Najważniejsze różnice pomiędzy odbiornikiem pomiarowym EMI a analizatorem widma

Różnice w zastosowaniach odbiorników pomiarowych i analizatorów widma

Aby ułatwić zrozumienie różnic pomiędzy urządzeniami, należałoby wspomnieć o aplikacjach, dla których zostały stworzone. Analizator widma to przyrząd, który służy do pomiarów widma częstotliwościowego sygnałów występujących np. w systemach radiokomunikacyjnych, podczas pomiarów urządzeń i komponentów radiowych takich jak, filtry RF, mieszacze, oscylatory, wzmacniacze, modulatory, demodulatory itp. Oznacza to, że w momencie rozpoczęcia pomiaru operator wie, jakich sygnałów, o jakich poziomach i w jakim zakresie częstotliwości może się spodziewać.

Sprawa wygląda zupełnie inaczej w przypadku odbiorników pomiarowych, nazywanych także odbiornikami EMI (ang. Electromagnetic Interference). Jak sama nazwa wskazuje, odbiorniki pomiarowe służą do pomiarów zaburzeń emitowanych przez badane urządzenia, w związku z czym ich operator nigdy nie wie jakiego typu sygnału może spodziewać się w momencie uruchomienia pomiaru. Wspomniane zastosowania niejako determinują sposób działania obydwu urządzeń oraz sposoby wykonywania przez nie pomiaru, oraz są przyczyną różnic pomiędzy nimi.

Rysunek 3 - Diagram blokowy przedstawiający budowę odbiornika TDEMI

Różnice pomiędzy analizatorem widma, a odbiornikiem EMI występują już na poziomie budowy sprzętowej. Pierwszą różnicą jest obecność preselektora na wejściu RF. Preselektorem nazywamy zestaw przełączanych filtrów pasmowoprzepustowych obecnych na wejściu odbiornika pomiarowego, których zadaniem jest odfiltrowanie zaburzeń spoza aktualnie mierzonego przedziału częstotliwości. Dzięki temu odbiorniki pomiarowe cechują się większą dynamiką pomiaru oraz są mniej wrażliwe na krótkotrwałe sygnały o wysokich amplitudach, które mogłyby uszkodzić obwody RF lub spowodować ich przesterowanie, a co za tym idzie błędne wyniki pomiaru.

Zdecydowana większość analizatorów nie jest wyposażona w moduł preselektora, co wynika z ich docelowego zastosowania wspomnianego w poprzednim akapicie. Wyobraźmy sobie hipotetyczną sytuację, w której dokonujemy pomiaru emisji przewodzonej z badanego urządzenia w zakresie częstotliwości od 150kHz do 30MHz. Podczas pomiaru badane urządzenie emituje zaburzenie na częstotliwości 50kHz, którego poziom wykracza poza dopuszczalny zakres napięć, jakie możemy podać na wejście RF przyrządu pomiarowego. Zakładając, że korzystamy z analizatora widma – w najlepszym przypadku dojdzie do przesterowania obwodów wejściowych, w wyniku którego pomiar w rozpatrywanym zakresie częstotliwości może zostać zafałszowany w skutek powstania wyższych harmonicznych pochodzących od częstotliwości 50kHz. W najgorszym wypadku – do uszkodzenia obwodów wejściowych analizatora. W przypadku odbiornika pomiarowego ryzyko to jest znacznie mniejsze, ponieważ w danym momencie do wejścia odbiornika pomiarowego dołączony jest sygnał po przejściu przez filtr o paśmie przepustowym właściwym dla aktualnie mierzonej częstotliwości. W naszym przypadku będzie to pasmo 150kHz – 30MHz, a sygnały spoza tego pasma zostaną stłumione.

Detektor Quasi-Peak w pomiarach emisji przewodzonej i promieniowanej

Każdy odbiornik pomiarowy full-compliance jest standardowo wyposażony w detektor QP. Pomiary wykonywane z użyciem dostępnego w analizatorach detektora Peak będą dawały wyższe wyniki, w porównaniu do pomiarów z wykorzystaniem detektora Quasi-Peak. Jest to związane z różnym sposobem działania obydwu detektorów. Detektor Peak wykorzystuje prosty algorytm zwracający najwyższą wartość, jaka wystąpiła w ustalonym przedziale czasu. Detektor Quasi-Peak uwzględnia dodatkowo „czas trwania” zaburzenia w rozpatrywanym przedziale czasu, zwracając niższe wartości dla krótkotrwałych, impulsowych zaburzeń niż dla zaburzeń o tej samej amplitudzie, ale obecnych w widmie przez cały czas (np. sygnał CW).

Rysunek 4 - Różnica pomiędzy filtrem o szerokości specyfikowanej dla -3dB oraz -6dB

Różne sposoby konfiguracji pomiaru na obu urządzeniach

Różnice pomiędzy obydwoma urządzeniami ujawniają się także w sposobie konfiguracji pomiaru. Załóżmy, że posiadamy analizator widma z dodatkowym detektorem Quasi Peak oraz filtrami RBW 6 dB. Chcąc odwzorować pomiar wykonany przy użyciu odbiornika pomiarowego, okazuje się, że część parametrów, które musimy skonfigurować, jest zupełnie inna, niż te dla odbiornika pomiarowego. W analizatorze widma napotkamy na takie parametry jak "Częstotliwość środkowa", "Zakres przemiatania", "Czas przemiatania", "Liczba punktów częstotliwości", podczas gdy w przypadku odbiornika pomiarowego będzie to "Zakres częstotliwości" czy "Dwell time".

Pierwsze ograniczenie na jakie napotkamy to maksymalna liczba punktów częstotliwości. Analizatory widma posiadają ograniczoną liczbę punktów częstotliwości, w których wykonywany jest pomiar. W zależności od klasy analizatora może to być od 1000 do kilkudziesięciu tysięcy punktów przypadających na cały zakres częstotliwości. Przyjmijmy, że posiadamy średniej klasy analizator dysponujący maksymalną liczbą punktów częstotliwości na poziomie 10 000. Chcąc wykonać pomiar emisji w typowym zakresie częstotliwości od 30 MHz do 1 GHz, przy użyciu filtra RBW 120 kHz będziemy musieli zmierzyć pasmo o szerokości 970 MHz. Jeśli podzielimy je na 10 000 punktów częstotliwości, okaże się, że pomiar zostanie wykonany co 97 kHz. Tymczasem maksymalny krok częstotliwości nie powinien przekraczać ½ RBW, czyli w tym przypadku 60 kHz. Pomiar z krokiem powyżej tej wartości spowoduje pominięcie części zaburzeń oraz będzie prowadził do zafałszowania wyników. Aby pomiar był rzetelny, należałoby zawęzić zakres częstotliwości do takiej wartości, aby maksymalny krok częstotliwości nie został przekroczony. W tym przypadku należałoby pomnożyć tę wartość (60 kHz) razy maksymalną ilość punktów częstotliwości. 60 kHz * 10 000 = 600 MHz. Cały pomiar powinniśmy zatem podzielić na dwa kroki, od 30 MHz do 630 MHz oraz od 630 MHz do 1 GHz.

Kiedy ustalimy już zakres częstotliwości, w którym powinniśmy przeprowadzić pomiar, kolejnym bardzo istotnym parametrem, na który musimy zwrócić uwagę, jest czas rejestracji, tzw. „Dwell time”. Parametr ten jest charakterystyczny dla odbiorników pomiarowych, określa on jak długo odbiornik pozostaje nastrojony na jedną określoną częstotliwość. Przez cały ten czas wykonywany jest pomiar, a zarejestrowane sygnały poddawane są detekcji przez wybrany detektor. Ma to na celu wychwycenie emisji, która następuje w sposób impulsowy. Rejestrując sygnał przez zbyt krótki okres czasu narażamy się na sytuację, w której zaburzenie nie zostanie zarejestrowane, przez co wynik pomiaru emisji będzie zaniżony. W przypadku, gdy używany jest detektor Quasi Peak zalecany minimalny czas rejestracji to 1 sekunda. Ze względu na fakt, że pomiary detektorem Quasi Peak trwałyby bardzo długo, zazwyczaj najpierw wykonywany jest przyspieszony pomiar z wykorzystaniem detektora Peak, a następnie tylko wybrane zakresy mierzone są ponownie przy użyciu detektora Quasi Peak.

Skupmy się jednak na podstawowym pomiarze, detektorem Peak, dla którego zalecany minimalny czas rejestracji to 100ms. W przypadku odbiornika pomiarowego czas rejestracji konfigurowany jest wprost jako „Dwell time”. Chcąc użyć analizatora widma, dysponujemy tylko parametrem „Sweep time” oznaczający całkowity czas przemiatania, podczas którego mierzony jest cały skonfigurowany wcześniej zakres częstotliwości. Znów zmuszeni jesteśmy do wykonania dodatkowych kroków i kalkulacji, aby nasze pomiary były rzetelne. Należy pomnożyć ilość punktów częstotliwości przez minimalny czas rejestracji zalecany dla danego detektora. W rozpatrywanym przypadku: 10 000 * 100ms = 1000s. W związku z tym czas przemiatania powinien zostać ustawiony jako minimum 1000s.

Uwzględnienie parametrów toru pomiarowego

Przy pomiarach emisji najistotniejszą informacją, jaką uzyskujemy jest to, czy zmierzony poziom emitowanych przez EUT zaburzeń znajduje się poniżej limitu zdefiniowanego w normie dla danego typu urządzenia. W związku z tym musimy być pewni, że pomiar wykonany został z uwzględnieniem tłumienności wprowadzanych przez obecne w torze pomiarowym przewody RF lub współczynników korekcyjnych takich urządzeń jak VDF (współczynnik podziału napięcia) sieci LISN lub antenna factor wykorzystanej anteny.

Rysunek 5 - Wynik pomiaru emisji promieniowanej w zakresie od 30MHz do 1GHz

Opisane zostały najważniejsze różnice pomiędzy obydwoma urządzeniami. Jak widzimy na opisanym tutaj przykładzie odwzorowanie pomiaru wykonywanego odbiornikiem pomiarowym, przy pomocy analizatora widma jest możliwe, jednak wymaga znajomości specyfiki działania obu urządzeń. Ponadto ryzyko popełnienia błędu, który będzie prowadził do otrzymania niemiarodajnych wyników jest wysokie. Należy także zaznaczyć, że większość norm nie dopuszcza stosowania analizatora widma zamiast odbiornika pomiarowego, nawet stosując wszystkie podane powyżej metody mające na celu jak najlepsze odwzorowanie wyniku pomiaru.

Odbiornik pomiarowy i analizator widma w jednym

Rysunek 6 - Wynik pomiarów emisji w trybie pomiaru w czasie rzeczywistym