Low-cost receivers for EMC measurements

Abstract

Diese Arbeit untersucht die Anwendbarkeit von Software-Defined Radios (SDRs) als Messempfänger für elektromagnetische Interferenzen (EMIen). SDRs sind aufgrund ihrer niedrigen Kosten, vielfältigen Konfigurationsmöglichkeiten und vollen Funktionsfähigkeit mit Hilfe eines PCs eine interessante Alternative zu teuren EMI Empfängern. Als Testmethode wird für abgestrahlte Emissionsmessungen im CISPR Band C/D (30 MHz–1 GHz) auf transversal elektromagnetische(TEM) Zellen zurückgegriffen. In diesem Band werden meist der Spitzen- und Quasi-Spitzenwert Detektor angewendet. Der Letztere stellt die höchsten Anforderungen an die Messdynamik. Berechnungen, die auf der Empfänger Norm CISPR 16-1-1 beruhen, zeigen, dass SDRs mit verstimmbaren anti-aliasing Filtern (AAFn) normgerechte elektromagnetische Verträglichkeits-(EMV)-Messungen erlauben. Solche Low-Cost Geräte (< 2 k€) verwenden oftmals Empfänger, die in einen einzelnen Chip integriert sind. Ein bekanntes Beispiel, das in vielen SDRs Gebrauch findet, ist die RFIC Serie AD936x von Analog Devices. Da der USRP B200mini von Ettus Research diesen Chip verwendet und zu den gewünschten Konditionen verfügbar ist, wird dieser SDR für eine genaue Analyse herangezogen. Erste Evaluierungen mittels standardisierter Testsignale haben zwei fundamentale Probleme des homodynen SDRs zum Vorschein gebracht, die konforme EMV Messungen unmöglich machen. Einerseits wurden mittels einzelner Trägersignale unerwünschte Mischprodukte nachgewiesen, die zu Normverletzungen führen. Andererseits ist die Messdynamik des SDRs unzureichend, um Breitbandimpulse mit dem Quasispitzenwertdetektor bewerten zu können. Die genannten Probleme werden mittels einer eigens konstruierten hoch linearen Mischerstufe gelöst, was konforme EMV Messungen mit dem SDR nach CISPR 16-1-1 ermöglicht. Der zu messende Frequenzbereich wird auf eine höhergelegene Mittenfrequenz gemischt und schmalbandig gefiltert, bevor das Signal den SDR passiert. Aufgrund der reduzierten Bandbreite am SDR Eingang werden unerwünschte Mischprodukte hinreichend unterdrückt und die Vorteile von verstimmbaren AAFn zugänglich, um den Anforderungen des Quasispitzenwert Detektors nachzukommen. Spitzenwertmessungen sind bei voller AAF Bandbreite von 22.5 MHz möglich und erlauben einen schnellen initialen Frequenzbanddurchlauf. Bei Anwendung des Quasi-Spitzenwert Detektors ist eine Reduktion auf 1 MHz notwendig, was den Durchlauf signifikant verlangsamt. Um die Effizienz zu steigern, wird mit einer speziell entwickelten automatischen Verstärkungsregelung, die sich zwischen Mischerstufe und SDR befindet, gearbeitet. Durch die aktive Regulation von Impulsen, mittels eines Hochgeschwindigkeitsabschwächers, wird die Messdynamik verbessert und eine erhöhte AAF Bandbreite erzielt, während standardisierte Toleranzen eingehalten werden. Abschließend wird ein Testobjekt mit dem SDR basierten Messempfänger und einer für diese Anwendung konstruierten und kostengünstigen TEM Zelle charakterisiert. Mit Hilfe von Vergleichsmessungen aus EMV Testhäusern kann gezeigt werden, dass zuverlässige Emissionsmessungen für ein Büdget von ~ 1.9 k€ möglich sind. Des Weiteren ist die erzielbare Dynamikvergleichbar mit dem EMI Empfänger MXE N9038A von Keysight Technologies. Dieser muss jedoch auf hochpreisige Filterbänke zurückgreifen, um die Werte zu erreichen.

Within this thesis, the suitability of software-defined radios (SDRs) as an electromagnetic interference (EMI) receiver is investigated. SDRs are a promising alternative to expensive EMI receivers as they are low in costs, highly configurable, and working out-of-the-box with a host PC. As measurement method, transverse electromagnetic (TEM) cells are taken into account for radiated emission testing in CISPR band C/D (30 MHz–1 GHz). In this band, the peak and quasi-peak detectors are most frequently applied. The latter one poses the highest receiver requirements in terms of dynamic range. Analytical derivations, based on the EMI receiver norm CISPR 16-1-1, indicate that SDRs with tunable anti-aliasing filters (AAFs) presumably allow for compliant electromagnetic compatibility (EMC) measurements. Low-cost devices (< 2 k€) offering this feature often deploy analog receiver frontends integrated in a single chip. For instance, Analog Devices’ popular RFIC series AD936x is used in many SDRs ranging in the target price category. As the SDR USRP B200mini from Ettus Research incorporates this chip, it is chosen for a rigorous suitability analysis. An initial performance evaluation utilizing standardized test stimuli, i.e., a continuous wave and broadband impulses, indicates two major problems of the homodyne SDR making compliant EMC measurements out-of-the-box impossible. Firstly, unintended downconversion products cause significant signal distortions, especially at low tuning frequencies. Secondly, the SDR’s analog frontend does not provide sufficient dynamic range for measuring impulses with the quasi-peak detector. To overcome the mentioned problems, a highly-linear upconversion stage is designed enabling compliant EMC measurements with the SDR in accordance to CISPR 16-1-1. The frequency content of CISPR band C/D is mixed upwards to a static center frequency and filtered with a narrowband bandpass filter before reaching the USRP B200mini. Because of the lowered bandwidth at the SDR input, the benefits of tunable AAFs can be exploited for achieving quasi-peak detector requirements and disturbing mixing products are suppressed sufficiently. Peak detector measurements are possible at full AAF bandwidth, i.e., 22.5 MHz, allowing for a fast initial frequency scan. For the quasi-peak detector, the bandwidth must be reduced to 1 MHz, degrading the scan speed severely. To tackle this problem, a certain feed-forward automatic gain control is developed and inserted between the upconversion stage and the SDR. By leveling impulses with a high-speed attenuator, the available dynamic range of the SDR is increased and allows for a larger AAF bandwidth while fulfilling standardized accuracy requirements. Finally, a test device is characterized utilizing the SDR-based receiver in conjunction with a low-cost TEM cell designed for this task. Comparing the results of this setup, available for a budget of ~ 1.9 k€, with professional test houses demonstrates the feasibility of reliable radiated emission spectra estimates in advance. Moreover, it shows that the available dynamic range of the developed system is in the same range as for a professional EMI receiver, i.e., Keysight Technologies’ MXE N9038A, which utilizes expensive preselector filterbanks to achieve this benchmark.