DE102004043689A1

DE102004043689A1 - Sine shaped signals generation method for sensor applications, involves adjusting pulse amplitude of a temporarily defined reflective pulse train so that sequential reflection impulse represent scanning function of high frequency sine wave

Info

Publication number: DE102004043689A1
Application number: DE200410043689
Authority: DE
Inventors: Alfred Brühn; Xenia Brühn
Original assignee: Sciknowtec GmbH
Current assignee: Sciknowtec GmbH
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-11
Also published as: DE102004043689B4

Abstract

The method involves switching impulses of an impulse frequency set point at an input of two `m` arrangements. A pulse amplitude of a temporarily defined reflective pulse train is adjusted such that sequential reflection impulse represent scanning function of a high frequency sine wave, by controlling a variable terminating impedance. Phase of a signal is designed such that low frequency period corresponds to an interval of 2pi . An independent claim is also included for an arrangement for generation of sine shaped signals.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von sinusförmigen Signalen mit sehr dicht benachbarten Frequenzlagen von nur wenigen Hz. Dies vor dem Hintergrund, höchstauflösende Phasenmessungen zwischen periodischen, i.a. sinusförmigen Signalen zu realisieren, die in nichtoptisch interferometrischen Sensoranwendungen benötigt werden.The The invention relates to the generation of sinusoidal signals with very closely adjacent frequency locations of only a few Hz. This against the background, high-resolution phase measurements between periodic, i.a. to realize sinusoidal signals, which are needed in non-optical interferometric sensor applications.

Für eine hochgenaue Auswertung der Phasenlage von sinusförmigen periodischen Signalen gegenüber einer gegebenen Signalreferenz benötigt man oftmals eine möglichst dicht benachbarte Frequenz, um damit die in ihrer Phase zu messenden Signale zu überlagern (additiv, subtraktiv, durch Abtastung oder multiplikativ), wodurch niederfrequente Signale entstehen und um dann in den Produkt- bzw. Überlagerungsergebnissen die Phasenlagen im tiefen Frequenzbereich auszuwerten.For a highly accurate Evaluation of the phase position of sinusoidal periodic signals compared to a given signal reference is needed often one possible closely adjacent frequency so as to be measured in their phase Overlay signals (additive, subtractive, by sampling or multiplicatively), whereby Low-frequency signals arise and then in the product or overlay results evaluate the phase positions in the low frequency range.

Bei diesen Techniken werden zwei, als „frequenzmäßig dicht beieinander liegend" beschriebene, hochfrequente, meist sinusförmige Signale verwendet. Das eine Signal wird zur Messung genutzt, wobei zwischen dem Eingangssignal und dem die Messanordnung wieder verlassenem Signal eine spezifische Phasenverschiebung auftritt. Diese beiden so in ihrer Phasenlage gegeneinander verschobenen Signale werden dann beide mit der zweiten Frequenz verknüpft (addiert, subtrahiert, gemischt, abgetastet) und evtl. zunächst noch demoduliert und/oder gefiltert, wodurch zwei niederfrequente Signale entstehen, die die gleiche Phasenlage zueinander aufweisen, wie die beiden hochfrequenten Messsignale zwischen Eingang und Ausgang der jeweiligen Messanordnung.at These techniques describe two high-frequency, "frequency-close-to-each other", mostly sinusoidal Signals used. The one signal is used for the measurement, wherein between the input signal and the measurement arrangement again abandoned Signal a specific phase shift occurs. These two be in their phase position against each other shifted signals then both linked to the second frequency (added, subtracted, mixed, scanned) and possibly initially demodulated and / or filtered, producing two low-frequency signals that the have the same phase relationship to each other, as the two high-frequency Measuring signals between input and output of the respective measuring arrangement.

Anwendungen dieser Technik sind im hier vorliegenden Kontext vorgesehen bei hochgenauen Laufzeitmessungen in sensorischen Anwendungen. So z.B. um den Abstand zwischen Funkpartnern bestimmen zu können, um generell Messanwendungen in phasenabhängigen (nicht nur linearen) Systemen höchst genau realisieren zu können, so z.B. die Nutzung und Anwendung des Sagnac-Effektes auch mit nichtoptischen Methoden, ebenso die Anwendung des Fizteau-Effekt usw. Die Anwendung hochgenauer Phasenmessungen ist weit gehend und beliebig auf verschiedenste Bereiche der Messtechnik ausdehnbar.applications This technique is provided in the context herein highly accurate transit time measurements in sensory applications. For example, to determine the distance between radio partners to Generally measuring applications in phase-dependent (not only linear) Systems highest to be able to realize exactly e.g. the use and application of the Sagnac effect even with non-optical Methods, as well as the application of the Fizteau effect, etc. The application High-precision phase measurements is broad and arbitrary Areas of metrology expandable.

Eine derartige Phasenmessung wird also um so höher auflösend, je größer das Verhältnis zwischen der (HF-)Messfrequenz und diesem Frequenzabstand konstruiert werden kann; sie wird daher um so empfindlicher, je höher die Frequenz der Messsignale und je kleiner die Frequenzdifferenz der verwendeten hochfrequenten Signale gewählt werden kann.A Such phase measurement is thus the higher the resolution, the greater the ratio between (RF) measurement frequency and frequency spacing can; Therefore, the higher the frequency of the measuring signals, the more sensitive it becomes and the smaller the frequency difference of the high-frequency used Signals selected can be.

Mit derartigen Techniken können dann sensorische Aufgabenstellungen gelöst werden, die ein so hohes Auflösungsvermögen aufweisen, wie das sonst nur noch bei der Anwendung interferometrischer Techniken bekannt ist.With such techniques then sensory tasks are solved that are so high Have resolving power, as otherwise only in the application of interferometric techniques is known.

Da die Frequenzdifferenz der eingesetzten hohen Frequenzen auch die Frequenz der Überlagerungssignale (Hüllkurvenfrequenz der Schwebung, niederfrequente Komponente des Mischsignals, usw) definiert, diese Frequenz aber wiederum das maximale zeitliche Auflösungsvermögen der Messung bestimmt, ist die minimale Frequenz dieser Überlagerungssignale und damit der minimal erlaubte Frequenzabstand der hohen Frequenzen nach unten hin begrenzt, darf aber in einigen Anwendungen auch durchaus weniger als 1 Hz betragen.There the frequency difference of the high frequencies used also the Frequency of the overlay signals (envelope frequency the beat, low-frequency component of the composite signal, etc.), this frequency, in turn, the maximum temporal resolution of the Measurement determines the minimum frequency of these heterodyne signals and thus the minimum allowed frequency spacing of the high frequencies limited down, but may well in some applications less than 1 Hz.

Die Wahl einer möglichst hohen Frequenz, ist i.a. ebenfalls nur eingeschränkt möglich: So ist z.B. die Wahl von Trägerfrequenzen, die z.B. bei einer drahtlosen Kommunikation eingesetzt werden sollen, durch den jeweils verwendeten Kanal ohnehin definiert, so ist der Einsatz sehr hoher Frequenzen (z.B. einige GHz) bei einigen sensorischen Prinzipien nicht möglich oder nicht opportun, so sind hohe Frequenzen ohnehin technisch meist nur bis zu bestimmten Grenzen einfach möglich zu erzeugen.The Choosing one as possible high frequency, i.a. also possible only to a limited extent: for example, the vote of carrier frequencies, the e.g. to be used in a wireless communication, defined anyway by the channel used in each case, so is the Use of very high frequencies (e.g., a few GHz) in some sensory Principles not possible or not opportune, so high frequencies are technically mostly anyway only up to certain limits easily possible to produce.

Mit derartigen (und anderen) Vorgaben für die Frequenzwahl innerhalb einer geplanten Anwendung wird man also i.a. leben und entsprechende Kompromisse treffen müssen.With such (and other) specifications for frequency selection within a planned application will therefore i.a. live and appropriate compromises have to meet.

Will man die Auflösung einer Phasenmessung unter den jeweils gegebenen Bedingungen maximal steigern, bleibt nur, die Frequenzabstände zwischen den in einer konkreten Anwendung genutzten Sinussignalen so klein wie gerade noch möglich, also so „dicht benachbart" wie möglich auszubilden, und die eingesetzten hohen Frequenzen so hoch wie irgend möglich zu wählen.Want one the dissolution a phase measurement under the given conditions maximum increase, only remains, the frequency distances between in a concrete Application used sinusoidal signals as small as just possible, so so "dense neighboring "like possible training and the high frequencies used as high as any possible to choose.

Bei einigen Anwendungen können dabei u.U. bei einer Nachbarschaft von z.B. nur 1Hz, oder sogar noch deutlich darunter, durchaus Frequenzen bis weit in den GHz-Bereich hinein vorkommen.at some applications can here u.U. at a neighborhood of e.g. only 1Hz, or even even lower, but quite well into the GHz range occur in it.

Je höher nun aber die gewünschten hohen Frequenzen liegen, desto schwieriger ist es i.a. auch, zwei Signale mit derartig dicht benachbarter Frequenzlage zu erzeugen.ever higher now but the desired ones high frequencies, the harder it is i.a. also, two Generating signals with such closely adjacent frequency position.

Die in diesem Zusammenhang bekannten Techniken der Mischverfahren sind dazu nur eingeschränkt einsetzbar. Das Mischen von einem hochfrequenten und einem niederfrequenten Signal erzeugt zwar zwei Frequenzkomponenten mit geringer Differenzfrequenz, diese liegen aber nicht getrennt vor und die Trennung ist um so schwieriger, je geringer die Frequenzdifferenz ausgeprägt sein soll, ab einer bestimmten Grenze nach unten hin sogar unmöglich. Eine Frequenzdistanzen von z.B. 1 Hz im hohen MHz-Bereich zu erzeugen, ist so nicht mehr möglich.The techniques of the mixing methods known in this context can only be used to a limited extent for this purpose. Although the mixing of a high-frequency signal and a low-frequency signal produces two lower frequency components Difference frequency, but these are not separated and the separation is more difficult, the lower the frequency difference is to be pronounced, from a certain limit downwards even impossible. It is no longer possible to generate a frequency distance of eg 1 Hz in the high MHz range.

Andere Techniken sind bekannt: Z.B. aus DE 38 28 028 A1 ist bekannt, wie eine technische Nachbildung der Formeln von Additionstheoremen der Trigonometrie genutzt werden kann, um aus einer gegebenen hohen Frequenz durch hinzufügen niederfrequenter Sinus- und Cosinus-Komponenten eine zu der gegebenen Hochfrequenz zweite Hochfrequenz mit (fast) beliebiger Nähe zur gegebenen Frequenz zu erzeugen.Other techniques are known: for example DE 38 28 028 A1 It is known how a technical simulation of the formulas of trigonometry addition theorems can be used to generate from a given high frequency by adding low frequency sine and cosine components a second radio frequency of (almost) any proximity to the given frequency to the given radio frequency ,

Die zur Realisation eingesetzten Komponenten müssen aber dazu die jeweils höchste vorkommende Frequenz noch verarbeiten können. Im Bereich oberhalb einer technisch jeweils aktuell vorgegebenen Grenze sind derartige Schaltungen daher nur mit einem erheblichen konstruktiven Aufwand – vor allem für die notwendigen Multiplikationen – beherrschbar.The But the components used for the realization have to be the respective ones highest occurring frequency can still process. In the area above one Technically each currently preset limit are such circuits therefore only with a considerable design effort - especially for the necessary multiplications - manageable.

Auch Modifikationen dieser Additionstheoremnachbildungen, in denen vor allem der Aufwand für die Multiplikationen verringert wird, indem z.B. Schaltfunktionen eingesetzt werden, stoßen letztendlich im mittleren Frequenzbereich an technische Grenzen.Also Modifications of these addition theorem replicas, in which all the effort for the multiplication is reduced by e.g. switching functions be inserted, bump ultimately in the medium frequency range to technical limits.

In der bis jetzt noch nicht offengelegten DE 103 51 416 wird beschrieben, wie durch eine Umschaltabtastung aus niederfrequenten, sinusförmigen Signalen zwei dicht benachbarte Hochfrequenzsignale erzeugt werden können.In the not yet revealed DE 103 51 416 It is described how two closely adjacent high-frequency signals can be generated by a switching scan of low-frequency, sinusoidal signals.

Die Erzeugung dicht benachbarter Frequenzen durch eine solche Umschaltabtastung erlaubt die Anwendung bis in Frequenzbereiche, die sich aus den Eigenschaften der eingesetzten Schalterfunktionen ergibt. Wenn diskrete Bauelemente eingesetzt werden, sind derzeit etwa Nanosekunden für Ein- und Ausschaltvorgänge technisch realistisch (t_on, t_off ≈ 1 ns). Nimmt man an, dass jede Schaltflanke ca. ein Drittel der ON-OFF-Gesamtzeit betragen darf, so liegt die Dauer einer solchermaßen geprägten Schaltperiode bei etwa drei Nanosekunden. Da mindestens vier Schalter an der Umschaltabtastung beteiligt sind, sind die erreichbaren Perioden der generierten HF (die aus vier solcher Schaltperioden besteht) mit 12 Nanosekunden, entsprechend 83 MHz anzusetzen.The generation of densely adjacent frequencies by such a switching scan allows the application in frequency ranges, which results from the characteristics of the switch functions used. When discrete devices are used, about nanoseconds are currently technically realistic for turn-on and turn-off (t _on , t _off ≈ 1 ns). Assuming that each switching edge may amount to approximately one third of the ON-OFF total time, the duration of such an impressed switching period is approximately three nanoseconds. Since at least four switches are involved in the switching scan, the achievable periods of the generated RF (which consists of four such switching periods) must be set at 12 nanoseconds, corresponding to 83 MHz.

Mit einigen technischen Maßnahmen (z.B. verschmelzen der T_on-Zeit des Folgeschalters mit dem T_off des jeweiligen Vorgängerschalters und einigen speziellen Filtertechniken) sind mit diskreten Elementen etwa 100MHz noch beherrschbar.With some technical measures (for example, the _on- time of the sequential switch merges with the T _{off of} the respective preceding switch and some special filter techniques), about 100 MHz can still be controlled with discrete elements.

Eine mögliche Steigerung z.B. durch Integration aller beteiligten Komponenten und Schalter in einen einzelnen Chip (z.B. als ASIC) erlaubt auf dem derzeitigen Stand der Technik mit einer Umschaltabtastung theoretisch Frequenznachbarschaften von wenigen Hz durchaus bis in den Gigahertzbereich hinein zu erreichen.A possible Increase e.g. through integration of all components involved and switch into a single chip (e.g., ASIC) allowed in the current state of the art with a shift scan theoretically Frequency neighborhoods of a few Hz well into the gigahertz range reach into it.

Allerdings steht eine solche Integration schon wegen der Kosten nicht immer als Alternative zur Verfügung. Um derartige Kosten zu vermeiden, aber auch, um ohne eine solche ASIC-Entwicklung z.B. nur mit diskreten Elementen in Frequenzbereiche auch oberhalb von 100MHz vorzudringen, wurden neue Verfahren gesucht und in den erfindungsgemäßen Anordnungen realisiert.Indeed such integration is not always because of the costs as an alternative available. To avoid such costs, but also to without such ASIC development e.g. only with discrete elements in frequency ranges also above 100MHz, new methods have been sought and in the inventive arrangements realized.

Es ist bekannt, dass Kabel elektrische Signale, die an dem einem Ende des Kabels eingespeist werden, nach dem Durchlaufen des Kabels am anderen Ende reflektieren. Dies gilt, wenn ein Kabel nicht mit dem Wellenwiderstand Z abgeschlossen ist. Coaxialkabel, symetrische oder paarige Leitungen, Hohlleiter, usw. zeigen hier gleiches Verhalten.It It is known that cables carry electrical signals at one end of the cable, after passing through the cable at reflect the other end. This is true if a cable does not match the Characteristic impedance Z is completed. Coaxial cable, symmetrical or paired lines, waveguides, etc. show the same behavior here.

Wird z.B., wie in 1 dargestellt, ein kurzer Impuls in ein Koaxialkabel eingespeist (1), (5), so entsteht bei offenem Ende (6) eine Reflektion, die mit einem Oszilloskop zusammen mit dem Anregungspuls sichtbar gemacht werden kann. Diese Reflexion stimmt mit dem eingespeisten Puls im wesentlichen überein; meist ist dieser Puls, bedingt durch die Dämpfung des Kabels, allerdings etwas kleiner (2). In den Darstellungen der 1 ist zu jeder Anordnung das am Oszilloskop zu sehende Bild mit dargestellt.For example, as in 1 shown, a short pulse is fed into a coaxial cable ( 1 ) 5 ), this results in an open end ( 6 ) a reflection, which can be made visible with an oscilloscope together with the excitation pulse. This reflection is substantially consistent with the injected pulse; Usually, this pulse, due to the attenuation of the cable, but somewhat smaller ( 2 ). In the representations of the 1 For each arrangement, the image to be seen on the oscilloscope is also shown.

Schließt man das Ende des Kabels kurz (1b (8)), dann ist der reflektierte Puls gleich geformt, kommt aber jetzt invertiert am Eingang wieder an (3). Der Zeitpunkt, an dem die vom Kabelende kommende Reflektion am Eingang sichtbar wird, ist von der Länge der Leitung bzw. von der Signallaufzeit abhängig (4).Close the end of the cable ( 1b ( 8th )), then the reflected pulse is the same shape, but now inverted at the input again ( 3 ). The point in time at which the reflection coming from the cable end becomes visible at the input depends on the length of the cable or on the signal propagation time ( 4 ).

Weiterhin ist bekannt: Wird das Kabel mit dem Wellenwiderstand des Kabels abgeschlossen, dann entsteht keine Reflektion.Farther is known: Is the cable with the characteristic impedance of the cable completed, then no reflection.

1c zeigt eine Messanordnung und die Reflexionsamplituden für ein mit verschieden Widerstandswerten am Ende abgeschlossenes Kabel: Auf das Kabel wird eine Folge von kurzen Pulsen gegeben (17) und mit einem Oszilloskop (16) der Eingang beobachtet. Die Höhe der Reflexionen und der eingestellte Widerstand (15) werden aufgezeichnet und in einem Diagramm dargestellt. 1c shows a measuring arrangement and the reflection amplitudes for a cable terminated with different resistance values at the end: A sequence of short pulses is applied to the cable ( 17 ) and with an oscilloscope ( 16 ) the entrance is observed. The amount of reflections and the set resistance ( 15 ) are recorded and displayed in a diagram.

Auf der Abszisse (13) ist im Diagramm zur 1c der jeweils eingestellte Widerstandswert (hier eines Potentiometers (15)) abgetragen, auf der Ordinate (14) die Amplitudenhöhe der dabei sich ergebenden Reflexion. 1 zeigt jeweils typische Oszillogramme, die bei einer Einzelmessung entstehen.On the abscissa ( 13 ) is in the diagram to 1c the respectively set resistance value (in this case a potentiometer ( 15 )), on the ordinate ( 14 ) the amplitude height of the resulting reflection. 1 shows each typical oscillograms that arise in a single measurement.

Das Diagramm der 1c stellt somit die jeweilige Antworthöhe der Impuls-Reflexionsamplitude über dem jeweiligen Abschlusswiderstand dar:
Ist das Potentimeter (15) auf R=0 eingestellt, dann ist das Kabelende kurzgeschlossen und die Reflektionsantwort hat die Höhe –1; 1b (3) und 1c (10).The diagram of 1c thus represents the respective response level of the pulse reflection amplitude over the respective terminating resistor:
Is the potentiometer ( 15 ) is set to R = 0, then the cable end is shorted and the reflection response has the height -1; 1b ( 3 ) and 1c ( 10 ).

Um eine von den jeweiligen Bedingungen, wie z.B. der Dämpfung, unabhängige Darstellung zu erhalten, wird die sich bei R=0 ergebende negative Amplitude in den Darstellung hier und in folgenden mit jeweils –1 angegeben (10); dies stellt somit auch eine Eichung der Kurve dar.In order to obtain an independent representation from the respective conditions, such as attenuation, the negative amplitude resulting at R = 0 is indicated in the representation here and in the following with -1 ( 10 ); This therefore also represents a calibration of the curve.

Mit steigendem Wert des Abschlusswiderstandes (Potentiometereinstellung) wird die Amplitude des reflektierten negativen Impulses kontinuierlich kleiner (18), bis sich schließlich bei R=Z (11) kein Reflektionsereignis mehr darstellt. An dieser Stelle (11) ist der eingestellte Widerstandswert des Potentiometers dem Wellenwiderstand Z des Kabels gleich.As the terminating resistor value (potentiometer setting) increases, the amplitude of the reflected negative pulse becomes continuously smaller ( 18 ) until finally at R = Z ( 11 ) no longer represents a reflection event. At this point ( 11 ), the set resistance of the potentiometer is equal to the characteristic impedance Z of the cable.

Der Wertebereich des Potentiometers von R=0 (Kurzschluss (19)) bis R=Z (Abschluss des Kabels mit dem Wellenwiderstand (11)) bildet also kontinuierlich Reflektionen mit einer Amplitude von minus 1 (10) bis 0 (11) ab.The value range of the potentiometer of R = 0 (short circuit ( 19 )) to R = Z (terminating the cable with the characteristic impedance ( 11 )) thus continuously forms reflections with an amplitude of minus 1 ( 10 ) to 0 ( 11 ).

Erhöht sich der Wert des Abschlusswiderstandes über R=Z hinaus, dann stellen sich positive Reflektionen ein (19). Allerdings werden die Anteile der Reflektionszunahmen (12) mit steigendem Widerstand immer kleiner, weil sich erst bei unendlich hohem Widerstand der offene Zustand einstellt mit der dann positiven Reflexionsamplitude +1. In der 1c zeigt die Kurve (9) das Verhalten für ein Koaxialkabel mit dem Wellenwiderstand Z=60 bis zu einem Wert von ca. 5KΩ.If the value of the terminating resistor increases beyond R = Z, then positive reflections occur ( 19 ). However, the proportions of the reflection increases ( 12 ) with increasing resistance ever smaller, because only with infinitely high resistance the open state adjusts itself with the then positive reflection amplitude +1. In the 1c shows the curve ( 9 ) the behavior for a coaxial cable with characteristic impedance Z = 60 up to a value of approx. 5KΩ.

Bekanntermaßen lässt sich aus der (gemessenen) Impedanz Z₂ am Eingang eines Kabels mit bekanntem Wellenwiderstand Z_L und dem Reflexionskoeffizienten r auf die Impedanz Z_A an Ende der Leitung schließen. Die Theorie und Formelentwicklung dazu ist der Literatur zur Theorie der Übertragung auf elektrischen Leitungen zu entnehmen.As is known, from the (measured) impedance Z ₂ at the input of a cable with known characteristic impedance Z _L and the reflection coefficient r, the impedance Z _A at the end of the line can be deduced. The theory and formula development can be found in the literature on the theory of transmission on electrical lines.

Daraus folgt der in 9 für Kabel mit unterschiedlichem Wellenwiderstand dargestellte Kurvenverlauf, speziell für die hier benötigten Informationen interpretiert: Zu jeder gewünschten Reflexion r lässt sich aus der Formel oder aus einer festgelegten (z.B. eingespeicherten) Kennlinie eindeutig die benötigte Abschlussimpedanz ermitteln.It follows the in 9 Curve course shown for cables with different characteristic impedance, specially interpreted for the information required here: For each desired reflection r, the required terminating impedance can be clearly determined from the formula or from a defined (eg stored) characteristic curve.

Die 9 stellt den Verlauf des einzustellenden Abschlusswiderstandes (44) über der jeweils gewünschten Reflexionsgröße (45) dar: oben rechts (Bereich (40)) ist den Kurven zu entnehmen, dass die Abschlusswiderstände bei einem Reflexionsfaktor nahe an 1 sehr schnell sehr groß werden. Unten links (Bereich (41)) ist ein schmaler Bereich (42) mit anderem Maßstab noch einmal dargestellt.The 9 Sets the course of the terminating resistor to be set ( 44 ) above the respectively desired reflection quantity ( 45 ): top right (area ( 40 )) it can be seen from the curves that the terminating resistances very quickly become very large at a reflection factor close to 1. Bottom left (area ( 41 )) is a narrow area ( 42 ) again with a different scale.

Wenn die Reflexion Null ist (46), dann lässt sich der Wellenwiderstand des zur Kurve gehörenden Kabels ablesen (47), weil hier der Abschluss und der Wellenwiderstand gleich sind. Die einzelnen Kurven zeigen steigende Werte bei steigenden Wellenwiderständen der Kabel (43).When the reflection is zero ( 46 ), then the characteristic impedance of the cable belonging to the curve can be read ( 47 ), because here the termination and the characteristic impedance are the same. The individual curves show increasing values with increasing characteristic impedance of the cables ( 43 ).

Prinzipiell lassen sich aus diese Art und Weise in jedem Fall gezielt (etwas modifiziert, weil komplexe Werte zu beachten sind) bestimmte Reflexionsamplituden durch die Wahl des jeweiligen Abschlusswiderstandes einstellen.in principle can be targeted out of this way in any case (something modified, because complex values have to be taken into account) certain reflection amplitudes by selecting the respective terminating resistor.

Mit diesem Ergebnis liegen jetzt die Grundvoraussetzungen für die hier erfindungsgemäß gelöste Aufgabe vor: Die beschriebenen Eigenschaften können nämlich genutzt werden, um Impulsfolgen mit einer Höhe zu generieren, die durch „geeignetes aneinander reihen" den Abtastwerten einer hochfrequenten Sinusfunktion entsprechen.With this result is now the basic requirements for here problem solved according to the invention before: The properties described can namely be used to pulse trains with a height to generate by "suitable string together "the Correspond to samples of a high-frequency sine function.

Vier aufeinander auf eine Impulsanregung folgende Impulse, die bei geeignet gewählten Abschlusswiderständen in Ihrer Höhe den Abtastäquivalenten einer sehr hochfrequenten Sinusfunktion entsprechen, können mit den Ergebnissen der beschriebenen Messung, z.B. durch vier Leitungen geeigneter Länge gewonnen werden.Four successive impulses following impulses which are suitable selected terminators in your height the sampling equivalents a very high-frequency sine function, can with the results of the measurement described, e.g. through four lines suitable length be won.

Die Anordnung der 2 erzeugt z.B. vier derartige Impulse: Die Reflexionen aus Leitungen, die mit entsprechend gewählten Widerstandswerten abgeschlossen worden sind, ergibt das Antwortimpulsmuster der 2: Zu Beginn (25) ist der auf die Anordnung gelegte Impuls zu sehen. Auf diesen Impuls folgt an erster Stelle (26) die Reflektion aus der Leitung (30), dann die Reflektion (27) aus der zweiten Leitung (31), die dritte (28) aus Leitung (32) und schließlich die vierte (29) aus Leitung (33).The arrangement of 2 For example, generates four such pulses: The reflections from lines, which have been completed with appropriately selected resistance values, gives the response pulse pattern of 2 : At the start ( 25 ) shows the pulse applied to the device. This impulse follows in the first place ( 26 ) the reflection from the line ( 30 ), then the reflection ( 27 ) from the second line ( 31 ), the third ( 28 ) from line ( 32 ) and finally the fourth ( 29 ) from line ( 33 ).

Das jeweils kürzeste der verwendeten Kabel (38) bestimmt den Einsatzzeitpunkt der Reflexionen (26). Die zeitlichen Abstände zwischen den Impulsen ergeben sich durch die Längenunterschiede (37) der verwendeten anderen Kabel.The shortest of the cables used ( 38 ) determines the time of use of the reflections ( 26 ). The time intervals between the pulses result from the differences in length ( 37 ) of the other cables used.

Die Reflexionen treffen eingangsseitig auf ein mit R=Z abgeschlossenes Ende (34), so dass Sekundär- bzw. Mehrfachreflexionen vermieden werden. Die die Darstellung störenden Reflexionen im Bereich (121) stammen aus den Messleitungen zum Oszilloskop, sind aber durch die Wahl der Leitungslängen auf den Bereich zwischen der Impulsanregung und der Impulsfolgeantwort (der Sinuswellenantwort) begrenzt.The reflections meet on the input side to an end closed with R = Z ( 34 ), so that secondary or multiple reflections are avoided. The representation disturbing reflections in the range ( 121 ) come from the test leads to the oscilloscope, but are limited by the choice of line lengths to the range between the impulse excitation and the impulse response (the sine wave response).

In einem ersten Schritt ist es also notwendig, die Längen der Leitungen so zu wählen, dass sich die Impulse unmittelbar aneinander anschließen und somit das in 2 dargestellte Oszillogramm ergeben.In a first step, it is therefore necessary to choose the lengths of the lines so that the pulses directly adjoin one another and thus the in 2 shown oscillogram result.

Der direkte Anschluss der Impulse ist die hier bevorzugt eingesetzte Methode, ist aber kein unveränderliches Konstruktionsmerkmal. Die Wahl muss nämlich nicht unbedingt so getroffen werden, dass die Impulse unmittelbar aufeinander folgen: In gewissem Sinne kann mit nicht unmittelbar aufeinander folgenden Impulsen, also z.B. durch eine leichte Längenvariationen der Kabel eine Frequenzmodifikation erreicht werden.Of the direct connection of the pulses is the preferred here used Method, but is not immutable Design feature. The choice does not necessarily have to be made that way be that the impulses follow one another directly: in a certain sense Senses can be used with impulses that are not immediately consecutive, ie e.g. by a slight length variations the cables a frequency modification can be achieved.

Dies stellt eine Möglichkeit dar, durch Variation der Kabellängen eine Sinusperiode mit einer gegenüber einer Referenzfrequenz leicht variierten Periode zu gewinnen. 3 zeigt für zwei verschiedene Längenunterschiede (54) bzw. (52) eine solche Frequenzmodifikation. Bei gleichem Minimalabstand (55) ergeben die zusammengesetzten Reflexionen eine unterschiedliche Periodendauer.This represents a possibility of obtaining a sine period by varying the cable lengths with a period slightly different from a reference frequency. 3 shows for two different length differences ( 54 ) respectively. ( 52 ) such a frequency modification. At the same minimum distance ( 55 ), the composite reflections give a different period duration.

Eine Fülle von Anwendungen kann mit solchermaßen variierenden Frequenzen ausgebildet werden. Es ist z.B. möglich, in die vier Leitungen geeignete (evtl. auch variable) Verzögerungselemente, z.B. SAWs einzufügen, um damit Frequenzvariationen zu steuern.A Abundance of Applications can be that way be formed varying frequencies. It is e.g. possible, in the four lines are suitable (possibly also variable) delay elements, e.g. Insert SAWs, to control frequency variations.

Allerdings benötigt man in diesem Fall für zwei dicht benachbarte Zielfrequenzen auch zwei unterschiedliche Impulsfolgefrequenzen und diese mit der geforderten Differenzfrequenz zu gewinnen, erweist sich u.U. als schwierig. Daher wird hier ein anderes Verfahren bevorzugt, bei dem die Anregung der beiden benachbarten Frequenzen durch eine für beide Frequenzen gleiche Impulsfolgefrequenz erfolgt.Indeed needed one in this case for two closely adjacent target frequencies also two different pulse repetition frequencies and to win this with the required difference frequency proves u.U. as difficult. Therefore, another method is preferred here, in which the excitation of the two adjacent frequencies by a for both Frequencies same pulse repetition frequency takes place.

Umgekehrt ist es dadurch aber möglich, eine Leitungsanordnung konstruktiv vorzugeben und mit geeignet kurzen Impulsen, aber in Grenzen variabel gehaltener Impulsfolgefrequenz eine Abstimmung der dann gegebenen Konstruktion zu erreichen. Dies kann von Vorteil sein, um z.B. Fertigungstoleranzen auszugleichen.Vice versa but is it possible to specify a line arrangement constructive and with suitably short Pulses, but within variably held pulse repetition frequency to achieve a vote of the then given construction. This can be advantageous to e.g. Compensate for manufacturing tolerances.

Wie die oben durchgeführte Berechnung und das Messergebnis gemäß 1 bzw. 9 zeigt, kann durch geeignete Wahl der Abschlusswiderstände die Amplitudenhöhe der Reflexionen bestimmt werden. Werden diese Abschlusswiderstände so gesteuert, dass die Amplituden der Reflexionen – bei fester Position der Abtaststützstellen – einer Frequenz f+df entsprechen, dann würde sich daraus eben auch die Abtastäquivalente dieser Frequenz einstellen.Like the above calculation and the measurement result according to 1 respectively. 9 shows, by suitable choice of the terminating resistors, the amplitude height of the reflections can be determined. If these terminating resistors are controlled in such a way that the amplitudes of the reflections correspond to a frequency f + df-given a fixed position of the sampling support points-then the sampling equivalents of this frequency would also be established therefrom.

Wie 4 (61) und (62) zeigt, kann die erforderliche Höhe der einzelnen Impulse in Form einer niederfrequenten Sinuswelle nachgebildet werden. In der 4 sind in den unteren Diagrammen (63) bzw. (64) die zu den darüber liegenden Sinusfunktionen (65) bzw. (66) zugehörigen Impulshöhen dargestellt. Die niederfrequente Kurve (78) oben, bzw. (80) unten stellt die Amplitudenhöhe der Impulsantwortfolge (67), (81), (82), (83), usw., dar.As 4 ( 61 ) and ( 62 ), the required height of the individual pulses can be simulated in the form of a low-frequency sine wave. In the 4 are in the lower diagrams ( 63 ) respectively. ( 64 ) to the overlying sine functions ( 65 ) respectively. ( 66 ) associated pulse heights shown. The low-frequency curve ( 78 ) above, or ( 80 ) below represents the amplitude level of the impulse response sequence ( 67 ) 81 ) 82 ) 83 ), etc., dar.

Für genau eine Periode der zu bildenden hochfrequenten Sinusfunktion liefern vier aufeinander folgende Impulsreflexionen die Funktionswerte einer hochfrequenten Sinusfunktion. Die Impulse stellen gewissermaßen die Funktionswerte aus einer die HF abtastenden Operation dar, stellen also gewissermaßen die Abtaststützstellen dar.For exactly provide a period of the high-frequency sine function to be formed four consecutive momentum reflections the function values of a high-frequency sine function. The impulses are sort of the Function values from an HF scanning operation in a sense the sample support points represents.

Für einige Perioden ist in 4 unten (63) bzw. (64) diese Folge der Impulse eingezeichnet; in dieser Reihenfolge würden auch Abtastwerte beim Digitalisieren der Funktion gewonnen. Z.B. repräsentiert der Impuls (67) den ersten von vier Impulsen, der Impuls (68) den zweiten, der Impuls (69) den dritten, der Impuls (70) den vierten von diesen vier Impulsen, wobei die vier Impulse aus einer Anordnung gemäß 2 stammen, die mit einem Anregungsimpuls diese als Reflexionen liefert.For some periods is in 4 below ( 63 ) respectively. ( 64 ) this sequence of impulses drawn; in this order, samples would also be obtained when digitizing the function. For example, the impulse represents ( 67 ) the first of four impulses, the impulse ( 68 ) the second, the impulse ( 69 ) the third, the impulse ( 70 ) the fourth of these four pulses, the four pulses from an arrangement according to 2 come with an excitation pulse provides these as reflections.

Um die Impulshöhe korrekt zu gewinnen, wird die Höhe des ersten Impulses durch die werte der Kurve (78) bzw. (80) vorgegeben, die benötigte Abschlussimpedanz für das jeweilige Kabel aus einer der Kurven der 9 bestimmt und der Abschluss des Kabels entsprechend eingestellt. Dies für alle benötigten Impulshöhen.In order to correctly obtain the pulse height, the height of the first pulse is determined by the values of the curve ( 78 ) respectively. ( 80 ), the required terminating impedance for the respective cable from one of the curves of 9 determined and the completion of the cable adjusted accordingly. This for all required pulse heights.

Die Frequenz dieser Hüllkurven ((78) bzw. (80) und (77) bzw. (79); diese Funktionsverläufe sind selbst Sinus- bzw. Cosinusfunktionen) bestimmt direkt die Frequenzdifferenz der so erzeugten HF zu einer Funktion, die sich bei unveränderlichen, fest eingestellten Abschluss ergeben wird.The frequency of these envelopes (( 78 ) respectively. ( 80 ) and ( 77 ) respectively. ( 79 ); these function curves are themselves sine or cosine functions) directly determines the frequency difference of the HF thus generated to a function that will result in invariable, fixed termination.

Daraus folgt, dass eine geeignet konstruierte Impulsreflexionsfolge, bestehend aus vier aufeinanderfolgenden Impulsen, vier einer Abtastung der gewünschten Hochfrequenz entsprechende Stützstellen entstehen.from that follows that a suitably constructed impulse reflection sequence consisting of four consecutive pulses, four of a sample of the desired High frequency corresponding support points arise.

Entsprechen dabei die Impulshöhen den niederfrequenten Sinusfunktionsvorgaben (78) bzw. (80) mit einer Frequenz und einer Phasenlagen, die auch bei einer Unterabtastung der Funktion entstehen würden, dann ergibt sich eine dicht neben der Frequenz von ¼ der Abtastfrequenz liegenden Frequenz. Der Frequenzabstand ergibt sich als direkte Folge aus der vorgegebenen Niederfrequenz.Do the pulse heights correspond to the low-frequency sinusoidal function specifications ( 78 ) respectively. ( 80 ) with a frequency and a phase angle which would also occur if the function were subsampled, then a frequency close to the frequency of 1/4 of the sampling frequency results. The frequency spacing results as a direct consequence of the predetermined low frequency.

Dies kann man – so die aus den Arbeiten gewonnene Erkenntnis – als Prinzip formulieren: Wenn jeweils n (n=4 oder auch mehr) Impulsreflexionen die n Stützstellen einer Sinuswelle nachbilden und die Amplituden dieser n Impulse dabei durch n niederfrequente Sinusvorgaben (die die gewünschte niedrige Differenzfrequenz df haben und die jede mit einer steigenden Phasenlage von 0, k·2π/n, n=Anzahl der Impulse und k=0..(n-1) vorliegt) festgelegt sind, dann liegt in erster Näherung eine Sinuswelle mit einer Frequenz vor, die sich aus der Differenz oder der Summe von f_abtast/n und df ergibt. (Die notwenige Filterung wird hier nicht zusätzlich betrachtet).This can be formulated as a principle, according to the knowledge gained from the work: If in each case n (n = 4 or more) impulse reflections simulate the n supporting points of a sine wave and the amplitudes of these n impulses by n low-frequency sine inputs (which the desired low Difference frequency df and each with a rising phase position of 0, k · 2π / n, n = number of pulses and k = 0 .. (n-1) are present), then is in a first approximation, a sine wave with a frequency which results from the difference or the sum of f _sample / n and df. (The necessary filtering is not considered here additionally).

Die 4 zeigt verschiedene Zustände, aus denen für verschiedene Frequenzdifferenzen die Wirkung der Impulsfolgen und die Phasenlage in der HF deutlich wird.The 4 shows different states, from which the effect of the pulse sequences and the phase position in the HF becomes clear for different frequency differences.

Wichtig ist, dass sich die Impulsfolgefrequenz dabei nicht ändert! Die Lage der Impulsantworten, die sich ja konstruktiv aus den Leitungslängen ergibt, bleibt hier starr erhalten und die Frequenz der Impulsanregungen bleibt gleich. Dies sind für das hier beschriebene verfahren und für die Konstruktionen ganz wesentliche Eigenschaften.Important is that the pulse repetition frequency does not change! The Position of the impulse responses, which constructively results from the line lengths, here remains rigid and the frequency of the impulse excitations remains the same. These are for the procedure described here and for the constructions very essential Properties.

Als ein anderer Gesichtpunkt könnte hier aber angemerkt werden, dass bei einer gleichbleibenden Impulsfolgefrequenz und bei gleichbleibender, mit den sich aus den niederfrequenten Signalwertvorgaben abgeleiteten Impulshöhen, jede Impulshöhenkombination der n Impulse, ein Sinussignal mit der Frequenz f=f_Abtast/n liefert, das eine definierte Phasenlage aufweist. Unter diesem Gesichtspunkt werden dann nicht zwei Signale mit unterschiedlichen Frequenzen gesehen, sondern zwei Signale mit gleichen Frequenzen aber unterschiedlicher Phasenlage. Die beschriebene Wahl der Impulshöhen verschiebt in disem Sinne lediglich die beiden sinusförmigen Signale kontinuierlich gegeneinander.As another aspect, however, it could be noted here that with a constant pulse repetition frequency and with constant pulse heights derived from the low-frequency signal value specifications, each pulse height combination of the n pulses will yield a sinusoidal signal with the frequency f = f _samples / n having defined phase position. From this point of view, not two signals with different frequencies are seen, but two signals with the same frequencies but different phase angles. The described choice of pulse heights shifts in this sense, only the two sinusoidal signals continuously against each other.

In der 5 wird gleiches wie in 4 in einer globaleren Übersicht dargestellt. Auffällig ist im Diagramm (89) der 5 die Welligkeit der Amplitude der sich einstellenden hochfrequenten Signale. Dies entsteht durch die Einhüllende der NF-Kurvenverläufe (vgl. 5 bei (84) und (86)), wäre aber auch bei einer „normalen Digitalisierung" eines hochfrequenten Sinussignals mit der hier verwendeten Stützstellenwahl zu beobachten, ist also nicht eine Erscheinung, die sich durch das hier beschriebene Verfahren ergibt.In the 5 will be the same as in 4 presented in a more global overview. Conspicuous in the diagram ( 89 ) of the 5 the ripple of the amplitude of the self-adjusting high-frequency signals. This is due to the envelope of the LF curves (cf. 5 at ( 84 ) and ( 86 )), but would also be observed in a "normal digitization" of a high-frequency sinusoidal signal with the interpolation point selection used here, so is not an appearance that results from the method described here.

Diesen Verlauf kann man glätten, wenn man nicht – wie hier – nur mit vier Impulsen für eine Sinusperiode arbeitet, sondern mit einer höheren Anzahl (n>4) oder auch geeignete Filter, z.B. solche mit einer sehr hohen Güte einsetzt. Die Filterung ist allerdings nicht in jedem Fall ein probates Mittel.this Course can be smoothed, if you do not like it here only with four pulses for a sine period works, but with a higher number (n> 4) or suitable Filters, e.g. use those with a very high quality. The filtering However, this is not always an effective remedy.

Die Frequenz die sich durch diese Impulsfolgenkonstruktion einstellt, beträgt f_T/n±f_s, mit f_T=1/T, wobei T der Impulsabstand ist und f_s der Frequenz der niederfrequenten Sinusfunktionsvorgaben entspricht.The frequency set by this pulse train construction is f _T / n ± f _s , where f _T = 1 / T, where T is the pulse spacing and f _{s is} the frequency of the low-frequency sine function specifications.

Bei gleicher Referenzfrequenz (n Samplewerte = eine HF-Periode) ist lediglich die Zählreihenfolge der Impulse mit aus den niederfrequenten Sinussignalen vorgegebenen Impulshöhen, bei gleicher Niederfrequenzvorgabe und gleicher Umschalt-Abtastfrequenz zu verändern, um die erzeugte Frequenz kleiner oder größer als die Referenzfrequenz werden zu lassen. (Oder – der andere Standpunkt – um die Phasenlagen der hochfrequenten Signale zueinander kontinuierlich zu verändern, bzw. um die Sinuslagen der beiden hohen Frequenzen zueinander im Rahmen der Differenzfrequenzperiode langsam nach rechts oder nach links driften zu lassen).at same reference frequency (n sample values = one RF period) only the counting order the pulses with predetermined from the low-frequency sine signals Pulse heights, at the same low frequency specification and the same switching sampling frequency to change, around the generated frequency smaller or larger than the reference frequency to be let. (Or the other viewpoint - um the phase angles of the high-frequency signals to each other continuously to change, or to the sine of the two high frequencies to each other in the Frame the difference frequency period slowly to the right or to left to drift).

Der Vergleich zeigt in 4, vgl. auch 5, in der eingetragenen Impulsreihenfolge (67), (68), (69), (70), die Zuordnung auf die NF-Sinusfunktionen oben (61) (62):
-sin/cos/sin/-cos//-sin/... (im Diagramm (61))
bzw. sin/cos/-sin/-cos//sin/... (im Diagramm (62)).The comparison shows in 4 , see. also 5 , in the entered pulse sequence ( 67 ) 68 ) 69 ) 70 ), the assignment to the LF sine functions above ( 61 ) ( 62 ):
-sin / cos / sin / -cos // - sin / ... (in the diagram ( 61 ))
or sin / cos / -sin / -cos // sin / ... (in the diagram ( 62 )).

Um einen Wechsel von der Erzeugung größerer Frequenzen zu kleineren Frequenzen (im Falle von n=4 niederfrequenten Sinusvorgaben) zu erreichen, genügt es, zwei zeitlich nicht direkt aufeinanderfolgende Impulsamplitudenzuordnungen in der Reihenfolge einfach zu vertauschen. Hier in der 4 bei (64) ist gegenüber der Darstellung bei (63) nur durch das Vertauschen der Zuordnung der Impulse (68) und (70), in die Reihenfolge (72) und (74) der Verlauf entstanden. Die Wirkung ist, dass von „größerer Frequenz" zu „kleinerer Frequenz" umgeschaltet worden ist.In order to achieve a change from the generation of higher frequencies to lower frequencies (in the case of n = 4 low-frequency sine inputs), it is sufficient to simply swap two pulse amplitude assignments that are not directly consecutive in the sequence. Here in the 4 at ( 64 ) is opposite to the representation at ( 63 ) only by exchanging the assignment of the pulses ( 68 ) and ( 70 ), in the order ( 72 ) and ( 74 ) the course developed. The effect is that has been switched from "higher frequency" to "lower frequency".

Die einfache Umstellung der Reihenfolge in der Amplitudenzuordnung der Reflexionen erlaubt also, einmal eine größere, einmal eine kleinere Frequenz als eine Referenzfrequenz zu erzeugen. In einigen Anwendungen kann das genutzt werden, weil die Referenzfrequenz an sich zwar durch die Impulsfolgefrequenz definiert ist, aber zum Erzeugen zweier dicht benachbarter Frequenzen diese Referenz nicht wirklich vorliegen muss. Zwei Zuordnungen mit „größerer Frequenz" und „kleinerer Frequenz" ergeben zwei Frequenzen mit einem Frequenzabstand, der dem doppelten der niederfrequenten Sinusvorgabe entspricht.The simple change of the order in the amplitude assignment of the reflections thus allows to generate once a larger, even a smaller frequency than a reference frequency. This can be used in some applications because the reference frequency per se is defined by the pulse repetition frequency, but to generate two closely adjacent frequencies this reference need not really be present. Two assignments with "grö ßer frequency "and" smaller frequency "result in two frequencies with a frequency spacing that corresponds to twice the low-frequency sine input.

Es ist zu erwähnen, dass durch die so getroffene Wahl der Impulshöhen auch die Phasenlage des HF-Sinussignals gezielt beeinflusst bzw. gezielt eingestellt werden kann; eine oftmals nützliche Nebenbedingung bei der Erzeugung hochfrequenter Signale. Man kann hierdurch die Anfangsphase oder auch die Phasenlage absolut einstellen.It is to mention that by the choice of pulse heights thus taken, the phase angle of the RF sine wave signal can be selectively influenced or specifically adjusted; one often useful Secondary condition in the generation of high-frequency signals. One can This absolutely sets the initial phase or the phase position.

Die beschrieben Verfahren können die sonst nur schwer gleichzeitig zu erfüllende Forderung nach hohen Frequenzen und Frequenzdifferenzen von wenigen Hz erfüllen. Die entwickelte Methode erlaubt es, Frequenzdifferenzen bis auf Null herunter für Sinusfrequenzen bis in den GHz-Bereich hinein für höchstsensitive und genaue Phasenmessungen bereitzustellen.The described methods can the otherwise difficult to meet simultaneously demand for high Fulfill frequencies and frequency differences of a few Hz. The developed method allows frequency differences down to zero down for Sine frequencies up to the GHz range for highly sensitive and accurate phase measurements provide.

Allerdings ist es bis hierher noch nicht möglich, kontinuierliche Sinusfunktionen zu generieren. Bis jetzt steht lediglich die Möglichkeit im Raum, einzelne Sinuswellen in Form von zusammengesetzten Impulsfolgen als Impulsantwort auf einen einzelnen Impuls zu generieren. Ein paar Schritte sind also noch zu tun:
Der nächste logische Schritt: Es werden Anregungsimpulsfolgen mit eben jener Frequenz erzeugt die durch die HF-Periode vorgegeben (vgl. 6) ist und deren Impulsbreite (94) einem ganzzahligen Bruchteil der gewünschten Sinusperiode entspricht. Die Sinuswellen, die daraus entstehen, folgen damit periodisch aufeinander und bilden in der Hintereinanderreihung die eigentliche Ziel-HF. Jeder Anregungsimpuls erzeugt damit eine einzelne Sinuswelle mit der gewünschten HF-Periode.However, it is not yet possible to generate continuous sine functions. So far, there is only the possibility in space to generate individual sine waves in the form of composite pulse sequences as an impulse response to a single pulse. A few steps are still to be done:
The next logical step: Excitation pulse trains are generated with just the frequency specified by the RF period (cf. 6 ) and whose pulse width ( 94 ) corresponds to an integer fraction of the desired sine period. The sine waves, which arise from it, thus follow one another periodically and form the actual target HF in the sequential order. Each excitation pulse thus generates a single sine wave with the desired RF period.

Dabei entsteht aber ein anderes Problem: Da der erste reflektierte Impuls, der sich aus dem aufgeschalteten Erregungsimpuls ergibt, nicht sofort erscheinen kann, ergibt sich zu Beginn und für die Dauer des Anregungsimpulses ein undefinierter Zustand.there but another problem arises: since the first reflected pulse, which results from the activated excitation pulse, not immediately appears at the beginning and for the duration of the excitation pulse an undefined state.

6 zeigt dieses: Jeder Impuls, der als kausale Ursache für vier Reflexionen auf die vier Kabel geschaltet wird, hat die Zeitdauer P_puls (94). Die Zeit T zwischen 2 Impulsen entspricht der HF-Periode P=1/f. An der Stelle des Impulses entsteht aber gewissermaßen eine Lücke, weil der Ort der Aufschaltung und der Ort der Reflexionsmessung ja identisch ist (vgl. 1, (16) und (17)). Während der Impuls als kausale Ursache auf dem Kabeleingang liegt, kann für die Zeitdauer dieses Impulses praktisch keine andere Amplitude an dieser Stelle mehr gegeben sein. Dies stört naturgemäß die Impulsfolge der Antworten. 6 shows this: Each impulse, which is switched as causal cause for four reflections on the four cables, has the duration P _pulse ( 94 ). The time T between 2 pulses corresponds to the RF period P = 1 / f. At the point of the impulse, however, there is a gap, so to speak, because the location of the connection and the location of the reflection measurement are identical (cf. 1 , ( 16 ) and ( 17 )). While the pulse is a causal cause on the cable input, there can be virtually no other amplitude at this point for the duration of this pulse. This of course disturbs the pulse train of answers.

Um diesen störenden Effekt in den Darstellungen der 1 bis 3 zu verhindern, wurde bei den Messungen durch eine geeignet Verlängerung der Kabel die zusammengesetzte Sinuswelle zusätzlich so weit hinausgezögert, dass diese erst um einen bestimmten Betrag verzögert eintritt (vgl. 2 (121)). Diese Verzögerung kann beliebig ausgelegt werden, hier bevorzugt eine ganze HF-Periode, gemessen ab Erregungsimpulsbeginn.To this disturbing effect in the representations of 1 to 3 To prevent this, in the measurements by a suitable extension of the cable, the composite sine wave was additionally delayed so far that this only delayed by a certain amount occurs (see. 2 ( 121 )). This delay can be designed arbitrarily, here preferably a whole RF period, measured from the start of the excitation pulse.

Für die Erzeugung kontinuierlich aufeinanderfolgender Sinuswellen wird dieses Problem so umgangen: Durch eine ständig wechselnde Nutzung von zwei gleichen Anordnungen werden zwei gleiche sinusförmige Antworten generiert, die in ihrer Lage zueinander die jeweilige Lücke der jeweils anderen Anordnung ausfüllen.For the generation continuously successive sine waves becomes this problem so bypassed: By a constant alternating use of two identical arrangements will yield two equal sinusoidal responses generated in their position to each other the respective gap of each other order to fill out.

7 zeigt eine solche Auftrennung: Eine erste Anordnung (95) erzeugt durch den Impuls (102) die erste Antwort (97), eine zweite Anordnung (96) erzeugt durch den Impuls (122) die Antwort (101). 7 shows such a separation: a first arrangement ( 95 ) generated by the impulse ( 102 ) the first answer ( 97 ), a second arrangement ( 96 ) generated by the impulse ( 122 ) the answer ( 101 ).

Wie man sehen kann, entsteht so kein sich gegenseitig störender bzw. überlappender Zeitraum. In der ersten Anordnung (95) bildet das jeweilige Anregungsdiagramm und die Antworten zusammen keinen gemeinsamen Überlappungszeitpunkt aus. Gleiches gilt in der zweiten Anordnung (96).As you can see, so no mutually disturbing or overlapping period arises. In the first arrangement ( 95 ) the respective excitation diagram and the answers together do not form a common overlapping time. The same applies in the second arrangement ( 96 ).

Wie man weiterhin sehen kann, liegen die Sinuswellenantworten der ersten Anordnung (95) in den Lücken zwischen den Antworten der zweiten Anordnung (96).As can further be seen, the sine wave responses of the first arrangement ( 95 ) in the gaps between the answers of the second order ( 96 ).

Um die Impulsfolgen (106) bzw. (107) zu erhalten, werden die Impulse (104) einer Generatorfunktion durch eine Schaltfunktion (105) im Wechsel den beiden Anordnungen zugeführt. In einer konkreten Realisation (vgl. 8) wird das durch den Schalter (112) erreicht, der die Anordnung (113) wechselweise dem Impulsgenerator (104) und dem Ausgang mit einem Wellenwiderstandsabschluss (120).To the pulse sequences ( 106 ) respectively. ( 107 ), the impulses ( 104 ) a generator function by a switching function ( 105 ) alternately supplied to the two arrangements. In a concrete realization (cf. 8th ), this is done by the switch ( 112 ), the arrangement ( 113 ) alternately the pulse generator ( 104 ) and the output with a characteristic impedance termination ( 120 ).

8 zeigt auf der rechten Seite eine solche Realisation im Rahmen einer Zweifachanordnung: Die erste Anordnung (113) „sieht" durch eine bei jedem Impuls wechselnde Schalterstellung nur die Impulsfolge (106), und erzeugt daraus die Antworten (108), die zweite Anordnung (115) „sieht" nur die Impulse (107) und generiert die Antworten (109). 8th shows on the right side such a realization in the context of a two-fold arrangement: the first arrangement ( 113 ) Sees "only" the pulse sequence by a switch position changing with each pulse ( 106 ), and generates the answers ( 108 ), the second arrangement ( 115 ) "Sees" only the impulses ( 107 ) and generates the answers ( 109 ).

Die Reflexionsantworten der Anordnungen laufen, durch die jeweilige Schalterstellung bedingt, in der Zeit, in der die jeweils andere Anordnung einen Anregungsimpuls „sieht", auf den Eingangs-Abschlusswiderstand (120). Dieser hat den Wert des Wellenwiderstandes, so dass Sekundärreflexionen vermieden werden.The reflection responses of the devices run, due to the respective switch position, in the time in which the other arrangement "sees" an excitation pulse on the input terminating resistor ( 120 ). This has the value of characteristic impedance, so that secondary reflections are avoided.

Wie man leicht nachvollziehen kann, muss die Umschaltung (mit allen Einschwingvorgängen) zwischen den Anordnungen mindestens so schnell erfolgen, wie eine Periode des hochfrequenten Signals ausgelegt ist. Mit den derzeitig eingesetzten, diskreten Elementen werden Umschaltzeiten (also t_on bzw. t_off) von etwa einer Nanosekunde erreicht.As can be easily understood, the switching (with all transients) between the arrangements must be at least as fast as a period of the high-frequency signal is designed. Switching times (ie t _on or t _off ) of about one nanosecond are achieved with the discrete elements currently used.

Somit können Perioden von etwa einer Nanosekunde Dauer noch realisiert werden, wenn die Anregungsimpulsbreiten auf etwa 250ps gebracht werden können. (Derzeit erreichbar sind Impulse im Bereich von etwa 5ps Dauer, vgl. [a] R. W. Hülsewede, Erzeugung ultrakurzer elektrischer Impulse auf nichtlinearen Leitungsstrukturen, Dissertation der Gesamthochschule Duisburg, 1998.).Consequently can Periods of about a nanosecond duration are still to be realized when the excitation pulse widths can be brought to about 250ps. (Currently can be reached pulses in the range of about 5ps duration, cf. [A] R. W. Hülsewede, Generation of ultrashort electrical impulses on non-linear conduction structures, Dissertation of the Gesamthochschule Duisburg, 1998.).

Die Dauer des Anregungsimpulses bestimmt auch die Periode der aus den Reflexionen zusammengesetzten HF-Sinuswelle: eine Impulsdauer von z.B. 250ps erlaubt es, aus vier Reflexionen eine Sinuswelle mit einer Periode von 1ns zusammenzusetzen. Die eingesetzten Schalter würden das aber (noch) nicht zulassen, wenn eine Zweifachanordnung genutzt wird.The Duration of the excitation pulse also determines the period of the Reflections composite RF sine wave: a pulse duration of e.g. 250ps allows one sine wave to be made from four reflections To make up period of 1ns. The switches used would be that but (still) not allow, when used a dual arrangement becomes.

Allerdings können Mehrfachanordnungen realisiert werden: Die Impulsreflexionsantworten können bei geeigneter geometrischer Auslegung und geeignet kurzen Impulsen schnell hintereinander umgeschaltet und dann die Antworten wieder zusammengelegt werden. Nur jeweils eine Anordnung liefert dabei aktuell eine Sinuswelle und nur eine andere wird gerade mit einem Impuls angeregt; alle anderen befinden sich im Zustand der Umschaltung oder schwingen gerade ein.Indeed can Multiple arrangements can be realized: the pulse reflection responses can with suitable geometric design and suitable short pulses switched quickly in a row and then the answers again be merged. Only one arrangement delivers currently one sine wave and only one is currently using a Impulse stimulated; all others are in the state of switching or just swing in.

Solche Anordnungen erzeugen eine Frequenz oberhalb der mit zwei Anordnungen noch erreichbaren Frequenz von 1 GHz. Damit sind jetzt Frequenzen im Gigahertzbereich auch mit diskreten Bauelementen erreichbar.Such Arrangements generate a frequency above that with two arrays still achievable frequency of 1 GHz. These are frequencies now Gigahertz range also accessible with discrete components.

Die 8 zeigt eine Zweifachanordnung, aus der leicht Drei-, Vier- und Fünffachanordnungen abgeleitet werden können. Jede Anordnung (in 8 vergleichbar mit (113) bzw. (115)) wird über eine dieser Anordnung zugewiesene Schaltfunktion, vergleichbar mit (112) oder (114), wechselweise auf die Impulsquelle (104) und auf den Abschlusswiderstand (120) gelegt. Eine geeignete Schalteransteuerung übernimmt die zeitliche Steuerung der Schaltfunktionen.The 8th shows a dual arrangement, can be derived from the easily three, four and five-fold arrangements. Each arrangement (in 8th comparable to ( 113 ) respectively. ( 115 )) is assigned to one of these arrangement switching function, comparable to ( 112 ) or ( 114 ), alternately to the pulse source ( 104 ) and on the terminator ( 120 ) placed. A suitable switch control takes over the temporal control of the switching functions.

Das hier beschriebene Verfahren ist aber auch für geringere Frequenzen als in den oben genannten Frequenzbereichen einsetzbar.The However, the method described here is also for lower frequencies than can be used in the above frequency ranges.

10 erleichtert dazu eine Kabellängenabschätzung: Wie ausgeführt, wird die erste Impulsantwort um die Zeitdauer von genau einer HF-Periode verschoben, d.h. der Zeitpunkt des Eintreffens des ersten Pulses beträgt, gemessen von der Startflanke des Anregungsimpulses ab, genau n Einheiten (wenn n NF-Quellen, d.h. n Impulse je HF-Periode verwendet werden), der Eintreffzeitpunkt des letzten (n+(n-1))/n Einheiten. 10 facilitates as a cable length estimation: As stated, the first impulse response is shifted by the period of exactly one RF period, ie the time of arrival of the first pulse, measured from the start edge of the excitation pulse, is exactly n units (if n NF sources , ie n pulses per RF period are used), the arrival time of the last (n + (n-1)) / n units.

10 zeigt dieses für n=4: Aus dieser Darstellung lässt sich ableiten, dass die Länge der verwendeten Kabel in Einzeleinheiten gemessen werden kann. 10 shows this for n = 4: From this representation it can be deduced that the length of the cables used can be measured in individual units.

In einer konkreten Aufgabe wird eine Messung mit einer definierten Kabellänge die Laufzeiteigenschaften der verwendeten Kabel oder Kabelkonstruktion (z.B. Mikrostrips,...) liefern. Diese Messung ist relativ einfach, wenn der Impulsgenerator bereits vorliegt.In A concrete task is a measurement with a defined cable length the runtime characteristics of the cables or cable construction used (e.g., microstrips, ...). This measurement is relatively simple if the pulse generator is already present.

Dieses Beispiel kann verdeutlichen: Ein Impulsgenerator, der 10ns-Impulse (21), (22), usw. generiert, liege vor. Diese Impulse werden auf ein 5m langes Kabel gelegt und mit einem Oszilloskop werden diese Impulse und die Reflexionen beobachtet. Kurschluss und offengelassenes Ende identifizieren den jeweiligen Impuls eindeutig durch das Reflexionsereignis. Diese Reflexion zeigt eine Impulsantwort 50ns nach dem Anregungsimpuls (jeweils die pos. Flanke beobachtet). Damit liegt also je m Kabel eine Laufzeit von 10ns vor (50ns/5m für den Hin- und Rückweg) oder je Strecke eine Verzögerung von 10ns/m vor.This example may clarify: A pulse generator generating 10ns pulses ( 21 ) 22 ), etc., is present. These pulses are placed on a 5m long cable and with an oscilloscope these pulses and the reflections are observed. Short circuit and open end clearly identify the respective pulse by the reflection event. This reflection shows an impulse response 50ns after the excitation pulse (in each case the positive edge is observed). This means that there is a delay of 10ns per m cable (50ns / 5m for the outward and return journey) or a delay of 10ns / m per route.

Der 10ns Impuls (21) erlaubt, vier Impulse a 10ns (23), (48), usw. zu einer Periodendauer von 40ns (63) zusammenzufügen, also eine Frequenz von 25MHz zu generieren. Die Zeitverzögerung (62) für den ersten eintreffenden Impuls (23) ist mit 40ns anzusetzen. Der zweite (48) beginnt nach 50ns, der dritte nach 60ns, der vierte nach 70ns. Bei 80ns beginnt eine parallel arbeitende Einheit die Impulse auf den Ausgang zu legen, in der hier vorliegenden Anordnung wird ein weiterer Anregungsimpuls (22) aufgeschaltet.The 10ns pulse ( 21 ), four pulses of 10ns ( 23 ) 48 ), etc. to a period of 40ns ( 63 ), so generate a frequency of 25MHz. The time delay ( 62 ) for the first incoming impulse ( 23 ) is to be set with 40ns. The second ( 48 ) starts after 50ns, the third after 60ns, the fourth after 70ns. At 80ns, a unit operating in parallel begins to apply the pulses to the output, in the arrangement present here, a further excitation pulse ( 22 ).

Damit liegen die Längen der verwendeten Kabel bei 4m, 5m, 6m und 7m. Die Impulsfolgefrequenz beträgt 25MHz, also eine relativ geringe Frequenz. Die Umschaltzeiten von bis zu 40ns für die eingesetzten Schaltfunktionen sind auf Grund der niedrigen Frequenz völlig unkritisch.In order to are the lengths the cables used at 4m, 5m, 6m and 7m. The pulse repetition frequency is 25MHz, so a relatively low frequency. The switching times of up to 40ns for The switching functions used are due to the low frequency completely critical.

Die Impulsfolgefrequenz sollte – sofern das geht – in engen Grenzen variabel gehalten werden, um die „Optimalfrequenz" bei gegebener Anordnung nachjustieren zu können. (Das geht allerdings nicht immer, weil die Frequenzvorgabe oftmals eine höhere Priorität hat).The Pulse repetition frequency should - if that works - in narrow limits are kept variable in order to readjust the "optimum frequency" given arrangement to be able to. (This is not always possible, because the frequency requirement often a higher one priority Has).

Wird die Anzahl der parallel geschalteten Anordnungen erhöht, besteht die begrenzende Größe für die Frequenzwahl in der Dauer der Anregungsimpulse. Technisch können Pikosekunden-Impulse, diese mit noch akzeptablen Aufwand bis 100ps erzeugt werden, sodass Frequenzen bis 2,5GHz mit diskreten Bauelementen noch realisierbar sind.Becomes the number of parallel arrangements increases the limiting size for frequency selection in the duration of the excitation pulses. Technically, picosecond pulses, these With still acceptable expenditure up to 100ps be generated, so that frequencies to 2.5GHz with discrete components are still feasible.

Mit z.B. 5ps Impulsen können auf dem derzeitigen Stand der Technik theoretisch Frequenzen (eine HF-Sinusperiode beträgt damit 20ps) bis zu 50GHz Anwendung finden, sofern die Umschaltdauer der verwendeten Schaltfunktionen entsprechend klein ausfällt.With e.g. 5ps pulses can in the current state of technology theoretically frequencies (a HF sine period is thus 20ps) up to 50GHz application, provided the switching time the switching functions used correspondingly small fails.

Eine nahe liegende Realisation der Anordnungen unter Nutzung von Kabeln ergibt sich, wenn die Frequenzen so hoch gewählt sind, dass z.B. Mikrostrips (oder mittels ähnlicher Techniken) eingesetzt werden und die Leitungen direkt in ein Platinenmaterial einätzen werden können.A obvious realization of the arrangements using cables If the frequencies are chosen to be high enough, e.g. microstrips.The (or by similar Techniques) are used and the lines directly into a circuit board material etching can be.

Claims

Method and arrangement for generating sinusoidal signals with an arbitrarily small frequency spacing df to a frequency reference f _ref / n, which is provided by a predetermined pulse frequency specification f _ref , characterized in that a) at least two, generally m, identically designed arrangements are used , each generating in response to a pulse excitation a single sine wave with the period T (T = 1 / f) delayed by the time k · T (0 <k <m), b.) by means of a switching arrangement the pulses of the Pulsfrequenzvorgabe cyclically successively switched to the inputs of at least two, generally m, arrangements, - a pulse always comes exactly to an arrangement, and - the resulting responses of the individual arrangements in pairs do not overlap in time, and c.) That by means of a switching arrangement, the sine wave responses of the arrangements which at a given time are not for a Impulsanregu ng are combined, a common starting point are merged, and so the individual sine waves generated by the individual arrangements are assembled into a continuous sinusoidal function curve, each of these at least two, generally m, identically designed arrangements each of at least two, preferably four, in general consist of a number n, capable of reflecting pulse signals line with different length L, - the input side are all connected together, so that a pulse connected to the arrangement is present at all n lines simultaneously, and there, so - on the input side, to avoid or Reduction of multiple reflections with the characteristic impedance of the lines used are completed, and - the output side each line is completed individually with a controllable variable termination impedance Z, wherein - the respective minimum line length is designed so that the first reflection, measured n from the beginning of a switched-on pulse to the time k · T (0 <k <m) delayed entry occurs at the entrance, and - whose lengths are designed so that due to the different line lengths coming from the individual conductors to the input pulse reflections T / n occur in each case at a defined time interval, thereby defining a precisely timed impulse response sequence at the input of the arrangement, and also setting the pulse heights of this time-defined reflection impulse sequence by appropriate control of the variable terminating impedances Z such that the temporally successive reflection impulses Represent the sampling function of a high-frequency single sine wave by setting each terminating impedance in such a way that the pulse height of the reflection - considered individually for each line - follows the course of a slow, low-frequency sine function with the frequency df, - whose (low-frequency) Phases are designed so that the low-frequency period with the frequency df, corresponding to an interval of 2π, according to the number of lines used is divided evenly, - wherein the phase position assignment takes place in a selected order of the temporal occurrence of the reflection, so that from this (after filtering to separate harmonics) a sinusoidal signal, with a derived from the pulse repetition frequency f _ref new frequency (f _ref / n) -df or (f _ref / n) + df, with arbitrary low-frequency frequency difference df results.

Generation of high-frequency sinusoidal signals according to claim 1, characterized in that it is decided by selecting the assignment order of the sinusoidally and low-frequency modified reflection amplitudes to the temporally successive reflection pulses, whether the frequency (f _ref / n) -df or (f _ref / n) + df, ie a smaller or a larger frequency than the reference frequency f _ref / n is generated.

Generation of high-frequency sinusoidal signals according to claim 1 and 2, characterized in that the order of assignment of the low-frequency changed reflection amplitudes to the temporal It is always possible to choose whether the frequency (f _ref / n) -df or (f _ref / n) + df arises, that is to say switchable a smaller or a larger frequency than the reference frequency f _ref / n is generated.

Generation of high-frequency sinusoidal signals according to claim 1 to 3, characterized in that a plurality of similar arrangements according to claim 1 be used, with the same control of the variable terminating impedances, but different assignment order of the n low-frequency sine functions, or for the special case df = 0 of fixed voltage values, at least two at the same time high frequency sine functions with closely adjacent high frequencies, or for the case df = 0 with each other and to the reference frequency exactly defined Create phase position.

Arrangement according to Claims 1 to 4, characterized that for the used, capable of reflection Cables Coaxial cables, waveguides, strip lines, or e.g. by means of printed circuit boards or otherwise, e.g. flexible Material by evaporation, etching or printing techniques coatable waveguides (planar waveguides such as microstrips, triplate lines, coplanar lines, ribbon cables, slot lines, Fin lines, etc.) are used.