DE3024346C2

DE3024346C2 -

Info

Publication number: DE3024346C2
Application number: DE3024346A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 8031 Olching De Blaess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1980-06-27
Publication date: 1990-07-12
Also published as: FR2485743A2; GB2078981A; FR2485743B2; IT1136691B; IT8122456A0; GB2078981B; US5025221A; DE3024346A1; BE889399R

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Messen der Übertragungseigenschaften eines Meßobjektes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Im Hauptpatent ist das Problem behandelt, wie durch die Auswahl geeigneter Phasenlagen der sogenannte Crest-Faktor des Testpulses unter Erhöhen der Meßgenauigkeit verbessert werden kann. Dies ist notwendig, um eine Belastung des Systems, in dem das jeweilige Meßobjekt liegt, möglichst zu verringern. Andernfalls würden (bei ungünstigen Crest-Faktoren) unerwünschte Amplituden-Spitzenwerte auftreten, welche beispielsweise zur Übersteuerung oder zu Nichtlinearitäten während des Meßvorganges führen können. Da die durch diese Spannungsspitzen verursachten Nichtlinearitäten und Übersteuerungen nur beim Meßvorgang auftreten, besteht die Gefahr, daß bei der Messung selbst ein Fehler erzeugt wird, der in der Praxis bei der Übertragung von Nutz-Signalen nicht vorhanden ist.

Die Auswahl der verschiedenen Phasenlagen zur Optimierung des Testpulses entsprechend dem Hauptpatent 28 49 119 erfolgt im wesentlichen unter dem Gesichtspunkt, daß dieser sendeseitig ausgesandte Testpuls optimiert wird. In der Praxis stellt sich jedoch heraus, daß u. U. ein derartiger Weg allein noch nicht zu optimalen Ergebnissen führt. Dies hat seinen Grund darin, daß durch das Meßobjekt (beispielsweise eine Nachrichten-Übertragungsstrecke) infolge der dort auftretenden Phasenverzerrungen die ursprünglich eingestellten Phasenlagen ϕ _n für die einzelnen Frequenzkomponenten bzw. Harmonischen mehr oder weniger verändert werden. Bei dem am Empfangsort eintreffenden empfangsseitigen Testpuls sind somit nicht mehr die Phasenlagen ϕ _n vorhanden, sondern andere, und es besteht die Möglichkeit, daß durch das Meßobjekt eine unerwünschte Erhöhung des Crest-Faktors auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 einen Weg aufzuzeigen, auf dem das Auftreten derartiger unerwünschter Änderungen des Crest-Faktors vermieden werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der gemäß der Erfindung zusammengesetzte Testpuls berücksichtigt bezüglich des Crest-Faktors sowohl die sendeseitige als auch die empfangsseitige Phasenverteilung. Es werden also bei dem Testpuls nach der Erfindung sowohl auf der Sendeseite als auch auf der Empfangsseite keine unzulässig großen Crest-Faktor-Werte erhalten, so daß Störungen oder Schwierigkeiten durch Übersteuerung oder Nichtlinearitäten des Meßobjektes noch weitgehender vermieden werden können.

Für die Auslegung des erfindungsgemäßen Testimpulses ist eine ungefähre Information dahingehend zweckmäßig, wie die Phasenverzerrungen des Meßobjektes in Abhängigkeit von der Frequenz verteilt sind. Hierüber liegen normalerweise entsprechende Informationen vor, sei es dadurch, daß das entsprechende Meßobjekt zunächst grob ausgemessen wird oder auch dadurch, daß in entsprechenden technischen Unterlagen Angaben über zu erwartende Werte der Gruppenlaufzeitverzerrung vorhanden sind.

Beispielsweise ist bei der Übertragungsstrecke davon auszugehen, daß zwischen der Phasenverzerrung und der Frequenz (zumindest im eigentlichen Übertragungsband, das ja für die Messung von Interesse ist) ein stetiger Zusammenhang besteht. Entsprechend diesen Beziehungen kann der Testpuls, welcher sendeseitig zunächst mit einer bestimmten Phasenverteilung ausgewählt worden ist, am empfangsseitigen Ende entweder tatsächlich gemessen oder durch Ansatz der überschlägig zu erwartenden Übertragungscharakteristik berechnet bzw. gezeichnet werden. Durch Vergleich zwischen dem zunächst angenommenen sendeseitigen Testpuls (Crest-Faktor c _fs) und empfangsseitigen, entsprechend verzerrten Testpuls mit dem Crest-Faktor c _fe für die Empfangsseite läßt sich ein sowohl für die Sendeseite als auch für die Empfangsseite optimierter Testpuls finden. Gleichzeitig wird festgestellt, durch welche Änderungen der Phasenlagen eine günstige Beeinflussung des Crest-Faktors und zwar sowohl auf der Sendeseite als auch auf der Empfangsseite erreicht werden kann.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Testpuls mit ϕ _n = 0° (d. h. Überlagerung von cos-Schwingungen gleicher Phasenlage;

Fig. 2 einen Testpuls nach der Erfindung, bei dem der Crest-Faktor gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 verbessert ist;

Fig. 3 das Zeigerdiagramm in komplexer Frequenzebene für einen Testpuls nach Fig. 2.

Bei dem Testpuls nach Fig. 1, dessen Dauer 10 ms beträgt und der aus 35 Frequenzkomponenten bzw. Harmonischen mit jeweils gleicher Amplitude A zusammengesetzt ist, wird vom folgenden Bildungsgesetz ausgegangen:

Dies bedeutet, daß die Phasenlagen ϕ _n = 0 gesetzt sind, d. h. es werden 35 gleichphasige Cosinus-Schwingungen überlagert. Die Frequenz der Grundschwingung ist mit f = 100 Hz angenommen, wobei diese Grundschwingung weggelassen wird und bei der Bildung des Testpulses beginnend mit n = 2 bis n = 36 insgesamt 35 aufeinanderfolgende Harmonische für die Erzeugung des Testpulses herangezogen sind. Die Amplituden An sind jeweils gleich groß angenommen. Für eine derartige Überlagerungsfunktion ergibt sich ein Crest-Faktor c _f = , wobei x die Anzahl der tatsächlich vorhandenen Harmonischen angibt (d. h. x = 35 im erwähnten Beispiel). Im vorliegenden Fall ist c _f = 8,37. Das durch den Testpuls abgedeckte Frequenzband reicht von 200 Hz bis 3,6 kHz und zwar in Stufen von je 100 Hz, erfaßt also genau einen Fernsprechkanal samt den ggf. noch interessierenden Randbereichen.

Werden die Periodengrenzen dieses Testpulses um die Zeit t₀ verschoben, so ergibt sich für jede Cosinus-Schwingung eine Phasenlage und der Testpuls wird durch folgende Gleichung dargestellt

Dabei gilt die Beziehung

oder umgerechnet

Die Periodendauer T ist festgelegt als

d. h. durch die Periodendauer der Grundschwingung mit der Frequenz f. Der Crest-Faktor hat sich bei dieser zeitlichen Verschiebung des gesamten Testpulses nicht geändert, weil der Spannungsverlauf der gleiche bleibt.

Aus dieser Überlegung läßt sich der für die folgende Betrachtung wichtige mathematische Zusammenhang bei einer Verschiebung der Periodengrenzen darlegen. Zur Verringerung des Crest-Faktors werden für die Phasenlagen ϕ _n der Cosinus-Schwingungen solche Werte verwendet, daß eine Verbesserung des Crest-Faktors sowohl auf der Sendeseite als auch auf der Empfangsseite eintritt. Eine Verbesserung allein auf der Sendeseite ist nämlich insofern nicht ausreichend, weil durch die Phasenverschiebung beim Meßobjekt zusätzliche Änderungen des Crest-Faktors eintreten, die auch einen ursprünglich (sendeseitig) optimalen Testpuls in einen (empfangsseitig) verzerrten Testpuls mit schlechterem Crest-Faktor verwandeln. Es ist also nicht ausreichend, nur die Sendeseite bei der Anlegung des Testpulses zu berücksichtigen. Vielmehr ist unter Berücksichtigung des Einflusses des Meßobjektes auch der empfangsseitige Crest-Faktor mit einzubeziehen und mit einem Testpuls zu arbeiten, der sowohl sendeseitig als auch empfangsseitig gute Werte ergibt. Hierfür gibt es neben der Anpassung des Testpulses an ein spezielles Meßobjekt auch die Möglichkeit der Anwendung allgemeingültiger Bemessungsregeln, deren Einzelheiten nachfolgend näher erläutert werden.

Eine diesbezüglich besonders vorteilhafte Lösung zur Optimierung sowohl des sendeseitigen als auch des empfangsseitigen Crest-Faktors bei einer Nachrichten-Übertragungsstrecke besteht darin, daß für die Cosinus-Schwingungen k diskrete Werte der Phasenlagen zugelassen werden, welche gleichmäßig über den vollen Winkel verteilt sind. Die Phasenlagen ϕ _n folgen somit bei x im Testpuls tatsächlich vorhandenen harmonischen Schwingungen dem Gesetz

wobei m von 0 bis (k-1) in ganzzahligen Werten läuft, also m = 0, 1, 2, 3 . . . bis (k-1) gewählt wird, und n die laufende Nummer jeweils derjenigen Harmonischen bezeichnet, die zu jeweils einer Gruppe m zusammengefaßt sind. Hierdurch wird weitmöglichst vermieden, daß die als stetig anzunehmenden Eigenschaften z. B. eines Übertragungsweges die vorgewählten Anfangsphasen allzu stark kompensieren und dadurch eine unerwünschte Vergrößerung des Crest-Faktors eintritt. Entsprechend diesen k diskreten und zugelassenen Phasenlagen werden die Phasenlagen der Harmonischen derart gewählt, daß sich die in Fig. 1 vorhandene große Amplitudenspitze am Anfang und am Ende auf k Zeitpunkte in einer Periode verteilt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind diese einzelnen Amplitudenspitzen kaum mehr deutlich erkennbar, was bereits eine Verbesserung des Crest-Faktors darstellt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und dem zugehörigen Zeigerdiagramm nach Fig. 3 ist konkret von folgenden Zahlenwerten ausgegangen: Die insgesamt vorhandenen 35 Frequenzkomponenten bzw. harmonischen Einzelschwingungen (beginnend mit 2 · f = 200 Hz und endend mit 36 · f = 3,6 kHz - also die gleiche Verteilung wie bei Fig. 1) werden in k = 7 Gruppen unterteilt, so daß jede Gruppe 5 Harmonische umfaßt. Im vorliegenden Beispiel gilt also die Beziehung

f = 100 Hz (Grundschwingung).

Die im vorliegenden Beispiel insgesamt vorhandenen 35 Harmonischen von 2 · f (200 Hz) bis 36 · f (3,6 kHz) überdecken einen Fernsprechkanal. Die verschiedenen Phasenlagen ϕ _n werden nach Gleichung (5) berechnet zu

Der Wert von n läuft beginnend mit n = 2 (d. h. entsprechend der ersten Harmonischen 2f = (200 Hz) bis zu dem Wert mit der höchsten Frequenz, im vorliegenden Beispiel also n = 36 (3,6 kHz).

Für den Wert m = 0 ergeben sich für die ersten fünf (35/7 = 5) Harmonischen 2f, 3f, 4f, 5f und 6f Phasenlagen zu ϕ _n = 0°. Das heißt, bei der ersten Gruppe von Schwingungen werden Cosinus-Schwingungen mit der Phasenlage 0° benutzt, deren (gedachtes) Spannungsmaximum bei t = 0 liegt.

Die zweite Gruppe von Schwingungen umfaßt 7f, 8f, 9f, 10f und 11f. Für die Harmonische 7 · f ergibt sich die Phasenlage

Der Wert ϕ₈ (für 8f) errechnet sich zu

d. h. er hat wieder die Anfangsphase 0°.

Der Wert für ϕ₉ errechnet sich zu

Es folgt dann bei ≈ 104° der Phasenwert ϕ₁₀ für die Harmonische 10f und bei ϕ₁₁ ≈ 156° der Wert für 11f. Damit sind die Phasenwerte für die zweite Gruppe, die von 7f bis 11f reicht, berechnet.

Die Phasenlagen für die dritte Gruppe mit m = 2 beginnen bei 12f und reichen bis 16f. Für sie gelten die vorliegenden Berechnungen analog, d. h. beispielsweise

d. h. entspricht etwa einem Winkel von 52°.

Die übrigen Phasenlagen lassen sich in analoger Weise berechnen, wobei zum Vergleich sämtliche Phasenlagen für die einzelnen Harmonischen bei dem Zeigerdiagramm nach Fig. 3 eingetragen sind.

Der auf diese Weise erhaltene Testpuls hat einen, von Haus aus sehr niedrigen Crest-Faktor c _fs = 2,37, d. h. der Wert auf der Sendeseite ist bereits sehr vorteilhaft. Gleichzeitig ist aber durch die nach Gleichung (5) vorgenommene Phasenverteilung sichergestellt, daß durch ein entsprechendes Meßobjekt mit den in der Nachrichtenübertragungstechnik, insbesondere bei Fernsprechkanälen typischen Phasenverzerrungen im interessierenden Meßbereich keine so starken Veränderungen des Crest-Faktors eintreten, daß dieser beim empfangsseitigen Testpuls, (d. h. c _fe) keinen von dem sendeseitigen Wert in unzulässiger Weise abweichend großen Wert erreicht. Der in Fig. 2 dargestellte Testpuls stellt somit eine, sowohl sendeseitig als auch empfangsseitig im Rahmen des möglichen optimierte Lösung dar und kann für die Nachrichtenmeßtechnik mit besonderem Vorteil verwendet werden.

Die Veränderungen, welche durch die beim Messen durch das Meßobjekt hervorgerufenen Phasenverzerrungen eine Beeinflussung des Crest-Faktors ergeben, gleichen sich bei diesem Testpuls teilweise aus (in einer Art innerer Kompensation), und führen empfangsseitig zu keinen unzulässig hohen Spannungsspitzen. Die Verteilung der Phasenlagen ist somit bereits beim Sendeimpuls so vorteilhaft gewählt, daß der Einfluß von Meßobjekten beim Testpuls auf der Empfangsseite infolge der Phasenverzerrungen nur sich gegenseitig weitgehend kompensierende Ergebnisse liefert, so daß der gute Crest-Faktor der Sendeseite weitgehend auch bei der Empfangsseite beibehalten werden kann.

Es ist vorteilhaft, wenn für die Messung einer Nachrichtenübertragungsstrecke eine Zunahme der Phasenverzerrung mit der Frequenz nach einer stetig verlaufenden Gesetzmäßigkeit für die Festlegung der Phasenlagen zugrundegelegt wird.

Die vorliegenden Überlegungen lassen sich wie folgt verallgemeinern:

Die Phasenlagen ϕ _n werden auf k diskrete Grundwerte verteilt, wobei der Winkelabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Grundwerten beträgt.

Es kann zweckmäßig sein, den Wert für 45° zu wählen.

Die Phasenlage d _n der Harmonischen ist allgemein ausgedrückt durch die Beziehung festgelegt:

wobei g(n) einen mit zunehmender Ordnungszahl n wachsenden Wert darstellt, k eine ganze Zahl bedeutet, die kleiner ist als n und m nacheinander die Werte zwischen 0 und (k-1) annimmt, wobei der gleiche Wert m für jeweils Harmonische gilt und x die Zahl der tatsächlich im Testpuls vorhandenen Harmonischen angibt.

Besonders einfache Lösungen ergeben sich, wenn g(n) eine lineare Funktion darstellt. Bei nur (n-y) vorhandenen Harmonischen, wobei y die Grundwelle und ggf. nachfolgende Harmonische darstellt, wird die Funktion g(n) gebildet durch den Faktor (n-y).

Der Wert von k wird vorteilhaft so gewählt, daß der Quotient eine ganze Zahl ergibt.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Übertragungseigenschaften eines Meßobjektes, dem von einem Meßsender ein Testpuls zugeführt wird, dessen durch das Meßobjekt veränderte Impulse (Pulsantwort) ausgewertet werden unter Einsatz eines Rechners, der die in einem Empfangsspeicher gespeicherte Pulsantwort mit Hilfe der Fourier-Analyse zerlegt, die einzelnen Frequenzkomponenten hinsichtlich ihrer Amplituden und ihrer Phasenlage bestimmt und in Kenntnis der Amplituden und der Phasenlage der einzelnen Frequenzkomponenten des Testimpulses die Übertragungseigenschaften des Meßobjektes ermittelt, wobei die Amplitudenwerte (A _n) und Phasenlagen (ϕ _n) der einzelnen Frequenzkomponenten des Testimpulses dem Rechner von einem weiteren Speicher (Programmspeicher) zur Verfügung gestellt werden, der ohne eine Verbindung zum Meßsender ist, und die Amplitudenwerte (A _n) und die Phasenlagen (ϕ _n) der einzelnen Frequenzkomponenten des Testimpulses mittels eines Speichers im Meßsender aus einer nach der Gleichung gebildeten Reihe im Hinblick auf einen niederen Crest-Faktor gewählt werden, mit f als Grundfrequenz (1. Harmonische) und n als Ordnungszahl der jeweiligen Frequenzkomponente, nach Patent 28 49 119, dadurch gekennzeichnet,
daß die Werte der Phasenlagen (ϕ _n) auf eine vorwählbare Anzahl k diskreter Grundwerte verteilt sind und der Phasenabstand zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Grundwerten beträgt und
daß die Werte der Phasenlagen d _n der einzelnen Frequenzkomponenten durch die Beziehung fesgelegt sind wobei g (n) einen mit zunehmender Ordnungszahl n wachsenden Wert darstellt,
k kleiner als n gewählt wird und
m nacheinander ganzzahlige Werte zwischen 0 und (k-1) annimmt,
wobei der gleiche Wert m für jeweils Frequenzkomponenten gilt und x die Zahl der tatsächlich im Testpuls vorhandenen Frequenzkomponenten angibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß g (n) eine lineare Funktion darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei nur (n-y) vorhandenen Frequenzkomponenten, wobei y als Zahl die Grundwelle und ggf. nachfolgende Harmonische angibt, die Funktion g (n) gebildet ist durch den Faktor (n-y).

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert von k so gewählt ist, daß der Wert von eine ganze Zahl ergibt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß k = 7 und x = 35 bei insgesamt von n = 2 bis n = 36 reichenden Harmonischen gewählt ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzkomponenten einen Abstand von 100 Hz aufweisen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Grundschwingungen f und ggf. einige unmittelbar nachfolgende Amplitudenwerte zur weiteren Verringerung des Crest-Faktors zu Null angesetzt ist/sind.