DE19757296A1

DE19757296A1 - Verfahren zum Bestimmen und Kompensieren der Übertragungsfunktion eines Meßgerätes, insbesondere eines Spektrum-Analysators

Info

Publication number: DE19757296A1
Application number: DE19757296A
Authority: DE
Inventors: Hagen Eckert
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2017-12-23
Also published as: JPH11248764A; GB9826646D0; DE19757296C2; US6232760B1; JP4978977B2; GB2332748A; GB2332748B

Description

Die Erfindung betrifft und geht aus von einem Verfahren zum Bestimmen und Kompensieren der Übertragungsfunktion eines Meßgeräts, beispielsweise eines Spektrum- oder Vektoranalysators, laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Verfahren dieser Art sind bekannt (Hewlett Packard Journal, Dezember 1993, S. 31 ff. bzw. S. 47 ff). Für die Auswertung muß die Charakteristik des eingangsseitig verwendeten Modulationssignals und dessen exakter Zeitbezug auf das Kalibriersignal bekannt sein. In vielen Anwendungsfällen ist diese Voraussetzung nicht gegeben, beispielsweise dann nicht, wenn ein solches Verfahren in einem Meßgerät angewendet werden soll, in welchem zwar bereits ein monofrequenter Kalibrieroszillator und ein beliebiger linear mit der Frequenz ansteigender Sweep-Oszillator vorhanden ist, wie dies beispielsweise bei einem Spektrum-Analysator der Fall ist. Da aber besonders bei solchen elektronischen Meßgeräten mit bandbegrenzenden Filtern, Verstärkern oder frequenzumsetzenden Mischern durch diese Baugruppen der Frequenzgang des Meßgerätes beeinflußt und dadurch das Meßergebnis verfälscht wird, ist gerade bei solchen Meßgeräten die Bestimmung der Übertragungsfunktion von besonderer Bedeutung. Wenn nämlich Pegel- und Phasenfrequenzgang des Meßgerätes bekannt sind, kann dieser in der digitalen Auswerteinrichtung einfach kompensiert und hierdurch die Meßgenauigkeit erhöht werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen der Übertragungsfunktion eines Meßgerätes zu schaffen, das auch bei solchen wesentliche Komponenten hierfür schon enthaltenden Meßgeräten einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen insbesondere bezüglich der Anwendung des Verfahrens bei einem Spektrumanalysator ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist keine unmittelbare Kenntnis des beim eingangsseitigen Kalibriersignal verwendeten Modulationssignals erforderlich, die Modulationsparameter werden gemäß der Erfindung nämlich unmittelbar in der Auswerteinrichtung aus dem digitalisierten Ausgangssignal des Meßgerätes berechnet. Dazu ist nur die Kenntnis der Trägerfrequenz des eingangsseitig eingespeisten Kalibrieroszillators und der Abtastfrequenz des A/D-Wandlers erforderlich, die Startfrequenz des Modulationssignales und dessen Anstieg kann unmittelbar aus dem Ausgangssignal berechnet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit vor allem für solche Meßgeräte von Vorteil, bei denen schon ein üblicher monofrequenter Kalibrieroszillator, ein entsprechender Sweeposzillator und ein dazugehöriger Mischer vorhanden sind. Aus der digitalisierten Ausgangsfrequenz kann die Startfrequenz des Sweeposzillators und dessen Steigung und daraus dann die Übertragungsfunktion berechnet werden. Zur Kompensation ist es dann nur noch nötig, die inverse Funktion hierzu zu berechnen und damit dann während des Betriebes des Meßgerätes die Meßergebnisse zu korrigieren. In gleicher Weise ist natürlich auch eine Kompensierung durch einen elektronischen Abgleich von analogen Signalverarbeitungsstufen möglich. Als Modulationssignal eignet sich insbesondere ein linearer Sweeposzillator, es sind jedoch auch andere Signale hierfür geeignet, beispielsweise eine Pseudo-Noise-Sequenz, wesentlich ist nur, daß hierdurch innerhalb des Nutzfrequenzbandes des Meßgerätes, in welchem die Übertragungsfunktion bestimmt werden soll, ein Linienspektrum entsteht. Ein Sweep mit linear ansteigender bzw. abfallender Frequenz besitzt den Vorteil, daß auch das Linienspektrum gleichmäßig ist, die Spektrallinien also gleichen Frequenzabstand mit gleicher Leistung besitzen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert:

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Anordnung zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und zwar angewendet bei einem Spektrumanalysator.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Modulationsfrequenz in Abhängigkeit von der Zeit.

Fig. 3 zeigt Einzelheiten der Auswerteinrichtung.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau zur Durchführung des Verfahrens. An den Eingang des Meßgerätes wird ein sinusförmiges Signal eines Kalibrieroszillators 1 angelegt, der üblicherweise in jedem Spektrumsanalysator zur Pegelkalibrierung vorhanden ist. Die folgenden analogen Verstärker- und Filterstufen 2 beeinflussen Pegel- und Phasenfrequenzgang nur unwesentlich. Das Signal wird anschließend in einem analogen Mischer 3 mit dem Signal eines Überlagerungsoszillators 4 gemischt (multipliziert). Die Frequenz des Überlagerungsoszillators 4 (Sweeposzillator) wird während des Kalibriervorganges in geeigneter Weise verändert (Frequenz- bzw. Phasenmodulation mittels eines geeigneten Modulationssignales), so daß im Spektralbereich ein Linienspektrum entsteht, dessen Frequenzbandbreite mindestens die gewünschte Kalibrierbandbreite umfaßt. Ein geeignetes Modulationssignal ist z. B. eine Rampenfunktion, wie sie in üblichen Spektrumsanalysatoren für Frequenzsweeps verwendet wird. Der Frequenzverlauf des Sweeposzillators 4 nach der Modulation mit einer solchen Rampenfunktion ist in Fig. 2 dargestellt.

Nach Durchlaufen weiterer analoger Filter- und Verstärker stufen 5, deren Gesamtfrequenzgang gemessen und kompensiert werden soll, gelangt das Signal zu einem AD-Wandler 6 und wird dort abgetastet. Eine Auswertestufe 7 ermittelt in einem Digitalrechner die Korrekturparameter bzw. die inverse Übertragungsfunktion und korrigiert damit den Amplituden- und Phasenfrequenzgang des Meßgerätes.

Fig. 1 zeigt die Anwendung des Verfahrens z. B. für den Einsatz in einem Spektrums- oder Vektoranalysator.

Das analoge Eingangssignal g(t) der Form:
g(t) =a.cos(2π.f₀.t) des monofrequenten Kalibrieroszillators 1 wird nach Durchlaufen der analogen Filter- und Verstärkerstufen 2 - die selbst keinen nennenswerten Beitrag zum Gesamtfrequenzgang des Gerätes beisteuern und auch nicht in die Kompensation des Phasenfrequenzganges eingehen - im Multiplizierer 3 mit einem Hilfssignal h(t) eines Sweeposzillators 4 zum Signal s(t) der Form: s(t)=g(t).h(t) umgesetzt.

Als Hilfssignal h(t) wird das reelle Signal der Form:

h(t)=cos(2.π.∫(f₁+c_f(t).t).dt; mit

benutzt.

h(t) beschreibt ein in der Frequenz sweependes Trägersignal, wie es durch einen in Spektrumsanalysatoren üblichen Synthesizer erzeugbar ist.

Der Anstieg der Frequenz kann mittels der Konstante c_f(t) variiert werden. Die Startfrequenz wird mittels f₁ festgelegt.

Als Frequenz-Zeitdiagramm ist das Signal durch

darstellbar (Rampensignal nach Fig 2).

Das so entstandene Signal s(t) durchläuft weitere analoge Filter- und Verstärkerstufen 5 mit der Gesamtübertragungs funktion H(f), so daß das Signal a(t) der Form:
a(t)=[g(t)h(t)].F^-1{H(f)} entsteht (Faltung des Zeitsignales mit der inversen fouriertransformierten Übertragungsfunktion der analogen Filter- und Verstärkerstufen).

Das unerwünschte Seitenband der Mischung wird durch die Übertragungsfunktion {H(f)} unterdrückt und ist auch für die weitere Auswertung uninteressant, so daß sich der Ausdruck a(t) vereinfacht in a(t) = [h₁(t)] * F^-1{H(f)} mit h₁(t)=cos(2.π.∫(f₁-f₀+c_f(t).t).dt; bzw. in der Frequenz-Zeit- Darstellung

Anschließend wird das Signal a(t) im Analog-Digital-Wandler 6 abgetastet. Die Abtastfrequenz ist so gewählt, daß die Nyquist-Bedingung erfüllt wird.

Das nunmehr digitalisierte Signal wird einem üblichen Digitalrechner 7 zugeführt und ausgewertet. Dem Digital rechner sind lediglich die Frequenz f₀ sowie die Abtastfrequenz des AD-Wandlers bekannt und er ermittelt ohne Kenntnis des absoluten zeitlichen Bezuges des Überlagerungssignales und der Frequenzanstiegskonstante c_f(t) die zu kompensierende Übertragungsfunktion H(f) aus dem abgetasteten Signal a(t). Nach Ermittlung der dazu inversen Übertragungsfunktion G(f) mit der Eigenschaft G(f).H(f)=1; (für den betrachteten Kalibrier-Frequenzbereich) werden Betrags- und Phasenfrequenzgang des Meßgerätes im Digitalrechner entzerrt.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer beispielhaften Realisierung der Auswertestufe 7: Das abgetastete und digitalisierte Signal wird einem digitalen FM-Demodulator 7a unterworfen.

Der Betragsfrequenzgang |H(f)| wird vom FM-Demodulator 7a unterdrückt, so daß in dem Ausgangssignal a_fm(t) nur noch Signalanteile vorhanden sind, die auf den Phasenfrequenzgang des Gerätes zurückzuführen sind.

Das ideale Rampensignal (Fig. 2) ist zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ zwar stetig, aber nicht differenzierbar.

Durch eine Differentiation des FM-Demodulator Ausgangs signales werden diese Knickpunkte des Rampensignals nach Fig. 2 detektiert. Für die Ein- bzw. Ausschwinganteile des Rampensignales spielt der Phasenfrequenzgang kein Rolle, so daß die Frequenzen f₁-f₀ im Zeitraum 0. . .t₁ bzw. f₂-f₀ im Zeitraum <t₂ errechnet werden werden können.

Damit sind die Zeitpunkte t₁ und t₂ und die beiden Frequenzen f₁ und f₂ bestimmt, sowie die Modulationskonstante c_f über die Beziehung

zu berechnen.

Unter Kenntnis der Modulationsparameter wird das ideale Referenzsignal 7b

h_Ideal(t)=cos(2.π.∫(f₁-f₀+c_f(t).t).dt);

generiert und einer Fouriertransformation 7c unterworfen.

Durch Vergleich der Fouriertransformierten des abgetasteten Signales 7d und des idealen Referenzsignales 7c ergibt sich die gesuchte Übertragungsfunktion als Quotient 7e zweier komplexer Spektren:

Die zur Kompensation dieses Frequenzganges notwendige inverse Übertragungsfunktion wird mit der Beziehung G(f).H(f)=1; im Funktionsblock 7f ermittelt.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Übertragungsfunktion eines Meßgerätes, insbesondere eines Spektrum-Analysators, durch Einspeisen eines mit einem Modulationssignal derart modulierten Kalibriersignals am Eingang des Meßgerätes, daß innerhalb der Nutzfrequenzbandbreite ein Linienspektrum entsteht, und Auswertung des am Ausgang des Meßgerätes entstehenden Ausgangssignals in einem Rechner, dadurch gekennzeichnet, daß im Rechner aus dem digitalisierten Ausgangssignal das Modulationssignal errechnet wird und daraus dann die gesuchte Übertragungsfunktion nach Betrag und Phase berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibriersignal am Eingang des Meßgerätes durch Multiplikation eines monofrequenten Trägersignals mit einem in der Frequenz linear ansteigenden oder abfallenden Hilfssignal erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 für einen Spektrumanalysator, der einen monofrequenten Kalibrieroszillator und einen in seiner Frequenz linear ansteigenden oder abfallenden Sweeposzillator aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schaltungsteil, dessen Übertragungsfunktion bestimmt werden soll, mittels eines Mischers das Trägersignal des Kalibrieroszillators mit dem Signal des Sweeposzillators multipliziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Meßgerätes in einem A/D-Wandler mit bekannter Abtastfrequenz digitalisiert wird und im Rechner daraus die Startfrequenz und die Steigung sowie Beginn und Ende der Rampenfunktion des Modulationssignals berechnet wird, und daraus sowie der bekannten Trägerfrequenz des Kalibrieroszillators die Übertragungsfunktion des Meßgerätes berechnet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Rechner die zur bestimmten Übertragungsfunktion inverse Funktion berechnet wird und damit im Betrieb des Meßgerätes dessen Übertragungsfunktion kompensiert wird.

6. Anordnung zum Ausführen eines Verfahrens nach Anspruch 1 bei einem Spektrum-Analysator, der einen monofrequenten Kalibrieroszillator (1) und einen mit einer Rampenfunktion in der Frequenz ansteigenden oder abfallenden Sweeposzillator (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Analysatorteil (5), dessen Übertragungsfunktion bestimmt werden soll, ein Mischer (3) angeordnet ist, dem eingangsseitig über Analysatorteile (2), durch welche die Übertragungsfunktion nicht nennenswert beeinflußt wird, das Kalibriersignal des Kalibrieroszillators (1) und das Ausgangssignal des Sweeposzillators (4) zugeführt wird, und der Ausgang des Analysatorteiles (5), dessen Übertragungsfunktion bestimmt werden soll, über einen A/D-Wandler (6) mit einer digitalen Auswerteinrichtung (7) verbunden ist.