DE3337772A1 - Frequenzfeinmessverfahren - Google Patents

Description

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Frequenzfeinmeßverfahren,insbesondere für die Fernmessung von Funksendern

Die Erfindung betrifft ein Frequenzfeinmeßverfahren,mit dem Funksignale bezüglich ihrer Frequenz genau und mit vergleichsweise geringem Aufwand gemessen werden können.

Seit dem Entstehen der Funktechnik hat die Senderdichte ständig zugenommen. Zur Vermeidung gegenseitiger Störungen und zur 0 optimalen Ausnutzung des zur Verfügung stehenden und begrenzten Frequenzbandes ist es erforderlich, die Senderfrequenzen der in Frage kommenden Sender genau und mit vertretbarem Personal- und Zeitaufwand zu messen.

Die Messungen erfolgen in aller Regel als Frequenzfernmessungen, d.h. das von einer Antenne empfangene, zu messende Funksignal wird in einem Funkempfänger, der als ^; Filter und Verstärker arbeitet, zur Messung aufbereitet.

Man kennt heute eine Reihe halbautomatischer Frequenzmeßverfahren, die auf Funkfernmessungen anzuwenden sind. Sie setzen jedoch ein reltiv hohes Empfängereingangssignal und/oder eine nicht unterbrochende Aussendung voraus. In anderen Fällen ist man wegen der unzureichenden "Intelligenz" dieser Meßeinrichtungen immer noch auf Verfahren angewiesen, die Bedienpersonal erfordern und im wesentlichen nach zwei ähnlichen Methoden arbeiten.

Die bekannteste und älteste Methode ist die Abstimmung eines dem Empfänger zugeschalteten Meßgenerators auf Schweb ungs— null (Vilbig, Hochfrequenzmeßtechnik, Hanser Verlag, München 1953, Seiten 201 ff). Erfahrungsgemäß bereitet die Abstimmung des Generators auf Schwebungsnull Schwierigkeiten, da von einer bestimmten Tonhöhe abwärts der Differenzton nicht mehr wahrgenommen werden kann. Das tritt meist schon bei Tönen oberhalb der Hörgrenze 20 Hz ein.

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Wegen der Schwierigkeit, den Schwebungsnull-Punkt zu finden, ist eine Abwandlung dieser Methode bekannt, die in Pig. 1 dargestellt ist. Der Frequenzgenerator 2 wird um einen bestimmten, konstanten Frequenzbetrag von z. B. 1 kHz neben die Frequenz des zu messenden Signals eingestellt. Im Demodulator des Empfängers 4 entsteht dann die Differenzfrequenz fx von 1 kHz. Im Niederfrequenzausgang des Empfängers muß ein 1-kHz-Filter eingeschleift werden. Zusätzlich benutzt dieses Verfahren ein Oszilloskop 6, um die zu messende Frequenz fx mit einer von einem Frequenznormal 7 erzeugten Vergleichsfrequenz fv von 1 kHz, die an die X-Platten geleitet wird, durch die Abbildung von Lissajous-Figuren auf dem Schirm zu vergleichen. Die Differenzfrequenz beträgt dann 1 kHz, wenn die abgebildete Ellipse 13 stillsteht. Die am Generator 2 abzulesende Frequenz muß danach noch um genau 1 kHz korrigiert werden. Als Generator 2 kommt nur ein Synthesizer (Frequenzanalyseverfahren) oder eine sog. Frequenzdekade (Frequenzsytheseverfahren) in Frage. Die Kombination aus frei abstimmbarem Generator mit Frequenzzähler genügt den Anforderungen hinsichtlich Stabilität und Einstellbarkeit der Frequenz bei weitem nicht.

Auch dieses Verfahren weist Nachteile auf: 1. Der Frequenzgenerator muß bis zur gewünschten Ablese-

nauigkeit von 1 Hz oder 0,1 Hz einstellbar sein. Das erhöht den Aufwand gegenüber einer Auflösung von 1 oder 5 kHz je nach Generatortyp beträchtlich. 2. Die Empfängerbandbreite muß immer mindestens 1 kHz betragen, da sowohl die zu messende Frequenz fx als auch die Generatorfrequenz G im Abstand von 1 kHz das Empfangsfenster passieren müssen. Die Messung kann dann durch störende Signale innerhalb dieses Frequenzbandes bzw. bei schwachen EmpfangsSignalen auch schon durch Rauschen be-einträchtigt werden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Frequenzmeßverfahren so zu verbessern, daß ein einfacher Synthesizer oder eine vereinfachte Frequenzdekade mit einer Frequenzauflösung von 1 (oder 5 kHz) verwendet werden kann und daß Prequenzmessungen "bei geringeren Bandbreiten als 1 kHz durchführbar sind.

Die Erfindung geht von dem oben dargestellten beknannten Meßverfahren aus, bei welchem einem Empfänger neben dem zu messenden Signal eine um einen definierten Betrag versetzte, lokal erzeugte erste Frequenz'fG hoher Genauigkeit zugeführt, die entstehende Differenzfrequenz fx herausgefiltert und oszillographisch, über eine Lissajous-Figur mit einer der Differenzfrequenz entsprechenden lokal erzeugten Vergleichsfrequenz fv verglichen wird.

Zur Lösung der oben erwähnten Aufgabe schlägt die Erfindungbei einem solchen Meßverfahren folgende Merkmale vor:

a) die Vergleichsfrequenz fv wird durch Frequenzteilung aus einer η-fach höheren variablen Taktfrequenz fT abgeleitet, die

b) gleichzeitig zur synchronen digitalen Abstimmung zweier identischer Schalterfilter mit im starren Verhältnis zur variablen Taktfrequenz stehender Resonanzfrequenz dient,

c) wobei das ersteSchalterfilter die Differenzfrequenz fx am Empfängerausgang herausfiltert und

d) das zweite Schalterfilter die unterteilte Taktfrequenz f_T

in eine anzeigefähige Sinusspannung der Vergleichsfrequenz fv umwandelt,

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e) zur Erhöhung der Auflösung zeigt ein Frequenzzähler die Taktfrequenz fT und damit das n-fache der Differenz- "bzw. Vergleichsfrequenz an.

Pig. 2 zeigt das Blockschaltbild des Meßverfahrens. Das von der Antenne 1 empfangene Signal der Frequenz fe wird gemeinsam mit der Spannung des Generators 2 über das Dämpfungsund Pegelanpaßglied 3 an den Empfänger 4 gegeben. Am Empfängerausgang liegt die Differenzfrequenz

fx = (fe - fb·) an.

Es schließt sich ein in der Frequenz variables Bandpaßfilter 5 an, das auf die Frequenz fx abgestimmt wird.

Bei diesem Filter handelt es sich um ein sog. digitales "Schalterfilter" oder "Filter mit geschalteten Kapazitäten", amerikanisch: switched capacitor filter (SCF). Diese integrierten Filter weisen als wichtigste folgende Eigenschaft aufr Ihre Resonanzfrequenz (bei Bandpaß- oder Bandsperrfiltern) bzw. Eck- oder Grenzfrequenz (bei Tief- oder Hochpaßfiltern) ist von einem externen Taktsignal streng proportional zur Taktfrequenz fT steuerbar. Die Taktfrequenz ist immer ein Vielfaches η der Resonanzfrequenz f:
fT = η f.

Der Faktor η ist vom Hersteller vorgegeben durch die Festlegung eines bestimmten Kapazitätsverhältnisses auf dem IC-Chip. Einige ICs erlauben die Wahl zwischen verschiedenen

Werten durch entsprechende Programmierung am IC durch den Anwender. ■

Für den hier vorliegenden Fall hat sich das IC MF 10 bzw. MF 5 von National Semiconductor mit einem Faktor η = 100 als gut geeignet erwiesen. Die Taktfrequenz beträgt also immer das 10Ofache der Resonanzfrequenz f. Praktische, garantierte Maximalwerte für fT und f sind 1 MHz und 10 kHz. Die untere Grenze für f liegt bei einigen Hz.

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Die Güte des Filters 5 kann extern durch Widerstände eingestellt werden. Hier sind Werte bis maximal 100 erreichbar.

Der Taktgenerator 9 liefert die Taktfrequenz fT an das Filter 5. Der Taktgenerator ist in weiten Grenzen (mit einem Potentiometer 8 abstimmbar. Entsprechendes gilt dann für die Filterfrequenz f, Das gefilterte Signal der Frequenz fx gelaigt an die Y-Platten des Oszilloskops 6.

Dem X-Plattenpaar ist die Yergleichsfrequenz fv zuzuführen, fv ist gleich der Frequenz f zu erzeugen. Das geschieht durch einen Kunstgriff. Die Frequenz fT wird auf einen Frequenzteiler (10) gegeben, der ein Rechtecksignal mit der Frequenz fT/n (hier fT/100) liefert. Ferner wird synchron zum Filter 5 ein identisches Schalterfilter 11 eingesetzt und mit der Taktfrequenz abgestimmt. Die Resonanzfrequenz dieses Filters 11 ist ebenfalls fT/100. Leitet man nun einen mit dem Spannungsteiler 12 herabgedämpften Betrag des Teilerausgangssignals fT/n auf dieses Filter 11, so liegt an dessen Ausgang ein Sinussignal der Frequenz fT/n = f an. Diese Spannung wird auf die X-Platten des Oszilloskops 6 gegeben und erlaubt somit die Darstellung einer Ellipse als Lissajous-Figur 13.
Das Signal des Taktgenerators 9 wird zusätzlich an einen Frequenzzähler 14- gegeben. Da die vom Frequenzzähler 14 zu messende Frequenz das 10Ofache der Filterfrequenz f und bei stillstehender Ellipse auch das 10Ofache der Differenzfrequenz fx ist, erfolgt die Frequenzmessung von fx mit lOOfacher Genauigkeit, verglichen mit einer direkten Messung von fxjsofern dies möglich ist.

Das Frequenzverhältnis 100 hat den Vorteil, daß es auf die Schalterfilter-ICs 5 und 11 zugeschnitten ist, daß die Teilung durch 100 einfach zu realisieren ist und daß der 10Ofache Wert der Filterfrequenz am Frequenzzähler 14-besonders einfach abgelesen werden kann.

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Der Generator 2 ist quarzstabil und hat eine Auflösung von 1 kHz (5 kHz). Er wird frequenzmäßig möglichst nahe an das zu messende Eingangssignal mit der Frequenz fe eingestellt und die Differenzfrequenz fx durch Verstimmen des Taktgenerators 9 herausgefunden.

Auch dieses Verfahren hat wie alle Schwebungs- und Überlagerungsmeßverfahren die Eigenart, daß eine bestimmte Frequenz fx immer sowohl dann entsteht, wenn fe um den Betrag fx kleiner als auch größer als die Generatorfrequenz fg ist. Das macht auch hier jeweils zwei Messungen mit verschiedenen Generatorfrequenzwerten erforderlich, wie folgendes Beispiel zeigen soll:

Ein Sender strahlt einen Träger auf der zunächst unbekannten Frequenz 12345,678 kHz aus. Der Generator 2 wird auf 12345 kHz eingestellt. Am Empfängerausgang erhält man die Differenzfrequenz fx = 12345,678 kHz - 12345 kHz = 0,678kH: 678 Hz. Um eine Anzeige in Y-Richtung am Oszilloskop 6 zu erhalten, wird die Frequenz fT des Taktgenerators 9 mit 8 variiert, bis sich das Schalterfilter 5 in der Nähe der Frequenz 678 Hz befindet und eine nennenswerte !-Auslenkung zustandekomnt. Durch Feineinstellung des Taktgenerators 9 ergibt sich schließlich eine stehende Ellipse 13. Dann ist die Frequenz der X-Ablenkspannung ebenfalls 678 Hz, die' des Taktgenerators 9 folglich 67,800 kHz. Der Frequenz- — zähler zeigt also 67800 Hz an. Das entspricht der lOOfachen Auflösung. Voraussetzung ist dabei, daß die Ellipse entsprechend ruhig stehen bleibt.

Die Berechnung der tatsächlich empfangenen Frequenz fe nach

fe = fG +- fx (f(i = Generatorfrequenz).

ist allerdings nicht eindeutig. Sie ergibt die beiden Werte 12345,673 kHz und 12344,322 kHz. Daher muß auch hier eine

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zweite Messung durchgeführt werden, z.B. indem man den Generator auf einen anderen vollen kHz-Wert einstellt. In diesem Beispiel soll die Frequenz auf der "anderen Seite" des Trägers liegen. T)ies sei z. B. der Wert 12347 kHz. Dann beträgt fx = 1322 Hz (Anzeige 132200 Hz) und die Berechnung führt zu den Ergebnissen 12345,678 kHz und 12348,322 kHz. Da der Wert 12345,678 kHz unter den vier Ergebnissen doppelt auftritt, stellt er die richtige Lösung dar. Dieses . Doppelauftreten der richtigen Lösung läßt sich als Kriterium für eine Logik ausnutzen, die den Meßvorgang automatisiert.

Dazu ist es vorteilhaft, die Frequenzwerte des Taktgenerators und des Generators 2 automatisch zu verrechnen.

Das beschriebene Verfahren erlaubt es, 1. dekadische Frequenzgeneratoren mit geringerer Auflösung

zu verwenden (1 oder 5 kHz statt 1 Hz oder 0,1 Hz), 2. mit geringerer Empfängerbandbreite auszukommen und somit; störende Einflüsse zu verringern.

Das Verfahren ist praktisch realisiert und erprobt worden.

Der meßtechnische Mehraufwand (Vergleiche Fig. 2 mit Fig. 1), ist gering. Die Materialkosten für Taktgenerator, Frequenzteiler, die zwei Filter (1 IC MF 10 oder 2 ICs MF 5) und den Frequenzzähler dürften knapp über 100 DM liegen.

Die Einsparungen beim Vergleichsgenerator dürften größenordnungsmäßig 5 bis 10 TDM betragen.

Claims (1)

12- Deutsche Bundespost 252'< Frequenzfeinmeßverfahren (1) Patentanspruch

1. Frequenzfeinmeßverfahren insbesondere zur Fernmessung von Funksendern, "bei welchem einem Empfänger neben dem zu messenden Signal eine um einen definierten Betrag versetzte, lokal erzeugte erste Frequenz fG- hoher Genauigkeit zugeführt, die enstehende Differenzfrequenz fx herausgefiltert und oszillographisch über eine Lissajous-Figur mit einer der Differenzfrequenz entsprechenden lokal erzeugten Vergleichsfrequenz fv verglichen wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Vergleichsfrequenz fv wird durch Frequenzteilung (10) aus einer η-fach höheren variablen Taktfrequenz fT abgeleitet, die

t>) gleichzeitig zur synchronen digitalen Abstimmung zweier identischer Schalterfilter mit im starren Verhältnis zur variablen Taktfrequenz stehender Resonanzfrequenz dient,

c) wobei das erste Schalterfilter (5) die Differenzfrequenz fx am Empfängerausgang herausfiltert und

d) das zweite Schalterfilter (11) die unterteilte Taktfrequenz fT in eine anzeigefähige Sinusspannung der

Vergleichsfrequenz fv umwandelt,

e) zur Erhöhung der Auflösung zeigt ein Frequenzzähler (14) die variable Taktfrequenz fT und damit das η-fache der Differenz- bzw. Vergleichsfrequenz an (Fig. 2).