DE3101837A1 - "signalform-analysator" - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl."Ing. JoaChini StraSSe München zweibrückenstr.15

PmtossionalRetmssentatives D-βΟΟΟ München 2

Dr. Hans-Herbert Stoffregen Hanau STASf"

Beaverton, Oregon 97077 München, den 20. Januar 1981

V.St.A. pu-fu 12 243

"Signalformanalysator"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Optimierung des Einsatzes eines Signalform-Analysators.

Die Erfindung ist besonders nützlich für Anwendungen in der Fernsehsendetechnik, in der sie zur Untersuchung komplexer Videosignale verwendet werden kann, sie ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern kann leicht an andere Testerfordernisse beispielsweise etwa von Geräten, die im Hörfrequenzbereich arbeiten, angepaßt werden.

Der Entwurf von Signalform-Analysatoren, die genaue wiederholbare Messungen komplexer Signale ermöglichen, ist ein schon seit langem angestrebtes Ziel der Entwerfer solcher Geräte. Bisher waren dafür speziell ausgelegte Schaltungen und komplexe Filterung nötig. Weiterhin mußten die Testanordnungen für die genaue Analyse verschiedener Anteile einer komplexen Signalform jeweils abgeändert werden.

Die vorliegende Erfindung steht unter der Aufgabe einen Signal-Analysator der genannten Art verfügbar zu machen, der universeller einsetzbar ist als bekannte Geräte und dessen Dynamikbereich unabhängig von der zu untersuchenden Signalform optimal ausgenutzt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung beinflußt eine Vorrichtung ein regelmäßig wiederholtes Eingangssignal durch programmierte Änderung von Offset und Verstärkung derart, daß der dynamische Bereich eines Signalform-Analysators mit größerer Effizienz genutzt werden kann. Man kann einen derartigen Analysator als "Rückgleiter-" ("Slide-Back-")

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Analysator bezeichnen. Nominelle Werte für Offset und Verstärkung werden in einem Anweisungs-Speicher gespeichert. Das zu untersuchende Signal wird derart über einen Summierer angelegt, daß es zusammen mit dem Off setwert an einen digital programmierbaren Verstärker anliegt. Das resultierende Ausgangssignal wird in einem Signalanalysator untersucht, in dem eine Reihe von für eine optimale Auflösung nötigen Offset- und Verstärkungswerten mit einer Reihe der Zeitpunkte zusammengestellt ist, an denen diese V/erte wirken sollen. Die Daten für Verstärkung und Offset werden im Anweisungsspeicher abgelegt, die Zeitdaten werden durch Zählen von Taktimpulsen bezüglich Referenzimpulsen mit der Wiederholrate des Eingangssignals berechnet.

Die Zeitdaten werden an eine Steuereinrichtung v/eitergeleitet, die durch Zählung von Taktimpulsen mit dem Triggerimpuls als Referenz festlegt, wann die Adresse der optimalen Verstärkungs- und Offsetdaten an den Anweisungsspeicher gesandt wird. Vom Anweisungsspeicher werden die adressierten Daten zur Erzeugung des Offsetsignals an einen Digital-Analogwändler (DAC) und an den digital programmierbaren Verstärker zur Änderung von dessen Verstärkung geleitet. Das resultierende Ausgangssignal nützt den Dynamikbereich des Signalanalysators effektiver aus.

Es ist daher ein Vorteil der vorliegenden Erfindung einen Signalanalysator verfügbar zu machen, der eine Mehrzahl von Offset- und Verstärkungswerten zur dynamischen Vorbehandlung eines Analogsignal einsetzt.

Weitere Vorzüge liegen darin, daß ein Signalanalysator gemäß der vorliegenden Erfindung auf einfache V/eise eine komplexe Signalform verarbeiten kann und dabei seinen dynamischen Arbeitsbereich voll ausnutzt.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand der Beschreibung der Zeichnungen verdeutlicht.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Signalform-Analysators,

Fig. 2 die Verarbeitung eines typischen Videotestsignals durch einen erfindungsgemäßen Analysator,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Signal -Analysators 30 von Fig. 1, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Steuereinrichtung 60 von Fig. 1 und Fig. 3.

F1r. 1 zeigt ein Blocknchaltbild einer bevorzugten AusfUhfungüform dor vorliegenden Erfindung.

Das zu untersuchende Signal wird über einen mit einem Summierer 10 verbundenen Eingang 5 an den Signalformanalysator gelegt. Der Summierer 10 kann jeder passende Summierungspunkt sein, beispielsweise ein Summierverstärker. Sein Ausgang ist an einen digital programmierbaren Verstärker gekoppelt, wie er zum Beispiel in der amerikanischen Patentanmeldung "Programmable Two-Quadrant Transconductance Amplifier" beschrieben ist, die hiermit durch Referenz eingeschlossen ist. Das verstärkte Ausgangssignal wird dem Signalanalysator 30 zugeführt.

Der Signalanalysator 30 kann jeder konventionelle Signalform-Analysator einschließlich handbetätigter oder rechnergestützter Analysatoren sein. So kann ein Oszillograph für Monitorzwecke vorgesehen sein, und eine Bedienungsperson gibt die Angaben über Verstärkung und Offset an den Anweisungsspeicher 50 sowie die Zeit- und Steuerinformation an die Steuereinrichtung 60. Der Signalanalysator empfängt Taktimpulse 45 und Triggerimpulse 55. Die Triggerimpulse 55 können von einer extremen Signalquelle erzeugt werden, jedoch muß ihre Frequenz ein ganzzahliges Untervielfaches

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der Wiederholrate des Eingangssignals oder dieser gleich sein. Eine festgelegt Anzahl von Taktimpulsen 45 läuft nach jedem Triggerimpuls ab.

Der Anweisungsspeicher 50 ist vorzugsweise als Speicher mit freiem Zugriff (random access memory: RAM) ausgeführt, in dem die vom Signalanalysator 30 erzeugten Verstärkungsdaten zur Programmierung des digital programmierbaren-Verstärkers 20 abgelegt werden.

Die Steuereinheit 60 empfängt Zeit- und Steuerdaten vom Signalanalysator 30 und außerdem Takt- und Triggerimpulse 45 und 55 für die Synchronisierung mit dem Signalanalysator 30. Die Steuereinheit 60 verwendet diese Daten zum Auswählen der Adresse der notwendigen Verstärkungs- und Offsetdaton, die im Anweiüungsspeicher 50 abgelegt sind. Die adressierten Verstärkungsdaten werden dem Steuereingang des Verstärkers 20 zugeführt, die Offsetdaten werden an den Digital -Analogwandler (DAC) 40 gelegt und dort in den entsprechenden Analogwert umgewandelt. Der Wandler (DAC) 40 kann jeder für die spezielle Anwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignete Wandler sein. Beispielsweise umfaßt in einer bevorzugten Ausführungsform DAC 40 einen hochauflösenden Wandler (0,01 % Genauigkeit). Das Ausgangssignal des Wandlers 40 ist an einen Eingang des Summierers 10 gekoppelt, wo es algebraisch mit der nächsten Wiederholung des Eingangssignals kombiniert wird.

Um das Verständnis des in Fig. 1 dargestellten Systems zu erleichtern werden mehrere Anfangsbedingungen angenommen, nämlich daß der Verstärker 20 auf minimale Verstärkung programmiert ist und der DAC 40 auf Bereichsmitte. Dies wird durch nominelle Verstärkungs- und Offsetwerte erreicht, die im Anweisungsspeicher 50 gespeichert sind. Die erste Wiederholung des Signals wird mit dem nominellen Offsetwert summiert und nachfolgend vom Signalanalysator 30 untersucht. Beispielsweise kann die Amplitude des Signals zwischen zwei Scheitelwerten gemessen werden. Weitere Sig-

nalparameter können zur Bestimmung der neuen Werte für Offset und Verstärkung untersucht werden. Typischerweise ist der Scheitel-Scheitelwert (peak-to-peak) des Eingangssignals von einem Betrag, der keine vollständige Nutzung des Dynamikbereiches des Signalanalysators gestattet. Weiterhin kommt es häufig vor, daß das Eingangssignal auch einen Gleichspannungspegel (Offset) aufweist.

Der Signalanalysator gibt eine Liste von für eine optimale Nutzung des dynamischen Betriebsbereiches nötigen Offset- und Verstärkungswerten aus. Zusätzlich enthält das Ausgangssignal des Signalanalysators 30 Daten, die den Zeitpunkt angeben, an dem die neuen Offset- und Verstärkungswerte an den DAC 40 beziehungsweise den Verstärker 20 angelegt werden sollten. Die Zeitdaten sind berechenbar durch Zählen der Taktimpulse 45 in Beziehung zu Triggerimpulsen 55. Diese Zeit- und Steuerdaten werden zur Steuereinheit 60 gesandt, die durch Zählung von Taktimpulsen 45 mit Triggerimpulsen 55 als Referenz bestimmt, wann die Verstärkungsund Offsetdaten im Anweisungsspeicher 50 adressiert werden und ob der Speicher sich im Lese- oder Schreibzustand befindet. Die ausgewählten Verstärkungswerte werden an den Verstärker 20 gegeben, um dessen Verstärkung zur Kompensation des Gleichspannungspegels des Eingangssignals einzustellen. Die ausgewählten Offsetdaten gehen zum Wandler (DAC) 40, wo sie in einen entsprechenden Analogwert gewandelt werden, bevor sie mit der nächsten Wiederholung des Eingangssignals summiert werden. Das Signal, das den Summierer 10 verläßt, ist das ursprüngliche Eingangssignal, jedoch mit weggefallenem Gleichspannungspegel. Dieses "berichtigte" Signal wird entsprechend den Verstärkungsdaten vom Anweisungsspeicher 50 durch den Verstärker 20 verstärkt. Das Signal am Ausgang des Verstärkers 20 nutzt nunmehr den dynamischen Betriebsbereich des Signalanalysators besser.

Der voranstehend beschriebene Ablauf ist in Fig. 2 anhand der Verarbeitung eines typischen Eingangssignals graphisch verdeutlicht. Das dargestellte Signal ist die wohlbekannte "Linearitäts-Treppenstufen"-Signalform, die zur Messung nichtlinearer Verzerrungen eines Videosystems entworden wurde. Diese Signalform besteht im wesentlichen aus einer Reihe von sinusförmigen Wellenzügen hoher Frequenz, die arithmitisch zu einem mit niedrigerer Frequenz variierenden Gleichspannungs-"Treppenstufen"-Signal addiert werden.

Die Eingangstestsignalform 300 wird im Summierer 10 mit dem Offsetsignal 310 summiert, das vom Digital-Analogwandler (DAC) 40 aus im Anweisungsspeicher 50 gespeicherten Daten erzeugt wird, um so schließlich die Signalform 320 zu erzeugen. Es ist ersichtlich, daß trotz Entfernen der Gleichspannungskomponente vom Eingangssignal der Dynamikbereich des Signals 320 kleiner ist als der des Signals 300. Daher kann die Verstärkung in der Gegend der Hilfsträgerpakete (mit "A" in der Signalform 300 bezeichnet) erhöht werden, in diesem Beispiel um einen Faktor 3,5 (wie mit A' in der Signalform 330 angedeutet), ohne den Dynamikbereich des Signalanalysators zu überschreiten. Die Verstärkungserhöhung wird durch den Verstärker 20 zur Verfugung gestellt, der mit Verstärkungsdaten vom Anweisungsspeicher programmiert wurde. Die resultierende Signalform kann nun mit vergrößerter Auflösung durch den Signalanalysator 30 untersucht werden.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Signalanalysators 30, das im voranstehend beschriebenen System Verwendung finden kann. Der Signalanalysator ist um einen Analog-Digitalwandler (ADC) 410 herum angeordnet. Eine maximale Nutzung des dynamischen Betriebsbereiches von ADC 410 wird durch Anlegen von dynamischem Offset und dynamischer Verstärkung an das Eingangssignal vor dessen Digitalisierung erreicht.

In diesem Ausführungsbeispiel werden die Offsetdaten von

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einem Mikrocomputer 400 erzeugt und über den Adress- und Datenleitungsstrang (Bus) 405 in den Anweisungsspeicher (RAM) 50 geladen. Der Mikrocomputer 400 kann aus kommerziell erhältlichen Komponenten wie beispielsweise der Motorola M6800-Serie zusammengefügt werden. Eine ins Detail gehende Diskussion der internen Verbindungen, der Betriebsweise und der Programmierung des Mikrocomputers erfolgt hier nicht, weil ausführliche Information über solche Einheiten mit Zeitdiagrammen, Blockschaltbildern, Einzelheiten über das Ein- und Auslesen von Daten in den und aus dem Speicher, Flußdiagramme und Beschreibungen von Signalen in der Schrift "M6800 Mikroprocessor Applications Manual", Copyright 1975, der Motorola Inc. enthalten ist. Dieser Mikroprozessor ist ebenfalls in der US-Patentschrift 39 62 682 beschrieben, die als Referenz einbezogen wird. Unter Verwendung der voranstehend bezeichneten Schriften kann ein auf diesem Gebiet tätiger Fachmann ohne übermäßige Versuche einen Mikrocomputer der im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 verwendeten Art konstruieren. Der Signalspeicher (RAM) 420, der Lesespeicher·(ROM) 430 und der Echtzeit-Taktgeber (real time clock: RTC) 440 sind ebenfalls herkömmlicher Art und werden daher nicht weiter beschrieben. Die Speichersteuervorrichtung 415 steuert den digitalen Signalfluß durch die Festlegung, welche Signale im Signalspeicher (RAM) 420 gespeichert werden.

Ein analoges Offsetsignal wird durch Ausgabe der in Speicher (RAM) 50 abgelegten Daten an den Digital-Analogwandler (DAC) 40 erreicht, wo sie in ein analoges Signal umgewandelt werden. Der Speicher (RAM) 50 speichert ebenfalls dynamische Verstärkungswerte für den Programmierverstärker 20. Die Steuereinheit 60 legt fest, wann die Verstärkungsund Offsetdaten ausgegeben werden.

Eine zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Steuereinheit ist in Fig. 4 dargestellt. Die Steuereinheit empfängt Zeitdaten vom Signalanalysator 30 wie voranstehend beschrieben. Diese Daten werden in einem Zeit-Stapelregis-

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ter abgelegt, das ein vorzugsweise nach dem Schema "zuerst hinein-zuerst hinaus" (Stack-Register) arbeitender Speicher ist. Die gespeicherten Zeitdaten sind digitale Wörter, die die Zeit darstellen, zu der auf die im Anweisungsspeicher 50 abgelegten Verstärkungs- und Offsetdaten zugegriffen werden soll. Ferner empfängt die Steuereinheit als Eingangssignale auch Takt- und Triggerimpulse 55 zum Zweck der Synchronisierung mit den anderen Teilen des Signalformanalysators.

Der Ausgang des Zeit-Stapelspeichers 500 ist mit einem Eingang des digitalen Komparators 510 verbunden, dessen anderer Eingang zum Empfang des Ausgangssignals des Zählers 520 geschaltet ist. Der Zähler 520 wird durch Taktimpulse 45 getrieben und durch Triggerimpulse 55 zurückgesetzt. Der Ausgangsanschluß des Komparators 510 treibt den Takt-(CK)-Eingang des Zählers 530 und den Tastimpulseingang (Strobe) des Stapelspeichers 500. Der Zähler 530 wird ebenfalls durch Triggerimpulse 55 zurückgesetzt. Das Ausgangssignal des Zählers 530 ist die Adresse der zur Einstellung der Eingangssignalform nötigen Offset- und Verstärkungsdaten.

Im Betrieb wird die anfängliche Wiederholung des Eingangssignals vom Signalanalysator 30 untersucht, die Verstärkungs- und Offsetdaten werden im Anweisungsspeicher 50 und die Zeitdaten im Zeit-Stapelspeicher 500 abgelegt. Der erste Zeitwert im Zeit-Stapelspeicher wird an einen Eingang des Komparators 510 gelegt, an dessen anderem Eingang das Ausgangssignal des Zählers 520 anliegt. Wenn der ausgegebene Zählerstand des Zählers 520 dem ersten Zeitwert gleich ist, wird vom Komparator 510 eine logische "Eins" erzeugt. Diese "Eins" taktet den Zähler 530 und läßt seinen Ausgangszustand zur nächsten Adresse im Anweisungsspeicher 50 weitergehen. Die Verstärkungs- und Offsetdaten, die an dem adressierten Platz gespeichert sind, werden an den programmierbaren Verstärker beziehungsweise den Wandler (DAC) ausgegeben. Der Ausgangszustand von logisch "Eins" des Komparators 510 taktet ebenfalls den Zeit-Stapelspeicher und bewirkt, daß dieser den nächsten Zeitwert auf seine Aus-

gangsleitung (Bus) gibt. Die voranstehend beschriebene Sequenz von Ereignissen wiederholt sich und die Verstärkungs- und Offsetwerte v/erden entsprechend den Daten im Anweisungsspeicher 50 eingestellt.

Die voranstehende Beschreibung wurde nicht durch Einschluß übermaßig vieler Details und besonderer Information über Schaltung, Zeitablauf und ähnliches belastet, da solche Kenntnisse zum Stand der Technik gehören. Es ist festzuhalten, daß das spezielle Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das hier gezeigt und beschrieben ist, die Erfindung erläutern, nicht aber einschränken soll. Die Patentansprüche sollen daher alle Abänderungen der Erfindung innerhalb des Rahmens der voranstehenden Beschreibung umfasrir-n.

Leerseite

Claims (10)

Patentansprüche

1.^ Signalform-Analysator zur Untersuchung komplexer Signalformen,

dadurch gekennzeichnet,
daß an einen Summierpunkt (10) als eines seiner Eingangssignale eine zu untersuchende komplexe Signalform angelegt ist;

daß ein Ausgangssignal des Summierpunktes (10) an einen auf Verstärkungsdaten reagierenden programmierbaren Verstärker (20) angelegt ist;

daß daran ein zum Empfang eines Ausgangssignals des programmierbaren Verstärkers (20) ein Signalanalysator (30) angekoppelt ist, der aus diesem Ausgangssignal Verstärkungs- und Offsetdaten sowie Zeit- und Steuerdaten erzeugt;

wobei in einer Vorrichtung (50) die Verstärkungs- und Offsetdaten empfangen und gespeichert werden und in einer Vorrichtung (60) die Zeit- und Steuerdaten empfangen werden, die aus diesen Daten eine Adresse für in der Vorrichtung (50) gespeicherte Verstärkungsund Offsetdaten erzeugt und die adressierten Verstärkungsdaten dem programmierbaren Verstärker (20) zugeleitet werden;

und daß eine Vorrichtung (40) zur Umwandlung der adressierten Offsetdaten in ein analoges Offsetsignal dient, das zur Vereinigung mit der komplexen Eingangssignalform dem Summierpunkt (10) zugeführt wird.

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2. Signalform-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Summierpunkt (10) einen Summierverstärker umfaßt.

3. Signalform-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der programmierbare Verstärker (20) auf digitale Steuersignale reagiert.

4. Signalform-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalanalysator (30) einen durch einen Computer (400) unterstützten Digitalisierer (ADC) (410) umfaßt, der die komplexe Signal form digitalisiert und den Offset und die Verstärkung erzeugt, wobei Zeitablauf und Steuerung von einer Computer-Untersuchung der digitalisierten Signalform abhängen.

5. Signalform-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50) zum Empfang und zur Speicherung einen Speicher mit freiem Zugriff (RAM) umfaßt.

6. Signalform-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (40) zur Umwandlung einen Digital-Analogwandler (DAC) umfaßt.

7. Signalform-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (60) zum Empfang von Zeit- und Steuerdaten eine Steuereinrichtung umfaßt.

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8. Signalform-Analysator nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuereinrichtung folgende Teile umfaßt:
einen Speicher (500) mit freiem Zugriff (RAM), der nach dem Schema "zuerst hinein-zuerst hinaus" organisiert ist (Stack-Register), wobei im Speicher (500) digitale Wörter abgelegt werden, die der Zeit entsprechen, zu der die Verstärkungs- und Offsetdaten in der Vorrichtung (50) zum Empfang und zur Speicherung gespeichert wurden;

einen ersten Zähler (520) zur Erzeugung eines digitalen Zeitsignals,

einen zum Empfang des Ausgangssignals des Speichers (500) und des ersten Zählers (520) angekoppelten digitalen Komparator (510), der bei Gleichheit eines einzelnen digitalen V/ortes mit dem digitalen Zeitsignal einen Ausgangsimpuls erzeugt, und

einen zweiten, zum Empfang des Ausgangsimpulses angeschlossenen Zähler (530), der aus dem Ausgangsimpuls eine Adresse erzeugt.

9. Signalform-Analysator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Signalanalysator (30) eine Signalüberwachungsvorrichtung umfaßt und eine Bedienungsperson die Rückkopplung vornimmt.

10. Signalform-Analysator nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß der auf einem Computer basierende Digitalisierer zusätzlich folgendes umfaßt:

einen mit einer bidirektionalen Datenleitung (Bus) (405) verbundenen Computer (400) zur Berechnung der Verstärkungs- und Offsetdaten und der Zeit- und Steuerdaten aus einer digitalisierten Signalform,
einen Analog-Digitalwandler (ADC) (410) zum Empfang und nachfolgenden Umwandlung in digitale Wörter des Ausgangssignals des programmierbaren Verstärkers (20),
und eine Speicher-Steuervorrichtung (415) zum Empfang der digitalen Wörter und zum Steuern von deren Speicherung oder Wicht-Speicherung.