DE10136626A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des spektralen Verlaufs von elektromagnetischen Signalen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs - Google Patents

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, wass die Messzeit drastisch reduziert.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des spektralen Verlaufs von elektromagnetischen Signalen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs.
• Bei Messungen der Störaussendung zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) werden elektromagnetische Signale analysiert. Insbesondere werden Geräte hinsichtlich ihrer EMV untersucht, indem die von dem Gerät erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Signale analysiert werden. Die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen werden als Störsignale bezeichnet. Bestimmt wird die spektrale Intensität bzw. das Spektrum der Störsignale, d. h. die Intensität der Störsignale als Funktion der Frequenz. Dazu muss ein vorgegebener Frequenzbereich, z. B. zwischen 20 MHz und 1 GHz, vermessen werden.
• EMV-Messungen erfolgen üblicherweise mit Hilfe einer Antenne, die die von dem Gerät ausgesandten elektromagnetischen Wellen empfängt. Das Ausgangssignal der Antenne wird einem Messempfänger zugeführt. Ein Messempfänger ermöglicht das Ausmessen des Spektrums der Störsignale in kleinen Frequenzschritten entsprechend zugehörigen kleinen Frequenzintervallen von typischerweise 10 kHz. Die genaue Funktionsweise eines Messempfängers ist im Zusammenhang mit Fig. 1 weiter unten beschrieben. Die Breite der Frequenzintervalle wird als Zwischenfrequenz- oder ZF-Bandbreite des Messempfängers bezeichnet. Sie stellt die Messbandbreite dar, also den Frequenzbereich, der vom Messempfänger zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erfasst wird.
• Jedes Frequenzintervall muss 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 min 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 in 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 Geräte in jeweils zwei Betriebszuständen und sowohl in horizontaler als auch vertikaler Polarisationsrichtung 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 37 h 45' für die Messung.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Messzeit bei EMV-Messungen zu verkürzen.
• Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Es ist heutzutage üblich, Störsignale bis 1 GHz zu bestimmen, teilweise sogar darüber. Würde man derartige Frequenzen zeitlich abtasten wollen, so müsste 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 = Samples pro Sekunde) abtasten, um den zeitlichen Verlauf eindeutig rekonstruieren zu können. Würde jeder Messpunkt mit einer Auflösung von 1 Byte aufgenommen, so ergäbe sich eine Datenrate 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 Frequenzen gefiltert. Dazu kann beispielsweise ein handelsüblicher Messempfänger 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-Speicheroszilloskop. 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-Transformation 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 mehrere Frequenzpunkte praktisch gleichzeitig gemessen, was die Messzeit drastisch reduziert.
• Werden die eingangs beispielhaft erwähnten drei Geräte in jeweils zwei Zuständen und sowohl in horizontaler als auch vertikaler Polarisationsrichtung gemessen (zusammen 12 Messungen) und zusätzlich noch eine Nullmessung durchgeführt (insgesamt 13 Messungen), wobei sowohl der Spitzenwert als auch der Mittelwert bestimmt wird, so ergibt sich statt 37 h 45' für die Messung von 20 MHz bis 1 GHz mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nur noch eine Messzeit von etwa 2 h. Durch das erfindungsgemäße Verfahren verkürzen sich somit EMV-Messungen drastisch gegenüber der herkömmlichen Methode.
• Die Messzeit für eine EMV-Messung lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren theoretisch um zwei Größenordnungen verringern, wenn z. B. mit einer ZF-Bandbreite von 1 MHz statt 10 kHz gearbeitet wird.
• Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine umfangreiche Analyse des Messsignals. So lässt sich zum Beispiel der zeitliche Verlauf eines Störsignals sowie die zeitliche Veränderung eines Spektrums in einer dreidimensionalen Darstellung anzeigen.
• Ein handelsüblicher Messempfänger kann dazu verwendet werden, das aufgenommene elektromagnetische Signal auf eine vorgegebene 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 lässt sich noch weiter reduzieren, nämlich auf das zwei- bis dreifache der Bandbreite des jeweiligen Frequenzintervalls, wobei sich das Signal weiterhin eindeutig rekonstruieren lässt (siehe unten). Bei einer ZF-Bandbreite von 1 MHz reicht dann eine Abtastrate von 2,5 MS/s. Die zugehörige Datenrate bei einem Byte pro Messpunkt beträgt 2,5 MByte pro Sekunde, die leicht zu handhaben sind.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, dass der spektrale Verlauf innerhalb eines vorgegebenen Frequenzintervalls für eine Mehrzahl von lückenlos sich aneinander anschließende Zeitintervalle aufgenommen wird. Wird beispielsweise ein Single-Shot-Speicheroszilloskop mit einer Speichertiefe von 120 000 Messpunkten eingesetzt, kann in einem "Shot" ein 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 Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Im Einzelnen zeigt:
• Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Messempfängers 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 Störsignale wird an den Eingang eines Messempfängers angeschlossen. Der Messempfänger weist eine Hochfrequenz (HF)-Dämpfung auf, die Spitzenspannungen dämpft. Anschließend werden die Signale einer Vorselektion in Form eines Bandpassfilters unterworfen. Nach der Vorselektion können zu schwache Signale wahlweise in einem Vorverstärker verstärkt werden. Anschließend werden die Signale in einem Mischer mit den Signalen eines in der Frequenz abstimmbaren Lokaloszillators gemischt.
• Haben die Eingangssignale beispielsweise die Frequenz f1 und hat der Lokaloszillator beispielsweise die Frequenz f2, so ergeben sich am Ausgang des Mischers die Frequenzen f1 +/- f2, f1 +/- 2.f2, 2.f1 +/-f2, etc. Wird eine Frequenz f1 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 f1 - 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 verstärkt 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 detektierten 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 Abtastrate 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 Pegelstärke 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 aufgenommenen Abtastwerten ergibt sich neben dem Signal 10 selbst eine Vielzahl von anderen möglichen Lösungen für ein 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 enthält, die höher als die halbe Abtastrate fab sind, bzw. den Fall, in 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 Überlappbereich 20 kann nicht mehr eindeutig bestimmt werden, ob sie zum rekonstruierten 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 ein 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 Wiedergaben 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 wesentliche Trägerfrequenz 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 Ausführungsbeispiel 1 MHz beträgt, 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 ausgewertet. 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 2^n, z. B. 256, 512, 1024, 2048, etc., beträgt. Dann kann der sogenannte Fast-Fourier-Transformationsalgorithmus (FFT) angewandt werden.
• Daher werden aus den vom Oszilloskop ausgelesenen Messpunkten jeweils 2^n Punkte herausgegriffen und mittels FFT in den Frequenzbereich transformiert. Dadurch entstehen mehrere Frequenzkurven zu lückenlos aneinander anschließenden Zeitintervall.
• 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 ebenso 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 Versorgungs- oder Signalleitungen können mit Hilfe der Erfindung analysiert werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Bestimmen des spektralen Verlaufs von elektromagnetischen Signalen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs 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 elektromagnetischen 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastrate zum Abtasten des zeitlichen Verlaufs des frequenztransformierten Ausgangssignals zwischen dem Zwei- und Fünffachen der Bandbreite des jeweiligen Frequenzintervalls gewählt wird.

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

5. Vorrichtung zum Bestimmen des spektralen Verlaufs von elektromagnetischen 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.