-
Beschreibung zum Patentgesuch "Verfahren und Schaltungsanordnung zum
Messen der Oberwellen- und/oder Nebenwellenleistung oder -amplitude eines Senders"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Oberwellen- und/oder Nebenwellenleistung
oder -amplitude eines Senders und zur Durchführung des Verfahrens geeignete Schaltungsanordnungen.
-
Bekanntlich müssen kommerzielle Sender, etwa für den Funksprechverkehr,
bestimmten Spezifikationen hinsichtlich Oberwellen- und Nebenwellenfreiheit des
Senderausgangssignals entsprechen. Um einen solchen Sender zu testen, wird ihm ein
Meßempfänger nachgeschaltet, der auf die Oberwellenfrequenzen abgestimmt wird. Dann
kann man die Amplitude oder Leistung auf der jeweiligen Oberwelle messen, wobei
im allgemeinen nur die 1. bis 5. oder 6. Oberwelle interessieren. Für die Messung
von Nebenwellen muß der Meßempfänger von sehr tiefen Frequenzen ausgehend durchgestimmt
werden, und man muß feststellen, ob noch eine über der zulässigen Höchstgrenze liegende
Amplitude auftritt; dieselbe Prüfung muß jenseits der eigentlichen Senderfrequenz
bis zu einer gegebenen maximalen Frequenz durchgeführt werden.
-
Dieses Verfahren hat verschiedene Nachteile. Es versteht sich, daß
der Meßempfänger direkt mit dem Senderausgang gekoppelt werden muß. Infolgedessen
gelangt die gesamte Ausgangsleistung von mindestens einigen Watt an den Meßempfängereingang,
der aber eine solche Leistung im allgemeinen gar nicht verarbeiten kann. Infolgedessen
muß man ein Dämpfungsglied vorsehen, das aber wiederum die gesuchten Ober- und Nebenwellen
in gleichem Maße wie die Senderfrequenz bedämpft. Der Empfänger muß mithin sehr
empfindlich sein, was eine schmale Meßbandbreite erfordert. Außerdem muß er bis
zu sehr hohen Frequenzen arbeiten und auch in diesen Bereichen noch genau abstimmbar
sein. Im Ergebnis ist ein solcher Empfänger äußerst aufwendig und entsprechend teuer.
Ein weiterer Nachteil besteht in dem Zeitbedarf des Verfahrens; dies gilt insbesondere
für die Nebenwellenmessung, wo praktisch der gesamte Frequenzbereich von sehr tiefen
bis zu sehr hohen Frequenzen untersucht werden muß. Das Durchstimmen des Meßempfängers
muß nämlich sehr langsam erfolgen, da die eigentliche Messung erst nach Ablauf der
Einschwingzeit der schmalen Bandbreite durchführbar ist; im Ergebnis benötigt man
mehrere Stunden, um einen einzigen Sender zu prüfen.
-
Deshalb hat man sich bisher damit begnügt, die Nebenwellenmessung
nur an einem Sender-Baumuster durchzuführen, nicht jedoch bei Serienerzeugnissen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und zu seiner Durchführung
geeignete Schaltungsanordnungen zu schaffen, mit dem die Oberwellen- und/oder Nebenwellenmessung
verhältnismäßig schnell und mit verhältnismäßig geringem apparativem Aufwand durchführbar
ist, wobei selbstverständlich auch hier ein Meßempfänger notwendig ist.
-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem auf
eine vorgegebene Zwischenfrequenz abgestimmten Meßempfänger ein diese Zwischenfrequenz
durchlassendes Filter vorgeschaltet wird, dem das Ausgangssignal des Senders nach
Umsetzung mit einer Mehrzahl im wesentlichen gleiche Amplitude aufweisender Mischfrequenzen
zugeführt wird.
-
Man erkennt als erstes, daß der Meßempfänger mit Hilfe einer Mischfrequenz
das Eingangssignal auf eine Festfrequenz umsetzt, nämlich die Zwischenfrequenz.
Man erkennt ferner, daß das Verfahren auch relativ schnell durchgeführt werden kann,
da für die Oberwellenmessung nur wenige Frequenzumschaltungen am tsischfrequenzgenerator,
die darüber hinaus leicht programmierbar sind, erforderlich werden, während die
Durchstimmung auch bei der Nebenwellenmessung ersetzt wird durch wenige Umschaltvorgänge,
mit denen jedesmal ein ganzes Frequenzband überprüft wird.
-
Je nach der einzelnen Messung - Oberwellen oder Nebenwellen - ergeben
sich bestimmte Anforderungen für die Mischfrequenzen. Bei der Oberwellenmessung
ist es zweckmäßig, als Mischfrequenzen die Grund- und/oder Oberwellen eines Mischfrequenzoszillators
zu verwenden, die gemäß der Beziehung + mFo = nFS - Fz eingestellt werden, mit Fo
als Oszillatorfrequenz, F5 als Sendergrundfrequenz, Fz als Zwischenfrequenz, (naS
Ordnungszahl der zu messenden Harmonischen und m als Ordnungszahl der verwendeten
Harmonischen fon F,. Man kann dann einen Mischfrequenzoszillator verwenden, wie
er für andere Sendermeßaufgaben meist ohnehin zur Verfügung steht, nämlich ein Frequenzsynthesegerät,
dessen Ausgangsfrequenz möglichst oberwellenhaltig gemacht wird. Auf diese Weise
ergeben sich keine allzugroßen Frequenzbereiche für den Mischfrequenzoszillator.
Will man dagegen die Nebenwellen erfassen,
kann man mit demselben
Synthesegerät arbeiten, wobei jedoch mehrere diskrete Frequenzen als "Mittenfrequenzen"
im geeigneter Weise so moduliert werden, daß sich ein Spektrum äquidistanter Mischfrequenzen
für jeweils ein der Mittenfrequenz zugeordnetes Band ergibt; der Abstand jeweils
zweier aufeinanderfolgender äquidistanter Frequenzen wird dabei so bemessen, daß
er kleiner, höchstens gleich der Bandbreite des verwendeten Zwischenfrequenzfilters
ist.
-
Sofern dann irgendeine Nebenwelle mit einem die zulässige Amplitude
übersteigenden Pegel vorliegt, ergibt sich mit Sicherheit mit irgendeiner der Mischfrequenzen
ein Mischprodukt, das in den Durchlaßbereich des Filters fällt. Man weiß damit zwar
noch nicht genau, wo die Nebenwelle liegt, kann dann aber gezielter suchen. Es versteht
sich, daß man bei der letzteren Verfahrensvariante auch die Oberwellen mit erfaßt.
Da jedoch, wie noch zu zeigen ist, der apparative Aufwand für die Nebenwellenmessung
- wegen der erforderlichen Modulation - merkbar höher ist, wird man die Oberwellenmessung
im allgemeinen getrennt durchführen.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es sei jedoch noch darauf hingewiesen, daß man mit geringfügiger Abwandlung des
Verfahrens auch Empfänger hinsichtlich Ober- und Nebenwellenunterdrückung messen
oder prüfen kann.
-
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in Blockform eine Schaltungsanordnung
für die Oberwellenmessung gemäß der Erfindung, Fig. 2 ein Wellenformdiagramm zur
Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1,
Fig. 3
in Blockform eine Schaltungsanordnung für die Nebenwellenmessung gemäß der Erfindung,
und Fig. 4 ein Spektrum des Mischfrequenzoszillator-Ausgangssignals bei der Anordnung
nach Fig. 3.
-
Mittels der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 soll der Sender 10 hinsichtlich
des Oberwellengehalts seines Ausgangssignals geprüft werden. Sein Ausgang wird einerseits
an einen Rechner 22 gelegt, dessen Bedeutung weiter unten erläutert wird, und andererseits
über eine von drei Bandsperren 12 an einen Mischer 14. Die Bandsperren unterdrücken
die Grundfrequenz des Senders 10, lassen aber die Oberwellen durch; jeweils eine
Bandsperre ist für das 4 m-, 2 m- bzw.
-
0,7 m-Band vorgesehen.
-
Bei dem Mischer handelt es sich beispielsweise um einen gewöhnlichen
Diodenringmodulator, an dessen Schalteingänge der Ausgang eines Oszillators 24 transtrmatorisch
angekoppelt ist. Eine Impulsformerstufe ist zwischen den Oszillator 24 und den Mischer
14 geschaltet. Die Impulsformerstufe liefert mit der Oszillatorfrequenz extrem kurze
nadelartige Impulse, mit denen die am Mischereinqang liegende Senderfrequenz abgetastet
wird, indem die Dioden des Ringmodulators kurzzeitig entsprerrt werden; man erkennt
in Fig. 2 dssen Abtastvorgang.
-
Die Senderfrequenz F5 wird mit den Nadelimpulsen Io, deren Abstand
der Periodendauer der Oszillatorfrequenz entspricht, durchgeschaltet. Es ergibt
sich dann eine Folge von Nadelimpulsen Iz, deren Hüllkurve die Mischerausgangsfrequenz
repräsentiert. Voraussetzung ist natürlich, daß die Nadelimpulse Io immer eine Amplitude
besitzen, die höher ist als die der Welle F5, um die Dioden vollständig durchzuschalten.
-
Am Ausgang des Mischers 14 ergeben sich eine ganze Anzahl von Frequenzen,
nämlich Mischprodukte der Oberwellen der Frequenz F5 mit der Frequenz des Oszillators
Fot sowie deren Oberwellen. Jede 2., 3. .. n-te Harmonische der Senderfrequenz F5
ergibt mit der Grund- und der 2., 3. .. m-ten Harmonischen der Oszillatorfrequenz
Fg eine diskrete Mischfrequenz , die hinter dem nachgeschalteten Zwischenfrequenzfilter
16 erscheint, wenn die Bedingung + n s m Fz (1) n = 1 Grundwelle von F5 m = I Grundwelle
von Fg n, m Harmonischen Zahl erfüllt ist, wobei Fz die Durchlaßfrequenz des Filters
16 ist. Die Durchlaßbandbreite des Filters soll dabei vorerst außer Betracht bleiben.
-
Um die n-te Harmonische von F5 messen zu können, muß man also die
Oszillatorfrequenz zu
wählen, wobei sich Gleichung (2) aus Gleichung (1) durch Auflösen nach F0 ergibt.
-
Dies sei an einem Beispiel verdeutlicht.
-
Es sei angenommen, daß Fs (Grundfrequenz) 300 MHz beträgt und FZ
sei gleich 1 MHz. Gemessen werden sollen die 2., 3., 4. und 6. Harmonische, also
die Frequenzen 600 MHz, 900 MHz, 1200 MHz, 1500 MHz, 1800 MHz.
-
Dann ergeben sich für n = 1, 2, 3, 4, 5 und m = 0, 1, 2, 3, 4, 5
die folgenden Werte für F0(j4Hz): n m = 1 m = 2 m = 3 m = 4- m = 5 m = 6 n m = 1
m = 2 m = 3 m = 4- m = 5 m = 6 2 601 300,5 200,33.. 150,25 120,2 100,166..
-
(599) (299,5) (199,66..)(149,75) (119,8) (99,833..) 3 901 450,5 300,33..
225,25 180,2 150,166..
-
(899) (449,5) <299,66..)(224,75) (179,8) (149,833..) 4 1201 600,5
400,33.. 300,25 240,2 200,166..
-
(1199) (599,5) (399,66..) (299,75) (239,8) (199,833.) 5 1500 750,5
500,33.. 375,25 300,2 250,166..
-
(1499) (749,5) (499,66..) (374,74) (299,8) (249,833.) 6 1801 900,5
600,33.. 450,25 360,2 300,166..
-
(1799) (899,5) (599,66..) 449,75 (359,8) (299,833.) Die Werte in
Klammern ergeben die Oszillatorfrequenz, die sich bei dem Minus-Zeichen in der Klammer
(Spiegelfrequenz) in Gleichung (2) errechnet.
-
Man erkennt zunächst, daß es sinnvoll ist, mit den Obrerwellen der
Oszillatorfrequenz zu arbeiten, da man dann einen Frequenzgenerator verwenden kann,
der nur bis zu einer gegebenen maximalen Frequenz einstellbar ist. Verwendet man
zum Beispiel ein Frequenzsynthesegerät, was bevorzugt ist, so kann man ein marktübliches
Gerät mit einem Frequenzbereich bis zu etwa 300 MHz verwenden. Man erkennt ferner,
daß die Einstellgenauigkeit des Oszillators die Meßgenauigkeitentscheidend beeinflußt.
Und schließlich ergeben sich aus der obigen Tabelle auch Forderungen für die Trennschärfte
des Filters 16, das ja immer nur ein Mischprodukt durchlassen darf.
-
Das Durchlaßband des Filters 16 ist aber auch nach unten begrenzt.
Im allgemeinen will man die Harmonischen des Senderausgangssignals auch dann noch
messen können, wenn die Frequenz F5 nicht ganz genau auf der Sollfrequenz liegt,
sondern eine gewisse AbweichungCH2 F5 aufweist, die natürlich in den Oberwellen
ebenfalls ver-n-facht ist. Im obigen Beispiel ergäbe sich bei einer Frequenzabweichung
von O,5%o eine Durchlaßbandbreite von mindestens 30 KHz.
-
Die höchste zu messende Oberwelle bedingt die Ausführungsform des
Impulsformers 28, da die Dauer der Nadelimpulse 1o bzw. Iz etwa 1/5 bis 1/10 der
Periodendauer der höchsten zu messenden Oberwelle sein muß, damit das entstehende
Frequenzspektrum bei den verwendeten Oberwellen der Oszillatorfrequenz Fg noch hinreichend
gleiche Amplituden liefert, daß bei der Auswertung der Mischprodukte durch den Meßempfänger
18 und das ihm nachgeschaltete Anzeigeinstrument 20 noch davon ausgegangen werden
kann, daß die Oberwellenamplituden der Frequenz F5 unverfälscht übertragen worden
sind.
-
Die Einstellung der Oszillatorfrequenz Fo an einem Frequenzsynthesegerät
ist sehr einfach, da man solche Geräte in z.B. dekadischen Stufen von 1 Hz, 10 Hz,
100 Hz ... umschalten kann. Aus der obigen Tabelle entnimmt man, daß jeder eingestellten
Oszillatorfrequenz eine der Senderoberwellen eindeutig zugeordnet ist, wenn die
ebenfalls oben erläuterte Bedingung für das Filter 16 erfüllt worden ist. Man könnte
also nach Tabellen vorgehen und die Einstellung manuell bewirken. Es ist jedoch
bevorzugt, die Grundfrequenz des Senders 10 zu erfassen und einem Digitalrechner
22 zuzuführen, dem als weitere Eingangsgröße die Ordnungszahl n der Oberwelle mittels
eines Wahlschalters 26 eingegeben wird. Der Rechner
löst dann die
Gleichung (2) -und programmiert den Oszillator; dies ist technisch wenig aufwendig,
da die bevorzugt verwendeten Frequenzsynthesegeräte für eine solche Programmierung
durch einen Rechner ausgelegt sind. Man erkennt dabei, daß die Programmabfolge für
den Rechner sehr einfach sein kann. Im obigen Beispiel wird nämlich das Synthesegerät
zunächst einmal grob auf 300 .E-Ez (also die Frequenz F5!) gesetzt, und in den KHz-Stellen
erhält man immer ein Halb, ein Drittel ...
-
der Zwischenfrequenz FZ, wenn man mit der zweiten, dritten Harmonischen
der Oszillatorfrequenz arbeitet.
-
Da die Zwischenfrequenz FZ festliegt, vereinfacht- sich die Programmierung-
des Frequenzsyntehesegerätes weiter, weil man die Größen Fz/n auch Festwertspeichern
("read-only-memory" = ROM) entnehmen kann.
-
Hinsichtlich der Impulsformerstufe 28 sei noch angemerkt, daß man
hier mit einer Verzögerungsleitung arbeiten kann, in der der am Eingang zugeführte
relativ breite Impuls gespiegelt und bis auf eine Rest- Nadel ausgelöscht wird;
derartige Komponenten sind an sich bekannt und brauchen deshalb nicht im einzelnen
erläutert zu werden.
-
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild für die Nebenwellenmessung. Prinzipiell
geht man in gleicher Weise vor wie oben beschrieben, doch werden die diskreten Frequenzen
für die Umsetzung mit der Frequenz F5 des Senders 10 auf andere Weise erzeugt.
-
Der Oszillator 24 wird in groben Stufen umgeschaltet, und die jeweils
erzeugte Oszillatorfrequenz Fg wird im Modulator 30 impulsmoduliert. Die Modulationsimpulse
werden im Modulationsimpulsgenerator 32 erzeugt. Bei der Impulsmodulation entsteht
ein Spektrum äquidistanter diskreter Frequenzen mit einem Frequenzabstand FA, die
im Mischer 14 mit dem Ausgangssignal des Senders 10 gemischt werden. Wenn der Sender
zusätzlich zu seiner Nominalfrequenz F5 noch irgendeine Nebenwelle absetzt,
die
nach mischungmit irgendeiner der diskreten Frequenzen vom Ausgang des Mdodulators
30 eine in den Durchlaßbereicn des Filters 18 fallende Zwischenfrequenz ergibt,
so erscheint ein Eingangssignal für den Meßempfänger 1d, das über dem Rauschpegel
liegt, und das von Anzeigeinstrument 20 aufgezeichnet werden kann. Damit erhält
man eine Grobinformation darüber, ob überhaupt eine Nebenwelle in demjenigen Frequenzbereich
vorliegt, der zum Spektrum dieser Stufenfrequenz Fo gehört. Auf diese Weise kann
man den gesamten interessierenden Bereich stufenweise überprüfen, und eine Nachsuche
- die sehr zeitaufwendig ist - muß nur dort erfolgen, wo bei der groben Überprüfung
eine Nebenwelle sich bemerkbar gemacht hatte. Es versteht sich, daß nach jeder Umschaltung
des Oszillators 24 die Einschwingzeit des Filters abgewartet werden muß. Je schmalbandiger
das Filter 16 ist, desto länger ist die Einschwingzeit. Um die geforderte Empfindlichkeit
der Messung zu gewährleisten, darf das Durchlaßband des Filters auch nicht zu breit
sein. Aus den beiden Forderungen ergibt sich ein Kompromiß, der wiederum die Frequenzabstände
FA bedingt, da die Filterbandbreite größer sein muß als FA, aber kleiner als 2-FA.
-
Man erkennt in Fig. 4 zwei nebeneinanderliegende Spektren für zwei
sukzessive Stufen frequenzen F01 und Fo2.Im Idealfall hätten die einzelnen Spektralfrequenzen
alle gleiche Amplitude. Dies ist aber selbst bei ausgeklügelter Modul-ation nicht
möglich; zu den Randbereichen der Spektren hin fallen die Amplituden ab. Auswertbar
sind solche Amplituden, die geeignet sind, den Mischer 14 vollständig aufzusteuern.
Infolgedessen muß man eine gewisse Überlappung der Spektren vorsehen. Eine Nebenwelle,
die sich in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzstufen bemerkbar macht, wird damit
bereits bei der Grobnachsuchung etwa-s genauer lokalisiert.
-
Der große Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Einschwingzeit
des Filters nur einmal für den gesamten Spektralbereich jeder Stufenfrequenz abgewartet
zu werden braucht. Wenn z.B. ein auf 300 Ez schwingender Sender 10 bezüglich Nebenwellen
zu untersuchen ist, kann man in Schritten von jeweils 100 KHz vorgehen, was bei
einem Prüfbereich von z.B. 2000 MHz zwanzigtausend Prüfvorgänge bedingen würde.
Bei einer Filterbandbreite von z.B. 3 KHz und einer Einschwingzeit von ca. 1 ms
können theoretisch diese Prüfvorgänge innerhalb von zwanzig Sekunden ablaufen. Die
Weiterschaltung des Oszillators in Stufen von 100 KHz muß dabei allerdings sehr
genau erfolgen; auch hier empfiehlt sich aus diesem Grunde ein Frequenzsynthesegerät,
das von einem Rechner extern programmierbar ist.
-
(Patentansprüche)