Měření emisí elektromagnetického rušení v časové doméně

61. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 12. 11. 2025 ISBN 978-80-02-03105-5 1 http://mt.ces-csvts.cz/ MĚŘENÍ EMISÍ ELEKTROMAGNETICKÉHO RUŠENÍ V ČASOVÉ DOMÉNĚ Ing. Martin Hudlička, Ph.D.1, Jordi Solé-Lloveras2 1Český metrologický institut, Odd. primární metrologie vf elektrických veličin, Radiová 3, 102 00 Praha 10, E-mail: martin.hudlick[email protected] 2 EMC Electromagnetic BCN, S.L., Barcelona, Španělsko ÚVOD V minulosti byly emise elektromagnetického rušení šířené vedením nebo zářením téměř výhradně pomocí EMI (electromagnetic interference) přijímačů na heterodynním principu. Jejich nevýhodou je dlouhá doba měření až několik hodin při volbě hustého kmitočtového kroku a nemožnost zachycení náhodného impulsního rušení, pokud byl v době jeho výskytu přijímač naladěn na jiný kmitočet. Novější principy EMI přijímačů obsahují směšování na nulový kmitočet a následně vzorkovací obvod s velkou šířkou pásma nebo banku mnoha paralelních FFT přijímačů, které z eliminují mrtvý čas a často nesou obchodní název „time domain EMI receiver“, ačkoliv přímo v časové doméně nepracují. Příspěvek se zaměřuje na konstrukci EMI přijímače pomocí relativně levného vícekanálového osciloskopu a speciálního software, který signál navzorkovaný v časové oblasti analyzuje a po aplikaci speciálních filtrů z osciloskopu vytváří EMI přijímač splňující požadavky normy CISPR16-1-1 (v ČR harmonizována jako ČSN EN 55016-1-1 [1]). MĚŘICÍ PŘIJÍMAČE Měřicí přijímače podle normy [1] obvykle měří v pásmech A/B/C/D do kmitočtu 1 GHz, příp. pásmo E do kmitočtu 18 GHz. Nejpoužívanější architektury měřicích přijímačů jsou shrnuty níže. Přijímače s kmitočtovou konverzí na heterodynním principu Heterodynní princip je osvědčený a dosahuje velmi vysoký dynamický rozsah a přesnost. Principem je použití jednoho nebo více směšovacích stupňů a konverze vstupního signálu (RF) na mezifrekvenci (IF) pomocí rozmítaného lokálního oscilátoru (LO). Mezifrekvence je zvolena tak, aby bylo možné pomocí filtrů dobré potlačení zrcadlových kmitočtů a kmitočtu lokálního oscilátoru. Signál na pevném kmitočtu mezifrekvence je potom vzorkován analogově-číslicovým (A/D) převodníkem s vysokým dynamickým rozsahem a dále zpracován. EMI přijímač lze rozdělit do 4 základních bloků: (i) obvody preselekce, (ii) směšovač, (iii) mezifrekvenční filtr typu pásmová propust, (iv) blok detektoru, viz [2]. Tyto přijímače nejsou vhodné pro studium rychlých přechodových dějů a časově proměnného rušení (typicky v telekomunikacích), protože každý měřený kmitočtový bod odpovídá jinému časovému okamžiku. Signál mezifrekvence (IF) je obálkovým detektorem převeden na nf signál, který je dále filtrován pro potlačení vlastního šumu přijímače (někdy také video signál), který je dále tvarován filtry detektorů předepsaných pro EMI měření (vrcholový PK, střední hodnota AVG, kvazivrcholový QP). Video signál byl ve starších analogových přijímačích zobrazen pomocí dalšího rozmítaného generátoru na stínítku obrazovky. V moderních přístrojích je vzorkovaný signál prakticky výhradně zpracován číslicově s využitím rychlé Fourierovy transformace (FFT) nebo krátkodobé Fourierovy transformace (STFT). Detailní principy heterodynních přijímačů lze nalézt např. v [2]. Použití rozmítaných EMI přijímačů pro certifikační měření je pomalé a existuje tzv. “mrtvý čas“ mezi jednotlivými přeběhy rozmítaného LO, ve kterém mohou být opomenuty některá impulsní rušení. Obr. 1 Princip heterodynního přijímače 61. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 12. 11. 2025 ISBN 978-80-02-03105-5 2 http://mt.ces-csvts.cz/ Spektrální analyzátory pracující v reálném čase s QP detektorem Princip spektrálního analyzátoru pracujícího v reálném čase je podobný jako u heterodynního přijímače s tím rozdílem, že A/D převodník je umístěn hned za mezifrekvenčním filtrem místo obálkového detektoru a LO používá pevný kmitočet místo rozmítání. Vzhledem k velkým šířkám pásma (>1 GHz) a vysokému počtu bitů moderních A/D převodníků (>8-10 bitů) lze provést vzorkování ještě před omezením signálu na požadovanou šířku pásma RBW filtru. Dostupné kmitočtové rozpětí signálu (span) tak odpovídá IF šířce pásma a pro získání celého kmitočtového spektra je provedeno mnoho odečtů se vzájemně se překrývajícími spektry. Tímto způsobem je dosaženo nulového „mrtvého času“ a je zachyceno 100 % signálu bez ztráty náhodných rušení. Označení TD-EMI (time-domain EMI) nebo RTSA (real-time spectrum analyzer) používaná výrobci jsou spíše obchodní – ve skutečnosti se stále jedná o přijímače se širokopásmovým směšováním na mezifrekvenci (typicky nulovou) a velkou šířkou pásma A/D převodníku, nicméně nejde o odečet v časové oblasti v pravém slova smyslu. Časový průběh signálu pro další zpracování obvykle není uživateli k dispozici a pokud ano, je vypočten ze vzorků odečtených v kmitočtové oblasti. Typická hardwarová architektura těchto přijímačů je na Obr. 2. EMI přijímače pracující v časové oblasti EMI přijímače pracující v časové oblasti (TD-EMI) obsahují rychlý A/D převodník přímo na vstupu přístroje (příp. za vstupním zeslabovačem), tzn. není potřeba lokální oscilátor a spektrum vstupního signálu je vypočítáno celé najednou. Existuje několik architektur TDEMI přijímačů, např. systémy s několika A/D převodníky a vysokým dynamickým rozsahem založené na FPGA [3] nebo systémy založené na komerčním vícekanálovém osciloskopu s potřebnou šířkou pásma. Pro normu [1] (pásma A/B/C/D) postačuje relativně levný osciloskop s rozlišením 10-12 bitů (dynamický rozsah ~70 dB), pro pásmo E (do 18 GHz) by již byl kvalitní osciloskop cenově srovnatelný s FFT měřicím přijímačem na heterodynním principu. Dynamický rozsah u velmi širokopásmových osciloskopů navíc klesá na cca 30-40 dB díky malému počtu efektivních bitů (ENOB ~5 bitů). Implementace TD EMI měřicího přijímače pomocí osciloskopu je velmi populární pro předcertifikační testy a také pro měření v terénu. Je potřeba externí software, který používá pokročilé techniky digitálního zpracování signálů (ST-FFT, periodogram, číslicová implementace detektorů QP, AV, PK, Welchova metoda odhadu spektra, adaptivní okna pro nastavení libovolné šířky RBW filtru apod.), viz např. [4], [5], [6]. Typická architektura EMI přijímače pracujícího v časové doméně je ukázána na Obr. 3. Výhodou je velmi krátká doba měření, možnost měření na několika kanálech současně a tedy možnost zkoumat korelaci různých zdrojů rušení (např. zároveň měřit vedené i vyzařované emise určitého zdroje) a hlavně velmi nízká cena v porovnání s profesionálními EMI přijímači. Nevýhodou je menší dynamický rozsah měření a nižší přebuditelnost vzhledem k absenci obvodů vstupního preselektoru a také poněkud pracnější kalibrace v metrologické laboratoři, viz dále. Jako příklad EMI přijímače s odečtem vzorků v časové oblasti lze uvést např. levný osciloskop Pico Technology PicoScope P5444D (šířka pásma 200 MHz, počet bitů ~12, pásma A/B normy [1]) nebo R&S RTO6 (šířka pásma 3 GHz, počet bitů ~10, pásma C/D normy [1]). K osciloskopu je vyvíjen software emiGO [7], který umožňuje pokročilé analýzy signálu odečteného v časové oblasti (odečet na více kanálech najednou, proměnnou šířku RBW, všechny standardní EMI Obr. 2 Typická architektura spektrálního analyzátoru pracujícího v reálném čase Obr. 3 Typická architektura TD EMI měřicího přijímače. Obr. 4 Ukázka obrazovky software emiGO [7]. 61. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 12. 11. 2025 ISBN 978-80-02-03105-5 3 http://mt.ces-csvts.cz/ filtry, hradlování v časové oblasti, periodogram a další). V práci [8] bylo provedeno podrobné srovnání dvou EMI přijímačů založených na osciloskopu s několika špičkovými komerčními EMI přijímači předních výrobců a byla konstatována velmi dobrá shoda pro účely měření zejména podle normy [1]. POUŽITÍ TD-EMI PŘIJÍMAČŮ V PRAXI Zařízení uváděná na jednotný evropský trh musí být kontrolována podle EMC nařízení 2014/30/EU. Většina zařízení je testována v kontrolovaném prostředí EMC laboratoře, nicméně někdy to není možné vzhledem k velikosti zařízení nebo k velkému elektrickému příkonu (např. instalace fotovoltaických panelů) a jedinou možností je testování tzv. in-situ, tedy přímo v místě instalace, kde je přítomno mnoho dalších rušivých vlivů, které je potřeba od emisí měřeného zařízení odlišit a měření korigovat. Tato měření diskutuje právě vznikající standard CISPR 37 [9], nástupce standardu CISPR 11. Jak bylo uvedeno v předchozím odstavci, hlavní výhodou TD-EMI přijímačů založených na vícekanálovém osciloskopu je možnost korelovaných měření a možnost pokročilé analýzy naměřeného spektra ze vzorků v časové oblasti. To bylo ukázáno např. v [10] při měření emisí vyzařovaných invertorem solárních panelů na střeše budovy (609 panelů), tedy objektu, který nelze umístit do EMC komory, viz Obr. 6. K emisím vyzařovaným samotným invertorem se přidává šumové pozadí a také vliv emisí z okolních telekomunikačních zařízení. Pomocí analýzy signálu s proměnnou šířkou RBW a hradlování v časové doméně (timedomain gating) a měření pomocí několika antén najednou lze vliv šumového pozadí a okolních signálů matematicky odečíst, viz Obr. 5. Metoda odečtení šumového pozadí a dalších zářičů byla vyzkoušena i v kontrolovaném prostředí EMC komory, kam bylo uměle zavedeno impulsní rušení a toto bylo poté ze spektra emisí zkoušeného zařízení matematicky odstraněno. V práci [12] bylo provedeno srovnání EMI přijímače založeného na osciloskopu s profesionálními EMI přijímači pro účely certifikačních měření pro vesmírné aplikace (standard ECSS-E-ST-20-07C Rev. 2). I zde bylo konstatováno, že přijímače založené na osciloskopu lze velmi dobře použít. Pro použití EMI přijímačů v předcertifikačních testech nebo pro EMC zkoušky je požadavkem normy ISO 17025:2018 jejich kalibrace v metrologické laboratoři. Kalibrace komerčních EMI přijímačů podle předpisu výrobce se skládá z mnoha různých parametrů. Vzhledem k variabilitě konstrukcí různých EMI přijímačů jsou v příloze K standardu [1] uvedeny čtyři základní parametry, které je u EMI přijímačů nutné ověřovat. Jedná se o přesnost odezvy na harmonický signál, přesnost naladění kmitočtu, relativní a absolutní odezvu na impulsní signál a ověření spektrální masky detektorů. Standard [1] popisuje zejména kalibraci EMI přijímačů na heterodynním principu, protože v době jeho vzniku (cca 50. léta minulého století) nic jiného nebylo k dispozici. V práci [11] bylo ukázáno, že EMI přijímač založený na osciloskopu se softwarovým vybavením [7] je plnohodnotnou náhradou mnohem dražších EMI měřicích přijímačů a splňuje všechny parametry normy [1]. Akreditovaná kalibrace několika takových EMI přijímačů již byla provedena v Odd. primární metrologie vf elektrických veličin Českého metrologického institutu. Obr. 5 Porovnání tří případů : původní spektrum (zelená), spektrum vypočtené pomocí hradlování v čas. oblsti (červená), šumové pozadí bez měřeného zařízení a externích vlivů. Obr. 6 Invertor solárních panelů na střeše objektu 61. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 12. 11. 2025 ISBN 978-80-02-03105-5 4 http://mt.ces-csvts.cz/ ZÁVĚR V příspěvku bylo ukázáno, že jako plnohodnotný EMI přijímač pro předcertifikační měření a měření úrovně vedených i vyzařovaných emisí lze použít i relativně levný systém založený na osciloskopu (měření v časové oblasti) se speciálním software, který implementuje potřebné váhovací filtry a umožňuje pokročilou signálovou analýzu a časově korelovaná měření na několika kanálech najednou, což umožňuje např. velmi efektivní ladění chyb v návrhu obvodů testovaného zařízení nebo lepší vhled do emisních spekter zkoušeného zařízení. Stejné nebo podobné funkce nabízí i moderní FFT analyzátory (obchodní značka TD-EMI měřicí přijímače), ovšem za nejméně řádově vyšší cenu. V případě přenosného osciloskopu s možností napájení z rozhraní USB lze takový EMI přijímač použít i pro měření v případech, kdy testované zařízení nelze umístit do laboratorní EMC komory (velikost, příkon zařízení) a lze tak měřit přímo v místě instalace zařízení. Osciloskop se speciálním software plně vyhovuje požadavkům normy CISPR 16-1-1. PODĚKOVÁNÍ Příspěvek vznikl v rámci řešení projektu 21NRM06 EMC-STD. Projekt byl financován programem Evropského partnerství pro metrologii s přispěním evropského výzkumného programu Horizon Europe a členských států EU. Více o projektu viz https://emc-std.cmi.gov.cz/ LITERATURA [1] ČSN EN IEC 55016-1-1 ED.4 (334210) Specifikace přístrojů a metod pro měření vysokofrekvenčního rušení a odolnosti - Část 1-1: Přístroje pro měření vysokofrekvenčního rušení a odolnosti - Měřicí přístroje. [2] C. Rauscher, Ed., Fundamentals of spectrum analysis, 2nd ed. Rohde & Schwarz GmbH, 2001. [3] S. Braun and P. Russer, “A low-noise multiresolution high-dynamic ultra-broad-band time-domain EMI measurement system,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 53, no. 11, pp. 3354–3363, 2005. [4] F. Krug and P. Russer, “Quasi-peak detector model for a time-domain measurement system,” IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 47, no. 2, pp. 320–326, 2005. [5] S. Braun, T. Donauer, and P. Russer, “A Real-Time Time-Domain EMI Measurement System for Full-Compliance Measurements According to CISPR 16-1-1,” IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 50, no. 2, pp. 259–267, 2008. doi: 10.1109/TEMC.2008.918980. [6] M. A. Azpúrua, M. Pous, J. A. Oliva, B. Pinter, M. Hudlička, and F. Silva, “Waveform Approach for Assessing Conformity of CISPR 16-1-1 Measuring Receivers,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 67, no. 5, pp. 1187–1198, 2018. doi: 10.1109/TIM.2018.2794941. [7] emiGO - Agile Multi-domain EMI Evaluation, [online] Dostupné https://emc-barcelona.com/products/, říjen 2025. [8] I. Struzhko et al., "Multilevel Validation of Direct Sampling Time-Domain Measuring Receivers," IEEE Open Journal of Instrumentation and Measurement, vol. 4, pp. 1-13, 2025, Art no. 8000613, doi: 10.1109/OJIM.2025.3604983. [9] CISPR 37 ed. 1, Industrial, scientific and medical equipment - Radio-frequency disturbance characteristics - Limits and methods for measurements. [10] J. Solé-Lloveras, M. A. Azpúrua, Y. Yoshioka and F. Silva, "Strategies Using Time-Domain Measurements for Radiated Emissions Testing in Harsh Environments," IEEE Open Journal of Instrumentation and Measurement, vol. 2, pp. 1-11, 2023, Art no. 2000211, doi: 10.1109/OJIM.2023.3303950. [11] M. Hudlička, M. A. Azpúrua and M. Wojciechowski, "Metrological Characterization of EMI Receivers," 2023 International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC Europe, Krakow, Poland, 2023, pp. 1-6, doi: 10.1109/EMCEurope57790.2023.10274229 (volně stažitelné PDF na https://zenodo.org/record/8364867) [12] M. A. Azpúrua, M. Pous, J. Solé-Lloveras, D. Zhao and F. Silva, "Measuring Receiver Benchmark for Conducted and Radiated Emissions Testing in Space Applications," 2023 International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC Europe, Krakow, Poland, 2023, pp. 1-6, doi: 10.1109/EMCEurope57790.2023.10274172. (volně stažitelné PDF na https://zenodo.org/record/8375140)