Radiated transient interferences in digital communication systems

Abstract

In the Electromagnetic Compatibility research area, an unsolved interference problem is the measurement and evaluation of the distortion produced by radiated transient disturbances on digital communication systems. This impulsive noise, which is generated by switching devices or by sparks, is a broadband interference that covers the spectrum from DC to several hundreds of megahertz or some gigahertz. Additionally, this man-made noise is characterized by its short and random burst parameters, which make really challenging to measure it correctly. During the thesis, we have explained that impulsive noise is not properly measured and evaluated to prevent interference scenarios, when the EMC standard methodologies are applied. Detectors, such as the quasi-peak, frequency sweep measurements or signal-to-noise limiting evaluation described in the harmonized standards of the electromagnetic compatibility do not enable to determine beforehand the influence of transient interferences.

Our strategy to overcome the non-profit measurement has been to perform novel measurement and evaluation techniques beyond EMC standards. The measurement technique developed joins the capabilities of EMI receivers and oscilloscope instrumentations to capture accurately the radiated transient interference. To carry out the measurement, the input stage of the EMI receiver is used for filtering and pre-amplifying purposes, conducting the IF output towards the oscilloscope, which is used for triggering and storage. Furthermore, a final post-processing stage is needed to obtain in time-domain the in-phase and quadrature components of the transient interference.

Once the radiated transient interference has been measured properly, an accurate evaluation of the distortion produced to a digital communication system can be estimated. To evaluate the impact of the transient interference, a combination of the time-domain measurement with base-band simulation has been proposed to fulfil the thesis goal. The IQ time-domain measurement enables us to characterize the impulsive-noise present at the communication channel and determine the distortion produced to the digital communication system by means of base-band simulation. The procedure to determine the BER using the base-band simulation has been validated with experimental results, comparing the results reached with the developed methodology with the ones obtained when a communication system device is placed under radiated transient. Excellent results have been obtained employing the developed methodology, considering the interference produced by radiated transient to RFID or GSM communication systems

Additionally, a new measurement methodology to obtain the amplitude probability diagram (APD) has been developed, offering the possibility to determine the bit-error-rate including limit lines at the APD diagram. This measurement method, based on captures obtained from a general purpose oscilloscope, makes it possible to obtain the APD measurement at any frequency band with the same accuracy provided by an EMI receiver. Furthermore, the post-processing tools using mathematical software produce the APD results rapidly at any bandwidth, and this makes it more powerful than employing an EMI receiver. The successful APD measurement system created is able to obtain the full-spectrum statistical measurement, employing several time-domain captures which can be acquired in practice immediately. In the final chapter of this thesis, the GSM system is interfered by radiated transients produced by sparks. The results provided by the APD diagram including the limit dots have been especially useful due to its fast capacity to interpret and quantify the degradation produced to the GSM system.

En el camp de recerca de la compatibilitat electromagnètica, una de les problemàtiques no resoltes és la mesura i avaluació de les interferències produïdes per transitoris radiats sobre els equips de comunicació digitals. Aquest tipus de soroll impulsiu, que es genera per la commutació d' equips electrònics o guspires, és una interferència de banda ampla que ocupa l' espectre radioelèctric fins a diversos centenars de megahertz o algun gigahertz. A més, aquest soroll es caracteritza per la seva curta durada i l'aleatorietat dels seus paràmetres, i això fa que sigui molt complicat mesurar correctament la interferència. Al llarg de la tesi, hem explicat que el soroll impulsiu no es mesura ni s'avalua adequadament per evitar escenaris d'interferències si s'utilitzen les metodologies definides als estàndards d' EMC. Els detectors, com el de quasi-pic, l'escombratge en freqüència o l'avaluació basada en els límits relacionats amb la relació senyal a soroll no són vàlids per anticipar la influència de les interferències transitòries. La nostra estratègia per solucionar els problemes de les mesures normatives ha estat desenvolupar noves tècniques de mesura i avaluació fora dels estàndards d'EMC. La tècnica de mesura desenvolupada combina les capacitats dels receptors EMI i els oscil·loscopis per capturar la interferència transitòria radiada. Per realitzar les mesures, l'etapa d'entrada del receptor EMI s¿utilitza amb la finalitat de filtrar i preamplificar, enviant la sortida IF cap a l'oscil·loscopi, que es fa servir per detectar i emmagatzemar els transitoris. Per últim, en l'etapa de postprocessament, s'obtenen en el domini del temps els components en fase i en quadratura de la interferència transitòria. Una vegada s'ha mesurat adequadament la interferència radiada, es pot estimar correctament la distorsió produïda sobre els sistemes de comunicació digitals. Per avaluar l'impacte de la interferència transitòria i així complir amb l'objectiu de la tesi, s'ha proposat combinar les mesures en el domini del temps amb la simulació en banda base. La mesura IQ en el domini del temps ens permet caracteritzar el soroll impulsiu present al canal de comunicació i així determinar la distorsió produïda al sistema de comunicació digital mitjançant la simulació en banda base. El procediment per determinar el BER fent servir la simulació en banda base ha estat validat amb resultats experimentals, i s'han comparat els resultats obtinguts utilitzant la metodologia desenvolupada amb els resultats proporcionats directament col·locant un dispositiu sota la influència de transitoris radiats. Els excel¿lents resultats obtinguts considerant interferències produïdes sobre sistemes RFID i GSM han estat publicats. D'altra banda, també s'ha desenvolupat un nou mètode de mesura per adquirir el diagrama de probabilitat d¿amplitud (APD), oferint la possibilitat de determinar la probabilitat d'error en el bit incloent límits en el diagrama APD. Aquest mètode de mesura, basat en captures obtingudes mitjançant un oscil·loscopi de propòsit general, fa possible obtenir la mesura APD en qualsevol banda freqüencial amb la mateixa exactitud que proporciona un receptor EMI. A més, amb les eines de postprocessament desenvolupades és possible produir els resultats APD ràpidament i amb qualsevol amplada de banda, i això fa que sigui un mètode de mesura més potent que no pas utilitzar un receptor EMI. L'exitós sistema de mesura creat per obtenir l'APD és capaç d'obtenir la mesura estadística en tot l'espectre radiolèctric utilitzant poques captures en el domini del temps, les quals a la pràctica soón adquirides de forma inmediata. Al capítol final de la tesi, el sistema GMS és interferit per transistors radiats produïts per guspires. El resultat proporcionat pel diagrama APD, incloent-hi els límits, és especialment útil gràcies a la seva rapidesa per interpretar i quantificar la degradació produïda sobre el sistema GSM.