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Verfahren zur Messung von Amplituden-und Phasenverzerrungen eines
elektrischen übertragungssystems Ainplituden- und Phasenverzerrungen kennzeichnen
bekanntlich die Eigenschaften -eines übertragungssysterns; praktisch interessieren
der Amplituderigang undder Phasengang, besser noch ihre Abweichungen vom idealen
Verlauf. Die Messung des Amplitudenganges ist heute in der Praxis allgemein üblich;
an Stelle von Phasenmessungen wird jedoch gewöhnlich die Gruppenlaufzeit gemessen;
sie ist einfacher zu ermitteln als die Phase. Die Gruppenlaufzeit ist jedoch kein
eindeutiges Maß für die Größe von Phasenverzerrungen, denn ihre Abweichungen vom
idealen Verlauf stehen in keinem sinnvollen Zusammenhang mit der Verzerrung eines
Signals; da sie aber der Differentialquotient des Phasenwinkels nach der Zeit ist,
läßt sich aus ihr der Phasenwinkel ermitteln.
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Eine exakte Bestimmung des Phasenwinkels aus der Gruppenlaufzeit setzt
voraus, daß die Integration von der Frequenz Null an durchgeführt werden kann; hierzu
muß der Verlauf der Gruppenlaufzeit bis zur Frequenz Null bekannt sein. Wenn nur
die Ab-
weichungen der Phase vom idealen Verlauf interessieren, genügt es,
die Abweichung der Gruppenlaufzeit von der Gruppenlaufzeit bei der Frequenz Null
zu kennen. Allgemein kann man aber sagen, daß die Gruppenlaufzeit bei der Frequenz
Null bekannt sein muß, um aus dem Verlauf der Gruppenlaufzeit die Phasenverzerrungen
ermitteln zu können. Diese wichtige Voraussetzung ist bei den heute bekannten Verfahren
zur Ermittlung der Gruppenlaufzeit nicht erfüllt.
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Gruppenlaufzeiten werden heute allgemein mit kontir:iiiierlichen Sinusschwingungen
gemessen. Hierzu worden diese Schwingungen mit einer relativ niedrigen Frequenz
(Spaltfrequenz) moduliert und am Ausgang des Meßobjektes die durch Demodulation
wiedergewonnene Modulationsschwingung in der Phase mit der Spaltschwingung des Meßsenders
oder mit einer anderen Schwingung gleicher Frequenz verglichen. Da die Spaltschwingung
am Ausgang des Meßobjektes nur wiedergewonnen werden kann, wenn die Trägerschwingung
hinreichend hoch über der moduherenden Spaltfrequenz liegt, ist auf diesem Wege
die Messung von Grappenlaufzeiten nur bis zur niedrigsten Trägerfrequenz möglich.
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Zur Erweiterung des Meßbereiches ist verschiedentlich vorgeschlagen
worden, neben der modulierten Trägerschwingung zusätzlich die Spaltfrequenz selbst
zu übertragen, um auf diese Weise die Laufzeitdifferenz zwischender Trägerschwingung
und der Spaltfrequenz zu erhalten. Hinreichend kleine Spaltfrequenzen führen jedoch
zu sehr aufwendigen Meßgeräten, abgesehen davon, daß die Empfindlichkeit der Geräte
mit abnehmender Spaltfrfflenz ebenfalls abm-Immt.
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Die Verwendung kontinuierlicher Sinusschwingungen hat noch einen weiteren
Nachteil: Beim Fernsehen beispielsweise muß man häufig, um die Übertragungseigenschaften
im Betriebszustand zu erfassen, mit Signalen messen, bei denen das eigentliche Meßsigaal
an Stelle des Bildinlialts in das Fernsehsignal oder zumindest in ein vereinfachtes
Ferrisehsignal eingeblendet wird. Das ist bei den bekannten Verfahren zur Messung
der Gruppenlaufzeit nicht oder nur mit Einschränkungen möglich, da jede Unterbrechung
der tragerfrequenten Schwingung eine Phaserunessung unmöglich macht. Zwar ist ein
Verfahren bekanntgeworden, bei dem es gelingt, eine kontinuierliche Spaltschwingung
auch aus einer unterbrochenen Trägemliwingung wieder zu gewinnen; dieses Verfahren
hat aber den Nachteil, daß die Spaltfrequenz ein Vielfaches der Unterbrechungsfrequenz
(im Fernsehen der Zeilenfrequenz) betragen muß, so daß hierfür nur hohe Spaltfrequenzen
in Frage kommen, die eine geringe Auflösung der Laufzeit-bzw. Phasenschwankungen
zur Folge haben.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren ist die Tatsache, daß
das Meßergebnis neben den Schwankungen der Gruppenlaufzeit mit der Frequenz einen
konstanten Betrag enthält, der von der #absoluten Laufzeit des Systems abhängig
ist; die absolute Laufzeit ist aber für Signalverzerrungen uninteressant. Sie muß
kompensiert werden, wenn man die Schwankungen der Gruppenlaufzeit mit der Frequenz
erkennen
will. Dies macht sich besonders störend bemerkbar, wenn durch Integration der Gruppenlaufzeit
über die Zeit einer Wobbelperiode die Schwankungen des Phasenwinkels ermittelt werden
sollen. Bei der Wobbelung mit geringer Spaltfrequenz sind nämlich nur sehr niedrige
Wobbelfrequenzen möglich, so daß eine Integration über die Zeit einer Wobbelperiode
sehr große Zeitkonstanten erfordert. Da über diese Zeitkonstanten auch jedes unerwünschte
Signal, wie z. B. die bei der Einstellung der Kompensation der konstanten Gruppenlaufzeit
auftretende Gleichspannungsänderung, integriert wird, fährt die Kompensation der
absoluten Gruppenlaufzeit in diesem Fall zu lang andauernden Fehlanzeigen; ähnliche
Störungen treten bei Ab- oder Anschalten der Meßobjekte in Erscheinung. Beiden
bisher bekannten Verfahren zur Messung von Gruppenlaufzeiten kann deshalb der Phasenwinkel
durch Integration nicht befriedigend ermittelt werden.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile werden bei einem Verfahren zur Messung
von Amplitaden- und Phasenverzerrungen erfindungsgemäß in periodischer Folge entweder
abwechselnd oder gleichzeitig ein trägerfrequenter Impuls geringer Bandbreite und
ein Gleichstromirnpuls übertragen, wobei die Form des Gleichs,tr,omimpu,Ises an
sich beliebig, vorzugsweise aber entsprechend der Hüllkurve des trägerfrequenten
Impulses ist, und am Empfangsort wird die Amplitude des demodulierten trägerfrequenten
Impulses im Vergleich zur Amplitade des Gleichstronumpulses bzw. die Schwankung
des zeitlichen Abstandes zwischen dem demodulierten trägerfrequenten Impuls und
dem Gleichstromirripuls gemessen.
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Das neue Verfahren beruht auf der Tatsache, daß sich die Hüllkurve
eines trägerfrequenten Signals mit derjenigen Gruppenlaufzeit fortpflanzt, die das
System im Frequenzbereich um die Trägerfrequenz hat, ein Gleichstromimpuls jedoch
mit der Gruppenlaufzeit um die Frequenz Null. Die Laufzeitdifferenz beider Signale
gibt also jeweils den Gruppenlaufzeitunterschied zwischen der Meßfrequenz: und der
Frequenz Null wieder. Die Vorteile dieses Verfahrens ergeben sich aus den erwähnten
Nachteilen der bekannten Verf ahren: Eswerden unmittelbar diejenigenGruppenlaufzeitabweichungen
gemessen, die im Zusammenhang mit Signalverzerrungen interessieren, nämlich die
Abweichungen der Gruppenlaufzeit bei der Meßfrequenz gegenüber der Gaupperrlaufzeit
bei der Frequenz Null. Das Meßergebnis ist eindeutig, da es durch keine willkürlich
einstellbaren Konstanten beeinflußt wird. Durch die Vermeidung von einstellbaren
Konstanten eignet es sich besser als andere Verfahren zur Ermittlung der letztlich
interessierenden Phasenschwankungen mit Hilfe nachfolgender Integrationsschaltungen.
Man kann sich im Gegensatz zu den bekannten Verfahren auf eine relativ niedrige
untere Grenzfrequenz beschränken, ohne daß das Meßergebnis im Meßbereich dadurch
unsicher wird.
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Schließlich bietet es für die Untersuchungen von übertragungssystemen
den Vorteil, daß man die Meßsignale unmittelbar einem Fernsehsignal überlagern kann,
ohne daß die Meßgenauigkeit dadurch vermindert wird oder die Anwendungsmöglichk-eiten
eingeschränkt werden.
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Eine mögliche Form des neuen Meßsignals zeigt beispielsweise die Fig.
1. Es werden abwechselnd beliebig geformte Gleichstrornimpulse
1 und 3 und trägerfrequente Impulse geringer Bandbreite 2 bzw. 4 übertragen.
Bei Phasenverzerrungen im Meßobjekt M ändert sich dann der Zeitabstand T zwischen
Gleichstromimpulsen und trligerfrequenten Impulsen mit der Trägerfrequenz. Wenn
am Ausgang des Meßobjektes der Zeitabstand T, zwischen dem Gleichstromimpuls
1 und dem Impuls 2 mit der Trägerfrequenz fl und der Zeitabstand
T., zwischen dem Gleichstromimpuls 2 und dem Impuls 4 mit der Trägerfrequenzf"
vorhanden ist, gibt t=T.,-T, unmittelbar die Änaerung der Gruppenlaufzeit zwischen
den Trägerfrequenzen fl und f", an. Die Zeiten T, und T., können nach
der Demodulation des trägerfrequenten Signals in der weiter unten beschriebenen
Weise gemessen werden. Die Gruppenlaufzeit bei der Frequenz Null läßt sich bei diesem
neuen Verfahren leicht dadurch erfassen, daß man auch die Trägerfrequenz Null,
d. h. einen Gleichstromimpuls mit der Form der Hüllkurve des trägerfrequenten
Impulses überträgt.
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Die F i g. 2 zeigt beispielsweise eine andere mögliche
Ausführungsform des Meßsignals, bei dem im gleichen Abstand T Gleichstromimpulse
5 und 7 und trägerfrequente Impulse 6 und 8 einander
folgen, wobei die Form des Gleichstromimpulses der Hüllkurve des trägerfrequenten
Impulses entspricht. Wenn am Ausgang des Meßobjektes der Zeitabstand T, zwischen
dem Gleichstromimpuls 5 und dem Impuls 6
mit der Trägerfrequenzf, vorhanden
ist, entspricht t=T,-T unmittelbar dem Unterschied der Laufzeiten zwischen dem trägerfrequenten
Impuls und dem Gleichstromirnpuls. Das aber ist bei hinreichend kleiner Bandbreite
der Impulse die Abweichung der Gruppenlaufzeit bei Frequenzfl von der Gruppenlaufzeit
bei der Frequenz Null. Entsprechendes gilt für den Impuls 8 mit der Trägerfrequenz
f2. Zur Messung der Zeit wird das trägerfrequente Signal am Empfangsort wiederum
demoduliert. Man erhält dann eine Folge von Gleichstromimpulsen, die in einem verzerrungsfreien
System für beliebige Trägerfrequenzen gleichen Abstand haben. Aus dieser Impulsfolge
kann man ein Rechtecksigtial ableiten, dessen Impulsflanken die gleichen Abstände
haben, wie die ursprLingjichen Gleichstromimpulse. Die, Zeitdifferenz T,
- T kann man z. B. aus der Amplitade einer geradzahligen Oberwelle
des Rechtecksignals bestimmen, da geradzahlige Oberwellen nur in dem Maße auftreten,
wie die Zeitabstände aufeinanderfolgender Impulsflanken voneinander abweichen.
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Eine besonders einfache und zweckmäßige Lösung der gestellten Aufgabe
ist beispielsweise die gleichzeitige übertragungeines trägerfrequenten Impulses
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und eines gleichartig geformten Gleichstromimpulses 10 entsprechend
F i g. 3, so daß sich ein Signal 11
ergibt.
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Dieses Signal 11 kann man in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
entsprechend F ig.4 aus dem trägerfrequenten Signal 9 durch eine in der Fernsehtechnik
als »Schwarzsteuerung« bezeichnete Spitzengleichrichterschaltung 12 gewinnen. Die
F i g. 5
zeigt wie am Empfangsort das Meßsignal 13 durch einen
Tiefpaß 14 unZeinen Hochpaß 15 wieder in einen Gleichstromimpuls
16 und einen trägerfrequenten Impuls 17 aufgespalten und das trägerfrequente
Signal 17 zu einem Gleichstromimpuls 18
demoduliert wird. Die Zeit
t zwischen den Impulsen 16 und 18 gibt dann unmittelbar den Unterschied
zwischen der Gruppenlaufzeit bei der Trägerfrequenz des Impulses 17 und der
Gruppenlaufzeit bei der
Frequenz Null ain. Dieses Signal enthält
bei einer Wobbelung der Trägerfrequenz nur die Schwankung der Gruppenlaufzeit mit
der Frequenz; es eignet sich deshalb besonders, um durch Integration die entsprechenden
Schwankungen des Phasenwinkels zu ermitteln.
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Zur Zeitmessung werden nach der Erfindung in allen Fällen die nach
der Demodulation des trägerfrequr,nten Signals vorhandenen Gleichstromirapulse,
z. B. 16 und 18 in F i g. 5, differenziert, so daß zwei Signale
mit definiertera Nulldurchgang 19, 20 entstehen, deren Zeitabstärtde mit
bekannten Meßverfahren ermittelt werden können.
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In allen Fällen liefert die Amplitude des trägerfrequenten Impulses
den Arnplitudengang des übertragungssystems. Bei der gleichzeitigen übertragung
von trägerfrequentem Impuls und Gleichstromimpuls kann man nach der Erfmdung unmittelbar
die Schwankung des Amplitudenganges erhalten, wenn man gemäß F i g. 6 nach
der Trennung der beiden Signale durch Hoch- und Tiefpaß den unmittelbar übertragenen
Gleichstromimpuls 16 mit dem Gleichstromimpals 21 in einer Additionsstufe
22 überlagert; den Gleichstromirnpuls 21 gewinnt man durch Demodulation der negativen
Halbwelle des trägerfrequenten Impulses 17. Das Differenzsignal
23 ist der Schwankung des Amplitudenganges mit der Trägerfrequenz proportional,
da die bei Phasenverzerrungen auftretenden Phasendifferenzen beider Signale nur
sehr klein sind.
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In der übertragungstechnik ist es häufig wichtig, daß Messungen auch
durchgeführt werden können, wenn Sender und Empfänger an verschiedenen Orten stehen.
Auch fürdiesen Fall ist das neue Verfahren sehr gut geeignet. Gegenüber dem üblichen
Meßverfahren entfällt sogar die Notwendigkeit ein Bezugssignal am Empfangsort herzustellen,
da dieses Signal im Meßsignal bereits in Form des Gleichstromimpulses enthalten
ist. Die notwendige Spannung zur frequenzproportionalen Ablenkung des Empfangsoszillografen
gewinnt man leicht mit Hilfe eines Netzwerkes, dessen Araplitudengang proportional
mit der Frequenz ansteigt. Es liefert aus dem trägerfrequenten Signal nach einer
anschließenden Gleichrichtung eine Spannung, die der Frequenz am Sendeort proportional
ist.
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Neue Möglichkeiten bietet das neue Meßverfahren. fürdie Messung von
Phasenverzerrungen in der Fernschtechnik. Wie erwähnt, ist hier eine Messung, die
den Betriebszustand erfaßt, meist nur mit Fernsehsynchronsignalen oder zumindest
mit den Horizontalimpulsen möglich. Nach der Erfindung wird zur Durchführung solcher
Messungen als Folgefrequenz für den Meßhupuls die Zeilenfrequenz gewählt und die
Impulsbreite, und zeitliche Lage relativ zu den Zeilenimpulsen des Fernschsigaals
gemäß F i g. 7 derart eingestellt, daß das Meßsignal 24 zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Zeilenimpulsen 25 erscheint. Es kann dann üblichen Fernsehmeßsignalen mit
veränderbarer Schwarzabhebung S überlagert werden. Aus diesem Signal
läßt sich am Empfangsort die TrägeTschwingung mit einfachen Mitteln vom Fernsehsignal
trennen und im weiteren Verlauf so behandeln, als wäre, sie allein übertragen worden.