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Verfahren zur Messung kleiner Wechselsignale
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung kleiner Wechselsignale.
Zur Messung kleiner Hochfrequenzsignale werden entweder besondere Messempfänger oder gute Kommunikationsempfänger verwendet. Bei langdauernden Messungen der Intensität des Hochfrequenzfeldes eines bestimmten entfernten Senders werden vorwiegend Empfänger der zweiten Type verwendet, einerseits mangels guter Messempfänger und ihres hohen Preises wegen, anderseits deshalb, weil solche Emp- fänger oft eine beschränkte Empfindlichkeit im Hinblick auf die in der Regel verwendeten Dioden-Mischer unmittelbar am Empfängereingang besitzen.
Selbst bei besonderen Messempfängern (einschliesslich von Feldmessgeräten), die derartkonstruiert sind, dass der Gewinn möglichst konstant bleibt, muss in verhältnismässig kurzen Intervallen eine Eichung des Gewinnes oder seine Kontrolle mittels einer eingebauten Quelle, die ein Signal von bekannter Grösse liefert, durchgeführt werden. Umso notwendiger ist diese Massnahme bei der Verwendung der üblichen Kommunikationsempfänger, die für Zwecke gebaut sind, wo die Konstanz des Gewinnes nicht ausschlagge- bend ist.
Die als geeichte abgestimmte Mikrovoltmeter geschalteten Empfänger arbeiten entweder mit abgeschalteter automatischer Verstärkungsregelung (im weiteren mit AVR bezeichnet), und mit einer direkten Proportionalität zwischen der Angabe am Empfängerausgang und der Eingangsspannung, oder mit eingeschaltetem AVR und einer annähernd logarithmischen Abhängigkeit zwischen der gemessenen Spannung des AVR und derEingangsspannung. Der Vorteil eines linearen Betriebes unter Voraussetzung einer vorangehenden richtigen Eichung ist die verhältnismässige Genauigkeit der Messung die in der Regel bei einem logarithmischen Betrieb nicht erreichbar ist, u. zw. im Hinblick auf die Abhängigkeit der Regelcharakteristik des AVR von den wirklichen Charakteristiken der verwendeten Elektronenröhren.
Bei linearem Betrieb mit konstantem Gewinn kann jedoch nur ein geringer dynamischer Bereich der gemessenen Signale erzielt werden, der durch die nichtlineare Charakteristik des Demodulators gegeben ist.
Die Nachteile der bisher verwendeten Messverfahren und insbesondere der Registrierung schwacher Radiosignale, wie die Änderungen des Gewinnes und somit die Notwendigkeit einer periodischen Eichung, geringe Genauigkeit bei logarithmischem Betrieb und kleiner dynamischer Bereich bei linearem Betrieb und in manchen Fällen auch die allzu niedrige Selektivität des Empfängers werden durch das erfindungsgemässe Verfahren zur Messung kleiner Wechselsignale mittels eines Empfängers mit starker automatischer von der am Demodulatorausgang auftretenden Gleichkomponente abgeleiteter Verstärkungsregelung, bei dem am Eingang des Empfängers zugleich mit dem zu messenden Signal ein Bezugssignal mit bekanntem Niveau und einer derart nahe benachbarten Frequenz zugeführt wird,
dass der Gewinn für beide Signale in den Grenzen der geforderten Messgenauigkeit als gleich angesehen weden kann und beide Signale am Demodulator des Empfängers eine Schwebung hervorrufen, dadurch beseitigt, dass das Bezugssignal auf ein solches Niveau geregelt wird, dass das zu messende Signal stets kleiner als das Bezugssignal ist und die Grösse der Amplitude des zu messenden Signals aus der Grösse der Amplitude des Bezugssignals und der Grösse der Schwebungswechselkomponente im Verhältnis zur Gleichkomponente, die am Demodulator des Empfängers entstehen, bestimmt wird.
Das erfindungsgemässe Messverfahren ist dadurch vorteilhaft, dass die Messgenauigkeit im Prinzip
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nicht von den Änderungen der Verstärkung abhängig ist und dass Empfänger verwendet werden können, deren Unstabilität der Frequenz die Breite des durch die Verwendung der Erfindung erzielten resultierenden Bandes um ein Vielfaches übertrifft.
Die Erfindung kann daher vorzugsweise bei Feldstärkemessern, abgestimmten Laboratoriums-Mikrovoltmetern undMessempfängern verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist ihre Verwendung in den Vorrichtungen, die für langdauernde Feldstärkemessungen und-registrierungen bei hoher Frequenzstabilität des Signales bestimmt sind.
Das Wesen der Erfindung bildet somit ein Verfahren zur Messung kleiner Wechsel-, in der Regel Hochfrequenzsignale, d. h. Spannung oder Strom, wobei dem Eingang eines eine genügend breite und flache Frequenzkurve aufweisenden Empfängers zugleich mit dem zu messenden Signal ein Bezugssignal mit bekanntem und geeignetem (in der Regel bedeutend höherem) Niveau zugeführt wird. Die Frequenzen beider Signale sind einander nahe benachbart und ihre Werte fallen in den geraden Teil der EmpfängerFrequenzkurve, so dass die beiden Signale im wesentlichen gleich verstärkt werden. Das resultierende Summensignal ist eine Schwebung, deren Umhüllungskurve mit der Differenzfrequenz schwankt. Nach der Demodulation der Schwebung entsteht eine Spannung (oder Strom) mit einer Gleich- und Wechselkomponente.
Aus dem Verhältnis der Grösse der Wechselkomponente (d. h. z. B. der Amplitude der 1. Harmonischen) und der Gleichkomponente wird das Verhältnis der Amplituden beider Signale aus Empfängereingang bestimmt. Die Gleichkomponente am Ausgang des Demodulators in der betreffenden Einrichtung kann vorzugsweise mittels einer AVR-Schaltung auf einem bestimmten Wert gehalten werden, unabhängig von den Änderungen des Empfängergewinnes und wenn das zu messende Signal stets kleiner als das konstante Bezugssignal ist, steht die Wechselkomponente am Demodulatorausgang in einer eindeutigen Beziehung zur Amplitude des zu messenden Signals. Für zu messende Signale, die im Hinblick auf das Bezugssignal genügend klein sind, sind beide Grössen direkt proportional.
Die Wechselkomponente am Demodulatorausgang wird vorteilhafterweise durch ein Schmalbandpass gefiltert. Das Bezugssignal ist feststehend, zeitlich unveränderlich oder wird vorteilhafterweise durch einen Servomechanismus derart eingestellt, da es mit einer geeigneten Zeitkonstante die langsamen Än- derungen des Signalmittelwertes verfolgt, wodurch eine getrennte Aufzeichnung des angeführten Mittelwertes und der raschen relativen Änderungen (Schwund) des Signales ermöglicht wird, welche für die zur Experimentalforschung auf dem Gebiete der Radiowellen-Ausbreitung bestimmten Vorrichtungen wichtig ist.
Das Wesen der Erfindung ist aus den Zeichnungen näher ersichtlich. In Fig. 1 wird das Prinzip des erfindungsgemässen Messverfahrens erläutert. Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung zur. Durchführung des erfindungsgemässen Messverfahrens, bei welcher die Konstanz der Gleichkomponente durch AVR erzielt wird. Fig. 3 erläutert die Möglichkeit einer nachträglichen Aussiebung der Differenzfrequenz und die Frage der resultierenden Bandbreite. Fig. 4 veranschaulicht eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche zur Forschung auf dem Gebiete der Radiowellenausbreitung mit separa- ter Aufzeichnung des Signalmittelwertes und der raschen relativen Schwankungen des Signals verwendbar ist.
Fig. 1 zeigt den resultierenden Signalverlauf am Empfängereingang, welcher Verlauf sich aus der Summe von frequenznahen Hochfrequenz-Sinussignalen ergibt, d. h. des Bezugssignals mit einer Amplitu- de U@ und des zu messenden Signals mit der Amplitude U. Die Amplitude des resultierenden Signals än-
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selkomponente (sinusförmige Komponente) mit einer Amplitude U. Der Fall U > U ist analog, vom praktischenStandpunktausjedochwenigerinteressant, weshalbimweiterenU < U angenommen wird.
Wenn die Empfängerverstärkung für beide Signale gleich ist (gleichgültig ob es sich um direkte Verstärkung oder um eine mit der Transformation'der Frequenz im Mischer eines Überlagerungsempfängers verbundene Verstärkung handelt) ist auch nach der Verstärkung das Verhältnis der Amplitude der Wechselkomponente und der Gleichkomponente der Umhüllungskurve gleich dem Verhältnis U/U und kann durch Messung der Gleichkomponente der Spannung U@ und der Wechselkomponente der Spannung Us am Aus-
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(derponenteU, am Demodulator nicht mehr sinusförmig. Eine eventuelle Abweichung der Abhängigkeit zwi- schenihremgemessenenWertunddemEingangssignal Ux von der Proportionalität hängt vom Verfahren ab, nach welchem die Komponente U, (Effektivwert, Spitzenwert, Amplitude der 1.
Harmonischen u. dgl.) gemessen wird. Die Korrektur kann jedoch durch Berechnung oder Messung bestimmt werden, wenn es wünschenswert ist auch mit den dem Wert U nahen Werten U zu arbeiten. r x
Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel einer Einrichtung zur Messung oder Registrierung der Feldstärke ge- mäss dem erfindungsgemässen Verfahren.
Die Vorrichtung besteht aus einer Antenne 1, einer Bezugssi- gnalquelle 2, einem Block 3, welcher einen HF-Verstärker, Frequenzwandler und Zwischenfrequenzver- stärker eines Überlagerungsempfängers oder den HF-Verstärker eines direkt verstärkenden Empfängers ent- hält, ferner einem linearen Demodulator 4 mit Ausgängen für die Wechselkomponente Us und Gleich- komponente U, einem Gleichstromvoltmeter 5, einer Schaltung 6 zur automatischen Verstärkungsrege- lung AVR, einem Wechselspannungsverstärker 7, der vorzugsweise als selektiver Verstärker ausgeführt ist und aus einem handbetätigten Gewinnregler 8.
Es sei angenommen, dass das Bezugssignal U gegenüber dem grössten Wert des zu messenden Signals Ux genügend gross ist und dass daher die Gleichkomponente U@ am Demodulator von der Grösse des Si- gnals U unabhängig ist. Die Grösse U wird mit einem Gleichstrom-Voltmeter 5 gemessen. Durch Einwir- kung der AVR-Schaltung 6 wird der Wert U stabilisiert und ist nur in geringem Masse von den Schwan- kungen der Temperatur, Speisespannungen, Alterung der Elektronenröhren u. dgl. abhängig. Der genaue (Nenn-) Wert kann noch durch den handbetätigten Gewinnregler 8 nach der Angabe des Voltmeters 5 ein- gestellt werden.
Die Wechselspannung U'" aus dem Demodulator 4 wird von dem Wechselspannungsverstärker 7 mit definiertem Gewinnwert verstärkt. Der Verstärker 7 ist vorzugsweise gemäss der tschechoslowakischen
Patentschrift Nr. 90120 betitelt "Schaltung zur Eichung des GewinnesvonMessverstärkern"geeicht. Die ver- stärkte Spannung U fs die bei konstanten Werten der Bezugsspannung U und der Gleichspannung U der unbekannten Eingangsspannung Ux proportional ist, wird durch ein geeignetes Gerät gemessen oder re- gistriert. Wenn die Registrierung mit einem genügend empfindlichen Gerät vorgenommen wird-z. B. mit einem üblichen, insbesondere in der Akustik verwendeten Pegelschreiber - kann der Verstärker 7 aus der Schaltung weggelassen werden.
Bei besonders hohen Anforderungen an eine langdauernde Konstanz der Einrichtung muss auch eine voll- kommene Konstanz der Spannung U gewährleistet werden, die durch die AVR-Schaltung 6 einer üblichen Art nicht erzielt werden kann. Dieselbe kann in einfacher Weise durch die in Regelsystemen üblichen Mittel erzielt werden, vor allem durch Kompensation des Grossteiles der Spannung U durch eine feste Bezugsspannung, durch Verwendung eines Gleichstromverstärkers in der AVR-Schaltung 'durch Anwendung einer Regelung mittels eines Integrationselementes (Motor mit Potentiometer) u. dgl.
Fig. 3 zeigt die resultierende Frequenzkurve des ganzen in Fig. 2 dargestellten Systems im Falle, dass der Verstärker 7 als Resonanzverstärker ausgeführt ist, der auf die Differenzfrequenz zwischen der Fre- quenz des zu messenden und der Frequenz des Bezugssignales abgestimmt ist und eine weit schmälere Bandbreite als der Block 3 besitzt. Auf der Abszissenachse werden Frequenzen aufgetragen, auf der Ordi- natenachse der relative Wert der Leistungsverstärkung K2. Die Kurve a veranschaulicht die Frequenz- charakteristik des Blockes 3. Das Bezugssignal mit der Frequenz f sowie das zu messende Signal mit der Frequenz f werden in gleicher Weise verstärkt. Die Kurven b.b veranschaulichen die am Ausgang des Verstärkers 7 gemessene resultierende Frequenzkurve.
Ausser dem geraden Kanal b1 entsteht auch ein Spie- gelkanal b2, der teilweise unterdrückt werden kann.
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des von Rundfunksendern und bei Benützung eines Kristalloszillators ls Bezugssignalquelle 2 der Fall ist, kann das Band des Verstärkers 7 weit schmäler gewählt werden als die technisch erreichbare Bandbreite bei einem Block 3 üblicher Konstruktion. Dadurch kann man das Geräusch und Störungen der Messung durch andere Signale auch dann wesentlich einschränken, wenn der Spiegelkanal nicht wirksam unterdrückt werden kann ; dabei sind die an die Bandbreite und Stabilität des Empfängers (d. h. Block 3) gestellten Forderungen minimal.
Aus dem angeführten Beispiel geht hervor, dass das erfindungsgemässe Verfahren sehr geringe For-
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derungen an die Frequenzkonstanz, Selektivität und Konstanz der Verstärkung des Blockes 3 stellt, welch letztercr deshalb billig und einfach konstruiert werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei manchen Verwendungsarten, bei welchen das zu messende Signal nicht identifiziert werden muss (kleine Feldstärkemessgeräte für Einzweckverwendung u. dgl.) ein sehr starkes Signal U@ (welches z. B. das Sii gnal U um 60 dB übersteigt) verwendet werden kann, welches genügt, um den Demodulator 4 in den linearen Teil bei relativ kleinem Gewinn des Hochfrequenz-und Zwischenfrequenzblockes 3 auszusteuern.
Ein schwaches Wechselsignal am Ausgang des Demodulators 4 kann dann auf die erforderliche Grösse mittels eines Verstärkers 7 verstärkt werden. Diese Übertragung eines Teiles des Gewinnes in den NF-Teil (vorzugsweise Schmalbandteil) ist insbesondere bei der Verwendung der Transistortechnik vorteilhaft.
Eine direkte Folge der Verwendung des Demodulators 4 in der Funktion eines additiven Mischers ist seine Linearität in bezug auf das zu messende Signal und der hieraus sich ergebende grosse dynamische Bereich der zu messenden Signale, der bei üblichen Empfängern mit konstantem Gewinn unerreichbar ist. Beim Messen oder Registrieren der Ausgangsspannung U mittels eines Gerätes mit logarithmischer Skala (vorzugsweise einem Pegelschreibe ; ;) kann man ohne Verzerrung solche Niveaus aufzeichnen, die um 60 dB, ja sogar mehr differieren. Bei der Messung der U mit einem Gerät mit linearer Skala (z. B. mit einem Depresz'schen System mit Gleichrichter) kann der Bereich der in Fig. 2 dargestellten Gesamtschaltung mit einem in den Verstärker 7 eingeschalteten Umschalter vorzugsweise geändert werden.
Der Bereich kann auch durch eine definierte Änderung des Bezugssignals U geändert werden.
Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung ist zur automatischen Aufzeichnung von in einem weiten Niveaubereich schwankenden Signalen bestimmt.
Die Antenne 1. die Bezugssignalquelle 2, der den Hochfrequenzverstärker, Frequenzwandler und Zwischenfrequenzverstärker des Überlagerungsempfängers oder bloss den Verstärker eines direkt verstärkenden Empfängers umfassende Block 3, der lineare Demodulator 4 mit Ausgängen für die Wechselkomponente U, und Gleichkomponente U das Kontroll-Gleichstromvoltmeter 5 dieAVR-Schaltung 6 und der Verstärker 7 sind dieselben wie in der in Fig. 2 dargestellten Schaltung. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Vorrichtung werden ferner ein Gleichrichter 9, eine Quelle 8 einer Bezugs-Gleichspannung ein Leistungsverstärker 10 für die Abweichung A, ein Motor 11, welcher ein Dämpfungsglied 12 mit kontinuierlich veränderlicher Dämpfung antreibt, verwendet.
Dem Eingang des Blockes 3 werden gleichzeitig das zu messende Signal U und das Bezugssignal U', welches durch Abschwächung des konstanten Signals U aus der Bezugssignalquelle 2 mittels des Dämpfungsgliedes 12 entstanden ist, zugeführt. Beide frequenznahen Signale (von welchen vorzugsweise bedeutend grösser als U ist) werden durch den Block 3 in gleichem Masse verstärkt und dem Demodulator 4 zugeführt ; die Gleichkomponente U wird durch die AVR-Schaltung 6 dauernd auf einem konstanten Wert gehalten und fallweise mit dem Voltmeter 5 kontrolliert. Die Wechselkomponente U-, die dem Verhältnis U/U'proportional ist, wird durch den Verstärker 7 verstärkt (vorzugsweise Resonanzvetstärker) und durch den Gleichrichter 9 gleichgerichtet, dessen Ausgangsspannung mit der Bezugs-Gleichspannung aus der Quelle 8 dauernd verglichen wird.
Die Abweichung A beider Spannungen beherrscht über den Verstärker 10 und Motor 11 die Dämpfung des Dämpfungsgliedes 12 in der Weise, dass in stationärem Zustand die Spannung US am Ausgang des Demodulators einen konstanten (Nenn-) Wert aufweist. Im stationären Zustand weist daher auch das Verhält-
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die Spannung U'und daher auch die Lage des Regelelementes des Dämfpungsgliedes 12, die registriert werden kann, den Änderungen des Eingangssignals U.
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von langsamen Änderungen des mittleren Niveaus des Signals unterscheidet, wie dies bei einer andern in der Literatur beschriebenen Einrichtung erzielt wird, (J.
Karpinky in der Zeitschrift Slaboproudy Obzor 20/1959/Nr. 5, Seite 278), bei welcher das gesteuerte Dämpfungsglied in den verstärkenden Teil des Empfängers eingeschaltet ist, muss die Übersetzung zwischen dem Motor 11 und dem die Dämpfung des Dämpfungsgliedes 12 änderndenRegelelement. derart gewählt werden, dass der Motor 11 nicht imstande ist, während einer schnellen Änderung (Schwund), die Dämpfung des Gliedes 12 wesentlich zu ändern.
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sich um einen Motor 11 der Integrationstype, einen linearen Verstärker 10 und ein Dämpfungsglied 12 mit linearer Abhängigkeit der Dämpfung in Dezibel vom Vorschub des Regelelementes handelt (vorzugsweise kann man ein sogenanntes Wellenleitdämpfungsglied verwenden), dann ist die Geschwindigkeit der Änderung des Niveaus Ul r, in Dezibel per Sekunde ausgedrückt, der augenblicklichen Abweichung A der Spannung am Ausgang des Gleichrichters 9 von der Bezugsspannung der Quelle 8 proportional. Mit derselben Geschwindigkeit ändert sich auch der Gewinn der ganzen Einrichtung für das zu messende Si-
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gang des Verstärkers 7 bedeutet.
Unter diesen Voraussetzungen sind die dynamischen Eigenschaften des ganzen Systems und die dasselbe beschreibenden diesbezüglichen Differentialgleichungen dieselben wie in dem angeführten Artikel.
Je nach der Gattung des verwendeten Gleichrichters 9 (linear oder quadratisch, d. h. mit einem der
Leistung des zugeführten Signale proportionalem Gleichstromausgang) trennt das System die relativen schnellen Änderungen der Spannung oder Leistung des Signals von dem sich langsam ändernden Mittel- wert (Spannung oder Leistung). Die raschen relativen Änderungen können gemessen und an dem Ausgang des Gleichrichters 9 oder dem Ausgang des Verstärkers 7 registriert werden, die langsamen Änderungen des mittleren Niveaus des Signals können aus der Lagenaufzeichnung des Regelelementes des Dämpfungs- gliedes 12 bestimmt werden.
Die beschriebene Einrichtung hat bei Aufrechterhaltung der Vorteile der in dem obenangeführten
Artikel beschriebenen Einrichtung insbesondere den Vorteil, dass das Dämpfungsglied mit gesteuerter Dämpfung keinen Bestandteil des Empfängers bildet, so dass für dieses Verfahren leicht jeder Kommu- nikations-oder sogar Rundfunkempfänger mit genügender Empfindlichkeit leicht angepasst werden kann, ferner dass keine periodische Eichung der Apparatur durchgeführt werden muss und dass die an die Frequenzstabilität des Empfängers gestellten Anforderungen verringert sind, bei gleichzeitiger Möglichkeit einer Verengung der resultierenden Bandbreite.
Falls es erforderlich ist, dass das Dämpfungsglied augenblicklich den Änderungen des Eingangssignals folgt, braucht die Drehgeschwindigkeit des Motors 11 der Abweichung A nicht proportional zu sein. In diesem Falle genügt eine Relaissteuerung des Motors 11. An Stelle des Motors 11 kann in diesem Falle auch ein Depresz'sches oder anderes System verwendet werden, das eine der Abweichung A proportionale Kraft oder einMoment erzeugt, welche das Dämpfungsglied und dadurch auch das ganze System in einen annähernd ausgeglichenen Zustand versetzt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Messung kleiner Wechselsignale mittels eines Empfängers mit starker automatischer von der am Demodulatorausgang auftretenden Gleichkomponente abgeleiteter Verstärkungsregelung, bei dem am Eingang des Empfängers zugleich mit dem zu messenden Signal ein Bezugssignal mit bekanntem Niveau und einer derart nahe benachbarten Frequenz zugeführt wird, dass der Gewinn für beide Signale in den Grenzen der geforderten Messgenauigkeit als gleich angesehen werden kann und beide Signale am Demodulator des Empfängers eine Schwebung hervorrufen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugssignal auf ein solches Niveau geregelt wird,
dass das zu messende Signal stets kleiner als das Bezugssignal ist und die Grösse der Amplitude des zu messenden Signals aus der Grösse der Amplitude des Bezugssignals und der Grösse der Schwebungswechselkomponente im Verhältnis zur Gleichkomponente, die am Demodulator des Empfängers entstehen, bestimmt wird.