DE2247539C3 - Messung der Phasenmodulation digitaler, insbesondere binärer Siqnale - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung einer Phasendemodulation (Jitter) eines digitalen Signals, insbesondere eines binären Pulscodemodulations-(PCM-)Signals und auf Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Um die Akkumulation von Störungen auf aus mehreren Abschnitten bestehenden Übertragungsstrekken für digitale Signale zu vermeiden, wird das digitale Signal nach jedem Streckenabschnitt in einem speziellen Verstärker regeneriert. Für die Regeneration der zeitlichen Lage des digitalen Signals innerhalb einer Signalreihe wird ein Taktsignal benötigt, das mit Hilfe einer Taktgewinnungseinrichtung dem digitalen Signa! entnommen wird. Diese Taktgewinnungseinrichtung kann beispielsweise aus einem Oszillator bestehen, der auf die mittlere Phasenlage des ankommenden PCM-Signals nachgezogen wird. Dabei läßt sich eine unerwünschte Phasenmodulation (Jitter) des PCM-Signals nicht vollständig eliminieren. Infolgedessen kann sich dieser Jitter auf einer Übertragungsstrecke mit beispielsweise mehreren hundert Streckenabschnitten und der entsprechenden Zahl an Regenarativverstärkern auf sehr hohe Werte summieren, wodurch zunächst die Fehlerrate beim übertragenen Signal ansteigt, in Extremfällen kann auch die gesamte Übertragungsitrecke ausfallen. Durch die Jitterakkumulation ergeben sich außerdem Schwierigkeiten bei der Synchronisation eines PCM-Vermittlungsnetzes.

Der auf derartigen Übertragungsstrecken auftretende Jitter resultiert 2um Teil aus den von der Übertragungsstrecke selbst, z. B. dem Kabel aufgenommenen Störungen, die neben einer Amplitudenmodulation auch eine Phasenmodulation, den sogenannten Fremdjitter, bewirken. Dieser Fremdjitter wird durch die Taktgewinnungseinrichtungen der Regenerativverstärker in bestimmter Weise geschwächt. Die Jitterursachen und das jitterübertragungsverhaäten eines Regenerativverstärkers ist aus »NTZ«, 1971, Heft 11, Seiten 596 bis 599 bekannt. Daneben verursachen die Anlagen der Übertragungsstrecke, beispielsweise die Taktgewinnungseinrichtungen selbst, einen Eigenjitter, der seine Ursache unter anderem im Oszillatorrauschen hau Dieser Eigenjitter kann mit Hilfe eines Jittermeßgeräts direkt gemessen werden. In der F i g. 1 ist ein mit Jitter behaftetes binäres Signal und der zeitliche Verlauf des Jitters dargestellt

Das Jitterübertragungsverhalten einer PCM-Übertragungsstrecke kann gemessen werden, indem man das Taktsignal eines PCM-Prüfgenerators zusätzlich phasenmoduliert und das Ausgangssignal dieses Prüfgenerators dem Eingang einer PCM-Strecke oder auch nur eines einzelnen Regenerativverstärkers zuführt Der dadurch hervorgerufene Ausgangsjitter läßt isch ebenfalls mit Hilfe eines Jittermeßgeräts in Abhängigkeit von der Jitterfrequenz und vom Phasenhub messen. Derartige Messungen sind aus »NTZ«, 1970, Heft U, Seiten 585 und 586, bekannt

Die den bisher bekannt gewordenen Jittermeßgeräten zugrunde liegenden Verfahren benötigen zur Demodulation eines verjitterten Regeneratortaktes ein unverjittertes Bezugssignal gleicher Frequenz und bestimmter Phasenlage. Dieses Bezugssignal kann beispielsweise das unverjitterte Taktsignal des Prüfgenerators sein.

Die Messung des Jitters ist auch ohne Anwendung eines speziellen Jittermeßgerätes mit Hilfe eines Oszillographen möglich, der dazu mit dem unverjitterten Bczugssignal getriggert wird.

Diese Verfahren zur Messung des Jitters sind jedoch nur unter erheblichen Schwierigkeiten auf die Messung des Jitters einer Übertragungsstrecke für digitale Signale übertragbar. In diesem Falle müßte nämlich das notwendige Bezugssignal erst beispielsweise mit Hilfe eines nachgezogenen Quarzoszillators aus dem Taktsignal des letzten Regenerativverstärkers oder aus dem ankommenden digitalen Signal gewonnen werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Jittermeßverfahren zu entwickeln, das ohne Bezugssignal auskommt. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens zu entwickeln.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine erste Spannung erzeugt wird, die den durch den Jitter hervorgerufenen Frequenzabweichungen des digitalen Signals proportional ist, das über die erste Spannung integriert wird und dadurch eine zweite Spannung erzeugt wird, die der Phasenlage des digitalen Signals proportional ist und daß die Veränderungen der zweiten Spannung gemessen werden. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß der zeitliche Verlauf des Jitters auf dem Umweg über die durch den Jitter hervorgerufenen Frequenzabweichungen meßbar ist.

Bekanntlich ist der Differentialquotient aus der Phasenabweichung gleich der Frequenzabweichung, d.h.

mit

Ω =

cc(t)-

dt

Grundfrequenz des Takts =1
Phasenabweichung des Takts.

(1)

Bildet man daher eine Spannung, die der Frequenzabweichung proportional ist

u_p(l) = K ■ ü(i) (2)

und integriert über diese, so erhält man eine Spannung,

die der Phase proportional ist. Es ist nämlich:
u,U) = fu_pU)di = K-[\uii)di

= K-^-dt = K
di

(2a)

Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem bekannten Stand der Technik liegt also in dem durch den Wegfall des Bezugssignals wesentlich verringerten Meßaufwand. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, daß das erfindungsgemäße Verfahren Jittermessungen gestattet, die bisher nicht möglich waren. So ist beispielsweise nun auch der Eigenjiiter eines PCM-Prüf genera tors meßbar. Dieser Jitter ist mit den Verfahren nach dem bekannten Stand der Technik nicht erfaßbar, da kein Bezugssignal zur Verfugung steht, das genauer ist als das Eingangstaktsignal des Prüfgenerators.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß ein Demodulator für frequenzmodulierte Signale und ein integrierter Verstärker vorgesehen ist.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung dieser Art ergibt sich, wenn als Demodulator für frequenzmodulierte Signale ein an sich bekannter Phasendiskriminator vorgesehen ist. Derartige Anordnungen mit Phasendiskriminatoren sind deshalb besonders vorteilhaft, weil Phasendiskriminatoren in Verbindung mit der UKW-Technik besonders intensiv untersucht worden sind und sich deshalb auch bei der Auswertung der Messungen übersichtliche Verhältnisse ergeben.

An Hand von in der Schaltung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden.

In der Zeichnung zeigt F i g. 1 ein mit Jitter behaftetes PCM-Taktsignal,

F i g. 2 eine Jittermeßanordnung nach der Erfindung und

Fig. 3 die Demodulatorkennlinie der Jittermeßanordnung nach F i g. 2.

In der F i g. 2 ist der Spannungsverlauf eines mit einer Phasenmodulation behafteten PCM-Taktsignals in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die gestrichelten Kurven stellen mögliche Verläufe der Spannung in Abhängigkeit von der Phasenabweichung des Taktsignals dar. Unmittelbar unter dem Spannungsverlauf ist der zeitliche Verlauf des Jitters dargestellt. Die höherfrequenten Anteile des Jitters werden im Renerativ-Verstärker unterdrückt. Bei einer Kettenschaltung von mehreren Regenerativ-Verstärkern addieren sich die niederfrequenten Jitteranteile. Bei derartigen Jitterfrequenzen ist das Phasenverhalten einer Übertragungsstrecke für digitale Signale besonders kritisch. Es besteht deshalb die Aufgabe, das Jitterverhalten einer Übertragungsstrecke bei niedrigen Jitterfrequenzen zu messen.

In der F i g. 2 ist die Schaltung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wiedergegeben, also einer Anordnung zur Messung des Jitters eines digitalen Signals. Die Anordnung besteht ho aus dem Phasendiskriminator Pd, dem integrierenden Verstärker V, dem Widerstand R 5 zur An- und dem Kondensator C 5 zur Rückkopplung am Verstärker V.

Der Phasendiskriminator ist symmetrisch aufgebaut und besteht aus zwei Zweigen, in denen sich jeweils ein t>s Parallelschwingkreis mit einer nachgeschalteten Diode D bzw. D' befindet, wobei die eine Diode mit der Kathoden- und die andere Diode mit der Anodenseite an den Schwingkreis angeschlossen ist Die Schwingkreise bilden die Lastwiderstände von zwei in Emitterschaltung betriebenen npn-Transistoren TX und Ti', die über die Widerstände R i und R1' emitterseitig mit der Stromquelle verbunden sind und deren Basen parallel geschaltet über den Kondensator C2 mit dem Eingang für die Signalspannung Uj des Phasendiskriminators verbunden sind. Die Basisvorspannung der Transistoren wird über den Spannungsteiler R2, A3 erzeugt Die beiden Dioden D und D' sind über die beiden Kondensatoren C3 und C3' hochfrequenzmäßig mit Masse verbunden. Die beiden Dioden sind weiterhin über die Widerstände R 4 und R 4' mit dem Schaltungspunkt b verbunden, der den Signalausgang für den Phasendiskriminator darstellt und an dem die Spannung Up anliegt

Über den Widerstand R 5 ist der Eingang c des integrierenden Verstärkers V mit dem Punkte b der Schaltung verbunden. Am Eingang c des Verstärkers liegt weiterhin ein Anschluß des Kondensators C 5, der andere Anschluß des Kondensators ist mit dem Ausgang d des Verstärkers verbunden. Am Ausgang d des Verstärkers liegt eine Spannung U„ deren Veränderungen direkt dem Jitter des digitalen Signals entsprechen. Je nachdem, ob man die Spannung U₁ mit einem Oszillographen, einem selektiven, einem Effektivwert oder einem Spitzenwert anzeigenden breitbandigen Pegelmesser mißt, läßt sich der zeitliche Verlauf des Jitters, sein Frequenzspektrum, sein Effektivwert oder sein Spitzenwert bestimmen.

Die Dimensionierung des Phasendiskriminators wird durch eine Reihe von Überlegungen beeinflußt Dies soll am Beispiel eines Phasendiskriminators für das bekannte PCM-30-System, ein Übertragungssystem mit 30 Sprech- und 2 Signalkanälen mit Pulscodemodulation erläutert werden. Bei diesem System muß das Phasenverhalten einer PCM-Strecke bis zu einer oberen Jitterfrequenz von ca. 10 kHz gemessen werden. Soll hierbei ein Jitterhub von ca. 50% der Taktperiode gemessen werden können, so ergibt sich mit den nötigen Sicherheiten bei der oberen Jitterfrequenz ein maximaler Frequenzhub von etwa 30 kHz. Die Kennlinie des Phasendiskriminators für das PCM-30-System mit einer Bitfrequenz von 2,048 MHz muß also im Frequenzbereich von 2048 ± 30 kHz linear sein.

Die untere Meßgrenze des Phasendiskriminators ergibt sich aus dem kleinsten Phasenhub bei der niedrigsten Jitterfrequenz, da dies den kleinsten Frequenzhub und damit die kleinste Ausgangsspannung am Demodulator ergibt. Im konkreten Fall sollte als kleinster noch meßbarer Phasenhub ca. 1% der Taktperiode bei einer Jitterfrequenz von 1 Hz gemessen werden können. Aus diesen Bedingungen ergibt sich ein zu messender minimaler Frequenzhub von ca. 6 mHz.

Nimmt man einen sinusförmiger, Verlauf des Jitters und für die Demodulationskonstante K einen Wert von 10 -⁴ V/Hz und den gleichen Wert für die /?C-Konstante an, dann ergibt sich eine notwendige Leerlaufverstärkung des Integratorverstärkers von V > 250 000, ein Wert, der an der Grenze der Realisierbarkeit liegt.

Aus diesem Grunde kann es zweckmäßig sein, für große und kleine Phasenhübe unterschiedliche Phasendiskriminatoren zu verwenden, wodurch der Meßbereich eingeengt und die Forderungen an die Leerlaufverstärkung des Integrationsverstärkers ge.nildert werden.

In der F i g. 3 ist die Kennlinie des Phasendiskriminators Pd von F i ε. 2 dargestellt. Die Kennlinie gibt dem

Verlauf der Ausgangsspannung am Punkte b der Schaltung nach F i g. 2 in Abhängigkeit von der Frequenz in einem Bereich um die Mittenfrequenz des Phasendiskriminators wieder.

Aus den Erläuterungen zur Erfindung ist ersichtlich, daß die Messung eines sehr geringen Jitters bei sehr niedrigen Frequenzen hohe Anforderungen an die Gestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung stellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

I 3 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung einer Phasenmodulation (Jitter) eines digitalen Signals, insbesondere eines binären Pulscodemodulations-(PCM-)Signals, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Spannung erzeugt wird, die den durch den Jitter hervorgerufenen Frequenzabweichungen des digitalen Signals proportional ist, daß über die erste Spannung integriert wird und dadurch eine zweite Spannung erzeugt wird, die der Phasenlage des digitalen Signals proportional ist und daß die Veränderungen der zweiten Spannung gemessen werden.

2 Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Alispruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Demodulator für frequenzmodulierte Signale und ein integrierender Verstärker vorgesehen ist

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Demodulator für frequenzmodulierte Signale ein an sich bekannter Phasendiskriminator (Pd) vorgesehen ist.