Opzetten van een generiek test- en meetsysteem

Transcriptie

1 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem KHBO, Hobufonds RFSYS ing. Dieter Degerendele

2 1. DOELSTELLING TEST- EN MEETSYSTEEM REFLECTIE DIFFRACTIE AANWEZIGHEID VAN DE STOORBRON SNELHEID METINGEN OP VERPLAATSING 6 3. SIMULATIE INDUSTRIËLE STOORBRON ALGEMENE TESTOPSTELLING INSTRALING EN RUIS ALGEMENE TESTOPSTELLING VONKEN Simulatie Electro-Magnetisch storingen Instraling Ruis BESLUITEN LITERATUUR WP 2.2 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem 1

3 1. Doelstelling Om de invloed van een industriële omgeving op een datacommunicatie na te gaan wordt een test- en meetsysteem gebouwd. Het test- en meetsysteem moet bepaalde industriële omstandigheden kunnen simuleren. De simulatie omvat zowel electromagnetische omstandigheden als propagatie omstandigheden. Zo kunnen verschillende factoren, zoals de aanwezigheid van stoorbronnen, metaal,, aan bod komen. Verder wordt ook rekening gehouden om het systeem zo flexibel mogelijk te houden. Hiermee wordt bedoeld dat op een flexibele manier een test op verplaatsing moet kunnen uitgevoerd worden. 2. Test- en meetsysteem Een electromagnetisch veld kan voorgesteld worden door 2 vectoren : een elektrische veldvector (E) en een magnetische veldvector (H). Deze 2 vectoren staan loodrecht op elkaar en de voortplantingszin is gericht in de richting loodrecht op het vlak gevormd door de 2 vectoren (zie Fig.1). E H voortplantingszin Fig. 1 : Vectorvoorstelling Electro-Magnetisch veld Het electromagnetisch veld plant zich voort in een medium dat gekarakteriseerd wordt door 3 factoren : permeabiliteit µ, permittiviteit ε en conductiviteit σ. Deze factoren bepalen de eigenschappen van de radiopropagatie. De factoren kunnen als volgt gedefinieerd worden (in analogie met transmissielijnen) : µ = l L ε = l C σ = l G [H/m] [F/m] [ 1/Ωm] In een industriële omgeving komen allerlei obstakels voor (stoorbronnen, metaal, ) die de normale propagatieomstandigheden van het electromagnetisch veld kunnen wijzigen. Hieronder worden een aantal propagatieparameters, en de manier waarop ze aan bod komen in het testsysteem, besproken Reflectie Bij een invallend electromagnetisch veld kan er, afhankelijk van het medium waarop het veld invalt, een gedeelte van het veld gereflecteerd worden (zie Fig. 2). Het gereflecteerde veld kan op zijn beurt invloed hebben op het totale propagatiegebeuren. WP 2.2 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem 2

4 Fig. 2 : Invallend electromagnetisch veld De 2 media worden gedefinieerd met behulp van hun intrinsieke impedanties Z 1 en Z 2. De intrinsieke impedantie kan wiskundig als volgt gedefinieerd worden: E i E Z 1 = = - r Z 2 = De mate van reflectie wordt weergegeven met behulp van de reflectiecoëfficiënt ρ. De reflectiecoëfficiënt is de verhouding van het gereflecteerde veld tot het invallende veld. H E H t i t H r ρ = E E r i Rekening houdend met de intrinsieke impedanties kan dit ook als volgt geschreven worden : ρ = Z Z 2 2 Z1 + Z 1 De intrinsieke impedantie kan ook in functie van µ, ε en σ weergegeven worden (waarbij σ=0 voor ideale isolatoren). Z = jωµ σ + jωε Om de invloed van reflecties op de datacommunicatie na te gaan zal gebruik gemaakt worden van messing platen. Deze messing platen kunnen éénvoudig en flexibel op de meettafel gemonteerd worden. Zo zal het mogelijk zijn om een volledig gesloten box op te bouwen (hoogte instelbaar). In deze toepassing zijn de 2 media lucht en messing. De waarden voor de intrinsieke impedanties worden dan: µ lucht = 4π H/m Z lucht = 377Ω (Z 1 ) µ messing 1 H/m Z messing 1Ω (Z 2 ) ε lucht = 1/36π F/m ε messing 1 F/m σ lucht = 0 1/Ωm σ messing 5, /Ωm WP 2.2 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem 3

5 Deze waarden ingevuld in de vergelijking van de reflectiecoëfficiënt geeft ρ 1. Dit betekent dat praktisch het volledig electromagnetisch veld wordt gereflecteerd op de messing platen. Om reflecties te vermijden kunnen allerlei technieken (absorptie) toegepast worden. De referentiemetingen worden daarom in een absorberende kooi uitgevoerd. Deze absorberende kooi bestaat in hoofdzaak uit absorberende kegels (zie fig. 3). invallend electromagnetisch veld Fig. 3 : Absorberende kegels Alvorens de verschillende datacommunicatiesystemen te testen naar reflecties toe wordt het gedrag nagegaan in totale afwezigheid van reflecties. Hiervoor wordt vereist dat zo weinig mogelijk metaal in de testomgeving aanwezig is (meettafel vervaardigd uit hout). De invloed van reflecties zal nagegaan worden door een hoeveelheid messing platen op de testopstelling te monteren (zie fig. 4). Door allerhande combinaties van montage van de messing platen te hanteren moet het mogelijk zijn om de invloed van de hoeveelheid metaal te beschrijven. Fig. 4 : Testopstelling naar reflectie toe 2.2. Diffractie Tussen een zender en een ontvanger kunnen zich verschillende obstakels bevinden die het normale propagatiepatroon verstoren. Om de invloed van deze obstakels op de verschillende datacommunicatiesystemen na te gaan wordt gebruik gemaakt van een messing plaat (zie fig. 5). Deze plaat wordt tussen de zender (TX) en de ontvanger (RX) geplaatst. WP 2.2 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem 4

6 α d a RX messing plaat grondplaat meettafel TX b c α = Bgtan d a b + Bgtan d c b Fig. 5: Definitie diffractiehoek α De prestatie van de datacommunicatiesystemen zal nagegaan worden in functie van de diffractiehoek α. Om verschillende waarden van de diffractiehoek te bepalen is de afstand van de ontvanger (RX) tot de messing plaat (afstand b) en de hoogte van de zender (hoogte a) instelbaar (zie fig. 6). De invloeden zijn gekend op grote afstanden. Het is de bedoeling om ook de invloeden op kortere afstanden te bepalen. Fig. 6 : Instelbaarheid plaats en hoogte RX tov. messing plaat 2.3. Aanwezigheid van de stoorbron Om de invloed van de aanwezigheid van een stoorbron na te gaan wordt een stoorsignaal gesimuleerd. De verschillende simulatiepatronen worden in de volgende paragraaf nader toegelicht. De simulatie gebeurt door gebruik te maken van een signaalgenerator en elektrische en magnetische probes (EMCO probe kit Model 7405). Om de invloed van de plaats van de stoorbron na te gaan moet de probe op een flexibele wijze verplaatsbaar zijn ten opzichte van de verschillende draadloze modules. De probes moeten ook in 3 richtingen (x, y en z) instelbaar zijn. Dit is allemaal mogelijk door gebruik te maken van een daartoe speciaal gebouwde antennehouder (zie fig. 7). WP 2.2 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem 5

7 Fig. 7 : Antennehouder 2.4. Snelheid Vanuit de praktijk wordt de vraag gesteld wat de mogelijkheden zijn van radiocommunicatie op componenten die bewegen met een grote snelheid. Om de invloed hiervan enigszins te kunnen nagaan wordt een mechanisch systeem in het testsysteem geintegreerd (zie fig. 8). Fig.8 : Mechanisch systeem ter simulatie van snelheid Het mechanisch systeem berust op het principe van een luchtcilinder. In de luchtcilinder bevindt zich een magneet die op zijn beurt een externe geleiding magnetisch koppelt. De snelheid is in te stellen door de bediening van een smoorventiel Metingen op verplaatsing In de praktijk is het moeilijk om een identiek stoorpatroon van een industriële omgeving te simuleren (aanwezigheid van metaal, stoorbronnen, ). Daarom wordt het nuttig geacht om de labotesten te toetsen aan de praktijk. Dit zal gebeuren door een aantal in situ testen uit te voeren. Om op een flexibele manier metingen op verplaatsing te kunnen uitvoeren worden alle aangekochte draadloze systemen op een aluminium ondersteun gemonteerd (zie fig. 9). Naargelang de grootte van de draadloze communicatiesystemen wordt een specifieke ondersteun voorzien maar wel met een vast gatenpatroon ter bevestiging. Om enige voorbereiding te kunnen uitvoeren alvorens een meting op verplaatsing uit te voeren worden de vereiste gegevens hieronder in tabelvorm weergegeven. WP 2.2 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem 6

8 gaten diameter 4 b a Draadloos systeem maat a (mm) maat b (mm) Siemens Gigaset M101 Data 84 en MicroHopper Silver Data Stream Bluetooth Training and Application Toolkit BiM Evaluation kit Fig. 9 : Aluminium ondersteunen draadloze communicatiesystemen 3. Simulatie industriële stoorbron In paragraaf 2 wordt vooral aandacht besteedt aan de simulatie van industriële omgevingen zonder rekening te houden met de aanwezigheid van electromagnetische stoorbronnen. In deze paragraaf wordt beschreven hoe verschillende electromagnetische stoorbronnen kunnen gesimuleerd worden. De electromagnetische stoorbronnen worden gesimuleerd voor instraling, ruis en vonken Algemene testopstelling instraling en ruis De testopstelling wordt uitgevoerd met een signaal- of ruisgenerator. Het uitstralen van het electromagnetisch veld gebeurt met behulp van de EMCO probes. Tussen de generator en het eigenlijke uitgestraalde veld bevinden zich een aantal componenten die invloed hebben op de sterkte van het electromagnetisch veld (zie fig. 10) aan de probe. Signaalgenerator of Ruisgenerator Versterker Kabel Probe Fig. 10 : Algemene testopstelling instraling of ruis WP 2.2 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem 7

9 De versterker levert een versterking af van ongeveer 30 db. Afhankelijk van het frequentiegebied dat van toepassing is kan de versterking met een paar eenheden verschillen. Het verlies over de kabel, in functie van de frequentie, wordt weergegeven in fig. 11. Freq. Verzwakking (db) 433 MHz MHz MHz GHz -3 Fig. 11 : Verlies in kabel De antennefactoren van de gebruikte probes kunnen bepaald worden uit de karakteristieken tot een frequentie van 500 MHz. Om de antennefactoren te bepalen bij hogere frequenties wordt volgende benadering toegepast. Twee identieke probes worden op een bepaalde afstand (400mm) van elkaar geplaatst. Aan de hand van het ingestuurde vermogen (via signaalgenerator) en het ontvangen vermogen worden de correctiefactoren bij de verschillende frequenties bepaald. Hierbij wordt verondersteld dat eenzelfde vermogen P heerst ter hoogte van de twee probes. P i P 400 P u met P i = ingestuurd vermogen (signaalgenerator) P u = opgemeten vermogen (spectrum analyzer) P = vermogen heersend aan de probe P = P i K P u = P K met K = antennefactor in db Uit deze 2 vergelijkingen volgt dat K = Pi P u 2 In onderstaande tabel worden de correctiefactoren weergegeven in functie van de frequentie. WP 2.2 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem 8

10 Frequentie (MHz) P i (dbm) P u (dbm) K (db) K gem (db) Algemene testopstelling vonken Via deze simulatie moet het mogelijk zijn om een idee te krijgen van de invloed van de aanwezigheid op vonken (bv. lasmachine). De testopstelling wordt weergegeven in fig. 12. Fig. 12 : Testopstelling vonken Om de vonken te ontwikkelen wordt gebruik gemaakt van een hoogspanningsgenerator. De hoogspanning die gegenereerd wordt bedraagt 20 kv. De vonken worden getrokken tussen een messing plaat en een puntvormige probe. De ganse opstelling wordt in de onmiddellijke omgeving van de draadloze modules geplaatst. Het spectrum van het electromagnetisch veld dat hierdoor wordt opgewekt wordt weergegeven in fig. 13. Fig. 13 : Spectrummeting vonkensimulatie WP 2.2 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem 9

11 3.3. Simulatie Electro-Magnetisch storingen In werkpakket WP1.2 werd een analyse uitgevoerd naar het electromagnetisch stoorpatroon van typische industriële omgevingen. Om deze omstandigheden onder laboratoriumcondities te onderzoeken worden deze gesimuleerd met behulp van de test- en meetapparatuur ter beschikking in het labo. Alvorens over te gaan naar de eigenlijke simulatie dient eerst een analyse uitgevoerd te worden van de spectrums van de aangekochte datacommunicatiesystemen. Van elk aangekocht datasysteem wordt in detail het frequentiegebied onderzocht. Om dit efficiënt te kunnen uitvoeren moeten de specificaties van de verschillende systemen nagegaan worden. Dit wordt weergegeven in onderstaande spectrummetingen (fig. 14). BiM Evaluationkit Siemens Gigaset M101 Data Bluetooth Training and Application Toolkit Micro Hopper 900 De besluiten uit de spectrummetingen worden weergegeven in onderstaande tabel. Systeem Specificaties Aantal kanalen Kanaalbreedte BiM Evaluation kit 433 MHz - FM Bluetooth Training & Appl. kit 2,402 / 2,480 GHz - BT 79 1 MHz Siemens Gigaset M101 Data 1,88 /1,9 GHz - DECT 10 2 MHz Silver Data Stream 2,413 GHz CRC16 MicroHopper / 928 GHz - FHSS WP 2.2 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem 10

12 Instraling Met instraling wordt bedoeld dat een bepaald stoorvermogen wordt uitgestuurd bij een bepaalde frequentie. Om dit te realiseren wordt gebruik gemaakt van een signaalgenerator. De aangekochte communicatiesystemen werken in hun specifiek frequentiegebied en met hun specifieke technieken (bv. FHSS, DSSS, ). Bijgevolg dient de signaalgenerator ingesteld te worden volgens deze specificaties. De instellingen worden bepaald aan de hand van de spectrummetingen en worden weergegeven in onderstaande tabel. Systeem Startfrequentie Stopfrequentie Step Dwell time BiM Evaluation kit 432 MHz 434 MHz 200 khz geen Bluetooth Training & Appl. kit 2,400 GHz 2,482 GHz 1 MHz 100 msec Siemens Gigaset M101 Data 1,88 GHz 1,9 GHz 1MHz 2 sec Silver Data Stream 2,41 GHz 2,415 GHz 2,5 MHz 2 sec MicroHopper MHz 930 MHz 500 khz 2 sec De start- en stopfrequentie beschrijven het frequentiegebied dat in de tijd doorlopen wordt. De parameter Step beschrijft met welke frequentiestap het frequentiegebied doorlopen wordt. De dwell time bepaalt de tijdsduur hoelang de ogenblikkelijke frequentie wordt aangehouden. In fig. 15 wordt een voorbeeld gegeven van een instralingspatroon (spectrummeting) met volgende instellingen: startfrequentie = 430 MHz, stopfrequentie = 440 MHz, Step = 500 khz, dwell time = 2 sec Fig. 15 : Spectrummeting instraling Ruis Om ruis op te wekken wordt gebruik gemaakt van een ruisgenerator. De ruisgenerator levert een laag frequent signaal. Om ruis te simuleren bij hoge frequenties wordt het laag frequent signaal gemoduleerd (AM) op een hoog frequent draaggolf. In fig. 16 wordt een AM gemoduleerd ruissignaal weergegeven (in functie van de tijd en de frequentie). WP 2.2 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem 11

13 AM gemoduleerd signaal ifv. de tijd AM gemoduleerd signaal ifv. de frequentie Fig. 16 : AM gemoduleerd ruissignaal Om de invloed van ruis na te gaan op het ganse frequentiegebied wordt ook hier (zoals in paragraaf Instraling) een sweep uitgevoerd in het van toepassing zijnde frequentiegebied. 4. Besluiten In dit werkpakket worden een aantal industriële omgevingen gesimuleerd. De industriële omgevingen die kunnen gesimuleerd worden zijn: - aanwezigheid van metaal - aanwezigheid van een obstakel tussen zender en ontvanger - aanwezigheid van een electromagnetische stoorbron - invloed van snelheid - invloed van het hoogteverschil tussen zender en ontvanger Met behulp van deze simulaties moet het mogelijk zijn om het gedrag van een draadloos communicatiesysteem in een industriële omgeving te simuleren. 5. Literatuur [1] Kraus/Fleisch : ElectroMagnetics with applications, fifth edition. McGraw-Hill International Editions, [2] Clayton R. Paul : Introduction to Electromagnetic Compatibility. John Wiley & Sons Inc., [3] Magazine: Bluetooth for designers of personal connectivity solutions. Winter issue. [4] DECT Forum: DECT, the standard explained. WP 2.2 Opzetten van een generiek test- en meetsysteem 12