DE19549600C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Frequenzhubs eines FM-Eingangssignals - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Frequenzhubs eines FM-EingangssignalsInfo
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Abstract
Ein FM-Eingangssignal wird A/D-umgesetzt und dann eine Inphase-Komponente und eine Quadratur-Komponente ermittelt. Aus diesen wird eine Momentanphase des FM-Eingangssignals ermittelt und daraus die Momentanfrequenz des modulierten Signals ermittelt. Aus einer Inphase-Komponente und einer Quadratur-Komponente der Momentanfrequenz werden eine Hüllkurve der Momentanfrequenz und aus dieser der maximale Frequenzhub ermittelt.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine dieses verwendende Vorrich
tung zur Messung des Frequenzhubs eines FM-Eingangssignals, das von einem Sender ausgegeben wird.
Ein Träger ist beispielsweise durch die Formel
Vc = Asin(2πfst)
gegeben, wobei A die Amplitude des Träges und fs seine Momentanfrequenz sind. Wenn die
Mittenfrequenz des Trägers fc ist und die Frequenz eines Basisband-Modulationssignals (zum
Beispiel eines Sprachsignals) fa ist, dann ist die Momentanfrequenz fs gegeben durch:
fs = fc + Δfcsin(2πfat)
wobei Δfc als von dem Modulationssignal hervorgerufener Frequenzhub bezeichnet wird.
Eine herkömmliche Vorrichtung zur Messung des FM-Frequenzhubs ist gemäß Darstellung in
Fig. 1 als analoge Schaltung aufgebaut. Ein RF-Signal SRF (ein radio- oder hochfrequentes
Signal), das einem Eingangsanschluß IN von einem FM-Sender geliefert wird, wird mit einem
Überlagerungssignal von einem Überlagerungsoszillator 12 in einen Mischer 11 gemischt, und
nur eine Differenzkomponente zwischen den beiden Signalen, das heißt ein Zwischenfrequenz
(ZF)-Signal SIF wird selektiv ausgegeben. Das ZF-Signal SIF wird von einem ZF-Verstär
ker/Filterteil 13 verstärkt und von einem FM-Demodulator 14 zum Erhalt eines demodulierten
Signals e(t) in eine der Frequenz entsprechende Spannung umgesetzt (F/V-Umsetzung). Durch
Messen des positiven Spitzenwerts und des negativen Spitzenwerts des demodulierten Signals
e(t) über eine vorbestimmte Zeitspanne unter Verwendung eines Digitalvoltmeters 15 erhält man
einen positiven Frequenzhub-Spitzenwert P+ und einen negativen Frequenzhub-Spitzenwert P-,
aus denen dann als Frequenzhub Δfc der Mittelwert (P+ + P-)/2 ermittelt werden kann. Bei einer
herkömmlichen FM-Frequenzhub-Meßvorrichtung mit analogem Schaltungsaufbau enthält der
FM-Demodulator 14 Induktivitäten, Kapazitäten, Widerstände, Dioden, etc. wie in einer CR-
Differentialschaltung (HPF) oder Foster-Seely-Schaltung. Daraus ergibt sich der Nachteil, daß die
FN-Umsetzungskennlinie abhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur und Änderun
gen der Komponenten mit der Zeit variiert, so daß auch der gemessene Wert des Frequenzhubs
variiert.
Aus der DE 38 25 160 A1 ist ein dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechendes
Verfahren zur Messung des Frequenzhubs eines FM-Eingangssignals bekannt, bei dem die
Inphasen-Komponente und die Quadratur-Komponente des FM-Eingangssignals ermittelt
werden. Aus diesen Inphasen- und Quadratur-Komponenten werden die entsprechenden
Betrags- und Phasenwert unter Zugriff auf einen Speicher ermittelt und zur Weiterverarbeitung
benutzt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Messung eines FM-Frequenzhubs zu schaffen, die ein gutes Temperaturverhalten und einen
geringen Einfluß zeitbedingter bzw. alterungsbedingter Änderungen aufweisen, wobei zugleich
die Meßgenauigkeit insbesondere für den Fall verbessert wird, wo eine A/D-Umsetzung mit
relativ geringer Abtastfrequenz verwendet wird.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den im Patentanspruch 1 angegebenen
Maßnahmen, und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläu
tert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer bekannten FM-Frequenzhub-Meßvorrichtung mit analoger
Schaltung,
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Frequenzhub-Meßvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3A ein Beispiel eines Frequenzspektrums eines Eingangssignals zu einem A/D-Umsetzer
17 ohne TPF 16 in Fig. 2,
Fig. 3B ein Beispiel eines Frequenzspektrums eines Ausgangssignals von dem A/D-Umsetzer
17 ohne TPF 16 in Fig. 2,
Fig. 4A ein Beispiel eines Frequenzbandes eines Eingangssignals zu einem Quadratur-Detek
torteil 19 in Fig. 2,
Fig. 4B ein Beispiel jeweils des Summenfrequenzbandes und des Differenzfrequenzbandes
zwischen einem Zwischenfrequenzband FIF, von dem Quadratur-Detektorteil 19 in Fig.
2 erzeugt, und einer Referenzfrequenz fm,
Fig. 4C ein Basisband, erhalten durch Entfernen des Summenfrequenzbandes in dem Quadra
tur-Detektorteil 19 von Fig. 2,
Fig. 5 eine Wellenform einer Momentanfrequenz des modulierten Signals fa(t),
Fig. 6A den Zusammenhang zwischen fa(t) und Abtastzeitpunkten im einzelnen,
Fig. 6B ein Beispiel eines Frequenzbandes von fa(t),
Fig. 6C ein Beispiel je des Summenfrequenzbandes und des Differenzfrequenzbandes
zwischen fa(t), in dem Quadratur-Detektorteil 27 von Fig. 2 erzeugt, und einer Refe
renzfrequenz f0,
Fig. 7 eine Ausgangswellenform eines Hüllkurven-Berechnungsteils 18 in Fig. 2, und
Fig. 8 Beispiele eingegebener und interner Frequenzbänder des Quadratur-Detektorteils 19
für die Fälle fsp = 2fm, 3fm, 5fm bzw. 6fm des Zusammenhangs zwischen einer Ab
tastfrequenz fsp und einer Mittenfrequenz fm eines FM-Eingangssignals V(t) in Fig. 2.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert.
In Fig. 2 sind Teile, die solchen in Fig. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszahlen versehen. Die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dient der Messung des Frequenzhubs eines FM-Signals,
wobei ein Eingangsanschluß IN beispielsweise mit einem Antennenanschluß eines Senders über
ein Koaxialkabel zur Eingabe eines zu messenden FM-Signals SRF verbunden ist. Wie in Verbin
dung mit Fig. 1 erläutert, wird das Eingangssignal SRF einem Mischer 11 geliefert und hier mit
einem Überlagerungssignal der Frequenz fL von einem Überlagerungsoszillator 12 gemischt. Die
Differenzfrequenzkomponente wird als FM-ZF-Signal SIF ausgegeben. Das Signal SIF wird mittels
eines Tiefpaßfilters (TPF) 16 zum Anti-Aliasing band-begrenzt und wird zu einem FM-Eingangs
signal V(t), welches einem A/D-Umsetzer 17 eingegeben wird. Hier wird es mit der Abtastfre
quenz fsp von einem Oszillator 18 abgetastet und in ein digitales Signal umgesetzt.
Wenn das FM-ZF-Signal SIF mit der Abtastfrequenz fsp A/D-umgesetzt wird, werden Summen
komponenten und Differenzkomponenten zwischen dem ganzzahligen Vielfachen der Abtastfre
quenz fsp und einer Frequenzkomponente Xa des Signals SIF, das heißt, fsp ± Xa, 2fsp ± Xa,
3fsp ± Xa, ... erzeugt, wie in dem Fall, wo das Signal SIF mit einem Signal der Frequenz fsp
gemischt wird. Die Abtastfrequenz fsp ist nach Maßgabe des Abtasttheorems so gewählt, daß
sie über dem Doppelten der Frequenz des Signals SIF liegt. Wenn jedoch, wie in Fig. 3A gezeigt,
eine Rauschkomponente Na eines über der Nyquistfrequenz fN = fsp/2 liegenden Frequenzspek
trums in dem Signal SIF enthalten ist, dann kann das Frequenzspektrum des A/D-umgesetzten
digitalen Signals, das heißt eines diskreten Zeitsignals V(nT) (T ist die Abtastperiode, n ist die
laufenden Abtastnummer und nachfolgend ist t = nT) nicht exakt gemessen werden, da gemäß
Darstellung in Fig. 3B fsp - Xa, 2fsp - Xa, 3fsp - Xa, ... mit Xa, fsp + Xa bzw. 2fsp + Xa, ..., überlappt
ist. Diese Überlappung wird als "Aliasing" bezeichnet. Zur Ausschaltung dieses Aliasing erfolgt
eine Bandbegrenzung zur Unterdrückung von Frequenzkomponenten oberhalb der Nyquistfre
quenz fN in dem Tiefpaßfilter 16. In diesem Sinn wird das Tiefpaßfilter 16 manchmal als Anti-
Aliasing-Tiefpaßfilter bezeichnet.
Das A/D-umgesetzte FM-Eingangssignal V(t) wird dem Quadratur-Detektorteil 19 zur Berech
nung seiner Inphase-Komponente I und Quadratur-Komponente Q durch eine sogenannte
"Quadraturdetektion" eingegeben. Eine dieser zueinander orthogonalen Komponenten I und Q
ist eine Hilbert-Transformation der anderen, und I und Q werden als Hilbert-Transformationspaar
bezeichnet. Die Produkte Ib und Qb zwischen dem FM-Eingangssignal V(t) (Fig. 4A) der
Zwischenfrequenz, deren Mittenfrequenz eine vorbestimmte feste Frequenz fm ist, und den
Referenzsignalen cos(2πfmt) bzw. sin(2πfmt) erhält man aus den folgenden Gleichungen:
Ib = V(t)cos(2πfmt) (1)
Qb = V(t)sin(2πfmt) (2)
Diese Signale Ib und Qb enthalten, wie in Fig. 4B gezeigt, die Differenzfrequenzkomponente B1
(das heißt FIF - fm) und die Summenfrequenzkomponente B2 (das heißt FIF + fm) zwischen dem
Frequenzband FIF (Zwischenfrequenzband) und der Mittenfrequenz fm. Jedes der Signale Ib und
Qb wird gefiltert, damit nur die Differenzfrequenzkomponente B1 übrigbleibt, wie in Fig. 4C
gezeigt, womit man die Inphasen-Komponente I und die Quadratur-Komponente Q erhält, die
zueinander orthogonal sind. In diesem Fall ist die Mittenfrequenz der Differenzfrequenzkompo
nente 0 Hz. Das heißt, die Mittenfrequenz des Hilbert-Transformationspaares I und Q ist 0 Hz.
Nebenbei bemerkt zeigen die Fig. 4A, 4B und 4C Beispiele, wo die ZF-Mittenfrequenz fm auf
252 kHz und die Abtastfrequenz fsp auf fsp = 4fm = 1008 kHz gesetzt sind.
Das Hilbert-Transformationspaar I und Q wird einem Phasen-Berechnungsteil 20 eingegeben,
und die Momentanphase θ(t) anhand folgender Gleichung berechnet:
θ(t) = tan-1(Q/I) (3)
Die zeitseriellen Werte (Daten) der Momentanphase e(t) werden dem Differential-Berechnungs
teil 21 eingegeben, und die Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals des FM-Eingangs
signals V(t) wird aus nachstehender Gleichung berechnet:
Die Frequenz fa(t) ist in Fig. 5 beispielhaft in analoger Form dargestellt. Die erhaltene fa(t) wird
dem Frequenzhub-Berechnungsteil 25 zum Erhalt eines positiven Spitzenwerts P+ und eines
negativen Spitzenwerts P- (Absolutwert) während einer konstanten Zeitspanne TM der Momen
tanfrequenz fa(t) des modulierten Signals eingegeben, und der Mittelwert (P+ + P-)/2 wird als
Frequenzhub Δfc gewonnen und kann an einem Anzeigeteil 26 angezeigt werden.
Wie oben beschrieben, basiert die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, daß die Momentan
frequenz fa(t) des modulierten Signals anhand der Gleichungen (3) und (4) aus der Inphasen-
Komponente I und der Quadratur-Komponente Q gewonnen werden kann, die durch die Schritte
des A/D-Umsetzens eines FM-Eingangssignals und Quadraturdetektion des digitalen Signals
unter Verwendung eines Referenzsignals der gleichen Frequenz wie die Mittenfrequenz fm der
Zwischenfrequenz erhalten werden. Die auf diesem Prinzip beruhende Vorrichtung liefert einen
stabilen Betrieb mit geringerem Einfluß von Temperaturänderungen, da der analoge FM-Demo
dulator 14 von Fig. 14 nicht verwendet wird.
Zur Untersuchung der Eigenschaften eines Senders wird bei tatsächlichen Messungen oft nicht
nur der Frequenzhub, sondern auch ein Trägerfrequenzfehler gemessen. Daher ist dieses
Ausführungsbeispiel in unten beschriebener Weise ausgestattet, so daß der Trägerfrequenzfehler
∈f ermittelt werden kann.
Die zeitseriellen Werte der Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals von dem Differen
tial-Berechnungsteil 21 werden einem Frequenzfehler-Detektorteil 22 eingegeben, worin ein
Verschiebungsbetrag der Trägerfrequenz ermittelt wird. Anders ausgedrückt, der Frequenzfeh
ler-Detektorteil 22 integriert gemäß nachfolgender Gleichung (10) die Momentanfrequenz des
modulierten Signals für eine Zeitspanne W, die sehr viel länger ist als die Periode eines Modula
tionssignals (zum Beispiel eine Tonlagenperiode eines Sprachsignals), beispielsweise etwa 10
Mal soviel.
Dieser integrierte Wert ΔF wird von dem Frequenzfehler ∈f des Trägers des eingegebenen ZF-
Signals SIF verursacht. Da die Frequenzgenauigkeit des Überlagerungsoszillators 12 im allgemei
nen gut genug ist, ist der Trägerfrequenzfehler ∈f des ZF-Signals SIF gleich dem Trägerfrequenz
fehler des in den Mischer 11 eingegebenen RF-Signals. Daher erhält man ∈f durch die folgende
Gleichung:
∈f = ΔF/W (6)
Dieser Meßwert wird an den Anzeigeteil 26 geliefert und zusammen mit dem Frequenzhub Δfc
angezeigt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Schalter SW vorgesehen, und die Momentanfrequenz
fa(t) des modulierten Signals gelangt durch Betätigen des Schalters SW wenn das Modulations
signal ein Sprachsignal ist, an ein Deemphasisteil 23. Dann kann der Spitzenwert auch nach
Entfernen einer Preemphasis erhalten werden, der das Signal fa(t) unterzogen wurde. Anders
ausgedrückt, wenn ein Träger zur Übertragung mittels eines Sprachsignals frequenzmoduliert
wird, wird das ursprüngliche Basisbandsignal vor Umsetzung zu einem RF-Signal SRF oder einem
ZF-Signal SIF einer Preemphasis unterzogen, so daß höhere Frequenzkomponenten in dem Signal
hervorgehoben werden. Das RF-Signal, dessen Träger mit diesem Basisbandsignal frequenzmo
duliert wurde, wird dem Anschluß IN geliefert. Durch F/V-Umsetzen, wie ein FM-Empfänger, der
Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals von dem Differential-Berechnungsteil 21 zum
Erhalt des demodulierten ursprünglichen Basisbandsignals und durch Durchleiten dieses Signals
durch eine Deemphasis-Schaltung mit einem gegenüber der Preemphasis-Schaltung entgegenge
setzten Frequenzgang kann der flache Frequenzgang des Basisbandsignals wiedergewonnen
werden. Bei der Vorrichtung dieser Ausführungsform wird die Momentanfrequenz fa(t) des
modulierten Signals über den Schalter SW in den Deemphasisteil 23 eingegeben und nach
Maßgabe der Deemphasis-Kennlinie gewichtet, um den Einfluß der Preemphasis zu entfernen.
Das Ausgangssignal des Deemphasisteils wird einem Bandpaßfilter (BPF) 24 eingegeben, das als
ein digitales Filter ausgebildet ist, um Rauschkomponenten zu entfernen und die höherfrequente
Seite auf beispielsweise 3 kHz, 15 kHz, etc. zu begrenzen. Das Ausgangssignal fa(t) des Band
paßfilters 24 wird einem Frequenzhub-Berechnungsteil 25 zur Berechnung des positiven Spit
zenwerts P+ und des negativen Spitzenwerts P- (Absolutwert) eingegeben. Das Mittel des posi
tiven und des negativen Spitzenwerts (P+ + P-)/2 wird als Frequenzhub ausgegeben. Dem
Frequenzhub entsprechende Daten werden dem Anzeigeteil 26 eingegeben und an einem Sicht
schirm angezeigt.
Der Frequenzfehler-Berechnungsteil 22, der Deemphasisteil 23 und das Bandpaßfilter 24 können
bei Bedarf entfallen.
Die Wellenform von fa(t) in Fig. 5 entspricht einer Spannungswellenform des Modulations
signals, wenn man sich auf der Ordinate statt der Frequenz die Spannung aufgetragen denkt.
Wenn das Modulationssignal ein Sprachsignal ist, ändert sich der Hub von fa(t). Wie in Fig. 5
gezeigt, ändert sich daher die Hüllkurve der Spitzenwerte der Momentanfrequenz. Da der digi
tale Wert der Momentanfrequenz des modulierten Signals fa(t), der sich aus der Gleichung (3)
ergibt, ein Wert jeweils für eine Abtastperiode T = 1/fsp ist, kann, wenn die Abtastfrequenz fsp
verglichen mit der Schwankung von fa(t) hoch genug ist, jeder Spitzenwert der Frequenzhübe
erfaßt werden. Wenn jedoch die Abtastperiode T länger ist, kann der Abtastzeitpunkt deutlich
gegenüber der Spitzenposition verschoben sein, wie durch Punkte auf der Wellenform von fa(t)
in Fig. 6A dargestellt. In diesem Fall kann der Frequenzhub nicht genau gemessen werden.
Wenn in diesem Fall die Wellenform von fa(t) als eine oszillierende Spannungswellenform ange
nommen wird und fa(t) quadratur-detektiert wird und die Quadratwurzel der Summe der
Quadrate der Inphase-Komponente IF und der Quadratur-Komponente QF ermittelt wird, kann
die Hüllkurve der Spitzenwerte der Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals erhalten
werden. Selbst wenn also der Abtastzeitpunkt nicht mit der Frequenzspitzenposition zusammen
fällt, tritt kein großer Fehler auf. Das heißt, der Spitzenwert kann unter der Annahme, daß die
Amplitude der Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals konstant ist, wie folgt erhalten
werden.
Die Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals von dem Differential-Berechnungsteil 21
wird in einem zweiten Quadratur-Detektorteil 27 quadratur-detektiert, das heißt es werden die
Inphasen-Komponente IF und die Quadratur-Komponente QF als ein Hilbert-Transformationspaar
ermittelt. Zuerst werden das Produkt der I0 der Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals
mit dem Referenzsignal cos(2πf0t) und das Produkt Q0 von fa(t) mit dem Referenzsignal
sin(2πf0t) gebildet:
I0 = fa(t)cos(2πf0t) (7)
Q0 = fa(t)sin(2πf0t) (8)
Nimmt man an, daß fa(t) ein Signal einer einzigen Frequenz ist, würde das Signal mit zwei
zueinander orthogonalen Referenzsignalen cos(2πf0t) und sin(2πf0t) quadratur-detektiert zum
Erhalt der Inphasen-Komponente IF und der Quadratur-Komponente QF, wonach man
(IF 2 + QF 2)1/2 erhalten würde. Da dies das gleiche wie die Amplitude (Hüllkurve) von fa(t) ist,
kann der Maximalwert von fa(t) unabhängig von dem Abtastzeitpunkt erhalten werden. Wenn
daher fa(t) gemäß nachstehender Formel in eine Fourier-Reihe zerlegt wird,
gilt das gleiche wie oben für die Komponente xicos(2πifat) jeder Frequenz i . fa. Dabei ist k ein
Wert, der von der oberen Grenze des Durchlaßbandes bestimmt wird, auf das das Signal V(t)
begrenzt wurde. Die i-te Frequenzkomponente wird beispielsweise von fai(t) repräsentiert, wobei
die folgenden Vereinbarungen getroffen sind:
fai(t) = xicos(2πifat) = xicosαi (10)
2πf0t = β (11)
Zum Erhalt des Hilbert-Transformationspaares IFi und QFi für die i-te Termkomponente fai(t) in
der Gleichung (10) ergeben sich das Produkt von fai(t) mit dem Referenzsignal cos(2πf0t) und
das Produkt von fai(t) mit dem Referenzsignal sin(2πf0t) wie folgt:
I0i = fai(t)cos(2πf0t) = xi cos αi cos β = xi{cos(αi + β) + cos(αi - β)} (12)
Q0i = fai(t)sin(2πf0t) = xi cos αi sin β = xi{sin(αi + β) - sin(αi - β)} (13)
Die Differenzkomponenten xicos(αi - β) und xisin(αi - β) in den Gleichungen (12) und (13) können
als das Hilbert-Transformationspaar IFi und QFi erhalten werden. Übrigens sind die Summe der
Inphase-Komponenten IF1 + IF2 ... + IFk und die Summe der Quadratur-Komponenten QF1 +
QF2 ... + QFk der jeweiligen Frequenzkomponenten des Signals fa(t) gleich der Inphasen-
Komponente IF bzw. der Quadratur-Komponente QF, das heißt es gelten die folgenden Glei
chungen:
Dies bedeutet, daß die Gleichungen (14) und (15) gleich den Gleichungen (7) bzw. (8) sind und
also die Hüllkurve von fa(t) dadurch erhalten werden kann, daß man I0 und Q0 anhand der
Gleichungen (7) und (8) ermittelt und diese zum Erhalt des Hilbert-Transformationspaares IF und
QF filtert, und dann (IF 2 + QF 2)1/2 berechnet. Da jedoch, wie in Fig. 6A gezeigt, fa(t) von 0 Hz
aus in positiver und in negativer Richtung auslenkt, ist das Frequenzband auf 0 Hz zentriert, wie
beispielsweise in Fig. 6B gezeigt. Wenn fa(t), wie oben beschrieben, weiter mit der Sinuswelle
der Frequenz f0 quadratur-detektiert wird, werden die Summenkomponenten und die Differenz
komponenten zwischen den Frequenzen αi und β erzeugt, wie in den Gleichungen (12) und (13).
Dies sind die Spektren, zu denen fa(t) in positiver und negativer Richtung durch f0 verschoben
wird, wie in Fig. 6C gezeigt. Was daher die Berechnungsergebnisse I0 und Q0 der Gleichungen
(7) und (8) angeht, führt der Quadratur-Detektorteil 27 einen Filterungsprozeß an I0 und Q0 aus,
so daß nur die Summenkomponente oder die Differenzkomponente entnommen und als das
Hilbert-Transformationspaar ausgegeben wird. Ein Hüllkurven-Berechnungsteil 28 berechnet die
Gleichung (16) zum Erhalt von
En(t) = (IF 2 + QF 2)1/2 (16)
als einen Abtastwert En(nT) für jeden Abtastzeitpunkt (Periode T = 1/fsp) der Hüllkurve der
Momentanfrequenz des modulierten Signals fa(t). Nebenbei bemerkt kann für die Referenzfre
quenz f0 ein beliebiger Wert gewählt werden, jedoch ist f0 = fsp/4 günstig. Da die Phase 2πf0t
des Kosinus und des Sinus in den Gleichungen (7) und (8) für jede Abtastperiode T = 1/fsp um
90° zunimmt und sowohl der Kosinus als auch der Sinus einen der Werte 0,1 und -1 annimmt,
werden die Berechnungen der Gleichungen (7) und (8) vereinfacht. Fig. 6C zeigt den Fall von
= fsp/4 = 63 kHz.
Die Abtastwerte der Hüllkurve En(nT) werden dem zweiten Frequenzhub-Berechnungsteil 29 zur
Feststellung des Maximalwerts P während jeder vorbestimmten Periode TM eingegeben, die
ausreichend länger ist als die Schwankungsbreite der Hüllkurve En(nT). Wenn eine genauere
Messung nötig ist, wird der maximale Hüllkurvenwert zwischen Abtastzeitpunkten des Zeit
intervalls T als der Maximalwert des Frequenzhubs durch eine Interpolation oder funktionale
Näherung von dem ermittelten Maximalwert P und den benachbarten Abtastwerten gewonnen
und an den Anzeigeteil 26 geliefert. In diesem Fall ist daher der Frequenzhub-Berechnungsteil
25 nicht erforderlich.
Bei der tatsächlichen Messung wird ein Träger mit einem Signal einer konstanten Frequenz und
einer konstanten Amplitude im Bereich von z. B. 1 bis 10 kHz anstelle eines Sprachsignals
moduliert. Der Frequenzhub dieses modulierten Trägers wird oft gemessen. Da in diesem Fall
die Schwankungsbreite der Momentanfrequenz fa(t) in positive und negative Richtung konstant
ist, und die Wert P+ und P- betragen, kann der Mittelwert der Hüllkurvenabtastwerte En(nT),
der sich aus Gleichung (16) innerhalb der vorbestimmten Zeitperiode (könnte kürzer sein als TM)
ergibt, als der Frequenzhub verwendet werden.
Gemäß der obigen Beschreibung ist es günstig, die Abtastfrequenz fsp auf das Vierfache der
Mittenfrequenz fm des FM-Eingangssignals V(t) zu setzen, wie dies bei den in den Fig. 4A, 4B
und 4C gezeigten Beispielen der Fall ist. Der Grund dafür wird nachfolgend beschrieben.
Das Abtasttheorem fordert, daß die Abtastfrequenz höher als das Doppelte der maximalen
Frequenz eines Eingangssignals V(t) gesetzt wird. Im Fall von fsp = 2fm muß, da Komponenten
oberhalb der Nyquist-Frequenz fN = fsp/2 in dem Frequenzband (Zwischenfrequenzband) FIF des
Eingangssignals V(t) enthalten sind, wie in Reihe A von Fig. 8 gezeigt, fsp zu fsp < 2fm gesetzt
werden.
Wie in Reihe B-1 von Fig. 8 gezeigt, ist das Frequenzband FIF des Eingangssignals V(t) niedriger
als die Nyquist-Frequenz fN . Ib und Qb der Gleichungen (1) und (2), die durch die Signalverarbei
tung des Quadratur-Detektorteils 19 erhalten werden, enthalten ein Frequenzband B1 der Diffe
renzfrequenz (FIF - fm), ein Frequenzband B2 der Summenfrequenz (FIF + fm) und ein Frequenz
band B3 von -(FIF + Fm) (Reihe B-2 von Fig. 8). Da B2 und B3 die positive bzw. die negative
Nyquist-Frequenz fN bzw. -fN überschreiten, werden die diskreten Daten von Ib und Qb zu fN
und -fN gefaltet, wodurch Aliasing-Komponenten B2' bzw. B3' erzeugt werden. Die Mittenfre
quenzen der Aliasing-Komponenten B2' und B3' sind ±fsp/3. In den Fällen der Fig. 4A, 4B und
4C wo fsp = 4fm eingestellt ist, sind die Mittenfrequenzen der Frequenzbänder B2 und B3 von
±(FIF + fm) ± fsp/2, womit der Frequenzabstand zwischen B1 und B2 oder B3 größer ist als im
Fall (B). Daher erfordert die Filterung zur Trennung von B1 und B2' oder B3' einen Filterungs
prozeß höherer Ordnung, das heißt einen komplexen Prozeß aufgrund des verringerten
Frequenzabstands verglichen mit dem Filterungsprozeß im Fall der Fig. 4A, 4B und 4C, wo fsp
= 4fm gesetzt ist.
Das in Reihe C-1 von Fig. 8 gezeigte ZF-Band FIF ist das Frequenzband B2 der Summenfre
quenz, dessen Mittenfrequenz 2fsp/5 beträgt, wie in Reihe C-2 von Fig. 8. In diesem Fall ist der
Trennungsabstand zwischen B1 und B2 kleiner als in den Fällen der Fig. 4A, 4B und 4C, wo fsp
= 4fm beträgt, so daß der Filterungsprozeß zur Trennung komplexer wird.
Das in Reihe D-1 von Fig. 8 gezeichnete ZF-Band FIF ist das Frequenzband B2 der Summenfre
quenz, dessen Mittenfrequenz fsp/3 beträgt, wie in Reihe D-2 von Fig. 8. In diesem Fall hat B2
die Mittenfrequenz der Aliasing-Komponente B2' des Falles (B), auch hier ist deshalb der Filte
rungsprozeß zur Trennung des Differenzfrequenzbandes B1 von dem Summenfrequenzband B2
komplex.
Wie oben erwähnt, ist in den Fällen der Fig. 4A, 4B und 4C, wo fsp = 4fm gesetzt ist, der
Abstand zwischen dem Differenzfrequenzband B1 und dem Summenfrequenzband B2 größer als
in den anderen Fällen. Daher ist der Filterungsprozeß zum Trennen dieser Frequenzbänder
einfach. Darüberhinaus kann die Breite des Frequenzbandes B1 des Signals V(t) breiter gemacht
werden. Im Gegensatz kann eine niedrigere Abtastfrequenz fsp gewählt werden, womit
verschiedene digitale Verarbeitungen einfach werden.
Übrigens kann die zuvor erwähnte digitale Signalverarbeitung nach dem A/D-Umsetzer 17
mittels eines DSP (digitalen Signalprozessors) implementiert werden.
Wie oben erläutert, führt eine analoge FM-Frequenzhub-Meßvorrichtung eine FM-Demodulation
mittels einer analogen Schaltung aus, die L-, C-, R-Komponenten und Halbleiterkomponenten
enthält. Daher besteht ein Nachteil, daß der Meßwert des Frequenzhubs entsprechend dem
thermischen Verhalten und zeitlicher Änderungen dieser Komponenten variiert. Weil demgegen
über die FM-Frequenzhub-Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine A/D-Umsetzung und
eine digitale Verarbeitung (das heißt einen Rechenprozeß) zum Erhalt des Frequenzhubs
ausführt, wird die Vorrichtung nicht von den Eigenschaftsänderungen der Komponenten beein
flußt und kann das thermische Verhalten und das zeitabhängige (alterungsbedingte) Verhalten
deutlich verbessern.
Da die FM-Frequenzhub-Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung ein digitales System ist,
kann sie als LSI-Schaltung ausgeführt werden, so daß die Vorrichtung beachtliche Vorteile
kompakter Größe und geringen Gewichts bietet.
Claims (12)
1. Verfahren zur Messung des Frequenzhubs eines FM-Eingangssignals, mit den Schrit
ten:
- a) A/D-Umsetzen des FM-Eingangssignals in ein digitales Signal,
- b) Ermitteln einer Inphasen-Komponente I und einer Quadratur-Komponente Q des FM- Eingangssignals durch Quadratur-Detektierung des digitalen Signals,
- c) Ermitteln der Momentanphase θ(t) = tan-1(Q/I) des FM-Eingangssignals aus der Inphasen-Komponente I und der Quadratur-Komponente Q,
- d) Differenzieren zeitserieller Werte der Momentanphase θ(t) zum Erhalt der Momen tanfrequenz fa(t) des modulierten Signals des FM-Eingangssignals, und
- e) Ermitteln der Frequenzschwankungsbreite aus der Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals zur Berechnung des maximalen Frequenzhubs, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (e) die Schritte enthält:
- f) Ermitteln einer Inphasen-Komponente IF und einer Quadratur-Komponente QF der Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals,
- g) Berechnen einer Hüllkurve En(t) = (IF 2 + QF 2)1/2 der Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals aus der Inphasen-Komponente IF und der Quadratur-Komponente QF der Momentanfrequenz des modulierten Signals, und
- h) Ermitteln des maximalen Frequenzhubs aus der Hüllkurve.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt (e3) umfaßt:
Interpolieren zwischen zeitseriellen Daten der Hüllkurve der Momentanfrequenz des
modulierten Signals zum Erhalt des Maximalwerts der Hüllkurve als den Frequenzhub.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (e1)
das Quadratur-Umsetzen der Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals mittels eines
Referenzsignals umfaßt, dessen Frequenz ein Viertel der bei der A/D-Umsetzung im Schritt (a)
verwendeten Abtastfrequenz fsp beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt
(e) umfaßt, die Momentanfrequenz des modulierten Signals des FM-Eingangssignals einer
Deemphasis zu unterziehen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt
(e) einen Filterungsschritt zur Unterdrückung niederfrequenten und hochfrequenten Rauschens
einschließt, das in der Momentanfrequenz des modulierten Signals des FM-Eingangssignals
enthalten ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn
die Mittenfrequenz des FM-Eingangssignals fm ist, die Abtastfrequenz fsp der A/D-Umsetzung im
Schritt (a) fsp = 4fm beträgt.
7. FM-Frequenzhub-Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, mit:
einer A/D-Umsetzeinrichtung (17) zum Umsetzen eines FM-Eingangssignals zu einem digitalen Signal,
einer Quadratur-Detektoreinrichtung (19) zur Ermittlung einer Inphasen-Komponente I und einer Quadratur-Komponente Q des FM-Eingangssignals anhand des digitalen Signals,
einer Phasen-Berechnungseinrichtung (20) zur Ermittlung der Momentanphase θ(t) = tan-1 (Q/I) des FM-Eingangssignals aus der Inphasen-Komponente I und der Quadratur-Kompo nente Q,
einer Differenziereinrichtung (21) zur Ermittlung der Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals des FM-Eingangssignals durch Differenzieren zeitserieller Werte der Momen tanphase θ(t), und
einer Frequenzhub-Berechnungseinrichtung (27, 28, 29), die zum Erhalt der Frequenz schwankungsbreite aus der Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals zur Berechnung des maximalen Frequenzhubs ausgelegt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Frequenzhub-Berechnungseinrichtung eine I/Q-Ermittlungseinrichtung (27) zur Ermittlung einer Inphasen-Komponente IF und einer Quadratur-Komponente QF der Momentan frequenz fa(t) des modulierten Signals, eine Hüllkurven-Ermittlungseinrichtung (28) zur Ermitt lung einer Hüllkurve En(t) = (IF 2 + QF 2)1/2 der Momentanfrequenz des modulierten Signals aus der Inphasen-Komponente IF und der Quadratur-Komponente QF der Momentanfrequenz des modulierten Signals, und eine Einrichtung (29) zum Erhalt des maximalen Frequenzhubs aus der Hüllkurve umfaßt.
einer A/D-Umsetzeinrichtung (17) zum Umsetzen eines FM-Eingangssignals zu einem digitalen Signal,
einer Quadratur-Detektoreinrichtung (19) zur Ermittlung einer Inphasen-Komponente I und einer Quadratur-Komponente Q des FM-Eingangssignals anhand des digitalen Signals,
einer Phasen-Berechnungseinrichtung (20) zur Ermittlung der Momentanphase θ(t) = tan-1 (Q/I) des FM-Eingangssignals aus der Inphasen-Komponente I und der Quadratur-Kompo nente Q,
einer Differenziereinrichtung (21) zur Ermittlung der Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals des FM-Eingangssignals durch Differenzieren zeitserieller Werte der Momen tanphase θ(t), und
einer Frequenzhub-Berechnungseinrichtung (27, 28, 29), die zum Erhalt der Frequenz schwankungsbreite aus der Momentanfrequenz fa(t) des modulierten Signals zur Berechnung des maximalen Frequenzhubs ausgelegt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Frequenzhub-Berechnungseinrichtung eine I/Q-Ermittlungseinrichtung (27) zur Ermittlung einer Inphasen-Komponente IF und einer Quadratur-Komponente QF der Momentan frequenz fa(t) des modulierten Signals, eine Hüllkurven-Ermittlungseinrichtung (28) zur Ermitt lung einer Hüllkurve En(t) = (IF 2 + QF 2)1/2 der Momentanfrequenz des modulierten Signals aus der Inphasen-Komponente IF und der Quadratur-Komponente QF der Momentanfrequenz des modulierten Signals, und eine Einrichtung (29) zum Erhalt des maximalen Frequenzhubs aus der Hüllkurve umfaßt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (29)
zum Erhalt des maximalen Frequenzhubs enthält:
eine Einrichtung zur Interpolation zwischen zeitseriellen Daten der Hüllkurve der
Momentanfrequenz des modulierten Signals zum Erhalt des Maximalwerts der Hüllkurve als den
Frequenzhub.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die I/Q-Ermitt
lungseinrichtung (27) eine Einrichtung zur Quadratur-Detektierung der Momentanfrequenz fa(t)
des modulierten Signals mittels eines Referenzsignals mit einer Frequenz gleich einem Viertel der
Frequenz der Abtastfrequenz fsp der A/D-Umsetzeinrichtung (17) ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Deemphasis-Einrichtung (23) für die Momentanfrequenz des modulierten Signals des FM-
Eingangssignals zwischen der Differenziereinrichtung (21) und der Frequenzhub-Berechnungs
einrichtung (27, 28, 29) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Filtereinrichtung (24) zur Unterdrückung niederfrequenten und hochfrequenten Rauschens,
das in der Momentanfrequenz des modulierten Signals des FM-Eingangssignals enthalten ist,
zwischen der Differenziereinrichtung (21) und der Frequenzhub-Berechnungseinrichtung (27,
28, 29) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß,
wenn die Mittenfrequenz des FM-Eingangssignals fm ist, die Abtastfrequenz fsp der A/D-
Umsetzeinrichtung (17) fsp = 4fm beträgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995134262 DE19534262C2 (de) | 1994-09-19 | 1995-09-15 | Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Frequenzbereichs eines FM-Signals |
Applications Claiming Priority (2)
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JP6223069A JPH0888515A (ja) | 1994-09-19 | 1994-09-19 | Fm偏移量測定器 |
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DE (1) | DE19549600C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19944900A1 (de) * | 1999-09-10 | 2001-03-15 | Deutsche Telekom Ag | Verfahren zur Messung der Aussteuerung von frequenzmodulierten Sendern |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3825160A1 (de) * | 1988-07-23 | 1990-01-25 | Rohde & Schwarz | Messgeraet fuer hochfrequenzsignale |
-
1995
- 1995-09-15 DE DE19549600A patent/DE19549600C2/de not_active Expired - Fee Related
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