I ricevitori di misura basati sulla trasformata veloce di Fourier (FFT) possono essere utilizzati per le prove di compatibilità elettromagnetica (EMI) secondo lo standard CISPR 16-1-1.

Il loro impiego è motivato dalla riduzione del tempo di misura di diversi ordini di grandezza e dalla maggiore possibilità di catturare informazioni sui segnali che questi strumenti offrono, potendo applicare tempi di misura più estesi e funzioni avanzate come l’analisi spettrale in modalità con persistenza.

Introduzione

I ricevitori EMI tradizionali per le prove di compatibilità elettromagnetica misurano un segnale il cui spettro ricade all'interno della larghezza di banda a frequenza intermedia durante un tempo di misura ben definito. Ciò implica che per coprire l'ampio spettro elettromagnetico potenzialmente soggetto a interferenze elettromagnetiche, il tempo di misura complessivo risulti lungo.

Inoltre, il tempo di misura deve essere sufficientemente esteso al fine di catturare anche emissioni intermittenti.

Invece, i ricevitori EMI basati sulla trasformata veloce di Fourier (FFT) misurano contemporaneamente tutti i segnali emessi su segmento dello spettro molto più largo della larghezza di banda a frequenza intermedia.

La reale larghezza di banda a frequenza intermedia si ottiene tramite un banco di filtri FFT e di rivelatori a pesatura digitale. Questo approccio offre i seguenti vantaggi:

• il tempo di misura delle emissioni EMI si riduce significativamente, di un fattore circa pari al numero di filtri FFT impiegati (oltre al tempo necessario al ricevitore per cambiare frequenza). La riduzione del tempo può essere fino ad alcuni ordini di grandezza senza perdite in accuratezza.
• consente di scegliere tempi di misura più lunghi se necessario (ad esempio per misurare segnali intermittenti)
• permette di sfruttare funzioni di misura avanzate come lo spettrogramma e lo spettro in modalità a persistenza

Gli strumenti basati su FFT per le misure di compatibilità elettromagnetica furono introdotti con la pubblicazione del primo emendamento alla terza edizione della direttiva CISPR 16-1-1 nel giugno del 2010.

L'accettazione del metodo nella pubblicazione dello standard di base è un prerequisito per l’impiego di questo metodo negli standard successivi dedicati ai vari tipi di prodotti, come ad esempio accade per le misure delle emissioni dei ricevitori audio e video televisivi e degli apparati ad essi collegati (CISPR 13:2006) e per gli apparati multimediali (CISPR 32:2012). Gli standard per i prodotti di illuminazione (CISPR 15) e automotive (CISPR 25) seguiranno.

La scelta del tempo di misura richiede particolare attenzione quando si misurano disturbi a larga banda e segnali intermittenti con un ricevitore basato su FFT.

Inoltre, l’uso di filtri di preselezione a radiofrequenza è altamente raccomandato per massimizzare la gamma dinamica ed evitare saturazioni e sovraccarichi, in particolare, nel caso di misure di quasi-picco di deboli segnali impulsivi in presenza di altri segnali di grande ampiezza.

I fondamenti dello standard CISPR 16-1-1

Attualmente lo standard CISPR 16-1-1 utilizza un approccio a scatola nera per definire le specifiche dell’apparato di misura. Questo implica che tutte le specifiche riportare nel CISPR 16-1-1 devono essere soddisfatte dallo strumento di misura, indipendentemente dalla sua realizzazione pratica o soluzione tecnologia utilizzata, in modo da rispettare gli standard CISPR.

Questo approccio si riflette anche nella nuova definizione di “ricevitore di misura” che è stata aggiunta nell’emendamento 1:2010-06 al CISPR 16-1-1:2010-01 e che recita: “uno strumento, come un voltmetro accordabile, un ricevitore EMI, un analizzatore di spettro o uno strumento di misura basato sulla FFT, con o senza preselezione, che soddisfa le parti rilevanti di questo standard”.

Di conseguenza ogni strumento basato su FFT che rispetta le richieste dello standard CISPR 16-1-1:2010 e del suo emendamento 1:2010 può essere impiegato per prove di conformità sulla compatibilità elettromagnetica.

Generalmente le caratteristiche specificate nello standard includono l’impedenza di ingresso, i rivelatori, la larghezza di banda, il fattore di sovraccarico, il rapporto di onda stazionaria, l’accuratezza assoluta per un segnale sinusoidale, la risposta agli impulsi, la selettività globale, gli effetti di intermodulazione, il rumore del ricevitore e la schermatura.

Inoltre, lo strumento dovrà acquisire ed elaborare il segnale in modo continuo durante l’intervallo di misura. Questo è fondamentale per la cattura di disturbi impulsivi e segnali intermittenti, non ottenibile con l’uso di oscilloscopi digitali a causa dell’esistenza di tempi morti.

Figura 1: Misura di compatibilità EMI con scansione nel dominio del tempo se lo standard non si riferisce al CISPR 16-1-1Laddove lo standard di prodotto non abbia ancora recepito la possibilità di usare uno strumento basato sulla FFT per effettuare le prove di conformità, per beneficiare dell’efficienza di misura estremamente migliore dei ricevitori basati su tecnologia FFT è necessario impiegare ricevitori che combinino in un unico strumento il tradizionale approccio del ricevitore EMI con la FFT su scansioni nel dominio del tempo.

Anche se lo standard del prodotto non consente ancora l’impiego di tecniche FFT, questo metodo può essere impiegato per misure di pre-qualifica, seguite da misure eseguite con il tradizionale approccio analogico alle sole frequenze identificate come critiche.

Gamma dinamica e tempi di misura

Esistono due approcci per realizzare ricevitori basati su FFT:

• L’approccio a oscilloscopio, basato sul campionamento diretto del segnale RF tramite un convertitore A/D con una dinamica elevata
• L’approccio a ricevitore, che impiega una frequenza intermedia a banda larga ed un campionamento del segnale a frequenza intermedia 

Il fattore limitante dell’approccio a oscilloscopio è il convertitore analogico/digitale, che deve avere un’elevatissima risoluzione ed un’elevata frequenza di campionamento per soddisfare le richieste di banda passante e di gamma dinamica dello standard CISPR 16.

Considerando un piccolo margine per il filtraggio dell’ingresso, per un ricevitore a 1 GHz è necessario un convertitore con una frequenza di campionamento di almeno 2,5 GHz. Per rispettare lo standard CISPR 16 sarebbe necessaria una risoluzione minima di 14 bit, ma purtroppo non sono disponibili convertitori con queste prestazioni ad un costo conveniente. Di conseguenza, per avvicinarsi alle prestazioni richieste, è necessario sfruttare delle routine di auto-range ed elaborazioni via software.

Un approccio migliore, che offre le prestazioni richieste, consiste nel combinare entrambe le soluzioni in un unico strumento: ad esempio combinando la conversione diretta fino a 30 MHz assieme alla demodulazione di un ricevitore tradizionale con frequenza intermedia larga 30 MHz. In questo modo la larghezza di banda da campionare è limitata a 30 MHz, rilassando le specifiche del convertitore A/D.

I vantaggi offerti da questa soluzione sono:

• Un’elevata gamma dinamica ed una buona risoluzione grazie alla larghezza di banda ridotta che permette l’uso di convertitori A/D a 16 bit
• Massima frequenza operativa del ricevitore non limitata dalla frequenza di campionamento del convertitore analogico/digitale
• I filtri sulla larghezza di banda a frequenza intermedia ed il rivelatore possono funzionare in tempo reale in modo che lo spettro completo di emissioni condotte o irradiate possa essere visualizzato senza interruzioni
• Sopra i 30 MHz, lo spettro di frequenza di interesse è suddiviso in vari segmenti, ad esempio da 25 MHz, che sono misurati in sequenza
• Possibilità di estendere il tempo di ascolto (dwell time) a bassa frequenza di campionamento, ad esempio fino a 100 s
• Possibilità di impiegare un preselettore RF grazie alla banda limitata utilizzata per la FFT. Questo filtro protegge l’ingresso del ricevitore dal sovraccarico dovuto a forti segnali fuori banda e garantisce la corretta misura di deboli segnali interferenti in presenza di segnali forti

Conseguentemente, un ricevitore basato su FFT combina un banco di N filtri in parallelo con la scansione in frequenza a passi, utilizzando una larghezza del passo coerente con la larghezza della FFT. A questo scopo lo spettro di frequenze di interesse è diviso in vari segmenti che sono misurati in sequenza, come illustrato in Figura 2.

Il tempo di scansione T_scan è calcolato come:

T_scan = T_m ·N_seg

dove:

T_m è il tempo di misura di ogni segmento
N_seg è il numero di segmenti

Figura 2: Scansione FFT in sequenza (da CISPR 16-2-3)

Per una misura corretta, il tempo di misura T_m deve essere scelto maggiore del periodo di ripetizione del rumore impulsivo. Se il tempo di misura fosse troppo breve, alcuni impulsi vengono persi, provocando così gravi errori nei risultati. Nel caso pessimo, il ricevitore non rivelerebbe del tutto un segnale di disturbo periodico. Ciò è particolarmente critico se il segmento ha una larghezza estesa, ad esempio 25 MHz o più.

Se l’intervallo di ripetizione è sconosciuto, sono necessarie molteplici scansioni con diversi tempi di misura, impiegando la funzione di cattura del massimo (max hold) per determinare l’inviluppo spettrale.

Per segnali impulsivi a basso tasso di ripetizione, saranno necessarie molte scansioni (ad esempio da 10 a 50) per completare l’analisi spettrale delle componenti a larga banda dello spettro. Il tempo di misura corretto può essere anche determinato incrementandolo fino a quando la differenza tra la lettura in modalità max hold e quella ciclica (clear/write) è inferiore a 2 dB.

Generalmente i ricevitori di misura EMI sono dotati di filtri di preselezione per garantire una gamma dinamica adeguata per misure di quasi-picco per segnali impulsivi a bassa frequenza di ripetizione e per proteggere l’ingresso da danni in presenza di forti disturbi a larga banda o per misurare deboli segnali interferenti in presenza di segnali forti (vedi Figura 3).

Un filtro di preselezione di questo tipo dovrebbe offrire almeno 30 dB di attenuazione alla frequenza del segnale forte. Per coprire l’intervallo di frequenze da 9 kHz a 6 GHz, è necessaria le presenza di parecchi filtri di questo tipo.

La gamma dinamica è limitata in basso dal livello di rumore visualizzato corrispondente alla risoluzione spettrale desiderata (resolution bandwidth), ad esempio nel caso dello standard CISPR pari a 120 kHz nella banda da 30 MHz a 1000 MHz.

Il limite superiore è il punto di compressione ad 1 dB del primo mixer. Questa massima gamma dinamica può essere utilizzata solamente per misurare un segnale a onda continua (CW) a banda stretta. Invece se si misura un segnale intenso a banda larga, vi saranno prodotti di intermodulazione di livello elevato dovuti alle nonlinearità del mixer.

Figura 3: Principio di funzionamento della preselezione

Di conseguenza, il livello massimo del segnale che evita l'intermodulazione si riduce del fattore di banda, come illustrato in Figura 4.

Esempio: il fattore di banda senza preselezione è circa 26 dB con una larghezza di banda del filtro a frequenza intermedia B_IF = 50 MHz ed assumendo che il segnale in ingresso abbia la stessa banda del ricevitore, ovvero B_RF = 1 GHz. Il fattore di banda è pari a circa 6 dB con un filtro di selezione con banda B_PRE = 100 MHz, quindi la gamma dinamica risulta circa 20 dB maggiore che in assenza di preselezione.

Figura 4: Gamma dinamica e fattore di banda

Più velocità con le scansioni temporali e più versatilità con la modalità a persistenza

Rohde & Schwarz ha introdotto un ricevitore EMI di nuova generazione basato su FFT che rispetta lo standard CISPR 16 per le misure dei disturbi, il modello R&S ESR. La scansione del segnale nel dominio del tempo basata su FFT può offrire una velocità di misura fino a 6.000 volte maggiore rispetto a quanto ottenibile con il tradizionale approccio di scansione in frequenza con filtraggio a banda stretta.

La scansioni di frequenza nelle bande CISPR possono essere eseguite in pochi millisecondi utilizzando il rivelatore di picco e anche con i rivelatori di quasi picco e a valor medio ci vogliono solo pochi secondi, rendendo obsoleti gli approcci tipici utilizzati nei ricevitori EMI tradizionali.

L’elevata velocità di misura è particolarmente utile se l’apparato sotto indagine può essere attivato solo per un breve periodo di tempo, come ad esempio nel caso del motore di avviamento di un veicolo. Una frazione del tempo risparmiato può essere anche impiegata per applicare tempi di misura più lunghi, in modo da rivelare in modo affidabile segnali intermittenti a banda stretta o impulsi isolati.

Figura 5: Misure con Ricevitore EMI R&S ESR in modalità a persistenzaIn modalità a persistenza, il ricevitore R&S ESR mostra in un unico grafico lo spettro senza interruzioni, come illustrato in Figura 5.

Il colore di ogni pixel indica quanto frequentemente una specifica ampiezza si ripete ad una frequenza specifica. Ad esempio, i segnali che si ripetono più spesso sono indicati in rosso, mentre quelli sporadici in blu. Se i segnali non si ripetono ad una frequenza con un certa ampiezza, il pixel corrispondente scompare dopo un tempo di persistenza selezionabile.

La modalità di visualizzazione dello spettro a persistenza consente all'utente di distinguere chiaramente tra disturbi impulsivi, presenti solo per previ periodi, dai disturbi continui. Inoltre, diversi disturbi impulsivi possono essere facilmente distinti tra loro visivamente.

Esempio: il disturbo il cui spettro è mostrato in Figura 5 è causato da un motore elettrico con una schermatura scadente delle interferenze elettromagnetiche. Un secondo disturbo impulsivo è chiaramente visibile, a differenza di un analizzatore convenzionale nel quale sarebbe nascosto tra i disturbi a larga banda (Figura 6).

Figura 6: Ricevitore EMI R&S ESR in modalità con spettro in tempo reale. La traccia gialla mostra lo spettro attuale, mentre quella blu corrisponde al valore massimo registrato

Conclusioni

I ricevitori EMI basati su FFT possono essere utilizzati per le prove di conformità sulla compatibilità elettromagnetica in accordo con il 1° emendamento alla 3a edizione dello standard CISPR 16-1-1.

Chi deve eseguire le prove sui prodotti secondo le metodologie definite negli standard CISPR 13:2006 (Ed 4.2) ed CISPR 32:2012 (Ed. 1.0), può impiegare immediatamente uno strumento di misura basato su FFT per le prove di conformità. Chi invece fa riferimento altri standard, può comunque impiegare la scansione veloce di questi strumenti per ridurre il tempo di misura.

L’uso di ricevitori basati su FFT è motivato dalla possibilità di ridurre il tempo di scansione di molti ordini di grandezza e di ottenere più informazioni grazie alla possibilità di adottare tempi di misura più lunghi e funzioni di misura avanzate, come l’analisi dello spettro in modalità con persistenza. L’uso di filtri di preselezione è altamente raccomandato per ottenere misure precise e riproducibili.

*Jens Medler è responsabile del supporto applicativo della strumentazione EMC di Rohde & Schwarz