DE102010015102A1 - Verfahren zum Orten von fehlerhaften Stellen in einem HF-Signalübertragungspfad - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Orten von Stellen in einem Signalübertragungspfad für ein Hochfrequenzsignal, wobei diese Stellen im Sinne von Hochfrequenzübertragungseigenschaften des Signalübertragungspfades fehlerhaft sind. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwei Signale unterschiedlicher Frequenz in den Signalübertragungspfad eingeleitet und eine Zeitspanne gemessen wird, bis am Einleitungspunkt der beiden Signale ein Intermodulationsprodukt ankommt. Eines der beiden Signale wird dabei über einen vorbestimmten Bereich periodisch gesweept. Aus dem Wert der Zeitspanne wi Einleitungspunkt bestimmt.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Orten von Stellen in einem Signalübertragungspfad für ein Hochfrequenzsignal, wobei diese Stellen im Sinne von Hochfrequenzübertragungseigenschaften des Signalübertragungspfades fehlerhaft sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Bei einem Signalübertragungspfad für HF-Signale, beispielsweise bei einer Mobilfunkbasisstation, wobei der Signalübertragungspfad beispielsweise HF-Leitungskabel, HF-Steckverbinder, einen Blitzschutz und eine Antenne zum Abstrahlen des HF-Signals umfasst, ergeben Messungen der HF-Übertragungseigenschaften oftmals eine verminderte Übertragungsfähigkeit, welche sich zu hohen Frequenzen hin mehr verschlechtert, als dies rechnerisch der Fall sein dürfte oder als aufgrund der HF-Übertragungseigenschaften der Einzelkomponenten zu erwarten ist. Hierdurch ergibt sich eine aufwändige Fehlersuche in dem Gesamtsystem des Signalübertragungspfades nach fehlerhaften Stellen, an denen beispielsweise ein HF-Stecker nicht vollständig geschlossen oder fehlerhaft montiert ist oder ein Kabelbruch in einem HF-Leitungskabel vorliegt, wodurch sich an dieser Stelle eine nichtlineare Übertragungsfunktion für HF-Signale ergibt, die zur Verminderung der HF-Signalübertragungseigenschaften des Gesamtsystems des Signalübertragungspfades führt.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o. g. Art derart auszugestalten, dass in HF-technischer Sicht fehlerhafte Stellen in einem Signalübertragungspfad auf einfache Weise und gleichzeitig örtlich sehr genau lokalisiert werden können, so dass die Fehlersuche vereinfacht wird.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
- Bei einem Verfahren der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass folgende Schritte ausgeführt werden:
- (a) Erzeugen eines ersten HF-Signals, dessen Frequenz f1(t) mit einer vorbestimmten, konstanten Änderungsrate df/dt über die Zeit von einer vorbestimmten Anfangsfrequenz fANFANG bis zu einer vorbestimmten Endfrequenz fENDE kontinuierlich und zeitlich wiederholt variiert (gesweept) wird, so dass f1(t) = df/dt·t ist;
- (b) Erzeugen eines zweiten HF-Signals mit einer konstanten vorbestimmten Frequenz f2;
- (c) Erzeugen eines vorbestimmten Intermodulationsproduktes mit der Frequenz fIM-Erzeugt(t) aus dem ersten und dem zweiten HF-Signal,
- (d) Einleiten des ersten HF-Signals mit der Frequenz f1(t) und des zweiten HF-Signals mit der Frequenz f2 in den Signalübertragungspfad an einem vorbestimmten Einleitungspunkt;
- (e) Empfangen eines in dem Signalübertragungspfad erzeugten Intermodulationsproduktsignals mit der Frequenz fIM-EMPFANGEN(t), welches dem in Schritt (c) erzeugten Intermodulationsprodukt entspricht, am vorbestimmten Einleitungspunkt;
- (f) Bestimmen einer Frequenzdifferenz fD zwischen der Frequenz fIM-ERZEUGT(tEMPF) des in Schritt (c) erzeugten Intermodulationsproduktes und der Frequenz fIM-EMPFANGEN(tEMPF) des in Schritt (e) gleichzeitig zu einem jeweiligen Zeitpunkt tEMPF empfangenen Intermodulationsproduktsignals;
- (g) Berechnen einer Länge L zwischen dem Einleitungspunkt und einer Stelle in dem Signalübertragungspfad, von der aus das in Schritt (e) empfangene Signal erzeugt wurde, aus der in Schritt (f) bestimmten Frequenzdifferenz.
- Dies hat den Vorteil, dass unter Ausnutzung von an fehlerhaften Stellen des Signalübertragungspfades erzeugten Intermodulationsprodukten derartige Stellen örtlich sehr genau lokalisiert werden können, ohne hierzu den Signalübertragungspfad mechanisch bearbeiten, insbesondere zerlegen oder zerstören, zu müssen. Dadurch wird die Fehlersuche erheblich vereinfacht und verkürzt, da binnen kurzer Zeit festgestellt werden kann, welches Bauteil des Signalübertragungspfades einen Fehler aufweist und wo in diesem Bauteil der Fehler örtlich vorhanden ist.
- Zweckmäßigerweise umfasst der Signalübertragungspfad eine Hochfrequenzleitung, insbesondere einen Hohlleiter oder ein Koaxialkabel, eine Blitzschutzschaltung, ein HF-Filter, einen HF-Abschlusswiderstand und/oder eine HF-Antenne.
- Eine besonders genaue Ortsbestimmung bei einfachem technischem Aufbau erzielt man dadurch, dass in Schritt (c) das Intermodulationsprodukt dritter Ordnung IM3 mit der Frequenz fIM3-ERZEUGT(t) = 2 × f1(t) – f2 oder fIM3-ERZEUGT(t) = 2 × f2(t) – f1 erzeugt und in Schritt (e) das entsprechende Intermodulationsprodukt dritter Ordnung IM3 fIM3-EMPFANGEN(t) = 2 × f1(t) – f2 oder fIM3-EMPFANGEN(t) = 2 × f2(t) – f1 empfangen wird.
- Zweckmäßigerweise wird in Schritt (e) das Intermodulationsprodukt mittels eines HF-Frequenzfilters, insbesondere eines Bandpassfilters, aus dem am Einleitungspunkt empfangenen Signal herausgefiltert.
- Eine besonders einfache Ortung der fehlerhaften Stellen erzielt man dadurch, dass in Schritt (g) die Länge L gemäß der Formel berechnet wird, wobei c eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von HF-Signalen in dem Signalübertragungspfad, fD die in Schritt (f) bestimmte Frequenzdifferenz und die in Schritt (a) verwendete, konstante Änderungsrate ist.
- Zur noch besseren Unterscheidbarkeit von erzeugtem und empfangenem Intermodulationsprodukt ist in Schritt (a) zwischen zwei aufeinander folgenden Frequenzvariationen der Frequenz f1(t) von fAnfang bis fEnde mit der Änderungsgeschwindigkeit df/dt eine vorbestimmte Zeit Δt vorgesehen.
- Eine Stelle, welche im Sinne von Hochfrequenzübertragungseigenschaften des Signalübertragungspfades fehlerhaft ist, umfasst wenigstens eine Stelle, an der eine Änderung, insbesondere ein Sprung, des HF-Wellenwiderstandes vorliegt, an der eine elektrische Kontaktierung fehlerhaft ist, insbesondere ein Kontaktwiderstand vorliegt, welcher größer als ein vorbestimmter Wert ist, und/oder an der eine nichtlineare Übertragungsfunktion für ein HF-Signal vorliegt.
- Zweckmäßigerweise ist ein Wert von fANFANG kleiner, als ein Wert von fENDE.
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
-
1 eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines schematischen Ablaufdiagramms und -
2 eine graphische Darstellung einer Signalauswertung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. - Die in
1 beispielhaft dargestellte, bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die Analyse eines Signalübertragungspfades10 hinsichtlich von Störstellen, welche die HF-Übertragungseigenschaften beeinträchtigen. Diese Störstellen verursachen eine nichtlineare Übertragungsfunktion hinsichtlich der Übertragung von HF-Signalen. Mit dem vorliegenden Verfahren wird ausgenutzt, dass derartige nichtlineare Übertragungsfunktionen zur Erzeugung von Intermodulationsprodukten führen, wenn zwei HF-Signale unterschiedlicher Frequenz gleichzeitig auf eine derartige Stelle mit nichtlinearer Übertragungsfunktion treffen. Diese Intermodulationsprodukte werden an diesen Stellen erzeugt und stellen keine Reflexion eines eingespeisten Signals, sondern ein neues, zuvor in dem Signalübertragungspfad nicht vorhandenes HF-Signal dar, welches hierin als Intermodulationssignal oder auch Intermodulationsprodukt bezeichnet wird. - In Block
12 ”VCO f1” wird ein erstes HF-Signal14 mit einer zeitlich variierenden Frequenz f1(t) erzeugt. Hierbei wird die Frequenz f1(t) mit einer vorbestimmten, konstanten Änderungsrate df/dt über die Zeit von einer vorbestimmten Anfangsfrequenz fANFANG bis zu einer vorbestimmten Endfrequenz fENDE kontinuierlich und zeitlich wiederholt variiert (gesweept), so dass f1(t) = df/dt·t ist. Dieses erste HF-Signal14 wird in einem Block16 ”PA f1” verstärkt und einem Combiner18 zugeführt. In einem Block20 ”Fix f2” wird ein zweites HF-Signal22 mit einer konstanten Frequenz f2 erzeugt, in einem Block24 ”PA f2” verstärkt und ebenfalls dem Combiner18 zugeführt. Der Combiner18 führt die auf eine Leitung kombinierten HF-Signale14 ,22 einem Block26 zu, der einen Duplexfilter enthält und das erste sowie zweite HF-Signal14 ,22 an einem Einleitungspunkt28 in den Signalübertragungspfad10 einspeist. Diese beiden HF-Signale14 ,22 treffen nun auf ihrem Weg durch den Signalübertragungspfad10 ggf. auf eine Stelle mit nichtlinearer Übertragungsfunktion, beispielsweise einen defekten HF-Steckverbinder, eine schlechte Lötstelle oder einen Kabelbruch, so dass aus den beiden HF-Signalen14 ,22 an sich unerwünschte Intermodulationsprodukte, wie beispielsweise das Intermodulationsprodukt3 . Ordnung IM3, erzeugt werden. Diese Intermodulationsprodukte laufen als in dem Signalübertragungspfad erzeugte Signale bzw. Intermodulationsprodukte bzw. Intermodulationsproduktsignale zu dem Einleitungspunkt28 zurück. - Mittels des Blockes
26 wird gleichzeitig am Einleitungspunkt28 ein in dem Signalübertragungspfad10 erzeugtes Signal empfangen und mittels des Duplexfilters das Intermodulationsprodukt3 . Ordnung IM332 mit einer Frequenz fIM-EMPFANGEN(t) herausgefiltert und über einen Ausgang30 an einen Block34 übergeben. Weiterhin wird in einem Block36 das erste HF-Signal in seiner Frequenz f1(t) verdoppelt (2·f1(t)) und einem weiteren Block38 wird das derartig frequenzverdoppelte erste HF-Signal14 mit dem zweiten HF-Signal22 gemischt, so dass schließlich das Intermodulationsprodukt3 . Ordnung IM340 mit der Frequenz fIM-ERZEUGT(t) erzeugt wird. Die Frequenz fIM-ERZEUGT(t) des erzeugten Intermodulationsprodukts3 . Ordnung IM340 ergibt sich somit aus der Frequenz f1(t) des ersten HF-Signals14 und aus der Frequenz f2 des zweiten HF-Signals22 gemäß der Gleichung fIM3-ERZEUGT(t) = 2 × f1(t) – f2. Das gleiche gilt für das empfangende Intermodulationsprodukt IM332 . Allerdings liegen die empfangenen, im Signalübertragungspfad erzeugten Intermodulationsprodukte aufgrund von Laufzeitunterschieden zeitlich zueinander versetzt am Einleitungspunkt28 vor, da das empfangene Intermodulationsprodukt IM332 zusätzlich einen Weg L vom Einleitungspunkt28 zu der Stelle mit nichtlinearer Übertragungsfunktion sowie den Weg L wieder zurück von der Stelle mit nichtlinearer Übertragungsfunktion zum Einleitungspunkt28 zurückgelegt hat. - In dem Block
34 werden das empfangene und erzeugte Intermodulationsprodukt32 und40 miteinander verglichen und es wird eine Frequenzdifferenz fD42 zwischen der Frequenz fIM-ERZEUGT(tEMPF) des erzeugten Intermodulationsproduktes IM340 und der Frequenz fIM-EMPFANGEN(tEMPF) des empfangenen Intermodulationsproduktes IM332 zu einem bestimmten Zeitpunkt tEMPF ermittelt und an den Block44 übergeben. In dem Block44 wird aus dieser Frequenzdifferenz fD42 zu dem jeweiligen Empfangszeitpunkt tEMPF eine Entfernung L gemäß der Formel berechnet, wobei c eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von HF-Signalen in dem Signalübertragungspfad10 , fD die zuvor bestimmte Frequenzdifferenz fD42 unddf / dt 14 verwendete, konstante Änderungsrate ist. Diese Entfernung L ist die Strecke von dem Einleitungspunkt28 bis zu einer Stelle, an der das Intermodulationsprodukt3 . Ordnung IM332 in dem Signalübertragungspfad10 aus dem ersten und zweiten HF-Signal14 ,22 erzeugt wurde. Es muss nun nur noch diese Entfernung bzw. Länge L am Signalübertragungspfad10 abgemessen werden und man erhält genau den Ort im Signalübertragungspfad10 an dem sich ein Fehler mit nichtlinearer Übertragungsfunktion befindet, die die HF-Obertragungseigenschaften des Signalübertragungspfades10 beeinträchtigt. Dies kann ein Bruch in einem HF-Kabel oder eine Fehlerstelle in der Antenne oder ein defekter HF-Steckverbinder oder eine fehlerhafte Lötstelle sein. Es können selbstverständlich auch mehrere fehlerhafte Stellen gleichzeitig in dem Signalübertragungspfad vorhanden sein. In diesem Falle ergeben sich mehrere zeitlich versetzte, empfangene Intermodulationsprodukte32 die alle gleichzeitig ausgewertet werden können, so dass es mehrere Frequenzdifferenzen fD und mehrere Längen L bestimmt werden können. Dadurch, dass als betrachtetes empfangenes Signal ein neu erzeugtes Intermodulationsprodukt verwendet wird, ist sichergestellt, dass die Länge L nur eine fehlerhafte Stelle mit nichtlinearer Übertragungsfunktion und keine sonstige Reflexion eines HF-Signals mit anderen Ursachen oder anderen Quellen betrifft. - Das erste HF-Signal
14 wird beispielsweise zeitlich wiederholt von der Anfangsfrequenz fANFANG = 925 MHZ bis zu einer Endfrequenz fENDE = 940 MHz kontinuierlich mit der Änderungsrate df/dt variiert (gesweept). Das zweite HF-Signal22 wird beispielsweise mit einer konstanten Frequenz f2 = 970 MHz erzeugt. Hieraus ergibt sich für das Intermodulationsprodukt3 . Ordnung IM3 eine entsprechend gesweepte Frequenz im Frequenzbereich von 880 MHz bis 910 MHz. Dieses lässt sich mit dem Duplexfilter in Block26 gut von dem eingespeisten ersten und zweiten HF-Signal14 ,22 mit entsprechend deutlich höherer Leistung trennen, so dass diese nicht in den Empfangsteil des Verfahrens ab dem Ausgang30 einstreuen. - In
2 ist auf einer horizontalen Achse46 die Zeit t und auf einer vertikalen Achse48 die Frequenz f aufgetragen. Es ist der zeitliche Verlauf der Frequenz fIM-ERZEUGT(t) des erzeugten Intermodulationsproduktes IM340 und der zeitliche Verlauf der Frequenz fIM-EMPFANGEN(t) des empfangenen Intermodulationsproduktes IM332 aufgetragen. Mit50 ist ein vorbestimmter Empfangszeitpunkt tEMPF, mit52 ist die Anfangsfrequenz fANFANG und mit54 ist die Endfrequenz fENDE bezeichnet. - Aufgrund eines aus der
2 ersichtlichen Zeitversatzes ΔtVERSATZ56 zwischen dem erzeugen Intermodulationsprodukt IM340 und dem im Signalübertragungspfad10 erzeugten Intermodulationsprodukt IM332 ergibt sich zu jeweils einem bestimmten Zeitpunkt tEMPF50 die Frequenzdifferenz fD42 zwischen dem erzeugten Intermodulationsprodukt IM340 und dem empfangenen Intermodulationsprodukt IM332 . Diese Frequenzdifferenz fD42 ist bei konstanter Änderungsrate df/dt für das gesweepte erste HF-Signal14 mit Frequenz f1(t) konstant und wird zur Berechnung der Länge L gemäß der zuvor genannte Formel verwendet. - Bei der in den
1 und2 dargestellten, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Intermodulationsprodukt3 . Ordnung IM3 verwendet. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft und es können auch andere Intermodulationsprodukte verwendet werden, wie beispielsweise das Intermodulationsprodukt2 . Ordnung (2·f1, 2·f2, f1 + f2, f2 – f1), oder 4. Ordnung oder höher. Wichtig ist lediglich, dass das erzeugte Intermodulationsprodukt fIM-ERZEUGT(t) und das empfangene Intermodulationsprodukt fIM-EMPFANGEN(t) identisch sind. - Zweckmäßigerweise wird eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vor der ersten Messung kalibriert, um Laufzeiten der miteinander verglichenen HF-Signale
32 und40 in der Auswerteelektronik vor dem Einleitungspunkt28 außerhalb des Signalübertragungspfades10 zu eliminieren.
Claims (9)
- Verfahren zum Orten von Stellen in einem Signalübertragungspfad (
10 ) für ein Hochfrequenzsignal, wobei diese Stellen im Sinne von Hochfrequenzübertragungseigenschaften des Signalübertragungspfades fehlerhaft sind, mit folgenden Schritten, (a) Erzeugen eines ersten HF-Signals (14 ), dessen Frequenz f1(t) mit einer vorbestimmten, konstanten Änderungsrate df/dt über die Zeit von einer vorbestimmten Anfangsfrequenz fANFANG (52 ) bis zu einer vorbestimmten Endfrequenz fENDE (54 ) kontinuierlich und zeitlich wiederholt variiert (gesweept) wird, so dass f1(t) = df/dt·t ist; (b) Erzeugen eines zweiten HF-Signals (22 ) mit einer konstanten vorbestimmten Frequenz f2; (c) Erzeugen eines vorbestimmten Intermodulationsproduktes (40 ) mit der Frequenz fIM-ERZEUGT(t) aus dem ersten und dem zweiten HF-Signal (14 ,22 ), (d) Einleiten des ersten HF-Signals (14 ) mit der Frequenz f1(t)q und des zweiten HF-Signals (22 ) mit der Frequenz f2 in den Signalübertragungspfad (10 ) an einem vorbestimmten Einleitungspunkt (28 ); (e) Empfangen eines in dem Signalübertragungspfad (10 ) reflektierten Intermodulationsproduktsignals (32 ) mit der Frequenz fIM-EMPFANGEN(t), welches dem in Schritt (c) erzeugten Intermodulationsprodukt (40 ) entspricht, am vorbestimmten Einleitungspunkt (28 ); (f) Bestimmen einer Frequenzdifferenz fD (42 ) zwischen der Frequenz fIM-ERZEUGT(tEMPF) des in Schritt (c) erzeugten Intermodulationsproduktes (40 ) und der Frequenz fIM-EMPFANGEN(tEMPF) des in Schritt (e) gleichzeitig zu einem jeweiligen Zeitpunkt tEMPF (50 ) empfangenen, reflektierten Intermodulationsproduktsignals (32 ); (g) Berechnen einer Länge L zwischen dem Einleitungspunkt (28 ) und einer Stelle in dem Signalübertragungspfad (10 ), von der aus das in Schritt (e) empfangene Signal reflektiert wurde, aus der in Schritt (f) bestimmten Frequenzdifferenz fD (42 ). - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalübertragungspfad (
10 ) eine Hochfrequenzleitung, insbesondere einen Hohlleiter und/oder ein Koaxialkabel, umfasst. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalübertragungspfad (
10 ) eine Blitzschutzschaltung, ein HF-Filter, einen HF-Abschlusswiderstand und/oder eine HF-Antenne umfasst. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (c) das Intermodulationsprodukt dritter Ordnung IM3 (
40 ) mit der Frequenz fIM3-ERZEUGT(t) = 2 × f1(t) – f2 oder fIM3-ERZEUGT(t) = 2 × f2(t) – f1 erzeugt und in Schritt (e) das entsprechende Intermodulationsprodukt (32 ) dritter Ordnung IM3 fIM3-EMPFANGEN(t) = 2 × f1(t) – f2 oder fIM3-EMPFANGEN(t) = 2 × f2(t) – f1 empfangen wird. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (e) das Intermodulationsprodukt (
32 ) mittels eines HF-Frequenzfilters, insbesondere eines Bandpassfilters, aus dem am Einleitungspunkt (28 ) empfangenen Signal herausgefiltert wird. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (g) die Länge L gemäß der Formel berechnet wird, wobei c eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von HF-Signalen in dem Signalübertragungspfad, fD (
42 ) die in Schritt (f) bestimmte Frequenzdifferenz unddf / dt - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) zwischen zwei aufeinander folgenden Frequenzvariationen der Frequenz f1(t) des ersten HF-Signals (
14 ) von fAnfang bis fEnde mit der Änderungsgeschwindigkeit df/dt eine vorbestimmte Zeit Δt vorgesehen ist. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stelle, welche im Sinne von Hochfrequenzübertragungseigenschaften des Signalübertragungspfades (
10 ) fehlerhaft ist, wenigstens eine Stelle umfasst, an der eine Änderung, insbesondere ein Sprung, des HF-Wellenwiderstandes vorliegt, an der eine elektrische Kontaktierung fehlerhaft ist, insbesondere ein Kontaktwiderstand vorliegt, welcher größer als ein vorbestimmter Wert ist, und/oder an der eine nichtlineare Übertragungsfunktion für ein HF-Signal vorliegt. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert von fANFANG kleiner ist, als ein Wert von fENDE.
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