstrahlung des Geräts innerhalb des Frequenzintervalls zu erhalten. Dazu bietet sich z. B. Fourier-Trans- formation und insbesondere Fast-Fourier-Transformation (FFT) an. Die einzelnen Frequenzintervalle können sukzessive z. B. mit Hilfe eines handelsüblichen Messempfängers durchfahren werden. Der spektrale Verlauf der einzelnen Frequenzintervalle wird zusammengeführt, um den spektralen Verlauf innerhalb des gesamten vorgegebenen Frequenzbereichs zu erhalten.

Erfindungsgemäß wird also die EMV-Messung in groben Schritten mit großer Messbandbreite, zum Beispiel 1 MHz, durchgeführt. Die weitere Unterteilung des Frequenzbereichs geschieht mittels Fast-Fourier-Transformation (FFT) . Dadurch werden mehre- re Frequenzpunkte praktisch gleichzeitig gemessen, was die Messzeit drastisch reduziert. Werden die eingangs beispielhaft erwähnten drei Gerate in jeweils zwei Zustanden und sowohl in horizontaler als auch vertikaler Polarisationsπchtung gemessen (zusammen 12 Messungen) und zusatzlich noch eine Nullmessung durchgeführt (ms- gesamt 13 Messungen) , wobei sowohl der Spitzenwert als auch der Mittelwert bestimmt wird, so ergibt sich statt 37h 45' für die Messung von 20 MHz bis 1 GHz mit dem erfmdungsgema- ßen Verfahren nur noch eine Messzeit von etwa 2h. Durch das erfmdungsgemaße Verfahren verkurzen sich somit EMV-Messungen drastisch gegenüber der herkömmlichen Methode.

Die Messzeit für eine EMV-Messung lasst sich mit dem erfin- dungsgemaßen Verfahren theoretisch um zwei Größenordnungen verringern, wenn z. B. mit einer ZF-Bandbreite von 1 MHz statt 10 kHz gearbeitet wird.

Weiterhin ermöglicht das erfmdungsgemaße Verfahren eine umfangreiche Analyse des Messsignals. So lasst sich zum Beispiel der zeitliche Verlauf eines Storsignals sowie die zeit- liehe Veränderung eines Spektrums in einer dreidimensionalen Darstellung anzeigen.

Ein handelsüblicher Messempfanger kann dazu verwendet werden, das aufgenommene elektromagnetische Signal auf eine vorgege- bene Frequenz zu transformieren, beispielsweise auf eine übliche Zwischenfrequenz von 10,7 MHz. Dann reicht gemäß dem Abtasttheorem (siehe unten) bereits eine Abtastrate von etwa 25 MS/s.

Die Abtastrate lasst sich noch weiter reduzieren, nämlich auf das zwei- bis dreifache der Bandbreite des jeweiligen Frequenzintervalls, wobei sich das Signal weiterhin eindeutig rekonstruieren lasst (siehe unten) . Bei einer ZF-Bandbreite von 1 MHz reicht dann eine Abtastrate von 2,5 MS/s. Die zuge- hörige Datenrate bei einem Byte pro Messpunkt betragt 2,5 MByte pro Sekunde, die leicht zu handhaben sind. Das erfmdungsgemaße Verfahren ermöglicht es, dass der spektrale Verlauf innerhalb eines vorgegebenen Frequenzintervalls für eine Mehrzahl von lückenlos sich aneinander anschließende Zeitintervalle aufgenommen wird. Wird beispielsweise em Sin- gle-Shot-Speicheroszilloskop mit einer Speichertiefe von 120 000 Messpunkten eingesetzt, kann in einem "Shot" em Zeitintervall von

120000 / (2,5 MHz) = 48 ms erfasst werden. Werden jeweils 2048 Messpunkte aus den 120 000 Messpunkten herausgegriffen, ergeben sich knapp 60 lückenlos sich aneinander anschließende Zeitintervalle von je ca. 0,8 μs. Dadurch können sowohl das Spektrum als auch der zeitliche Verlauf der spektralen Intensität in einem vorgegebenen Frequenzintervall erfasst werden. Es kann auf diese Weise beobachtet und dargestellt werden, wie sich die Intensität auf einzelnen Frequenzen mit der Zeit ändert.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausfuhrungsbei- spielen naher erläutert, die in den Figuren schematisch dar- gestellt sind. Im Einzelnen zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Messempfangers in Form eines Blockschaltbilds sowie weitere Komponenten des Messaufbaus; und Fig. 2 einige schematische Darstellungen zur Erläuterung des Abtasttheorems bzw. einige schematische Darstellungen von aus einer Abtastung rekonstruierten Signalen.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau für die Aufnahme und Auswertung der Daten einer EMV-Messung. Eine Antenne zur Aufnahme der Storsignale wird an den Eingang eines Messempfangers angeschlossen. Der Messempfanger weist eine Hochfrequenz (HF) -Dampfung auf, die Spitzenspannungen dampft. Anschließend werden die Signale einer Vorselektion in Form eines Bandpass- filters unterworfen. Nach der Vorselektion können zu schwache Signale wahlweise in einem Vorverstärker verstärkt werden. Anschließend werden die Signale in einem Mischer mit den Sig- nalen eines in der Frequenz abstimmbaren Lokaloszillators gemischt .

Haben die Eingangssignale beispielsweise die Frequenz fl und hat der Lokaloszillator beispielsweise die Frequenz f2, so ergeben sich am Ausgang des Mischers die Frequenzen fl +/- f2, fl +/- 2*f2, 2*fl +/- f2, etc. Wird eine Frequenz fl von etwa 100 MHz am Eingang mit einer Frequenz f2 des Lokaloszillators von etwa 89,3 MHz gemischt, so ist nach dem Mischer unter anderem eine Komponente bei einer Frequenz von fl - f2, also bei ca. 10,7 MHz, vorhanden. Diese Komponente kann in einem Bandpassfilter, dem Zwischenfrequenz-Filter (ZF- Filter) , selektiert werden. Die Bandbreite des ZF-Filters ist die sogenannte ZF-Bandbreite. Auch diese ist einstellbar.

Im Effekt wurde somit das Eingangssignal von 100 MHz auf 10,7 MHz transformiert.

Das Signal auf der gefilterten Zwischenfrequenz wird ver- stärkt und über einen Zwischenfrequenz-Ausgang (ZF-Ausgang) nach außen geführt.

Ein handelsüblicher Messempfänger weist in der Regel noch eine Anzeigeeinrichtung für die auf der Zwischenfrequenz detek- tierten Signale auf. Dazu werden die Signale auf der Zwischenfrequenz zunächst gedämpft, dann mit einem geeigneten Detektor bewertet, anschließend logarithmiert und auf einem Bildschirm angezeigt. Diese Komponenten werden jedoch nicht genutzt. Genutzt wird das Gerät nur bis zum ZF-Ausgang.

Das Signal des ZF-Ausgangs wird mit einem Single-Shot- Speicheroszilloskop abgetastet. Das Oszilloskop nimmt keine Mittelung oder Aufsummierung vor, das Signal wird also unverfälscht erfasst.

Damit das Signal nach dem Abtasten einwandfrei rekonstruiert werden kann, ist es grundsätzlich erforderlich, die Abtastra- te mindestens doppelt so hoch wie die höchste im Signal vorhandene Frequenz zu wählen (Abtasttheorem) . Dies ist in Fig. 2A erläutert. In Fig. 2A ist der Pegel p verschiedener rekonstruierter Signale über der Frequenz f aufgetragen. Mit fab ist die Abtastrate bezeichnet. Das Spektrum des gesuchten Signals 10, also die Pegelstarke als Funktion der Frequenz bzw. der spektrale Verlauf, erstreckt sich von der Frequenz 0 bis etwa zur halben Abtastrate fab. Bei der Rekonstruktion des gesuchten Signals 10 aus den mit der Frequenz fab aufge- nommenen Abtastwerten ergibt sich neben dem Signal 10 selbst eine Vielzahl von anderen möglichen Losungen für e rekonstruiertes Signal. Diese liegen symmetrisch gespiegelt um die Abtastrate fab (12, 14), um die zweifache Abtastrate 2*fab (16, 18), um die dreifache Abtastrate 3*fab (nicht gezeigt), usw.

Fig. 2B illustriert den Fall, dass das zu rekonstruierende Signal Frequenzen enthalt, die hoher als die halbe Abtastrate fab sind, bzw. den Fall, m dem die Abtastrate nicht mehr als doppelt so hoch wie die höchste im Signal vorhandene Frequenz ist. Es kommt dann zu einem Überlapp 20 zwischen dem zu rekonstruierenden Signal 10 und seiner Spiegelung 12 an der Abtastrate fab. Für die Frequenzen im Uberlappbereich 20 kann nicht mehr eindeutig bestimmt werden, ob sie zum rekon- struierten Signal 10 oder zu dessen Spiegelung 12 gehören. Eine eindeutige Rekonstruktion des Signals ist damit nicht mehr möglich.

Eine Ausnahme von dieser Regel ist in Fig. 2C illustriert. Fig. 2C illustriert den Fall, in dem em schmalbandiges hochfrequentes Signal 22 von einer Frequenz fab abgetastet wird, die etwa viermal so niedrig ist wie das hochfrequente Signal 22. Bei der Rekonstruktion ergeben sich in einem solchen Fall neben dem gesuchten Signal 22 noch weitere Wieder- gaben 24 des gesuchten Signals, verschoben um ein Vielfaches der Abtastrate n*fab, sowie die gleichen rekonstruierten Pegel bei entsprechenden negativen Frequenzen. Aufgrund der Schmalbandigkeit des hochfrequenten Signals 22 kommt es zu keinerlei Überlapp zwischen den verschiedenen möglichen Rekonstruktionen des Signals. Das Signal kann somit in allen Details eindeutig rekonstruiert werden, sofern seine wesent- liehe Tragerfrequenz bekannt ist.

Voraussetzung ist jedoch eine Begrenzung der Bandbreite des zu rekonstruierenden Signals auf maximal die Hälfte der Abtastrate und die Wahl eines geeigneten Verhältnisses zwischen ZF-Frequenz und Abtastrate.

Da die ZF-Bandbreite im bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel 1 MHz betragt, reicht somit eine Abtastrate von 2,5 MHz zur Rekonstruktion des Signals aus. Das Oszilloskop greift daher den ZF-Ausgang mit einer Abtastrate von 2,5 MHz ab. Die ZF- Bandbreite muss dann auf maximal 1 MHz begrenzt werden.

Die vom Speicheroszilloskop erfassten Daten werden z. B. über einen IEC-Bus einem Computer zugeführt und von diesem ausge- wertet. Im Computer erfolgt die Weiterverarbeitung der Daten und eine Darstellung der Ergebnisse.

Das im Zeitbereich gemessene Signal wird mittels Fourier- Transformation in den Frequenzbereich transformiert. Diese Transformation kann besonders schnell durchgeführt werden, wenn die Anzahl der zu transformierenden Werte 2m, z. B. 256, 512, 1024, 2048, etc., betragt. Dann kann der sogenannte Fast-Fouπer-Transformationsalgorithmus (FFT) angewandt werden.

Daher werden aus den vom Oszilloskop ausgelesenen Messpunkten jeweils 2^Λn Punkte herausgegriffen und mittels FFT in den Frequenzbereich transformiert. Dadurch entstehen mehrere Frequenzkurven zu lückenlos aneinander anschließenden Zeitmter- vall. Von den rekonstruierten Spektren werden die Komponenten um 700 kHz +/- 500 kHz herausgegriffen. Dies entspricht einer Bandbreite von 1 MHz, also genau der ZF-Bandbreite im bevorzugten Ausführungsbeispiel. Die ZF-Bandbreite entspricht z. B. der doppelten Schrittweite beim Abtasten des gesamten Frequenzbereichs des Störsignals. Andere Schrittweiten sind e- benso denkbar, jedoch müssen ZF-Bandbreite und Abtastrate stets aufeinander abgestimmt werden. Eine Schrittweite, die genau der ZF-Bandbreite entspricht, kann prinzipiell . gewählt werden, da mögliche Messfehler aufgrund des Frequenzgangs des ZF-Filters rechnerisch eliminiert werden können.

Die erreichbare Frequenzauflösung ergibt sich aus der Abtastrate dividiert durch die Anzahl der Punkte, die für die FFT verwendet werden. Bei einer Abtastrate von 2,5 MHz und 2048

Punkten für die FFT ergibt sich eine sehr gute Frequenzauflösung von etwa 1 kHz. Eine Frequenzauflösung von 1 kHz würde bei herkömmlichen Verfahren zu einer unvertretbar langen Messdauer führen. Durch eine geeignete Wahl der Anzahl der für die FFT verwendeten Punkte und eine geeignete Wahl einer mathematischen Filterfunktion zum Ausgleich von Verzerrungen können verschiedene Schrittweiten und zugehörige Bandbreiten realisiert werden.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele verwirklichbar. So kann die Erfindung allgemein dafür eingesetzt werden, elektromagnetische Signale zu analysieren, also nicht nur von Geräten abgestrahlte Signale, die durch eine Antenne aufgefangen werden, sondern z. B. auch Störungen auf Versor- gungs- oder Signalleitungen können mit Hilfe der Erfindung a- nalysiert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen des spektralen Verlaufs von elektromagnetischen Signalen innerhalb eines vorgegebenen Fre- quenzbereichs mit folgenden Schritten: a) Der vorgegebene Frequenzbereich wird in eine Mehrzahl von Frequenzintervallen aufgeteilt. b) Für jedes Frequenzintervall wird das elektromagnetische Signal hinsichtlich der in das Frequenzintervall fallenden Frequenzen gefiltert. c) Der zeitliche Verlauf des gefilterten Signals wird abgetastet . d) Der abgetastete zeitliche Verlauf wird in den Frequenzraum transformiert, um den spektralen Verlauf des elektromagne- tischen Signals innerhalb des Frequenzintervalls zu erhalten. e) Der spektrale Verlauf der einzelnen Frequenzintervalle wird zusammengeführt, um den spektralen Verlauf innerhalb des gesamten vorgegebenen Frequenzbereichs zu erhalten.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Signal auf eine vorgegebene Frequenz transformiert wird.

3 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abtastrate zum Abtasten des zeitlichen Verlaufs des frequenztransformierten Ausgangssignals zwischen dem Zwei- und Fünffachen der Bandbreite des jeweiligen Frequenzinter- valls gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spektrale Verlauf innerhalb eines vorgegebenen Fre- quenzintervalls für eine Mehrzahl von lückenlos sich aneinander anschließende Zeitintervalle aufgenommen wird.

5. Vorrichtung zum Bestimmen des spektralen Verlaufs von e- lektromagnetischen Signalen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs

- mit einer Einrichtung zum Filtern des elektromagnetischen Signals hinsichtlich Frequenzen, die in ein vorgegebenes

Frequenzintervall innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs fallen;

- mit einer Einrichtung zum Abtasten des zeitlichen Verlaufs des gefilterten Signals; - mit einer Einrichtung zum Transformieren des abgetasteten zeitlichen Verlaufs in den Frequenzraum und

- mit einer Einrichtung zum Zusammenführen des spektralen Verlaufs der einzelnen Frequenzintervalle zu einem spektralen Verlauf innerhalb des gesamten vorgegebenen Fre- quenzbereichs .