DE4400316A1

DE4400316A1 - Verfahren zur Messung von Brummen in Kabelfernsehsystemen während deren Betriebes

Info

Publication number: DE4400316A1
Application number: DE4400316A
Authority: DE
Inventors: Kyle L Bernard
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1993-01-08
Filing date: 1994-01-07
Publication date: 1994-07-14
Also published as: GB2274717A; US5394185A; GB9400092D0; GB2274717B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Messungen von Störungen in einem Fernsehsignal, und insbesondere ein während des Kabelfern sehbetriebs durchführbares Brummeßverfahren zur automatischen Bestimmung von Brummen aufgrund von Stromleitungsfrequenzen sowie niederfrequenter Störungen im Zusammenhang mit dem Video signal.

Brummen sowie niederfrequente Störungen sind unerwünschte Sig nalmodulationen in Zusammenhang mit Stromleitungs- oder verti kalen Video-Synchronfrequenzen. Schwankungen in der Bildträger amplitude auf der Stromleitungsfrequenz oder deren Oberwellen sind als "Brummen" bekannt. Es ist schwierig, während des Be triebes eines Videokanals Störungen und Brummen in Zusammenhang mit dem Videosignal zu bestimmen. Dementsprechend wird üblicher weise ein Signal mit ungedämpfter Welle (CW-Signal) ersatzweise für einen im Betrieb befindlichen Videosignalträger verwendet, jedoch nur das Brummen alleine wird gemessen. Dies stellt eine unerwünschte Einschränkung dar, da der Kanal zur Messung des Brummens aus der Luft empfangen wird und keine niederfrequenten Störungen enthält. Das wahre Problem beim Versuch einer Messung des Brummens bei 60 Hz und niederfrequenten Störungen in einem im Betrieb befindlichen, aktiven Videokanal liegt darin, daß die vertikalen Synchronimpulse bei 59,94 Hz vorliegen. Es ist im typischen Fall nicht möglich, relativ schwaches Brummen in der Stromleitung sowie niederfrequente Störungssignale von dem großen vertikalen Synchronsignal zu trennen, welches nur 0,06 Hz davon entfernt vorliegt.

Ein manuelles Verfahren aus dem Stand der Technik zur Messung von Brummen und niederfrequenten Störungen ist in der Anmel dungs-Notiz Nr. 26W-7043, veröffentlicht von der Anmelderin Tektronix, Inc. aus Wilsonville, Oregon, Vereinigte Staaten von Amerika, mit dem Titel "Cable TV Measurements Using the 2710 Spectrum Analyzer", auf Weite 12 beschrieben. Ein Spektrum analysator, beispielsweise der von Tektronix, Inc. hergestellte Spektrumanalysator 2710, und ein Generator zur Erzeugung von un gedämpften Signalen (CW-Signalen) werden verwendet, wobei das in Test befindliche Kabelfernsehsystem entweder die normale Signal quelle für Messungen von Brummen und niederfrequenten Störungen während des Betriebes oder ein ungedämpftes Signal vom Signal generator zur ausschließlichen Messung von Brummen empfängt. Wenn die Mittelfrequenz auf die Träger- oder Testsignalfrequenz im Nullbereich- ("zero span mode") und im ZEILEN-Trigger-Modus eingestellt ist, dann sieht eine Bedienungsperson auf dem Ana lysatorbildschirm die vertikalen Intervalle, wie sie langsam über den Bildschirm gleiten, während Zeilenfrequenzstörungen ortsfest bleiben. Amplitudenschwankungen der horizontalen Syn chronimpulsspitzen als Reaktion auf Videomodulation geben an, daß die niederfrequente Störung vielmehr auf das Videosignal und nicht auf die Stromleitung zurückzuführen ist. Die Schwankung der horizontalen Synchronimpulsamplitude zwischen vertikalen Intervallen in vertikalen Unterteilungen der Bildschirmanzeige kann in eine prozentuale Störung umgewandelt werden. Alternativ kann mit dem Analysator im SPITZEN-Erfassungsmodus dieselbe Mes sung durchgeführt werden. Diese Messung ist, bedingt durch ihre manuelle Durchführung und die relative Sachkenntnis der Bedie nungsperson, unpräzise und gibt nur eine einzige Messung des Brummen und der niederfrequenten Störungen an.

Es wird daher ein automatisches Kabelbrummeßverfahren zur Mes sung während des Kabelfernsehbetriebs gewünscht, bei dem die vertikale Synchronimpulsenergie herausgefiltert wird und ein genauer Zeitbereichsabtastwert des Brummens und des nieder frequenten Störsignals, wie sie auf einem aktiven, im Betrieb befindlichen Videokanal vorliegen, erhalten wird zur präzisen Bestimmung der prozentualen Störung sowohl auf der Stromlei tungsfrequenz als auch deren Oberwellen.

Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Brummeß verfahren während des Kabelfernsehbetriebs zur Verfügung, bei dem Brummen und niederfrequente Störungen in Anwesenheit von vertikalen Synchronsignalen bestimmt werden. Der im Betrieb befindliche Kanal wird einem Spektrumanalyseinstrument einge speist, wobei die Trägerfrequenz auf der Anzeige im Nullbe reichsmodus zentriert ist, so daß die dargestellte Information die auf dem Bildträger vorliegende Modulation ist. Das Signal wird mit einer Frequenz abgetastet, bei der sichergestellt ist, daß mindestens ein Abtastwert einer jeden horizontalen Synchron impulsspitze erhalten wird, wobei die horizontalen Synchronim pulse bei 15,748 kHz auftreten. Bei diesem Abtastschema wird die vertikale Synchronimpulsenergie wirkungsvoll herausgefiltert. Nach dem Abtasten wird das Signal unter Verwendung einer schnel len Fourier-Transformation (FFT), aus der der Brummwert berech net wird, in seine Einzelfrequenzen zerlegt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Be schreibung in Verbindung mit den beigefügten Ansprüchen und der Zeichnung.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Systems zur Durchführung eines Verfahrens zur Messung von Brummen und nieder frequenter Verzerrung gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 2 ein Flußdiagramm, das das Verfahren zur Messung von Brummen und niederfrequenter Verzerrung gemäß vor liegender Erfindung darstellt.

In Fig. 1 hat ein im Test befindliches System 10 als Eingang eine Normalsignalquelle 12 oder einen Generator 14 für unge dämpfte Signale. Der Ausgang des im Test befindlichen Systems 10 wird einem Spektrumanalysator 16 eingegeben, der Daten von dem im Test befindlichen System erfaßt und eine Brumm- und nieder frequente Verzerrungs-Analyse wie nachstehend beschrieben durch führt. Der Spektrumanalysator kann ein von Tektronix, Inc. her gestellter Spektrumanalysator 2714 sein. Eine während des Betriebes durchgeführte Messung von Brummen und niederfrequenter Verzerrung wird von einer Bedienungsperson am Spektrumanalysator 16 mit der Normalsignalquelle 12 als Eingang an das in Test befindliche System 10 begonnen. Eine außerhalb des Betriebes durchgeführte Messung lediglich des Brummens wird von einer Bedienungsperson am Spektrumanalysator 16 mit dem Generator 14 für ungedämpfte Signale als Eingang an das in Test befindliche System 10 begonnen. Der vom Spektrumanalysator 16 an von dem in Test befindlichen System 10 erfaßten Daten durchgeführte Meß algorithmus ist sowohl für Messungen während des Betriebes als auch für Messungen außerhalb des Betriebes identisch.

Wenn die Bedienungsperson eine Meßsequenz für Brummen und niederfrequente Verzerrung beginnt, dann wird der in Fig. 2 dargestellte Algorithmus gestartet. Der erste Schritt besteht darin, den Spektrumanalysator 16 zu konfigurieren (Schritt 20), um Daten von dem in Test befindlichen System 10 auf einem bezeichneten, im Betrieb befindlichen Kanal oder Frequenz, beispielsweise dem Bildträger eines Kabelfernseh-Videokanals, mit null Meßbereich zu erfassen, so daß der Analysator als abstimmbarer Abwärtsumsetzer fungiert, bei dem die erhaltenen Daten die auf dem Bildträger vorhandene Modulation sind. Ein 300 Hz Videofilter könnte als Bandbegrenzungsfilter verwendet wer den, aber nur für die Messung außerhalb des Betriebs, da es ansonsten die horizontalen Synchronimpulse, die für die Messung während des Betriebes erforderlich sind, entfernen würde. Somit wird das Videofilter weggelassen. Der Erfassungsmodus ist zum Erhalt von Spitzenwerten eingestellt und die Abtastrate ist aus reichend hoch, um zu ermöglichen, daß mindestens ein Abtastwert von jeder horizontalen Synchronspitze erhalten wird, d. h. ein Digitalisiergerät ist zum Betrieb mit 500 kHz (2 µs Abtast intervall) eingestellt. Da bei einem Videosignal die horizontale Synchronspitze die maximale Amplitude hat, ist das Ergebnis, daß im SPITZEN-Modus die Maximum- oder Spitzenwerte die Amplituden der horizontalen Synchronimpulse darstellen. Ist die Ablenkung auf 20 µs/div mit 50 Digitalpunkten pro Skalenunterteilung ein gestellt, dann gibt es 400 µs pro Digitalpunkt. Bei Abtastinter vallen von 2 µs ergibt dies 200 Abtastungen pro Digitalpunkt. Somit ist jeder Punkt, der aus dem Digitalisiergerät ausgegeben wird, die Spitze der 200 Abtastungen des Eingangssignals, die während der letzten 400 µs vorgenommen wurden. Da bei Fernseh signalen nach der NTSC-Norm die Breite der horizontalen Impulse 4,7 µs, 2,3 µs für vertikale Ausgleichsimpulse, beträgt, gewähr leistet dies mindestens eine Abtastung an der Spitze eines jeden Synchronimpulses. Die horizontalen Synchronimpulse werden in Intervallen von 63,5 µs wiederholt, so daß über eine Spitzen abtastintervall von 400 µs mindestens sechs horizontale Syn chronimpulse pro Ausgangspunkt des Digitalisiergerätes vor liegen, d. h. der Ausgang des Digitalisiergerätes und der Spitzenwerthalteschaltung ist der Spitzenwert der horizontalen Synchronimpulse. Hierdurch wird die vertikale Synchronimpuls energie wirkungsvoll ausgefiltert und es ergibt sich eine genaue Abtastung in der Zeitebene des auf dem Kanal vorliegenden Brummens bzw. des niederfrequenten Stör-Signals.

Ist der Spektrumanalysator 16 erst einmal konfiguriert, dann wird das Signal von dem im Test befindlichen System 10 erfaßt und in einem digitalen Speicher innerhalb des Spektrumanaly sators gespeichert (Schritt 21). In einer einzigen Ablenkung wird ein Datensatz von 512 ausgegebenen Digitalpunkten vom Digitalisiergerät und der Spitzenwerthalteschaltung für das im Test befindliche System 10 erfaßt, anhand derer die Messungen des Brummens und der niederfrequenten Störungen durchgeführt und Berechnungen gemacht werden. Der nächste Schritt 22 besteht in der Durchführung einer Tiefpaßfilterung des Datensatzes, wobei die Grenzfrequenz so eingestellt ist, daß mindestens die primäre und erste Oberschwingung der Stromleitungsfrequenz durchgelassen wird. Zum Beispiel kann ein symmetrisches, Tiefpaß-FIR- Bandbegrenzungsfilter mit 40 Abgriffen mit einer Grenzfrequenz von ca. 200 Hz verwendet werden. In Abhängigkeit von der Länge des Datensatzes und zur Verringerung anschließender Berechnungen kann der Filteralgorithmus unter Verwendung langer ganzzahliger Arithmetik und Skalierung implementiert werden, und im Anschluß daran kann ein Dezimierungsschritt 23 zur Verringerung der FFT- Berechnung eingesetzt werden. Die Dezimierung wird in Verbindung mit der Filterberechnung durchgeführt.

Dynamische Filtereinschwingungen werden aus dem Datenstrom herausgeschnitten (Schritt 24). Da Filtereinschwingungen erzeugt werden, bis die Eingangsdaten ihren Weg durch alle Abgriffe vollzogen haben, gibt es ungültige Ausgangsdaten für die Länge des Filters, was nach ihrer Dezimierung die ersten paar ausge gebenen Digitalpunkte sind. Der Ausgang dieses Schrittes wählt gültige Filter-Ausgangsdigitalpunkte zur Übertragung an die FFT- Berechnung aus. Dann wird zur Minimierung von streuungsbedingten Ungenauigkeiten des Gleichstrom-Anschlusses und zur Vermeidung von Überlauffehlern bei der FFT-Berechnung ein Großteil der Gleichstromvormagnetisierung in der gefilterten Wellenform bei diesem Schritt 25 entfernt. Da alle Eingänge an die FFT positiv sind, wird der Minimumwert in der Wellenform von allen Punkten subtrahiert und die sich ergebenden Daten werden um drei digi tale Datenbits hochskaliert, um Berechnungsungenauigkeiten bei der FFT-Berechnung zu minimieren.

Jede Klasse in einem FFT-Ausgang kann als Tiefpaß-FIR-Filter mit einer Mittelfrequenz von nf_s′N betrachtet werden, wobei n die Klassenzahl ist, f₆′ für die dezimierte Abtastfrequenz steht und N die Länge der FFT darstellt. Wenn die gerade analysierte har monische Frequenz zufällig nicht in die Mitte einer FFT-Klasse fällt, dann ergibt sich ein dadurch bedingter Amplitudenverlust in dieser Oberschwingung, wenn das Klassenansprechen über seine gesamte Breite nicht flach ist. Diese Ungenauigkeit ist unter dem Begriff "Scalloping" bekannt. Da es nicht genau bekannt ist, wo die Stromleitungs-Oberschwingungen liegen können, ist es wichtig, diesen "Scalloping"-Fehler zu minimieren. Ein kunden spezifisches Anti-"Scalloping"-Fenster in diesem Schritt 26 eliminiert diese Ungenauigkeit fast vollständig. Die maximale Filterlänge ist gleich der Anzahl von Digitalpunkten, die der FFT eingegeben werden. Zur Vermeidung von "Scalloping" muß wäh rend der gesamten Klasse eine Verstärkung von 1 beibehalten wer den. Ein Parks-Mcclellan-Algorithmus wird iterativ dazu verwen det, die besten Durchlaßbereichs- und Sperrbereichsmerkmale unter Verwendung der Anzahl von Abgriffen oder eingegebenen Digitalpunkten zu erhalten. Die Filterabgriffswerte werden als die Fensterkoeffizienten verwendet.

Der Ausgang des Anti-"Scalloping"-Filters wird der FFT einge geben (Schritt 27), um ein einseitiges Größenspektrum zu erhal ten. Die Größe wird unter Verwendung eines auf ganzen Zahlen basierenden Abschätzungsprogramms berechnet. Die FFT berechnet den Gleichstrom-Anschluß als einen Durchschnitt der Eingangs daten, der prozentuale Brummwerte, bezogen auf den durchschnitt lichen Trägerpegel, ergibt. Da das Brummen als Prozentwert von Spitze zu Spitze des Spitzenträgerpegels gemessen wird, wird der Gleichstromanteil des Spitzenträgerpegels in einem Schritt 28 zur Wiederherstellung der Vormagnetisierung zu dem FFT-Ergebnis addiert, anstatt nur die in dem Schritt 25 zur Entfernung der Vormagnetisierung entfernte Menge hinzuzuaddieren.

Schließlich werden kleine Datenfenster um die Klassen der Strom leitungs-Grundfrequenz und der ersten harmonischen Frequenz herum nach der Spitze abgesucht (Schritt 29), die als der pro zentuale Brummwert für die entsprechenden Oberschwingungen gemäß der untenstehenden Formel verwendet werden. Die Breite des Da tenfensters wird durch die maximale Toleranz in der Ablenk geschwindigkeit bestimmt, die sich eine Unsicherheit der Abtast rate überträgt. Die Brummwerte werden durch folgende Formel berechnet:

%brummen = 400_*Lin_verhältnis

bei der Lin_verhältnis das Verhältnis zwischen der harmonischen Amplitude und der Träger-Gleichstromamplitude im linearen vertikalen Modus darstellt. Der Faktor von 4 (4_*100) hat seinen Ursprung in der zweiseitigen Natur der FFT und der Tatsache, daß Brummen von Spitze zu Spitze erwünscht ist und die FFT Spitzenbrummen berechnet.

%gesamt_brummen = SQRT((%AM_p10/100)_**2 + (%AM_p11/100)_**2)_*100

bei der p₁₀ die Grundfrequenz der Stromleitung und p₁₁ die erste harmonische Frequenz darstellt. Die Brummdatenwerte werden dann als %gesamt_brummen, %brummen_p10 und %brummen_p11 gezeigt. Die Daten in der Zeitebene werden ebenfalls angezeigt.

Eine Wiederholung des obenstehenden Algorithmus für die Messung außerhalb des Betriebes ergibt Werte nur des Brummens, so daß die Differenz zwischen den Werten der Messung während des Be triebes und denjenigen der Messung außerhalb des Betriebes nur die niederfrequenten Störungen definiert.

Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Verfahren zur Bestimmung von Brummen und niederfrequenter Verzerrung in einem Kanal eines im Betrieb befindlichen Kabelfernsehsystems zur Verfügung, bei dem Spitzenabtastwerte erhalten werden, die die horizontalen Synchronimpulse darstellen, und eine FFT-Berechnung durchgeführt wird, um Größenwerte auf der Basis- und der ersten harmonischen Stromleitungsfrequenz abzuleiten.

Claims

1. Verfahren zur Messung von Brummen und niederfrequenter Verzerrung für einen im Betrieb befindlichen Kanal eines Kabelfernsehsystems (10) mit einer durch ein Videosignal modulierten Trägerfrequenz, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erfassen (21) eines Datensatzes für den im Betrieb befindlichen Kanal, die Spitzenwerte für horizontale Synchronimpulse des Videosignals darstellt; und
Durchführen (27) einer schnellen Fourier-Transforma tion des Datensatzes, um Prozentwerte von Spitze zu Spitze des Brummens und der niederfrequenten Verzerrung, bezogen auf eine Größe der Trägerfrequenz bei einer Basisfrequenz und einer ersten harmonischen Frequenz einer Stromleitung, die Strom an das Kabelfernsehsystem führt, zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erfassungsschritt folgende Schritte umfaßt:
Konfigurieren (20) eines Spektrumanalyseinstrumentes (16) zur Zentrierung der Trägerfrequenz im Nullbereichs- Modus;
Einschalten eines Einzelablenkmodus des Spektrumana lyseinstrumentes zur Erfassung des Datensatzes; und
Tiefpaßfiltern (22) des Datensatzes, einschließlich des Entfernens von kurzzeitig auftretenden Datenpunkten aus dem Datensatz.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Durchführungsschritt durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
Entfernen (25) von Gleichstromvormagnetisierung aus dem Datensatz;
Anwenden (26) einer Fensterfunktion auf den Datensatz zur Eliminierung von "Scalloping"-Effekten im Datensatz;
Durchführen der schnellen Fourier-Transformation für den Datensatz, um ein Größenspektrum zu erhalten;
Wiederherstellen (28) der Gleichstrom-Vormagnetisie rung im Größenspektrum; und
Suchen nach Spitzengrößen in den Stromleitungs- und harmonischen Frequenzen, aus denen die Prozentwerte des Brummens und der niederfrequenten Verzerrung berechnet werden.