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Verfahren und Einrichtung zur Messung mindestens einer bei der Ubertragung
eines modulierten Hochfrequenzsignals auftretenden Verzerrungskomponente Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Messung mindestens einer bei der Übertragung eines modulierten
Hochfrequenzsignals auftretenden Verzerrungskomponente sowie Einrichtungen zur Ausübung
dieses Verfahrens.
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Werden von einem Sender ausgehende, mit einer Nachricht, beispielsweise
mit einem Fernsehprogramm modulierte Hochfrequenzwellen z. B. über ein Trägerfrequenzsystem
auf Leitungen oder über ein Funkfeld übertragen, so zeigen sich am Ausgang des Übertragungssystems
bisweilen Verzerrungen in der Amplitude und in der Phase des Ausgangssignals. In
Fig. 1 ist für einen mit einer Sinusschwingung modulierten Träger T die Ortskurve
E - z. B. eine Ellipse - dargestellt, auf der sich die Spitze des das Hochfrequenzausgangssignal
darstellenden Zeigers S bewegt, wenn beispielsweise bei Zweiseitenband-Amplitudenmodulation
im Übertragungsweg das eine Seitenband geschwächt wird und das andere - Seitenband
in der Phase vorauseilt. Der Zeiger S des Hochfrequenzausgangssignals erscheint
dann am Ausgang des Übertragungssystems mit der Signalspannung zusätzlich um den
Phasenwinkel phasenmoduliert. Bei Gleichrichtung ergibt sich daher das niederfrequente
Ausgangssignal des Übertragungssystems zu I S | = es treten also die sogenannten
Quadraturverzerrungen auf. Reine Amplitudenverzerrungen machen sich in Änderungen
des Betrages des Vektors T bemerkbar, reine Phasenverzerrungen durch Anderung des
Betrages von Q. Der aus T und Q sich ergebende Vektor S wandert mit seiner Spitze
P auf der Ortskurve E, und zwar mit einer von dem Nachrichtensignal abhängigen Zeitfunktion.
Die bisher übliche Messung der Größe S ist unzureichend, da auf diese Weise die
Amplitudenverzerrungen und die Phasenverzerrungen nicht gesondert erfaßt werden
können.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur
Ausübung dieses Verfahrens, die es ermöglichen, in jedem Fall mindestens eine beliebige
Verzerrungskomponente zu messen, also beispielsweise die Amplitudenverzerrung, die
sich durch Änderung der Größe von T bemerkbar macht, oder die sogenannte Quadratur-
oder Phasenverzerrung, die sich in einer Änderung des Betrages von Q äußert.
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Gemäß der Erfindung wird dem verzerrten Hochfrequenzsignal ein Hilfsträger
gleicher Frequenz, dessen
Phasenlage mit der der zu messenden Verzerrungskomponente
zusammenfällt, überlagert und die aus dieser Überlagerung sich ergebende Gleichstrom-
bzw.
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Niederfrequenzkomponente als Maß für die Verzerrungskomponente benutzt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man das dem Übertragungssystem
entnommene Hochfrequenzausgangssignal s durch die Gleichung s = U1{H1(t) cos Q t
+ H2 (t) sinkt} (1) beschreiben kann. Darin bedeutet U1 die Amplitude des ursprünglichen
Hochfrequenzsignals, Q t die Zeitfunktion des Hochfrequenzsignals, H1 (t) ein Maß
für die Größe T in Fig. 1 und H2(t) ein Maß für die Größe Q in Fig. 1.
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Führt man dieses Signal s - so wie in Fig. 2 gezeigt einer Überlagerungsstufe,
beispielsweise einer Mischhexode, als Steuerspannung Ug1 zu und speist das zweite
Steuergitter mit einem Hilfsträger U,,2= U2 cos (Qt + ), so ergibt sich im Ausgang
der als Multiplikationsstufe aufzufassenden Überlagerungsstufe ein Anodenstrom J,,
der sich aus der Gleichung Ja = k. U,1. Ue2 = kU1. U2. {H1(t) cosQt. cos (Qt + )
+ H2(t) sinkt cos (Qt + )} (2) errechnen läßt. Darin bedeutet k eine Röhrenkonstante.
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Sollen beispielsweise die Amplitudenverzerrungen bestimmt werden,
so wählt man g = 0, womit sich die Gleichung (2) vereinfacht zu
Durch Unterdrückung der Glieder mit der doppelten Trägerfrequenz
2 Qt, d. h. durch Aussiebung des konstaaten Gliedes, ergibt sich somit im Anodenstrom
eine Komponente Jai = k U1- 2 2 H1(t) 2 (4) Aus dieser KomponenteJ,,, die bei moduliertem
Träger U1 eine Niederfrequenzgröße, sonst eine Gleichstromgröße ist, können also
bei konstanten Amplituden U und U2 unmittelbar die im Übertragungssystem auftretenden
Amplitudenverzerrungen entnommen werden.
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Wählt man in Gleichung (2) den Phasenwinkel ç = 900, so verschwindet
das Glied mit H1 (t), und es ergibt sich J,, kU1. 2 H2 (t) (5) 2 Die KomponenteJa2
ist demnach ein unmittelbares Maß für die Quadraturverzerrung, die ihre Ursache
in der Größe Q (Fig. 1) findet.
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Wird der Phasenwinkel 99 beliebig zwischen 0 und 90° gewählt, so
wird jeweils gerade die Verzerrungskompo nente für sich allein gemessen, die mit
dem Hilfsträger phasengleich ist.
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Analog sind das Verfahren nach der Erfindung und die Einrichtung
zur Ausübung dieses Verfahrens auch zur Untersuchung von Übertragungssystemen verwendbar,
bei denen ein Niederfrequenzsignal mittels eines anderen Modulationsverfahrens,
z. B. Frequenzmodulation, übertragen wird.
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Zweckmäßig wird der Hochfrequenzträger vor der Einspeisung in das
bezüglich Verzerrungen zu prüfende Übertragungssystem mit einem Normsignal moduliert.
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Besonders geeignet ist als Normsignal der sogenannte Einheitssprung,
der bei anderen bekannten Meßverfahren dieser Art bereits vielfach Anwendung findet.
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Einige Ausführungsbeispiele für Einrichtungen werden beschrieben
und erläutert, die zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung Verwendung finden
können.
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In Fig. 3 ist eine vollständige Meßanordnung schematisch dargestellt,
die sowohl die sendeseitige als auch die empfangsseitige Meßeinrichtung für das
zu prüfende Übertragungssystem 1 umfaßt. Eine Hochfrequenzquelle 2 speist Hochfrequenzenergie
in einen Modulator 3 ein, wo sie mit dem vom Oszillator 4 kommenden Normsignal,
z. B. einem Einheitssprung, moduliert wird. Das so modulierte Signal wird über das
zu prüfende Obere tragungssystemi gegeben, an dessen Ausgang zwei Überlagerungsstufen
5 und 6 angeschaltet sind. Diese beiden Überlagerungsstufen werden außerdem mit
einem Hilfsträger aus einer Hochfrequenzquelle7 gespeist. In die Zuleitung von der
Hochfrequenzquelle7 zur Überlagerungsstufe 6 ist ein Phasenschieber 8 eingeschaltet,
der es ermöglicht, den Phasenwinkel f des Hilfsträgers gegenüber dem aus dem Übertragungssystem
1 kommenden Hochfrequenzsignal in der Mischstufe 6 zu variieren. Die Hochfrequenzquelle7
ist dabei derart eingestellt, daß der von ihr erzeugte Hilfsträger die gleiche Frequenz
wie der eigentliche Hochfrequenzträger besitzt und mit diesem in der Mischstufe
5 gleichphasig ist. Beide Überiagerungsstufen 5, 6 speisen die an ihrem Ausgang
auftretenden Komponenten (Jai bzw. Ja 2) in die Anzeigevorrichtung 9, beispielsweise
in einen Zweistrahloszillographen, ein. Wird im Phasenschieber 8 der Phasenwinkel
f = 90° eingestellt, so liefert die Überlagerungsstufe 6 die Komponente Ja2 und
die Überlagerungsstufe5 die Komponente Jai. Bei Verwendung eines Zweistrahloszillographen
können beide Komponenten gleichzeitig auf dem Anzeigeschirm gezeigt werden Wird
an Stelle eines Zweistrahloszillographen
ein Oszillograph mit Ablenkung in kartesischen
Koordinaten benutzt und der Ablenkvorrichtung für die Abszisse beispielsweise die
Komponente Ja2 und der Ablenkvorrichtung für die Ordinate die Komponente Jai zugeführt,
so zeigt der Oszillograph unmittelbar die Ortskurve des Übertragungssystems, ähnlich
wie sie in Fig. 1 mit E bezeichnet dargestellt ist.
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Die oszillographische Anzeigevorrichtung muß nicht unbedingt eine
Braunsche Röhre mit elektrostatischer oder magnetischer Ablenkung sein, sondern
kann auch eine andere der bekannten Oszillographeneinrichtungen, beispielsweise
ein Schleifenoszillograph, sein. Die Komponenten können auch unmittelbar mit Meßinstrumenten
bestimmt werden, was vor allem dann zweckmäßig ist, wenn es sich um eine genaue
meßtechnische Erfassung dieser Größen handelt.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Hilfsträger
auf der Empfangsseite des Übertragungssystems 1 neu gewonnen. Dies ist in der Praxis
nicht zwingend erforderlich, vielmehr kann der Hilfsträger in ähnlicher Weise, wie
es von Einseitenbandempfängern her bekannt ist, in der Empfangsvorrichtung aus dem
eigentlichen Senderträger wiedergewonnen werden. Bei Meßobjelrten mit geringer räumlicher
Ausdehnung oder bei Schleifenbildung des zu untersuchenden Übertragungssystems ist
es auch möglich, die Quellen 2 und 7 durch einen einzigen Generator, z. B. durch
die Quelle 2, zu ersetzen. Auch kann z. B. die Quelle 2 über eine zusätzliche Leitung
die Überlagerungsstufen 5 und 6 speisen.
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In Fig. 4 ist gezeigt, wie eine Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens
nach der Erfindung ausgebildet werden kann, wenn nur eine Verzerrungskomponente
zu bestimmen ist. Es entfällt in diesem Fall ein Zweig für die Überlagerung. Zweclsmäßig
wird zwischen die Hochfrequenzquelle7 für den Hilfsträger und die Überlagerungsstufe
5 ein einstellbarer Phasenschieber 8 eingeschaltet. Die einzelnen Teile dieser Einrichtung
arbeiten gleichartig zu den entsprechenden Teilen der Einrichtung nach Fig. 3, so
daß sich ein weiteres Eingehen auf das Arbeiten dieser Teile erübrigt.
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In Fig. 5 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die es ermöglicht,
unmittelbar die Verzerrungen einer Komponente zu bestimmen. Die Einrichtung ist
auf der Sendeseite des Übertragungssystems 1 ebenso ausgebildet wie die Einrichtung
nach Fig. 3. Auf der Empfangsseite findet zunächst auch in gleicher Weise die Überlagerung
mit einem Hilfsträger in der Überlagerungsstufe 5 statt, so daß am Ausgang der Überlagerungsstufe
5 eine Komponente Ja auftritt, welche die Komponente Jai oder die Komponente Ja2
sein kann, je nach dem im Phasenschieber 8 eingestellten Phasenwinkel 93 zwischen
Hochfrequenzsignal und Hilfsträger. Nun wird zusätzlich in der empfangsseitigen
Einrichtung in einer Stufe 10 das Modulationssignal nochmals neu erzeugt und mittels
einer Synchronisationsleitung 11, die an den Ausgang der Überiagerungsstufe 5 angeschaltet
ist, auf Phasengleichheit, bezogen auf den Ausgang des Übertragungs systems 1, mit
dem ursprtlnglichen, vom Oszillator 4 kommenden Modulationssignal gebracht. Das
in der Stufe 10 neu erzeugte Modulationssignal, z. B.cler- Einheitssprung, wird
über eine Nachbildung 12 für ein ideales Übertragungssystem einer Differenzschaltung
D zugeführt, die die Ausgangsspannung des idealen Üb ertragungssystems 12 von der
Ausgangsspannung, d. h. der Komponente J,, der Überlagerungsstufe 5 abzieht, wie
in anderem Zusammenhang bereits vorgeschlagen worden ist. Die Differenzspannung,
das ist die Verzerrung selbst, wird dann gleichartig wie bei den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen einer Anzeigevorrichtung
9 zugeführt, die
beispielsweise ein Kathodenstraliloszillograph sein kann. Wird die Einrichtung nach
Fig. 5 entsprechend der Einrichtung nach Fig. 3 mit einem weiteren Meßzweig, d.
h. mit einer weiteren Überlagerungsstufe, gegebenenfalls einer weiteren Nachbildung
und einer weiteren Differenzschaltung versehen, so lassen sich unmittelbar die absoluten
Amplituden- und Quadraturverzerrungen bestimmen. Wird die der Amplitudenverzerrung
proportionale elektrische Größe der einen Ablenkvorrichtung und die der Quadraturverzerrung
proportionale elektrische Größe der anderen Ablenkvorrichtung eines Oszillographen
für kartesische Koordinaten zugeführt, so läßt sich unmittelbar die Ortskurve der
Verzerrungen mittels des Oszillographen schreiben. Bei getrennter Messung beider
Komponenten ist eine gleichzeitige Registrierung der Verzerrungen von Haupt- und
ouadraturkomponente mit einer derartigen Einrichtung möglich. Im übrigen gelten
auch für diese Einrichtung ebenso wie für die anderen Ausführungsbeispiele die einleitend
bezüglich des Phasenwinkels t und der Meß- bzw. Anzeigevorrichtung ge machten Ausführungen,
was auch bezüglich der Zusammenlegung der Quellen 4 und 10 zutrifft.