WO2003016927A1 - Method and device for determining the spectral progression of electromagnetic signals inside a given frequency range - Google Patents

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WO2003016927A1
WO2003016927A1 PCT/DE2002/002609 DE0202609W WO03016927A1 WO 2003016927 A1 WO2003016927 A1 WO 2003016927A1 DE 0202609 W DE0202609 W DE 0202609W WO 03016927 A1 WO03016927 A1 WO 03016927A1
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PCT/DE2002/002609
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Jean-Claude Nickel
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/16—Spectrum analysis; Fourier analysis
    • G01R23/165—Spectrum analysis; Fourier analysis using filters

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the spectral profile of electromagnetic signals within a predetermined frequency range.
  • Electromagnetic signals are analyzed when measuring the emission of electromagnetic interference (EMC).
  • EMC electromagnetic interference
  • devices are examined with regard to their EMC by analyzing the electromagnetic signals generated and emitted by the device.
  • the emitted electromagnetic waves are referred to as interference signals.
  • the spectral intensity or the spectrum of the interference signals is determined, i. H. the intensity of the interference signals as a function of frequency.
  • a specified frequency range e.g. B. between 20 MHz and 1 GHz.
  • EMC measurements are usually carried out using an antenna that receives the electromagnetic waves emitted by the device.
  • the output signal of the antenna is fed to a test receiver.
  • a measurement receiver enables the spectrum of the interference signals to be measured in small frequency steps in accordance with associated small frequency intervals of typically 10 kHz.
  • the exact functioning of a measurement receiver is described below in connection with FIG. 1.
  • the width of the frequency intervals is called the intermediate frequency or IF bandwidth of the test receiver. It represents the measurement bandwidth, i.e. the frequency range that is recorded by the measurement receiver at a specified point in time. Each frequency interval must be measured for a certain time.
  • the duration T of an EMC measurement thus results from
  • T T mess * (f max -f min) / frequency step size
  • T mess denotes the period of time with which a single frequency interval is measured
  • f max the upper limit of the frequency range to be measured
  • f mm the lower limit of the frequency range to be measured
  • the frequency step size m is usually selected equal to half the IF bandwidth, d. H.
  • Frequency step size ZF-BB / 2
  • Typical values for T mess are 1 to 100 ms.
  • Typical values for the IF bandwidth are 9 kHz and 120 kHz.
  • the total measuring time is approximately one hour. If three devices are measured in two operating states each and in both the horizontal and vertical polarization direction (together 12 measurements) and additionally a zero measurement (checking the measuring station for external disturbances) is carried out (a total of 13 measurements), whereby both the peak value and If the mean value is measured in the frequency interval, the result is 37h 45 'for the measurement.
  • the object of the invention is to further improve the known method.
  • the predetermined frequency range is divided into a plurality of frequency intervals.
  • the specified frequency range may range from 20 MHz to 1 GHz. It is divided into frequency intervals of 1 MHz, for example.
  • the electromagnetic signal is filtered with regard to the frequencies falling in the frequency interval.
  • a commercially available measuring receiver can be used, for example, whose IF bandwidth can determine the width of the frequency interval at 1 MHz.
  • the time course of the filtered signal is scanned, for example with a conventional single-shot storage oscilloscope.
  • the sampled temporal course is transformed into the frequency space in order to obtain the spectral course of the electromagnetic radiation of the device within the frequency interval. For this purpose, z. B.
  • the individual frequency intervals can be successively z. B. with the help of a commercially available measuring receiver.
  • the spectral course of the individual frequency intervals is brought together in order to obtain the spectral course within the entire predetermined frequency range.
  • the EMC measurement is therefore carried out in rough steps with a large measurement bandwidth, for example 1 MHz.
  • the frequency range is further subdivided using Fast Fourier Transformation (FFT). This means that several frequency points are measured practically simultaneously, which drastically reduces the measuring time.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • the three devices mentioned by way of example at the beginning are measured in two states and both in horizontal and vertical polarization direction (altogether 12 measurements) and additionally a zero measurement is carried out (ms total 13 measurements), both the peak value and the mean value being determined, instead of 37h 45 'for the measurement from 20 MHz to 1 GHz with the method according to the invention, there is only a measurement time of about 2 hours.
  • EMC measurements are drastically shortened compared to the conventional method.
  • the measuring time for an EMC measurement can theoretically be reduced by two orders of magnitude with the method according to the invention if, for example, B. with an IF bandwidth of 1 MHz instead of 10 kHz.
  • the method according to the invention enables an extensive analysis of the measurement signal.
  • the temporal course of a disturbance signal and the temporal change in a spectrum can be displayed in a three-dimensional representation.
  • a commercially available measurement receiver can be used to transform the recorded electromagnetic signal to a predetermined frequency, for example to a usual intermediate frequency of 10.7 MHz. Then, according to the sampling theorem (see below), a sampling rate of approximately 25 MS / s is sufficient.
  • the sampling rate can be reduced even further, namely to two to three times the bandwidth of the respective frequency interval, whereby the signal can still be clearly reconstructed (see below).
  • a sampling rate of 2.5 MS / s is sufficient.
  • the associated data rate at one byte per measuring point is 2.5 Mbytes per second, which is easy to use.
  • the method according to the invention makes it possible for the spectral course to be recorded within a predetermined frequency interval for a plurality of time intervals which are contiguously adjacent to one another. If, for example, a single-shot storage oscilloscope with a storage depth of 120,000 measuring points is used, a time interval of
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a measurement receiver in the form of a block diagram and further components of the measurement structure; and FIG. 2 shows some schematic representations to explain the sampling theorem or some schematic representations of signals reconstructed from a sampling.
  • Fig. 1 shows the basic structure for recording and evaluating the data of an EMC measurement.
  • An antenna for recording the interference signals is connected to the input of a test receiver.
  • the test receiver has high-frequency (HF) attenuation, which attenuates peak voltages.
  • the signals are then subjected to a preselection in the form of a bandpass filter. After the preselection, signals that are too weak can optionally be amplified in a preamplifier. Then the signals are mixed in a mixer with the sig- mixed a frequency tunable local oscillator.
  • HF high-frequency
  • the frequencies fl +/- f2, fl +/- 2 * f2, 2 * fl +/- f2, etc. are obtained at the output of the mixer a frequency fl of approximately 100 MHz at the input mixed with a frequency f2 of the local oscillator of approximately 89.3 MHz, after the mixer there is, among other things, a component at a frequency of fl - f2, that is to say at approximately 10.7 MHz , This component can be selected in a bandpass filter, the intermediate frequency filter (IF filter).
  • IF filter the intermediate frequency filter
  • the input signal was transformed from 100 MHz to 10.7 MHz.
  • the signal on the filtered intermediate frequency is amplified and sent to the outside via an intermediate frequency output (IF output).
  • IF output intermediate frequency output
  • a commercially available measuring receiver generally also has a display device for the signals detected at the intermediate frequency.
  • the signals on the intermediate frequency are first attenuated, then evaluated with a suitable detector, then logarithmic and displayed on a screen. However, these components are not used. The device is only used up to the IF output.
  • the IF output signal is sampled with a single-shot storage oscilloscope.
  • the oscilloscope does not perform averaging or summation, so the signal is recorded without any distortion.
  • Fig. 2A the level p of various reconstructed signals is plotted against the frequency f.
  • the sampling rate is designated with fab.
  • the spectrum of the sought signal 10 that is to say the level strength as a function of the frequency or the spectral profile, extends from the frequency 0 to approximately half the sampling rate fab.
  • the sought signal 10 is reconstructed from the sampled values recorded with the frequency fab, a large number of other possible solutions for the reconstructed signal result in addition to the signal 10 itself.
  • These are symmetrically mirrored around the sampling rate fab (12, 14), around twice the sampling rate 2 * fab (16, 18), around three times the sampling rate 3 * fab (not shown), etc.
  • FIG. 2B illustrates the case in which the signal to be reconstructed contains frequencies that are higher than half the sampling rate fab, or the case in which the sampling rate is not more than twice as high as the highest frequency present in the signal. There is then an overlap 20 between the signal 10 to be reconstructed and its reflection 12 at the sampling rate fab. For the frequencies in the overlap region 20 it can no longer be clearly determined whether they belong to the reconstructed signal 10 or to its reflection 12. A clear reconstruction of the signal is no longer possible.
  • FIG. 2C illustrates the case in which a narrow-band high-frequency signal 22 is sampled at a frequency fab which is approximately four times as low as the high-frequency signal 22.
  • the reconstruction results in addition to the sought-after signal 22 in such a case - gave 24 of the searched signal, shifted by a multiple of the sampling rate n * fab, as well as the same reconstructed levels at corresponding negative frequencies. Due to the Narrow band of the high-frequency signal 22 there is no overlap between the various possible reconstructions of the signal. The signal can thus be clearly reconstructed in all details, provided its essential carrier frequency is known.
  • the prerequisite is to limit the bandwidth of the signal to be reconstructed to a maximum of half the sampling rate and to choose a suitable ratio between the IF frequency and the sampling rate.
  • the IF bandwidth is 1 MHz in the preferred exemplary embodiment, a sampling rate of 2.5 MHz is therefore sufficient for the reconstruction of the signal.
  • the oscilloscope therefore taps the IF output at a sampling rate of 2.5 MHz.
  • the IF bandwidth must then be limited to a maximum of 1 MHz.
  • the data captured by the storage oscilloscope are e.g. For example, supplied to a computer via an IEC bus and evaluated by it. The data is processed further and the results are displayed on the computer.
  • the signal measured in the time domain is transformed into the frequency domain using Fourier transformation. This transformation can be carried out particularly quickly if the number of values to be transformed is 2 m, e.g. B. 256, 512, 1024, 2048, etc., amounts. Then the so-called Fast-Fou ⁇ er transformation algorithm (FFT) can be used.
  • FFT Fast-Fou ⁇ er transformation algorithm
  • 2 ⁇ n points are extracted from the measuring points read out by the oscilloscope and transformed into the frequency range by means of FFT.
  • several frequency curves are formed at a time period that is contiguous.
  • the components around 700 kHz +/- 500 kHz are extracted from the reconstructed spectra.
  • This corresponds to a bandwidth of 1 MHz, ie exactly the IF bandwidth in the preferred exemplary embodiment.
  • the IF bandwidth corresponds to e.g. B. twice the step size when scanning the entire frequency range of the interference signal.
  • Other step sizes are also conceivable, but IF bandwidth and sampling rate must always be coordinated.
  • a step size that exactly corresponds to the IF bandwidth can be used. should be selected because possible measurement errors due to the frequency response of the IF filter can be eliminated by calculation.
  • the achievable frequency resolution results from the sampling rate divided by the number of points that are used for the FFT. At a sampling rate of 2.5 MHz and 2048
  • Points for the FFT result in a very good frequency resolution of around 1 kHz. A frequency resolution of 1 kHz would lead to an unacceptably long measurement duration with conventional methods.
  • a suitable choice of the number of points used for the FFT and a suitable choice of a mathematical filter function to compensate for distortions can be realized.
  • the invention can generally be used to analyze electromagnetic signals, that is, not only signals emitted by devices that are picked up by an antenna, but z. B. disturbances on supply or signal lines can be analyzed with the aid of the invention.

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Abstract

The electromagnetic compatibility measurement is carried out in rough steps with a large measuring bandwidth of 1 MHz. The electromagnetic compatibility measurement signal is filtered by the measuring bandwidth. The filtered signal is time scanned. The other subdivision of the frequency range is carried out by means of Fast Fourier Transformation (FFT). Several frequency points are measured at practically the same time, thereby drastically reducing the measuring time.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des spektralen Verlaufs von elektromagnetischen Signalen innerhalb eines vorge- gebenen FrequenzbereichsMethod and device for determining the spectral profile of electromagnetic signals within a predetermined frequency range
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des spektralen Verlaufs von elektromagnetischen Signalen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs.The invention relates to a method and a device for determining the spectral profile of electromagnetic signals within a predetermined frequency range.
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.Electromagnetic signals are analyzed when measuring the emission of electromagnetic interference (EMC). In particular, devices are examined with regard to their EMC by analyzing the electromagnetic signals generated and emitted by the device. The emitted electromagnetic waves are referred to as interference signals. The spectral intensity or the spectrum of the interference signals is determined, i. H. the intensity of the interference signals as a function of frequency. To do this, a specified frequency range, e.g. B. between 20 MHz and 1 GHz.
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 ausEMC measurements are usually carried out using an antenna that receives the electromagnetic waves emitted by the device. The output signal of the antenna is fed to a test receiver. A measurement receiver enables the spectrum of the interference signals to be measured in small frequency steps in accordance with associated small frequency intervals of typically 10 kHz. The exact functioning of a measurement receiver is described below in connection with FIG. 1. The width of the frequency intervals is called the intermediate frequency or IF bandwidth of the test receiver. It represents the measurement bandwidth, i.e. the frequency range that is recorded by the measurement receiver at a specified point in time. Each frequency interval must be measured for a certain time. The duration T of an EMC measurement thus results from
T = T mess*(f max -f min) /FrequenzschrittweiteT = T mess * (f max -f min) / frequency step size
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.where T mess denotes the period of time with which a single frequency interval is measured, f max the upper limit of the frequency range to be measured, f mm the lower limit of the frequency range to be measured and the frequency increment by which frequency difference the frequency interval used for the measurement between two Measuring points is moved.
Um Messfehler durch das Filter zu vermeiden, das die ZF-To avoid measurement errors caused by the filter that the IF
Bandbreite bestimmt, wird die Frequenzschrittweite m der Regel gleich der halben ZF-Bandbreite gewählt, d. h.Bandwidth determined, the frequency step size m is usually selected equal to half the IF bandwidth, d. H.
Frequenzschrittweite = ZF-BB / 2Frequency step size = ZF-BB / 2
wobei ZF-BB die ZF-Bandbreite bezeichnet. Die Dauer der Messung T ergibt sich dann auswhere ZF-BB denotes the IF bandwidth. The duration of the measurement T then results from
T = 2*T mess*(f max -f min) /ZF-BBT = 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.Typical values for T mess are 1 to 100 ms. Typical values for the IF bandwidth are 9 kHz and 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.With a large frequency range with a small measurement bandwidth and thus a small step size, long measurement times occur. For example, when scanning a frequency range from 20 MHz to 1 GHz and an IF bandwidth of 9 kHz as well as a step size of 5 kHz and a measuring time T meas per frequency step of 12 ms, the total measuring time is approximately one hour. If three devices are measured in two operating states each and in both the horizontal and vertical polarization direction (together 12 measurements) and additionally a zero measurement (checking the measuring station for external disturbances) is carried out (a total of 13 measurements), whereby both the peak value and If the mean value is measured in the frequency interval, the result is 37h 45 'for the measurement.
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.From the book "Fundamentals of Spectrum Analysis *, Christoph Rauscher, Rohde & Schwarz, Munich, 2000, a method for determining the spectral profile of electromagnetic signals within a predetermined frequency range is known, in which large frequency ranges are divided into individual segments, which are then divided into blocks an intermediate frequency can be implemented and sampled in the time domain. An analog pre-filter is used to maintain uniqueness. The spectrum of the individual frequency blocks is determined from the sampled values with the aid of a Fourier transformation.
Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren weiter zu verbessern.The object of the invention is to further improve the known method.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelost. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteranspruchen gekennzeichnet .This object is achieved by the method and the device according to the independent claims. Advantageous developments of the inventions are characterized in the subclaims.
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 aufIt is common today to determine interference signals up to 1 GHz, sometimes even above. If one wanted to sample such frequencies in time, one had to use a sampling rate of 1 GHz due to the sampling theorem (see the explanations for Fig. 2) Scan 2.5 GS / s (S / s = samples per second) in order to be able to clearly reconstruct the chronological course. If each measuring point was recorded with a resolution of 1 byte, this would result in a data rate of 2.5 GB per second, which would be difficult to handle with the currently available means. At the same time, the longest measurement time would be divided by the maximum number of points of the oscilloscope by the sampling rate, for example
120 000 / (2,5 GHz) = 48 μs beschränkt .120,000 / (2.5 GHz) = 48 μs limited.
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.According to the invention, the predetermined frequency range is divided into a plurality of frequency intervals. The specified frequency range may range from 20 MHz to 1 GHz. It is divided into frequency intervals of 1 MHz, for example. For each frequency interval, the electromagnetic signal is filtered with regard to the frequencies falling in the frequency interval. For this purpose, a commercially available measuring receiver can be used, for example, whose IF bandwidth can determine the width of the frequency interval at 1 MHz. The time course of the filtered signal is scanned, for example with a conventional single-shot storage oscilloscope. The sampled temporal course is transformed into the frequency space in order to obtain the spectral course of the electromagnetic radiation of the device within the frequency interval. For this purpose, z. B. Fourier transform and in particular Fast Fourier transform (FFT). The individual frequency intervals can be successively z. B. with the help of a commercially available measuring receiver. The spectral course of the individual frequency intervals is brought together in order to obtain the spectral course within the entire predetermined frequency range.
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.According to the invention, the EMC measurement is therefore carried out in rough steps with a large measurement bandwidth, for example 1 MHz. The frequency range is further subdivided using Fast Fourier Transformation (FFT). This means that several frequency points are measured practically simultaneously, which drastically reduces the measuring time. If the three devices mentioned by way of example at the beginning are measured in two states and both in horizontal and vertical polarization direction (altogether 12 measurements) and additionally a zero measurement is carried out (ms total 13 measurements), both the peak value and the mean value being determined, instead of 37h 45 'for the measurement from 20 MHz to 1 GHz with the method according to the invention, there is only a measurement time of about 2 hours. As a result of the method according to the invention, EMC measurements are drastically shortened compared to the conventional method.
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.The measuring time for an EMC measurement can theoretically be reduced by two orders of magnitude with the method according to the invention if, for example, B. with an IF bandwidth of 1 MHz instead of 10 kHz.
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.Furthermore, the method according to the invention enables an extensive analysis of the measurement signal. For example, the temporal course of a disturbance signal and the temporal change in a spectrum can be displayed in a three-dimensional representation.
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.A commercially available measurement receiver can be used to transform the recorded electromagnetic signal to a predetermined frequency, for example to a usual intermediate frequency of 10.7 MHz. Then, according to the sampling theorem (see below), a sampling rate of approximately 25 MS / s is sufficient.
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 vonThe sampling rate can be reduced even further, namely to two to three times the bandwidth of the respective frequency interval, whereby the signal can still be clearly reconstructed (see below). With an IF bandwidth of 1 MHz, a sampling rate of 2.5 MS / s is sufficient. The associated data rate at one byte per measuring point is 2.5 Mbytes per second, which is easy to use. The method according to the invention makes it possible for the spectral course to be recorded within a predetermined frequency interval for a plurality of time intervals which are contiguously adjacent to one another. If, for example, a single-shot storage oscilloscope with a storage depth of 120,000 measuring points is used, a time interval of
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.120000 / (2.5 MHz) = 48 ms. If 2048 measuring points are selected from each of the 120,000 measuring points, there are almost 60 consecutive time intervals of approx. 0.8 μs each. As a result, both the spectrum and the temporal profile of the spectral intensity can be recorded in a predetermined frequency interval. In this way it can be observed and shown how the intensity changes on individual frequencies with time.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausfuhrungsbei- spielen naher erläutert, die in den Figuren schematisch dar- gestellt sind. Im Einzelnen zeigt:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments, which are shown schematically in the figures. In detail shows:
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.1 shows the schematic structure of a measurement receiver in the form of a block diagram and further components of the measurement structure; and FIG. 2 shows some schematic representations to explain the sampling theorem or some schematic representations of signals reconstructed from a sampling.
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 .Fig. 1 shows the basic structure for recording and evaluating the data of an EMC measurement. An antenna for recording the interference signals is connected to the input of a test receiver. The test receiver has high-frequency (HF) attenuation, which attenuates peak voltages. The signals are then subjected to a preselection in the form of a bandpass filter. After the preselection, signals that are too weak can optionally be amplified in a preamplifier. Then the signals are mixed in a mixer with the sig- mixed a frequency tunable local oscillator.
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.For example, if the input signals have the frequency fl and the local oscillator has the frequency f2, the frequencies fl +/- f2, fl +/- 2 * f2, 2 * fl +/- f2, etc. are obtained at the output of the mixer a frequency fl of approximately 100 MHz at the input mixed with a frequency f2 of the local oscillator of approximately 89.3 MHz, after the mixer there is, among other things, a component at a frequency of fl - f2, that is to say at approximately 10.7 MHz , This component can be selected in a bandpass filter, the intermediate frequency filter (IF filter). The bandwidth of the IF filter is the so-called IF bandwidth. This is also adjustable.
Im Effekt wurde somit das Eingangssignal von 100 MHz auf 10,7 MHz transformiert.In effect, the input signal was transformed from 100 MHz to 10.7 MHz.
Das Signal auf der gefilterten Zwischenfrequenz wird ver- stärkt und über einen Zwischenfrequenz-Ausgang (ZF-Ausgang) nach außen geführt.The signal on the filtered intermediate frequency is amplified and sent to the outside via an intermediate frequency output (IF output).
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.A commercially available measuring receiver generally also has a display device for the signals detected at the intermediate frequency. For this purpose, the signals on the intermediate frequency are first attenuated, then evaluated with a suitable detector, then logarithmic and displayed on a screen. However, these components are not used. The device is only used up to the IF output.
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.The IF output signal is sampled with a single-shot storage oscilloscope. The oscilloscope does not perform averaging or summation, so the signal is recorded without any distortion.
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.In order for the signal to be properly reconstructed after sampling, it is generally necessary to use the sampling te at least twice as high as the highest frequency present in the signal (sampling theorem). This is illustrated in Fig. 2A. 2A, the level p of various reconstructed signals is plotted against the frequency f. The sampling rate is designated with fab. The spectrum of the sought signal 10, that is to say the level strength as a function of the frequency or the spectral profile, extends from the frequency 0 to approximately half the sampling rate fab. When the sought signal 10 is reconstructed from the sampled values recorded with the frequency fab, a large number of other possible solutions for the reconstructed signal result in addition to the signal 10 itself. These are symmetrically mirrored around the sampling rate fab (12, 14), around twice the sampling rate 2 * fab (16, 18), around three times the sampling rate 3 * fab (not shown), etc.
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.FIG. 2B illustrates the case in which the signal to be reconstructed contains frequencies that are higher than half the sampling rate fab, or the case in which the sampling rate is not more than twice as high as the highest frequency present in the signal. There is then an overlap 20 between the signal 10 to be reconstructed and its reflection 12 at the sampling rate fab. For the frequencies in the overlap region 20 it can no longer be clearly determined whether they belong to the reconstructed signal 10 or to its reflection 12. A clear reconstruction of the signal is no longer possible.
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.An exception to this rule is illustrated in Figure 2C. 2C illustrates the case in which a narrow-band high-frequency signal 22 is sampled at a frequency fab which is approximately four times as low as the high-frequency signal 22. In such a case, the reconstruction results in addition to the sought-after signal 22 in such a case - gave 24 of the searched signal, shifted by a multiple of the sampling rate n * fab, as well as the same reconstructed levels at corresponding negative frequencies. Due to the Narrow band of the high-frequency signal 22 there is no overlap between the various possible reconstructions of the signal. The signal can thus be clearly reconstructed in all details, provided its essential carrier frequency is known.
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.However, the prerequisite is to limit the bandwidth of the signal to be reconstructed to a maximum of half the sampling rate and to choose a suitable ratio between the IF frequency and the sampling rate.
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.Since the IF bandwidth is 1 MHz in the preferred exemplary embodiment, a sampling rate of 2.5 MHz is therefore sufficient for the reconstruction of the signal. The oscilloscope therefore taps the IF output at a sampling rate of 2.5 MHz. The IF bandwidth must then be limited to a maximum of 1 MHz.
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.The data captured by the storage oscilloscope are e.g. For example, supplied to a computer via an IEC bus and evaluated by it. The data is processed further and the results are displayed on the computer.
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.The signal measured in the time domain is transformed into the frequency domain using Fourier transformation. This transformation can be carried out particularly quickly if the number of values to be transformed is 2 m, e.g. B. 256, 512, 1024, 2048, etc., amounts. Then the so-called Fast-Fouπer transformation algorithm (FFT) can be used.
Daher werden aus den vom Oszilloskop ausgelesenen Messpunkten jeweils 2Λn 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.Therefore, 2 Λ n points are extracted from the measuring points read out by the oscilloscope and transformed into the frequency range by means of FFT. As a result, several frequency curves are formed at a time period that is contiguous. The components around 700 kHz +/- 500 kHz are extracted from the reconstructed spectra. This corresponds to a bandwidth of 1 MHz, ie exactly the IF bandwidth in the preferred exemplary embodiment. The IF bandwidth corresponds to e.g. B. twice the step size when scanning the entire frequency range of the interference signal. Other step sizes are also conceivable, but IF bandwidth and sampling rate must always be coordinated. In principle, a step size that exactly corresponds to the IF bandwidth can be used. should be selected because possible measurement errors due to the frequency response of the IF filter can be eliminated by calculation.
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 2048The achievable frequency resolution results from the sampling rate divided by the number of points that are used for the FFT. At a sampling rate of 2.5 MHz and 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.Points for the FFT result in a very good frequency resolution of around 1 kHz. A frequency resolution of 1 kHz would lead to an unacceptably long measurement duration with conventional methods. Through a suitable choice of the number of points used for the FFT and a suitable choice of a mathematical filter function to compensate for distortions, different step sizes and associated bandwidths can be realized.
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. Numerous modifications and developments of the described exemplary embodiments can be implemented within the scope of the invention. Thus, the invention can generally be used to analyze electromagnetic signals, that is, not only signals emitted by devices that are picked up by an antenna, but z. B. disturbances on supply or signal lines can be analyzed with the aid of the invention.

Claims

Patentansprüche claims
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.1. A method for determining the spectral profile of electromagnetic signals within a predetermined frequency range with the following steps: a) The predetermined frequency range is divided into a plurality of frequency intervals. b) For each frequency interval, the electromagnetic signal is filtered with regard to the frequencies falling within the frequency interval. c) The time course of the filtered signal is sampled. d) The sampled temporal course is transformed into the frequency space in order to obtain the spectral course of the electromagnetic signal within the frequency interval. e) The spectral course of the individual frequency intervals is brought together in order to obtain the spectral course within the entire predetermined frequency range.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Signal auf eine vorgegebene Frequenz transformiert wird.2. The method according to the preceding claim, characterized in that the electromagnetic signal is transformed to a predetermined frequency.
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.3rd Method according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the sampling rate for sampling the time course of the frequency-transformed output signal is chosen between two and five times the bandwidth of the respective frequency interval.
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. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the spectral course is recorded within a predetermined frequency interval for a plurality of time intervals which are contiguously adjacent to one another.
5. Vorrichtung zum Bestimmen des spektralen Verlaufs von e- lektromagnetischen Signalen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs5. Device for determining the spectral profile of electromagnetic signals within a predetermined frequency range
- mit einer Einrichtung zum Filtern des elektromagnetischen Signals hinsichtlich Frequenzen, die in ein vorgegebenes- With a device for filtering the electromagnetic signal for frequencies that are in a predetermined
Frequenzintervall innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs fallen;Frequency interval fall within the specified frequency range;
- mit einer Einrichtung zum Abtasten des zeitlichen Verlaufs des gefilterten Signals; - mit einer Einrichtung zum Transformieren des abgetasteten zeitlichen Verlaufs in den Frequenzraum und- With a device for sampling the time course of the filtered signal; - With a device for transforming the sampled temporal profile in the frequency domain and
- mit einer Einrichtung zum Zusammenführen des spektralen Verlaufs der einzelnen Frequenzintervalle zu einem spektralen Verlauf innerhalb des gesamten vorgegebenen Fre- quenzbereichs . - With a device for merging the spectral profile of the individual frequency intervals to form a spectral profile within the entire predetermined frequency range.
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