DE2602916A1

DE2602916A1 - Verfahren zur messung der linearen verzerrungsparameter und geraet zu dessen durchfuehrung (ii)

Info

Publication number: DE2602916A1
Application number: DE19762602916
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Ing Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-01-27
Filing date: 1976-01-27
Publication date: 1977-08-18
Also published as: DE2602916C2; US4139815A; GB1575748A

Description

Dr.-Ing. Martin Müller 7417 Pfullingen, Elsterweg 31

• 3 .

Verfahren zur Messung der linearen Verzerrungsparameter

und Gerät zu dessen Durchführung Erfinder: Dr. Martin Müller, Pfullingen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Gerät zur Messung linearer SignalVerzerrungen. Bei solchen Geräten ist es bekannt, daß eine Trägerfrequenz, die durch eine Prüffrequenz amplitudenmoduliert und zusätzlich, sehr viel langsamer als mit dem Prüfton, frequenzmoduliert ist, daß nacn dem Durchlaufen des zu prüfenden Übertragungsvierpols das Meßsignal demoduliert wird und Phasen- und Amplitudenänderungen der Prüffrequenz ausgewertet werden.

Solche unter dem Namen Gruppenlaufzeit- and .Dampfungsmeßgeräte bekannten Geräte haben den Nachteil, daß sie als Phasenmeßergebnis

Größe liefern, die der Steigung der Phasenkennlinie des Prüf- - _;f;;ifs 'objekts proportional ist. Untersuchungen haben gezeigt, daß die &£**·.<..'% Pijasenver ζ errungen nicht von der Steigung, sondernj/von den Abweihst/-"*\.-'^;V;' chungen «*b» der Phasenkennlinie selbst von einer durch die Energie- ^ %JF% «Verteilung des Signals bestimmten Geraden in einer Darstellung über der Frequenz, abhängen.

Es ist bekannt, einen Teil des prinzipiellen Meßfehlers der sogenannten Gruppenlaufzeitmessung durch Eückintegratinn der -j— -Kurve zu beheben. Das würde die Phasenabweichungen von derjenigen Geraden liefern, die der "Signallaufzeit T₁" (Bezeichnung gemäß der Veröffentlichung "Signal Delay", IEEE Transactions COM, Nov. 1975, S. 1375-1378) bei "ebener" Energieverteilung entspricht.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, auch die Abweichungen von der Signallaufzeitgeraden T (gleiche Literaturstelle), ebenfalls für den Fall ebener Energieverteilung, zu erfassen. Das ist gleichbedeutend damit, einen Meßwert für die an sich bekannten "Phasenschnittpunktsverzerrungen" zu liefern. Die bekannten Verfahren zur Phasenmessung "über Strecke" (d.h. ohne Übertragung einer Seferenzphase) ermöglichen diese Messung nicht. Die Schnittpunktsverzerrungen können erhebliche Wrete annehmen und ein Entzerrerabgleich etwa in einem Datenübertragungssystem, der diesen Verzerrungen gegenüber "blind", nur nach Gruppenlaufzeit, vorgenommen wird, verschlechtert oft die Übertragungseigenschaften, statt sie zu verbessern.

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Zur Behebung diese Mangels wurde schon ein Verfahren oder Gerät vorgeschlagen, welches als "PAR-iaeter" oder -Verfahren oekannt ist. PAH steht für "peak to average ratio" und bei dem Verfahren wird im Prinzip die Verbreiterung eines übertragenen Pulses infolge von Verzerrung gemessen. Dieses Verfahren hat «jedoch aucn ITaehteile: 1. ist es relativ unempfindlich und daher nur für mäßige Qualitätsanforderungen geeignet und 2. liefert es iceine Zuordnung zur Phasen- oder Amplitudenkennlinie noch zur Frequenz. Ähnliche Uachteile haben andere für Datensignale bekannte Meßverfahren, die mit dem sogenannten "Augenmuster" arbeiten. Derartige Meßverfahren werden außerdem stark von Jitter- und Hausehstörungen im System in ihrer Genauigkeit beeinflußt.

Diese Nachteile werden durch das erfindungsgemäße Verfahren und Gerät für die Messung linearer Verzerrungsparameter unter Einschluß der Phasenschnittpunktsverzerrung vermieden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Kennliniendarstellung in gewohnter Art oder in einer Yfeise, daß eine Zuordnung zur Amplituden- oder Phasencharakteristik des gemessenen Systems erhalten wird. Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Ermöglichung von schnellem Abtasten und damit verbunden, der Doppelgleichrichtung des Meßergebnisses. Ein weiterer Vorteil ist, daß Meßgeräte gemäß der Erfindung in verscniedenen Stufen der Vervollkommnung ausführbar sind, darunter eine preiswerte Einfachstversion für mäßige Genauigkeitsansprüche, aber sonst ohne Einschränkung der Aussagekraft.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, sendeseitig ein Meßsignal aus wenigstens und vorzugsweise zwei in ganzzahliger Helation zueinander stehenden Frequenzen zu erzeugen, in das zu prüfende System einzuspeisen und empfangsseitig durch geeignete Mittel aus der Verformung des Signals Meßgrößen zu gewinnen, die den Kennlinienfehlern proportional sind, und schließlich durch ein Frequenzweiterschalten oder -wobbeln der das Signal bildenden Komponenten durch ein gegebenes Frequenzband die betreffenden Kennlinien abzutasten. Vorzugsweise wird ein Meßsignal der Form

vorgeschlagen, also aus der Grundfrequenz und ihrer ersten Harmonischen, je gleicher Amplitude, bestehend, wobei die Kreisfrequenz O variiert wird.

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Die V/ahl eines Signals dieser Art beruht auf der Erkenntnis, daß die pnasenschnittpuntctsverzerrung nur xait einem Signal erheblicher Bandbreite gut erkennbar ist. Das Meßverfahren kann auch auf Systeme geringerer relativer Bandbreite angewendet werden, indem das JVxeßsignal nach einem der bekannten Verfanren geträgert und vor der Auswertung in seine ursprüngliche Porm zurücicdemoduliert wird. Eine solche Trägerung kann auch in Systemen größerer relativer Bandbreite zweckmäßig sein, wie weiter unten noch beschrieben wird. Jj¹Ig. 1 zeigt das vorzugsweise ivieß signal.

Es ist ein Vorteil dieses ileßsignals daß seine Erzeugung auf digitalem Wege, etwa aus Trapezsignalen, möglich ist. Ebenso vorteilhaft kann das Meßsignal aucn PGM-artig programmiert erzeugt werden, wobei das Programm mit variabler Taktfrequenz abgerufen wird. Dabei ist es zweckmäßig, die Anzahl der "Abtastpunkte" des Signals höher zu wählen, als dem Verhältnis der oberen zur unteren Grenzfrequenz entspricht, weil dann die Siebung durch Festtiefpaß möglich ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich dieses Meßsignal unter dem Einfluß einer Amplituden- oder Phasenverzerrung in charakteristischer Weise verformt. Die Verformungen sind in den Fig. 2 und 3 für Verzerrungen um Werte entsprechend ± 2 dB gezeigt. Daraus wird ersichtlich, daß das Meßsignal empfangsseitig bereits durch eine oszilloskopische Darstellung auswertbar ist, indem es etwa mit einem auf eine Vorsatzscheibe gezeichneten Muster verglichen wird. Ein Zweifrequenzgenerator und ein übliches Oszilloskop wäre die Einfachstversion eines erfindungsgemäßen Meßplatzes.

Bessere Auflösung und höhere Genauigkeit kann erfindungsgemäß dadurch erzielt werden, daß empfangsseitig gewisse Stellen aus dem Signalverlauf entnommen und in an sich bekannter V/eise zur Anzeige gebracht werden. Dabei kann das gewohnte Kennlinienschreiben auf elektromechanischen! oder rein elektronischem Weg angewendet werden. Jeder dargestellte "Bildpunkt" ist dabei die Folge von zwei "Objektpunkten", nämlich bei der Frequenz f und 2f. Zur besseren Zuordnung kann die Bildkurve zweimal derart versetzt, gestreckt und umgepolt geschrieben werden, daß die eine Kurve dem von der Grundfrequenz und die andere dem von der Harmonischen überstrichenen Bereich zugeordnet ist. Aus dem Überlappungsbereich der beiden

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Kurven iiann man darin Scnlüsse ziehen, a.a weiciit χ Frequenzstelle die gemessene liichtlinearität wirklich befindet.

Zuordnung und Proportionalität aer Anzeige lassen sich zusätzlicn dadurcn verbessern, daß das Signal in eimern. Durchlauf in Jjorinallage und ii-i folgenden Durcnlauf in Kehrlage als träge runt erdrücktes Einsaitenbandsignal übertragen v-ird, wobei es zweciaadßig ist, den Träger laöglicxist nah an der jjandobergrenze zu wänlen. > ei einem solciien signal treten im '.icsentlichen zwei Scnwierig^ieiteii £.uf, die jedocn in an sicn bekannter 7 "eise lösbar sina: Sexideseitig die "rz^u^uiig Liit ninreichena noner Träger imtex'arüCxtung und empfangssextig die aosolut frequenz- undpnaseiisynehrone Rückgewinnung ues Tr igers, die zur Demodulation und. Auswertung nötig ist.

Diese JciiViierigiceiteii v.-erden erfindungsgemäß dac.arcu. _;_elüst, daM das Sendesigat.l digital synthetisiert viix'd. Das iPrequenzwobbeln wird dabei nicht kontinuierlich so.xue.L-a in Stufen vorge.iojniien, die ao gewählt werden iiü-iixen, d&^ zu erwartende Kennlinie:·-i. i'^:. 1 ■;.' i_,--. '_ .. L IuOx- i'.ufgelöst werden. Der Γχ-eq^uenzGurcnlauf vdrd zvrecjiiaäioigerweise so ge\--änlt, wie in Fig. j (idealisiert) dargestellt. Aus dex' iiacn eixxeiri vollen Durcnlauf der iiax'moniscnen auftretenden Stufe Kann der . nip fänger die gewählte Tr-igerfretiuenz f„ "bereclmen" und nach dem "Umschlagen" der Harmonisclien cie Ti^igerphase so synchronisieren, aaß die Anzeige gleicxi bleibt. Für die empfangsseitige Trnj-.ex'unterdrücKung ist die VexTven^ung eines an sich bekarmen jrücJcenmischers vorteilhaft, r-ei dieser Version des er find ungsgemäß en Meßgeräts sind relativ primitive Eecneneinricntungen auf der Sende- und Empfangsseite vorausgesetzt.

In einer besonders hochwertigen Version des Meßgeräts, die als Weiterbildung beider bisher geschilderter Versionen ausführbar ist, wird empfangsseitig eine nocnv'/erti^e liecneneinheit (microprocessor) verv endet, .jie dient dazu, aus der jeweiligen ii'eßkurve die "ecate" AxiiplituaenKurve bzw. axe "ebengelegte" (d.n. um aie 6'ignailaufzeit reduzierte) Phaseruoix've durch einen geeigneten Algorithmus zu bereciuien. Dafür ist eine Digitalisierung in an sich be&aünter ^T?reise notvvexidig und es xCÖnnen damit auch die weiteren Vorteile der i.aus ch- und Jitter unterdrückung wie bekennt ausgenützt werden.

2ei dieser Version des Meßger.its- itaxin auch die oszilloskofische

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Anzeige besonders wenig aufwendig durch eine relativ grobe Leuchtdiodenmatrix (z.B. 10 χ 10 Leuehtpunkte) gelöst werden, da ja die Ergebnisse schon digital vorliegen und Auflosungsverbesserung bis an die fieehengenauigkeit durch "Spreizen" möglich ist.

War die eriindungsgemäße Signalaufbereitung im Empfänger ist es zwecionäßig, das Signal durch einen Eegelverstärker auf konstante Höhe der "positiven" Spitze zu verstärken, die negativen Spitzenwerte 2u überwachen und eine Polwendung vorzunehmen, sobald eine aavon größer als die positive wird. Das tritt bei übermäßigen PhasenVerzerrungen etwa in einem unaDgeglichenen System auf; der tiadurcu i,\ u«-j rt;iöiau've erscheinende Sprung kann vorteilhaft zum Absehätzen des nötigen Entzerreraufwands herangezogen werden. Empfängersynchronisation auf die positiven Spitzen und Taktgebung für die Zeitschlitze bei 1/2 und 1/3 bzw. 2/3 des Abstands sind in bekannter Weise lösbar. Während am Entnahmepunkt des Amplituden- -Kriteriums (bei 1ö0°) der Nullverzerrungs-Spannungswert ohnehin null ist, beträgt an den Entnahmepunkten des Phasenkriteriums (120° bzw. 240°) bei Yerzerrungsfreiheit die Spannung -1/2 der Spitzenspannung, was auf null kompensiert werden muß. Das geschieht am besten durch Subtraktion der Meßwerte bei 120° und 240° voneinander. Der Meßempfänger kann somit vollautomatisch ausgebildet sein, wodurch sich das Meßverfahren auch besonders gut für Ergebnis-Sückübertragung nach einer der bekannten Methoden eignet.

Schließlich fußt die Erfindung auf der Erkenntnis, daß die im Zeitbereich in Erscheinung tretenden SignalVerzerrungen proportional dein Effektivwert der in der Frequenz ebene auftretenden Amplituden- bzw. Phasenabweichungen den jeweiligen Idealgeraden sind. In einer Weiterbildung der Erfindung werden daner die Fehler-Effektivwerte nach Art der an sich bekannten Doppelgleichrichtung ermittelt und angezeigt. Die gleiche Weiterverarbeitung kann auch, nach einer wie oben geschildert erfolgten Umrechnung der Meßkurven vorgenommen werden.

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Die Erfindung wird nun annand von bildlichen Darstellungen näher bescnriebeii:

Fig. 1 zeigt den Spannungsverlauf des vorzugweisen erfindungsgeiB.fi.-ßen Meßsignals coswt+cos2cjt über der Zeitachse. 1 bedeutet das gefilterte Signal, 2 dasselbe Signal vor einer Filterung bei Erzeugung aus Trapezschwingungen der Frequenz verhältnis se 1:2. '5 stellt ein Beispiel für einen Zeitschiita ζνωι Zweck der enipfaiigsseitigen Regelung auf konstanten regel dor, 4 bedeutet Je die iiülfte von Zeitschlitzen zur Probenentnahme des ^eisergebnisses für die Amplitudenverzerrung, i> und 6 sind Zeitschlitze zur Probenentnahme für das Meßergebnis bezüglicn Phasenverzerrung, deren -'erte t-nscnließend voneinander subtrahiert werden icönnen.

Fig.2 zeigt die Veränderungen des Mei;signals unter dem Sinfluß reiner Amplitudenverzerrung, wobei 7 das unverzerrte Signal darstellt, Ö das Signal bei Übertragung der Earmonisciien mit 4 di t'berpe.^el über der G-rundfre^uenz, j bei 4 dB Absenkung der Karmoniscueii.

Fig. "i> zeigt Veränderungen des lvleßsigiials bei Phasenverzerrungen. 10 ist das unverzerrte Signal, 11 bei um 16,4° voreilender G-rundwelle und um 8,2 nacheilender Harmonischen gegenüber der Laufzeit des Meßsignalniaximums, 12 im umgekenrteii Pail. ^f)^r.^:.L ist der ±2 dB äquivalente Phasenverzerrungsf =.:.ll. 13 zeigt das Signal "bei einem der beiden möglichen Übergänge in seine orthogonale Form, bei welcher die Darstellung umgepolt und die Signallaufzeit auf die bisher negative Spitze bezogen werden sollte.

Fig.4 ζ ei ^t ein Beispiel eines "doppeltgescnrit-benen" Schirmbilds. 14 ist der Signal-'lrunafrequenz, 15 der Harmonischen zugeordnet.

3?ig. 5 zeigt den idealisiex-ten zeitlichen Verlauf der 3?requenzkomponenten des Meßsignals bei abwechselnder Übertragung als ungeträgertes Signal und als Einseitenbandsignal in Kehrlege. 16 stellt die Frequenz -Null inie dar, 17 die untere und 16 die obei'e Landgrenze, Λ-j ist die zur Sinseitenbanddemodulation nötige 'Trägerfrequenz, 20 stellt den Verlauf der ffrundfrequenz und 21 den der Harmonischen beim (stufenförmigen) ^Tvobbelvorgang dar.

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Fig.6 zeigt das prinzipielle !Blockschaltbild eines erfindungsgeaiäßen Meßgenerators. Dargestellt ist die Version ohne Einseitenband-oyntheseeinricntung, welche das Blockschaltbild übermäßig komplizieren würde, ohne zur Erklärung der Erfindungsidee wesentlich, beitraget zu können. 22 ist die Quelle eines z.B. sägezahnförmigen Steuersignals für den WobbelVorgang, dessen unter- und Obergrenze einstellbar sind, 23 ist ein variabler Taktgenerator, 24 und 25 sind davon gesteuerte Trapezgeneratoren für die Grundwelle und ihre Harmoniscne, 26 ist eine Addierstufe, 27 ein (Nötigenfalls mitlaufender) Tiefpaß, 26 ist die Ausgangsschaltung mit Pegel- und Impedanzanpassung und 29 der Senderausgang.

Έ1&.Ί zeigt das prinzipielle Blockschaltbild eines entsprechenden Meßempfängers. 30 ist der Eingang, 31 die Eingangsschaltung mit Impedanz- und Pegelanpassung, die automatisiert sein kann, 32 ist ein Polwender und 33 eine Sensorschaltung zur Überwachung der Signalspitzen und Gewinnung von .Regel- und Umpolungskriterien. Bei den folgenden Schaltungsblöcken bedeuten 34 die Taktrückgewinnung, 35 die Sorsteuerung, 36, 37 und 38 Torschaltungen für die verschiedenen. Zeitschlitze 180° und ±120° vom Sifenalmaximum und 39 eine Subtrahierschaltang. Es folgen die Ausgangeschaltungen 40 und 41 der einfachen Heßgeräteausführung, 42 und 43 sind Effektivwertgleichrichter und 44 ist eine Kombination von A/D- und D/A-^T!"andlern mit einer fiecnensehaltung zur Berechnung der äquivalenten Phasen- und Amplitudeniturven, die zu den Meßergebnissen gehören; 42 und 43 KtJrLieii auch dem Blocic 44 nachgeschaltet sein. Das Gerät hat fol^fegeiicLe Ausgänge: ZeitDasisa.usgang 45, Effektivwert des Amplitudenmeßergebnisses 46, für das unbearbeitete Amplitudenmeßergebnis 47» 4B und 49 für die umgerechneten Meßkurven, 50 für das unbearbei-

und
tete PiiasenmeßergebnisV 51 für den Effektivwert dieses Ergebnisses.

Die Darstellungen sind nur als Beispiele zur besseren Erklärung der Erfindung so gewählt und stellen keine Einschränkung für die Anwendung der Erfindungsgedarucen dar.

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Claims

1. Meßverfahren und -gerät für lineare Signal Verzerrungen, dadurch gekennzeichnet _t daß sendeseitig ein iiaeßsignal aus wenigstens zwei in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehenden Frequenzen erzeugt und ausgesendet wird, daß durch Frequenzwobbein oder -schalten der Frequenzkomponenten unter Beibehaltung der Signalform eine Kennlinienabtastung ausgeführt wird und empfangsseitig aus der Signalverformung ließ groß en gewonnen werden, aus welchen quantitativ auf die Kennlinienfehler geschlossen werden kann.

2« Meßverfahren und -gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendesignal aus der G-rundwelle f und deren ersten Harmonischen 2f gleicher Amplitude besteht,, die co·sinusförmig addiert sind, -and. daß die Frequenz f zwiscnen der unteren und der Hälfte der oberen Grenzfrequenz des betrachteten Bandes geändert wird.

3· Meßverfahren und -gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeicnnet, daß das Meßsignal aus !rapezschwingungen vorzugsweise von doppelt so langer Anstiegs- und Abfallzeit wie Verweilzeit bei den Extremwerten gebildet oder PGM-artig programmiert und dekodiert erzeugt wird«

4« Meßverfahren und -gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3r dadurch gekennzeichnet,, daß das empfangene Signal oszilloskopisch dargestellt und mit der idealen Signalform verglichen wird.

5- Keß verfahren und —gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet,: daß das empfangene Signal durch Ausblenden geeigneter Ausschnitte so in Fehlersignale umgewandelt wird, daß Rückschlüsse auf die Fehler der Phasen- oder/und Amplitudenkennlinie möglich, werden und zur Anzeige gebracht werden können.

6· keß verfahren und —gerät nach. Anspruch. 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Spitzenwert des empfangenen Signals ein Kriterium für die empfangsseitige Verstärkung, aus dem Abstand zweier Spitzenwerte der Zeittakt und aus dem Vergleich· der positiven und negativen Spitzenwerte ein Kriterium für die Eolarität des Meßsignals gewonnen raid ausgewertet werden, daß zeitlich in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden (positiven) Spitzenwerten das Kriterium für die Amplitudencharakteristik und bei 1/5 ~wa.a 2/3 des zeitlichen Abstands das Kriterium für die phaseneharakteristik entnommen und ausgewertet

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NAOHGEREICHT

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werden (Fig«i), indem einer dieser Werte oder ihre Differenz dargestellt wird.

7. &eßverfahren und -gerät nach. Anspruch. 5 oder 6, dadurcii gekennzeichnet, daß die der Amplituden- oder/und Phasenkennlinie zugeordneten Meßwertlinien derartig doppelt, sowie umgepolt, gestreckt und versetzt geschrieben werden, daß je eine davon dem von der Srundfrequenz wobbelnd überstrichenen Bereich zugeordnet ist ixnä je die andere dem Frequenzbereich der Harmonischen.

S. i'leßverfahren und -gerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig die jileßwerte digitalisiert und einer Rechenoperation zur Ermittlung der eindeutigen Freqfttenzzuornung der Amplituden- und Phasenfehler unterworfen werden und die so gewonnenen Meßkurven dargestellt werden.

9. Jj/ießverfahren und -gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige durch eine Leuciit diodenmatrix vorgenommen wird, wobei die Auflösung entweder konstant oder durch "Spreizen" in X-oder/und Y-Kichtung veränderbar ist.

10. Meßverfahren und -gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß seine Anwendbarkeit durch geträgerte Übertragung und empfangsseitige Demodulation nach einem der bekannten Verfahren auf kleinere relative Bandbreiten ausgedehnt ist.

11. Meßverfahren und -gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10_f dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig das geträgerte Eeßsignal synthetisiert wird dergestalt, daß der Empfänger den zur Demodulation gegebenfalls nötigen Träger frequenz- und phasenrichtig rückgewinnen kann, daß während des Wo bb el Vorgangs von einer geträgerten in eine ungeträgerte Übertragung des Meßsignals umgeschaltet wird daß bei der Ergebnisdarstellung die Bereiche der geträgerten und ungeträgerten Übertragung einzeln oder aneinander anschließend dargestellt werden.

12. Meßverfahren und -gerät nacii einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Kennliniendarstellung oder stattdessen der jewilige Fehler nach Art des Doppelgl ei chricntungs verfahr ens über der Frequenz (zumindest annähernd) quadratisch integriert und dargestellt wird«

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