DE3619175A1 - Verfahren zur labormaessigen nachbildung von mehrwegeschwundvorgaengen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zugehörige Anordnung zur Nachbildung von frequenzselektiven Mehr­ wegeschwundvorgängen, wie sie bei der Richtfunküber­ tragung auftreten.

Grundsätzlich unterscheidet man bei Schwundsimulatoren zwischen solchen, die in der Zwischenfrequenz (ZF)-Ebene arbeiten und solchen in der radiofrequenten (RF)-Ebene. Ziel derartiger Simulatoren ist es, die naturgegebenen Ausbreitungsvorgänge von Richtfunkübertragungsstrecken im Labor nachzubilden und so Ausfallvorhersagen für digitale Übertragungssysteme zu ermöglichen. Ein meßtech­ nischer Ansatz ist die sogenannte Signaturmessung, bei der ein frequenzselektiver Dämpfungseinbruch (englisch: notch) von der Größe eingestellt wird, daß sich bei verschiedenen Frequenzablagen des Einbruchs von der Kanalmittenfrequenz f _o eine bestimmte Fehlerrate von z.B. 10^-3 einstellt, die gleichbedeutend ist mit einem Systemausfall. Die zugehörigen Schwundtiefen b über der Frequenzablage f-f _o aufgetragen ergeben ein für den betreffenden Modem außerordentlich charakteristisches Qualitätsmerkmal, das als Signatur (engl.: signature = Unterschrift) bezeichnet wird (Fig. 1).

Als Stand der Technik sind verschiedene Anordnungen zur Simulation von Mehrwegeschwund bekannt. Ein in der ZF-Ebene arbeitender Simulator wird z.B. in R. Valentin, M. Puhl: "Schwundsimulator für frequenzselektiven Schwund und Messungen an einem 34-Mbit/s-QPSK-Modem" Technischer Bericht des FTZ, 445 TBr 22, Dezember 1982 beschrieben. In R. Valentin und R. Schneckenburger: "Zwei-Kanal-Simulator für frequenzselek­ tiven Schwund im 4-GHz-Band" Technischer Bericht des FTZ, Nr. 455 TBr 74, Dezember 1983 wird ein entsprechender Simulator in der RF-Ebene beschrieben.

In allen bekannten Simulatorschaltungen wird die Eingangs­ leistung auf mehrere Signalwege aufgeteilt. Die Umwegstrahlen werden damit verzögert und anschließend entsprechend ge­ dämpft mit dem direkten Strahl wieder zusammengeführt.

Zur Erzeugung des Umwegstrahls werden konventionelle Dämpfungsglieder, Verzögerungsleitungen u. dgl. verwendet, was schaltungsaufwendig und mit entsprechenden Realisie­ rungsfehlern behaftet ist.

In der Fig. 2a ist das Prinzip der bekannten Anordnungen dargestellt. Bei der konventionellen Schaltung nach Fig. 2a wird das zu übertragende Signal zunächst in einem Leistungs­ teiler (1) aufgespalten. Während der direkte Strahl über ein Dämpfungsglied (2) zum ausgangsseitigen Summierer (5) geführt wird, besteht der Umwegzweig zur Erzeugung des frequenzselektiven Dämpfungseinbruchs aus der Verzögerungs­ leitung (3) mit der veränderbaren Verzögerungszeit τ und einem regelbaren Dämpfungsglied (4).

Demgegenüber wird beim erfindungsgemäßen Verfahren das Eingangssignal nur einmal aufgespalten und die Aufgabe der Darstellung einer frequenzselektiven variablen Dämpfung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Umwegstrahl entsteht bei der Erfindung aus dem einen Teilsignal nach Durchlaufen einer λ/4-Leitung und wird dem direkten Strahl als Echo überlagert. Gegenüber den bisherigen Verfahren bedeutet dies einen geringeren schaltungs­ technischen Aufwand und gestattet außerdem eine verein­ fachte Möglichkeit automatischer Messungen.

Vorteilhaft sind dazu mehrere durch Trennverstärker entkoppelte Resonatorstücke λ/4-Resonators hintereinander schaltbar angeordnet. Der Abschlußwiderstand ist zweckmäßig durch die Quellen-Senke-Elektrodenstrecke eines Feldeffektransistors dargestellt.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist dann eine rechner­ gesteuerte automatische Signaturmessung möglich.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das gemessene Leistungsdichtespektrum eines digitalen ZF-Signals ohne (a) und mit (b) selektivem Schwundeinbruch.

Fig. 2 zeigt die unterschiedlichen Prinzipien eines kon­ ventionellen (Fig. 2a) und des erfindungsgemäßen Schwund­ simulators (Fig. 2b) in Form von Prinzipschaltbildern.

Fig. 3 zeigt eine realisierte Ausführungsform des ZF-Schwund­ simulators und

Fig. 4 zeigt gemessene Übertragungsfunktionen der erfindungs­ gemäßen Anordnung bei unterschiedlichen Beschaltungen des λ/4-Resonators.

Ausgangspunkt der Erfindung ist die Tatsache, daß eine hin- und, nach der Reflexion am Leitungsende, rücklaufende Welle einer Laufzeitverzögerung unterliegt. Ferner ist bekannt, daß die Amplitude der rücklaufenden Welle vom Abschluß­ widerstand Z ₂ am Leitungsende bestimmt wird. Ein Spezial­ fall liegt dann vor, wenn die Leitungslänge 1 ein Viertel der Wellenlänge beträgt. Es wird dann z.B. ein Kurzschluß am Leitungsende als Leerlauf an den Leitungsanfang trans­ formiert. Ein Leerlauf am Leitungsende erscheint als Kurz­ schluß am Leitungsanfang. Diese frequenzselektive, rezi­ proke Widerstandstransformation wird bei der Erfindung aus­ genutzt. Allgemein erscheint eine Ausgangsimpedanz Z ₂ bei gegebenem Wellenwiderstand Z _L als Eingangsimpedanz Z ₁=Z _L ²/Z₂ am Leitungsanfang. Hierbei wird in erster Näherung unterstellt, daß die Leitung selbst verlustfrei ist. In der unmittelbaren Umgebung der Kanalmittenfrequenz zeigen ein Serienkreis aus konzentrierten Schaltelementen R, L, C und eine λ/4-Leitung gleiches Verhalten. Ferner können entsprechende Analogiebetrachtungen über die Güte des Leitungsresonators angestellt werden. Es ist bekannt, daß die Güte derartiger Leitungskreise mit der Wurzel aus der Frequenz ansteigt. Sie sind daher bei hohen Frequenzen Schwingkreisen aus konzentrierten Elementen überlegen.

Ist der Resonator mit einem Abschlußwiderstand beschaltet, so ergibt sich die sogenannte "belastete Güte" aus dem Verhältnis der gespeicherten Energie im Resonator zu der pro Zeiteinheit verbrauchten Energie in Resonator und Belastung. Durch Veränderung des ausgangsseitigen Last­ widerstandes kann die Güte des Resonators und damit die Höhe des Resonanzmaximums der Übertragungsfunktion be­ einflußt werden. Ferner läßt sich durch Variation der Leitungslänge die frequenzmäßige Lage des Resonanzmaxi­ mums einstellen. Zur Nachbildung des Schwundes wird ein frequenzselektiver Dämpfungseinbruch (Fig. 1 unten) in das Signalspektrum gefordert, der sich von dem ungestörten Fall (Fig. 1 oben) durch eine frequenzselektive Schwund­ dämpfung b unterscheidet.

Aufgrund der vorstehend dargestellten physikalischen Ge­ gebenheiten erreicht man den gewünschten Dämpfungseinbruch auch mit der erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig. 2b, ohne den Aufwand nach Fig. 2a treiben zu müssen.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig. 2b wird an den einen Ausgang des Leistungsteilers (6) die oben be­ schrieben λ/4-Leitung (7) mit reellem Abschluß Z ₂ (8) an­ geschlossen. Das Bandsperrenverhalten der Leitung bei der Resonanzwellenlänge λ _r bewirkt, daß für eine feste Leitungs­ länge l _r ein frequenzselektiver Dämpfungseinbruch im Spektrum des Ausgangssignals y entsteht.

Die Ablage des Dämpfungseinbruchs von der Mittenfrequenz wird durch die Leitungslänge l _r bestimmt, die Tiefe des Dämpfungseinbruchs durch die Wahl von Z ₂.

Zur Untersuchung der Simulatoreigenschaften bietet sich eine Meßanordnung nach Fig. 3 an. Gleichzeitig wird dort ein Aus­ führungsbeispiel dargestellt, das eine automatische Rechner­ steuerung vorsieht.

Der Rechner (9) steuert zunächst die Frequenz eines Wobbel­ senders (10), der dem Vektorvoltmeter (11) ein sinus­ förmiges Referenzsignal zuführt. Ein gleichartiges Signal des Senders gelangt über das spektrumformende Filter (12) und den Trennverstärker (13) in den eigentlichen Schwund­ simulator. Dieser besteht, wie oben beschrieben, aus dem T-Glied (14) und einer Koaxialleitung (15), an die sich mittels eines Schalters (16) diskrete Verlängerungsstücke der Länge Δ λ anfügen lassen. In der Regel ist l _o relativ groß gegen die Verlängerungssegmente Δ λ. Der D/A-Wandler (18) setzt die vom Rechner (9) vorgegebenen Dämpfungs­ werte zunächst in eine analoge Spannung um, die dann die Durchgangsdämpfung des Feldeffektransistors (17) steuert. Die gesamte wirksame Leitungslänge l _o +n Δ λ, die ebenso vom Rechner (9) aus steuerbar ist, legt zusammen mit dem Durchgangswiderstand des Feldeffekttransistors (17) das Frequenzverhalten des Schwundsimulators fest. Dieses kann in Form der Übertragungsfunktion H(f) von einem Vektor­ voltmeter (11) ausgewertet und dem Rechner (9) zugeführt werden. Zu diesem Zweck wird am Eingang des Vektorvoltmeters (11) das Meßsignal mit dem aus dem Wobbelsender (10) kom­ menden Referenzsignal verglichen.

Fig. 4 zeigt als Beispiele für so nachgebildete Schwund­ ereignisse einige Ergebnisse von gemessenen Übertragungs­ funktionen. Der grundsätzliche Frequenzgang wird durch ein typisches Richtfunk-ZF-Bandpaßfilter charakterisiert, wie es bei der Übertragung von 140-Mbit/s-Digitalsignalen ge­ bräuchlich ist. Die Mittenfrequenz beträgt 140 MHz. Fig. 4a zeigt die Übertragungsfunktion des ZF-Filters bei unwirk­ samen Schwundsimulator. Für zwei verschiedene feste Leitungs­ längen zeigen die Fig. 4b und 4c die dann entstehenden Dämpfungseinbrüche. Durch Vergrößerung des Durchgangswider­ standes Z ₂ des Feldeffekttransistors läßt sich darüberhinaus die Schwundtiefe soweit erhöhen, bis sich der obere Grenz­ wert der Bitfehlerhäufigkeit einstellt.

Claims (4)

1. Verfahren zur labormäßigen Nachbildung von Mehrwege­ schwundvorgängen, bei dem das Sendesignal x in einen direkten und einen indirekten Strahl aufgeteilt wird, die vor ihrer Wiedervereinigung unterschiedlichen Dämpfungs- und Laufzeiteinflüssen ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der indirekte Strahl nach Durchlaufen eines λ/4-Resonators (7) ensteht, dessen Abschlußwiderstand (8) und Resonatorlänge l veränderbar sind und daß die Wiedervereinigung mit dem direkten Strahl durch dessen Überlagerung mit dem aus dem λ/4-Resonator (7) infolge Fehlanpassung zurücklaufenden Echosignal erfolgt, wobei die Tiefe des Dämpfungseinbruchs durch den Abschlußwiderstand (8) und seine frequenzmäßige Ablage von der Mittenfrequenz des Übertragungsbandes durch die Resonatorlänge l bestimmt wird (Fig. 2).

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, durch Trennverstärker entkoppelte Resonatorstücke (Δ λ) des λ/4-Resonators hintereinander schaltbar angeordnet sind (Fig. 3).

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Abschlußwiderstand Z ₂ des λ/4-Resonators durch die Quellen-Senken-Elektroden­ strecke eines über seine Torelektrode steuerbaren Feld­ effektransistors (17) dargestellt ist (Fig. 3).

4. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur automatischen Signaturmessung ein Rechner (9) vorgesehen ist, zur gemeinsamen Steuerung:

• a) der Frequenz eines Wobbelsenders (10), dessen Ausgangs­ signal einerseits als sinusförmiges Referenzsignal einem Vektorvoltmeter (11) zugeführt ist und anderer­ seits über ein spektrumformendes Filter (12) und einen Trennverstärker (13) an ein T-Glied (14) mit dem eigentlichen Schwundsimulator gelangt,
• b) einer Schaltmatrix (16) zum Auswählen der wirksamen Länge (l _o +n Δ λ) des λ/4-Resonators (15, 16),
• c) des den ohmschen Abschluß Z ₂ darstellenden Feldeffekt­ transistors (17) über einen Digital-Analogwandler (18) (Fig. 3).