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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur
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Messung von Störimpulsen, die infolge von Bitfehlern in einem digitalen
Nachrichtenübertragungssystem auftreten.
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Bei der digitalen Nachrichtenübertragung können durch Störingen auf
dem Übertragungsweg Zeichenfehler auftreten.
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Das bedeutet, daß z.B. in einer binären Signalfolge Zeichen der Wertigkeit
"O" in solche der Wertigkeit "1" verfälscht werden oder umgekehrt. Werden Analogsignale
in digitaler Form übertragen, so entsteht durch werden solchen Zeichenfehler am
Ausgang des empfangsseitigen Digital-Analogwandlers ein fehlerhafter Amplitudenwert
von der Dauer einer Abtastperiode. Die Amplitude des Fehlers hängt von der Wertigkeit
des gestörten Bits, vom Codiergesetz und sofern eine nichtlineare Codierung durchgeführt
wird, vom Signalmomentarnjert ab. Handelt es sich bei den übertragenen Analogsignalen
um ernsprech- oder Tonrundfunksignale, so sind diese Störimpulse als Knack-Geräusche
hörbar. Während für digital übertragene Fernsprechsignale eine mittlere Bitfehlerhäufigkeit
von 10 5 bis 10 4 akzeptabel ist, wird für Analogsignale höherer Qualität (z.B.
Tonprogrammsignale) eine Bitfehlerhäufigkeit von höchstens 10-7 gefordert.
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Mit der Verbreitung der digitalen Ubertragungstechnik wächst das Bedürfnis,
derartige Störimpulse bezüglich ihrer Größe und Häufigkeit zu messen.
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Aus der D2-AS 20 61 705 ist eine Meßschaltung bekannt, bei der ein
oilotsignal aus einem bandbegrenzten Rauschsignal gebildet und auf einem Pilotkanal
übertragen wird. In einem Empfangsteil wird ein von dem Pilotsignal nicht belegter
Teil des Prequenzbandes des Pilotkanals überwacht. Bei dieser bekannten Meßschaltung
ist es jedoch nachteilig, daß nur das Übertragungssystem
im ganzen
überwacht wird und zusätzliche Bitfehler nicht erfaßt werden, die z.B. auch durch
Codier-bzw. Decodierfehler in den belegten Kanälen entstehen können. Darüber hinaus
wird die Zahl der nutzbaren Kanäle des Ubertragungssystems durch diesen Silotkanal
um eins erniedrigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, während des Betriebes die
Größe und Häufigkeit von Störimpulsen zu messen, die am Analogausgang des Empfangsteils
eines digitalen Nachrichtenübertragungssystems in einem mit einem analogen Nutzsignal
belegten Übertragungskanal auftreten. Zugleich soll der gerätemäßige Aufwand möglichst
gering gehalten werden. Ferner soll die Messung schnell und möglichst unmittelbar
zu einem sicheren Ergebnis führen.
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Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung
gelöst. Danach ist an die vom Analogausgang zur Signalsenke führende Signalverbindung
eine Meßeinrichtung für analoge Signale über ein schmalbandiges Fequenzfilter parallel
angeschaltet.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die Messung in jedem mit einem analogen Nutzsignal belegten Übertragungakanal
des Nachrichtenübertragungssystems erfolgen kann und daß alle zwischen Signalquelle
und Signalsenke auftretenden Bitfehler in dem Übertragungskanal erfaßt werden, an
den die Meßeinrichtung angeschaltet ist.
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Vorteilhaft ist auch, daß weder ein Pilotsender noch ein spezieller
Pilotkanal im Nachrichtenübertragungssystem benötigt wird.
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Ferner genügt ein nur sehr schmaler Frequenzbereich, der zur Messung
herangezogen wird, um die Amplitude des Störimpulses sicher zu bestimmen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieser Frequenzbereich außerhalb
des Frequenzbandes des analogen Nutzsignals liegt und so nur der analogen Meßeinrichtung
ein Frequenzfilter vorgeschaltet werden muß.
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Um das Meßergebnis nicht durch analoge Signale bzw.
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Störungen zu verfälschen, die in dem für die Messung herangezogenen
Frequemzbereich liegen und in der Signalquelle oder auf der Verbindung zwischen
dieser und dem Analogeingang des Sendeteils auftreten können, ist zweckmäßigerweise
vor diesem Analogeingang ein einschleifbares Sperrfilter angeordnet, dessen Frequenzgang
invers zu dem des Frequenzfilters am Analogausgang ist. Durchlaßbereich und Sperrbereich
der beiden Filter sind somit vertauscht.
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Diese Maßnahme bringt den Vorteil, daß nur solche Störungen gemessen
und angezeigt werden, die durch Bitfehler entstehen.
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Das vorerwähnte Einschleifen eines Sperrfilters ist nur dann notwendig,
wenn es nicht möglich ist, einen Frequenzbereich außerhalb des Frequenzbandes des
analogen Nutzsignals zur Messung auszuwählen. Der Sperrbereich des Sperrfilters
ist dann entsprechend wie der Durchlaßbereich
des Frequenzfilters
in das analoge Nutzsignal, jedoch zweckmäßigerweise in die Nähe einer der Bandgrenzen
zu legen. Das geringe Beschneiden des analogen Nutzsignals beeinflußt die Qualität
der Übertragung kaum bzw. nur unmerklich, da in der Nähe der Bandgrenzen ohnehin
nur wenig Information übertragen wird. Dieser somit sendeseitig analogsignalfrei
gehaltene Frequenzbereich kann vor der Meßeinrichtung ausgefiltert und auf Bitfehler
untersucht werden.
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Über ein digitales Nachrichtenübertragungssystem können verschieden
geartete analoge Signale wie Sprache, Musik oder Videosignale übertragen werden.
Dadurch wird sich der z.B.
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durch Versuche ermittelte günstigste, vom analogen Nutzsignal am wenigsten
belegte Frequenzbereich a f je nach Nutzsignalart verschieben. Selbst bei einem
Verlegen des Frequenzbereichs A f außerhalb des analogen Nutzsignals ist ein Verändern
dieses Frequenzbereiches durch die verschiedenen Bandbreiten der Nutzsignalarten
unumgänglich.
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Um den jeweils günstigsten Frequenzbereich » f vor der Meßanordnung
ausfiltern zu können, ist dort verzugsweise ein gegebenenfalls in seiner Durchlaßfrequenz
verstellbarer Bandpaß mit schmaler Durchlaßkurve anzuordnen. Eine entsprechende
Bandsperre ist vor den Eingang des Übertragungssystems zu schalten. Mit dieser Filteranordnung
können alle in Frage kommenden Frequenzbereiche (auch in der Mitte des Nutzsignalbandes)
zur Messung verwendet werden.
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Ist sichergestellt, daß sich die Signalart des analogen Nutzsignals
nicht ändert und der Frequenzbereich d f unterhalb oder innerhalb des Nutzsignals
in der Nähe der unteren
Bandgrenze liegt, genügt ein Tiefpaß vor
der Meßanordnung und ein komplementärer Hochpaß vor dem Eingang des Übertragungssystems.
Wenn der Frequenzbereich ts f oberhalb oder innerhalb des Nutzsignals in der Nähe
der oberen Bandgrenze liegt, genügt ein Hochpaß vor der Meßanordnung und ein komplementärer
Tiefpaß am Eingang des Übertragungssystems, um diesen gewünschten Frequenzbereich
zur Messung auszufiltern und vor dem Übertragungssystem zu sperren.
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Ein ohnehin im Empfangsteil vorhandenes Bandbegrenzungsfilter bildet
mit dem Hochpaß bzw. dem Tiefpaß vor der Meßanordnung die gewünschte einem Bandpaß
entsprechende Durchlaßcharakteristik.
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Als Meßeinrichtung für analoge Signale können wahlweise Meßgeräte
zur Anzeige des Effektivwertes, des Spitzenwertes oder des arithmetischen Mittelwertes
verwendet werden. Deshalb sind auch bereits vorhandene Meßgeräte ohne weiteres für
die Erfindung einsetzbar.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das in der
Meßeinrichtung für analoge Signale verwendete Meßgerät auf den Spannungswert der
Störimpulsamplitude geeicht. Hierdurch kann diese direkt abgelesen werden.
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Ist an die Meßeinrichtung für analoge Signale ein Impulszähler angeschaltet,
so kann vorteilhafterweise bei einer Messung über einen bestimmten Zeitraum die
mittlere Fehlerhäufigkeit des ubertragungskanals ermittelt werden.
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Die Erfindung wird anhand eines in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles
und von in Fig. 2 bis 5 dargestellten Zeit-bzw. Frequendiagramm naher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein digitales Nachrichtenübertragungssystem als Blockschaltbild.
Wird keine Messung durchgeführt, so steht ein als Doppelumschaltekontakt ausgebildeter
Umschalter 2 in der Stellung a und Schalter 7 ist geöffnet (gesperrt). Eine Signalquelle
1 gibt das zu übextrage # analoge Nutzsignal über den Umschalter 2 an ein Sendeteil
3 ab. Dieses weist die für die digitale Übertragung notwendigen Baugruppen auf,
wie Bandbegrenzungsfilter, Abtasteinrichtung, Analog-Digitalwandler und ggf. Multiplex-
und Leitungsanpassungseinrichtung. Das Sendeteil 3 sendet die digitalen Signale
auf einen Üb-ertragungsweg 4, auf dem sie möglicherweise Störungen ausgesetzt sind,
die Bitfehler erzeugen.
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Am Ausgang eines Empfangsteils 5, der eine empfangsseitige Leitungsanpassungseinrichtung,
ggf. eine Demultiplexeinrichtung, einen Digital-Änalogwandler und meist auch ein
Bandbegrenzungsfilter enthält, treten infolge solcher Bitfehler Störimpulse auf,
die sich in der Signalsenke 6 als Störung, z.B. als Knack, bemerkbar machen und
deren Zahl und Amplitude gemessen werden sollen.
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Wird der Schalter 7 geschlossen (durchgeschaltet), so gelangt das
analoge Nutzsignal vom Analogausgang des Empfangsteils 5 auch zu einer Meßeinrichtung
9 für analoge Signale. Dieser Meßeinrichtung ist ein Frequenzfilter 8 vorgeschaltet.
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Erfahrungsgemäß ist in den Bandgrenzen eines analogen Nutzsignals
nur wenig Information enthalten und so können nicht nur Frequenzbereiche d f außerhalb
dieser Bandgrenzen, sondern auch innerhalb des analogen Nutzsignals
an
eben diesen Bandgrenzen zur Messung des Frequenzspektrums der Störimpulse herangezogen
werden, deren mathematische und physikalische Gesetzmäßigkeit noch nachfolgend erläutert
werden.
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Ein Sperrfilter 10 mit einem zu dem Frequenzfilter 8 inversen Frequenzgang
wird durch Betätigen des Umschalters 2 in dessen untere Stellung b zusätzlich in
Reihe zwischen die Signalquelle 1 und das Sendeteil 3 eingeschleift.
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Es hält den für die Messung benutzten schmalbandigen Frequenzbereich
frei von analogen Signalen und verhindert Meßverfälschungen durch Frequenzanteile
des Analogsignals, die eventuell in diesem schmalbandigen Frequenzbereich liegen.
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Ist das Frequenzfilter 8 ein schmalbandiger Bandpaß, so wird man den
Durchlaßbereich zweckmäßigerweise auf einen solchen Frequenzbereich A f legen, in
dem im Frequenzspektrum der Störimpulse genügend starke Amplituden auftreten und
der vom analogen Nutzsignal nicht oder nur gering mit Information belegt ist.
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Liegt der zur Messung benutzte Frequenzbereich f unterhalb oder im
unteren Bereich des analogen Nutzsignals, so genügt es, das Frequenzfilter 8 als
Tiefpaß auszubilden.
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Wird dagegen ein Frequenzband für die Messung gewählt, das in der
Nähe der oberen Bandgrenze des analogen Nutzsignals oder über dieser liegt und ist
im Empfangsteil 5 ohnehin ein Bandbegrenzungsfilter für das Analogsignal vorhanden,
so kann das Frequenzfilter 8 ein einfacher
Hochpaß sein.
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Nach einer einmaligen Eichung der Meßeinrichtung für analoge Signale
werden die Störimpulse bezüglich ihrer Amplitude dort direkt angezeigt.
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Fig. 2 zeigt als Treppenfunktion 21 die Ausgangsspannung des Digital-Analogwandlers
im Spannungs-Z eit-Diagramm.
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Jeder aus dem Digitalsignal gewonnene Spannungswert wird für die Dauer
einer Abtastperiode To bis zum Begilm des nächsten Abtastwertes konstant gehalten.
Durch das Bandbegrenzungsfilter im Empfangsteil 5 wird ein Analogsignal 22 mit kontinuierlichem
Verlauf gewonnen. Ein durch einen Bitfehler erzeugter Störimpuls 23 erscheint im
Analogsignal 22 als Störschwingung, die das ursprüngliche Signal überlagert.
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Der Bereich dieser Störung ist im Kurvenverlauf gestrichelt dargestellt.
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In Fig. 3 sind zwei unterschiedlich große Störimpulse mit ihren Impulsamplituden
U1 und U2 im Diagramm über der Zeit aufgetragen, Die zugehörigen spektralen Amplitudendichten
F1(f) und F2(f) sind in Fig. 4 in Form eines Diagramms über der Frequenz f dargestellt.
Diese Spektralfunktionen lassen sich nach dem Fourierintegral
errechnen, wobei fo die Abtastfrequenz des Übertragungssystems und die variable
Frequenz ist. Es wird deutlich, daß bei gleicher Breite der Störimpulse, was einer
konstanten Abtastfrequenz entspricht, die Amplitudenspektren für verschiedene Impulsamplituden
einander ähnlich sind und die Nulldurchgänge bei
den jeweils gleichen
Vielfachen der Abtastfrequenz liegen.
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Deshalb ist es nicht notwendig, zur Messung des Störimpulsmittelwertes
bzw. seiner Amplitude den gesamten Übertragungsbereich zu erfassen.
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In Fig. 5 ist ein zur Messung beispielsweise besonders geeigneter
Frequenzbereich m f in die Spektralfunktion F (f) eingezeichnet. Die obere Grenzfrequenz
dieses Frequenzbereiches liegt etwa bei fo/2, wiches bekanntlich die maximal zu
übertragende Frequenz desÜbertragungssystems ist.
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Nur dieser Frequenzbereich at f passiert das Frequenzfilter 8 bzw.
wird von dem Sperrfilter 10 gesperrt.