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Verfahren und Anordnung zur Messung der Frequenz der Trägerfrequenzspannungen
von kurzzeitig empfangenen Signalen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Anordnung zur Messung der innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs liegenden
Trägerfrequenzen von kurzzeitig empfangenen Signalen und zwar mit Hilfe des sogenannten
Zunt,enfrequenzmeßprinzips. Hier werden die empfangenen und gegebenenfalls verstärkten
Signale elektrischen Resonanzgebilden zugeführt, deren Resonanzfrequenzen und Bandbreiten
derart gewählt sind, daR bei jeder auftretenden und auf Grund ihrer Amplitude ausnutzbaren
Trägerfrequenz innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs wenigstens ein Resonanzgebilde
angeregt wird.
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Das Problem der Messung der Trägerfrequenz von kurzzeitigen Signalen
tritt z.B. im Zusammenhang mit der Peilung solcher Signale auf, also z. B. bei Radarpeilern.
Man kann die Richtung derartiger Signale wegen der Kurzzeitigkeit der Signale nicht
mehr in üblicher Weise mit selektiven Peilern bestimmen, sondern muß für die Peilung
in einem relativ breiten Frequenzbereich peilbereit sein.
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Man kann zwar dann die Richtung des einfallenden Signals bestimmen,
hat dann aber auf Grund der erreichten Anzeige z.B. keine Information darüber, was
für Radarsignale gepeilt wurden. Erhält man dagegen noch die zusätzliche Information,
auf welcher Frequenz das gepeilte Radargerät arbeitet, dann kann man mit den angezeigten
Informationen bereits bedeutend mehr anfangen. Am günstigsten ist in diesem Zusammenhang
eine gleichzeitige Anzeige des Peilwinkels und der Frequenz auf der gleichen Anzeigeröhre
z. B. in der Form, daß eine punktförmige Anzeige zustande kommt, deren Verbindung
mit dem Mittelpunkt
der Rohre gegenüber einer Bezugsrichtung den
PeilwinIcel ergibt, während der Abstand vom Mittelpunkt ein Maß für die Frequenz
darstellt.
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Peiler, die die Anzeige der Einfallsrichtung von kurzzeitigen Signalen
in der gewünschten Form bewirken, sind bereits vorgeschlagen worden. Auch ist die
Form der obenenvähnten Anzeige von Peilwinkel und Frequenz bereits Stand der Technik.
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Schließlich ist auch bereits vorgeschlagen worden, die Frequenzmessung
mit Hilfe von entsprechender Laufzeitglieder oder Phasendiskriminatoren vorzunehmen.
Das erstgenannte Verfahren hat den Nachteil, daß insbesondere bei tiefen Frequenzen
die Laufzeitglieder unhandliche Abmessungen annehmen. Beim Meßverfahren mit Phasendiskriminatoren
ist nachteilig, daß -das Meßergebnis in Form zweier feldstärkeabhängiger Spannungen
vorliegt.
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Die Erfindung hat den Zweck, diese Nachteile zu vermeiden. Hierbei
wird auf das bereits obenerwähnte Zungenfrequenzmeßprinzip zurückgegriffen. Es werden
X elektrische Resonanzgebilde vorgesehen, denen die Eingangssignale, deren Trägerfrequenz
zu messen ist, zugeführt werden. Die Resonanzfrequenzen und die Bandbreite dieser
Resonanzgebilde sind hierbei derart gewählt, daß bei jeder vorhandenen Trägerfrequenz
innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs wenigstens ein Resonanzgebilde angeregt
wird.
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Die Auswertung geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß bei Erregung
eines der Resonanzgebilde eine Durchschaltung zwischen einem der n Ausgänge einer
Phasenzentrale und einem Phasenmesser, an den alle n Ausgänge anschaltbar sind,
bewirkt wird. Jeder Ausgang der Phasenzentrale ist einem der Resonanzgebilde zugeordnet,
und jeder Ausgang gibt eine gegenüber dem Nachbarausgang in der Phase versetzte
und von einer Bezugsspannung abgeleitete Wechselspannung ab.
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Vorzugsweise sind die Phasen der an benachbarten Ausgängen abnehmbaren
Wechselspannungen um den Betrag 360 gegeneinander versetzt. Im Phasenmesser wird
der Phasenunterschied zwischen der Wechselspannung eines der ii Ausgänge und der
Bezugsspannung gemessen, und das hierbei gewonnene Meßergebnis wird zur Anzeige
der Frequenz herangezogen.
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Da man in der Praxis die Resonanzgebilde bekanntlich nicht mit einer
exakt rechteckförmigen Filterkurve herstellen kann, kann es vorkommen, daß gleichzeitig
zwei benachbarte Resonanzgebilde angeregt werden und damit auf die Messung einwirken.
Die Erscheinung ist jedoch keineswegs nachteilig. Vielmehr ist es in der Praxis
vorzuziehen, Resonanzgebilde mit benachbarten Resonanzfrequenzen derart zu bemessen,
daß sich die Ränder der Filterkurven teilweise überlappen.
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Hierdurch kann man bei gleicher Frequenzmeßgenauigkeit die Anzahl
der Resonanzgebilde und der zugeordneten Schaltungsteile verringern, wie im folgenden
gezeigt wird.
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Bewirkt man z. B. die Durchschaltuiig zwischen den -?1- Ausgängen
der Phasenzentrale und dem Phasenmesser dadurch, daß man von dem erregten Re-.sonanzgebilde
ein Steuersignal ableitet und hiermit eine zwischen den Phasenzentralausgängen und
dem Phasenmesser angeschaltete Torschaltung steuert, so erhält man - eine diskontinuierliche
Frequenzmessung. Die Genauigkeit des Meßergebnisses hängt von der Anzahl der Resonanzgebilde
ab, und zwar ergibt sich die Genauiglseit, setzt man einmal exakt rechteckige und
nebeneinanderliegende Filterkurven voraus, aus dem Verhältnis der Breite des zu
überwachenden Frequenzbereichs zu der Anzahl der Resonanzgebilde. Läßt man dagegen
benachbarte Filterkurven sich teilweise überlappen, dann werden durch eine Frequenz,
die etwa in der Mitte zwischen zwei Resonanzfrequenzen liegt, zwei Resonanzgebilde
erregt. Hieraus ergibt sich, daß die beiden zugehörigen Ausgänge der Phasenzentrale
mit dem Phasenmesser verbunden werden.
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Aus den beiden Spannungen bildet sich dann eine Wechselspannung mit
zwischen den beiden Phasen der Teilspannungen liegender Phase aus, die dann für
die Frequenzmessung ausschlaggebend ist und einen mittleren Frequenzwert zwischen
den beiden Resonanzfrequenzen hervorbringt. Man erhält hierbei also eine Verdoppelung
der Genauigkeit. oder man kann bei gleichbleibender Genauigkeit die Anzahl der Resonanzglieder
stark herabsetzen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist aber auch eine kontinuierliche
Frequenzmessung möglich, wenn man zur Durchschaltung anstatt Torschaltungen Modulationsglieder
benutzt. In diesem Fall wird durch das von den Resonanzgliedern ausgekoppelte proportional
zu der Erregung des Kreises sich ausbildende Steuersignal zur Amplitude modulation
der entsprechenden Wechselspannung benutzt. Bei verschieden starker Erregung zweier
Resonanzkreise durch eine zwischenliegende Frequenz geht auf Grund der proportionalen
Amplitudenmodulation die Frequenz des weniger erregten Kreises entsprechend weniger
auf das Meßergebnis ein.
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Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in der Zeichnung im Prinzip dargestellt. An den Eingang I der Schaltung, an
den z. B. eine Antenne angeschaltet werden kann, ist ein Eingangsverstärker 2 angeschaltet.
Dieser Eingangsverstärker muß entsprechend dem vorgegebenen, zu überwachenden Frequenzbereich
dimensioniert sein. Er kann gleichzeitig die Funktion eines Amplitudenbegrenzers
ausüben.
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Man kann hier z. B. einen Wanderwellenverstärker benutzen. Die Verteilerleitung
3 muß selbstverständlich mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Abschlußwiderstand
versehen werden, um Reflexionen zu vermeiden. An diese Verteilerleitung 3 sind im
Ausführungsbeispiel über Kondensatoren 41J 42''' 4n Resonanzglieder 512 .... . .
5n 5n angeschaltet, die hier der Einfachheit halber als Schwingkreise dargestellt
sind. Die Koppelglieder können selbstverständlich auch durch entsprechende Elemente
der Hohlleiter oder »Striplinetechnik«
realisiert werden. Auch die
Resonanzglieder könneii z. B. als Hohlraumresonatoren ausgebildet sein.
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Die Zahl der Resonanzglieder wird bestimmt durch die geforderte Genauigkeit
der Frequenzmessung und durch die Güte der Kreise. Die Resonanzfrequenzen der ii
Resonaiizglieder und ihre Bandlreite sollen im vorliegendeii Ausführungsbeispiel
derart gewählt sein, daß einmal hei jeder vorhandenen Trägerfrequenz innerhalb des
zu überwachenden Bereichs wenigstens ein Resonanzgebilde angeregt wird, sich aber
die Resonanzkurven der Resonanzglieder noch teilweise überlappen. An die Resonanzglieder
5 sind Videodetektoren 6t, 62...6n angeschaltet, die die Gleichrichtung der hochfrequenten
Signale aus den Resonanzgebilden bewirken.
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An diese Detektoren sind Videoverstärker 7i' 72 ...7n angeschaltet.
Diese können beliebig ausgebildet sein, z. B. als logarithmische Verstärker oder
automatisch geregelte Verstärker. Von ihnen muß jedoch verlangt werden, daß sie
übersteuerungsfest sind. An die Videoverstärke'r 7 schließen sich im vorliegenden
Ausführungsbeispiel monostabile Multivibratoren81, 82...8n an, die ab einem bestimmten
Ausgangssignal der Videoverstärker 7 ansprechen und nach einer vorgegebenen Zeit
z. B. von 10 Mikrosekunden wieder in ihre Ausgangslage zurückkippen. Während der
Ansprechzeit der Multivibratoren 8 öffnen diese auf Grund ihrer Ausgangsspannung
Tore 9p 92...9n.
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Diese Torschaltungen g sind zwischen die ii Ausgänge loL, 102...10n
einer Phasenzentrale 10 und einer Sammelschiene II eingeschaltet. In der Phasenzentrale
werden (ausgehend von der Bezugsspannung aus dem Generator IS il gleichfrequente
und in der Amplitude gleich große Wechselspannungen erzeugt, die sich lediglich
durch verschiedene Phasenlagen voneinander unterscheiden. Vorzugsweise wird in der
Phasenzentrale die Phase der Bezugsspannung derart geändert, daß sich die Phasenlage
der an benachbarten Ausgängen abnehmbaren Wechselspannungen um 22 unterscheidet.
Die Phasenversetzung kann beispielsweise durch Phasendrehglieder oder Laufzeitketten
erfolgen. Vorzugsweise wählt man die Frequenz des Bezugsgenerators, der stabilisiert
sein kann, in der Größenordnung von I MHz. Auf der Sammelschiene 1 1 treffen alle
von den Torschaltungen durchgelassenen Schwingungell rückwirl;ungsfrei zusammen.
Die Schwingungen addieren sich und ergeben eine resultierende Schwingung, deren
Phasenlage im Vergleich mit der Bezugsphase des Generators Is ein Maß für die Frequenz
darstellt.
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Die Sammelschiene 1 1 ist mit einem Phasenmeßgerät I2 verbunden, in
welchem diese Messung in bekannter Weise durchgeführt wird: Die Phasenverschiebung
zwischen Bezugsphase und der Phase der Wechselspannung auf der Sammelschiene 1 1
wird durch Messung des Zeitabstandes zwischen den positiven oder auch negativen
Nulldurchgängen von Bezugsphase und der Phase der ankommenden Wechselspannung bestimmt.
Die Messung des Phasenabstandes kann also als Zeitmessung angesehen werden. Dieser
Zeitwert muß dann noch in einen Spannungswert umgewandelt werden. In der Praxis
kann man hier z. B. einen Kondensator benutzen, der vom Nulldurchgang der Bezugsschwingung
bis zum Nulldurchgang der Schwingung auf der Sammelschiene 1 1 mit konbtalltem Strom
aufgeladen wird. Die Ladungsmenge des Kondensators bzw. die an ihm liegende Spannung
ist dann ein Maß der Frequenz. Vor dem Phasenmeßglied I2 ist noch ein phasenreiner
Begrenzer I3 eingeschaltet. der die Aufgabe hat, unabhängig von der Amplitude den
Nulldurchgang der resultierenden Schwingung exakt festzustellen. Hierdurch werden
Pegelsdiwankungen aus der Frequenzanzeige eleminiert. An das Phasenmeßglied 12 ist
noch ein Speicher 14 angeschlossen, der den Vom Phasenmeßglied gelieferten Spannungswert
für eine vorgegebene Zeit festhält. Diese Speicherzeit kann z. 13. in der Größenordnung
von einigen Mikrosekunden liegen. Sie wird durch den monostabilen Multivibrator
I5 bestimmt, der durch ein Signal aus dem Phasenmeßglied I2 angestoßen wird und
nach Rückfallen in seine Ausgangslage den Speischer 14 löscht. An der Ausgangsklemme
16 kann man das Frequenzmeßergebnis als Spannungswert dann abnehmen.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Zeichnung ist noch ein
weiterer monostabiler Multivibrator I7 eingezeichnet, der vom Begrenzer I3 her gesteuert
wird, und zwar beim ersten Spannungsanstieg im Begrenzer in die labile Lage gebracht
wird. In dieser Stellung sperrt der Multivibrator I7 die Tore 9. Damit wird verhindert,
daß die Frequenzmessung durch später eintreffende Signale gestört wird. Nach einigen
Mikrosekunden wird die Sperrung durch Rückkippen des Multivibrators I7 in die Ausgangslage
wieder rückgängig gemacht. Der Multivibrator I7 kann auch als gemeinsamer Zeitgeber
für die Multivibratoren 8 verwendet werden, die in diesem Fall als bistabile Schaltelemente
ausgebildet sind.
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Die Messung der Trägerfrequenz des Signals erfolgt in folgender Weise:
Das einfallende Signal wird über den Eingangsverstärker 2 geführt und erregt entsprechend
seiner Frequenz eines der Resonanzgdilde 51 52 - 5,,. Über den zugehörigen Detektor
6 und Verstärker 7 wird der anschließende monostabile Multivibrator 8 angeregt.
Dieser hält für eine vorgegebene Zeit das nachfolgende Tor g offen. Nunmehr wird
von dem Tor eine Wechselspannung bestimmter Phasenlage durchgelassen. Die Phasendifferenz
zwischen dieser Schwingung und der Bezugs schwingung ist ein Maß für die zu messende
Trägerfrequenz. Im Zeitmesser wird der zeitliche Abstand entsprechend den Null-Durchgängen
ermittelt und in einen Spannungswert umgewandelt.
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Ist die einfallende Energie groß genug bzw. liegt die Trägerfrequenz
zwischen den Resonanzfrequenzen zweier Resonanzglieder, so wird nicht nur das eine
Resonanzgebilde angeregt, sondern auch das oder die ihm unmittelbar benachbarten.
Dementsprechend werden auch die zugehörigen Tore ge-
öffnet, und
auf der Sammelschiene addieren sich die entsprechenden phasenversetzten Schwingungen
zu einer resultierenden Schwingung. Da die Amplitude der einzelnen Schwingungen
konstant und gleich groß ist, ist die Phasenlage der resultierenden Schwingung ein
Maß für die Frequenz.
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Wie bereits erwähnt, ist die Genauigkeit abhängig von der Zahl der
Bandpässe. Für einen Bereich von 8 bis 12 GHz beträgt die Mittelfrequenz IoGHz.
Will man eine Genauigkeit von IO/o, bezogen auf io GHz erreichen, so entspricht
dies 100 MHz. Dimensioniert man die Bandpässe derart, daß sie sich wie oben angegeben
etwas überlappen so sind für eine Genauigkeit von I °/o nicht 40, sondern lediglich
20 Bandpässe nötig. Fällt unter diesen Voraussetzungen zwischen zwei Bandpaßbereichen
ein Signal ein, so werden beide Kanäle angeregt, und die resultierende Schwingung
liegt in ihrer Phasenlage genau zwischen der Phasenlage des einen und des anderen-
Kanals. Werden noch mehr Kreise angeregt, so erfolgt die Zusammensetzung der einzelnen
Schwingungen sinngemäß.
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Das Vorhandensein eines ununterbrochen vorhandenen Trägers stört
die Messung anderer Frequenzen nicht. Die Messung auf der gleichen Frequenz mit
der des ununterbrochen vorhandenen Trägers bzw. unmittelbar benachbarten ist lediglich
mit etwas kleinerer Empfindlichkeit möglich.
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Dies rührt daher, daß die Schaltungsanordnung nur bei Einfall oder
bei impulsartigen Feldstärkeschwankungen des ununterbrochen vorhandenen Trägers
eine Frequenzmessung erzeugt. Dieses Verhalten ist dadurch zu erklären, daß die
Verstärker 7t, 72 . . . 7n keine Gleichspannungsverstärker sind. Weiter sprechen
die monostabilen Multivibratoren nur auf Spannungsänderungen an, die eine gewisse
Mindestanstiegzeit pro Volt erreichen.
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Impulsförmige Signale, deren Träger frequenzmoduliert sind, ergeben
in erster Näherung in der Frequenz auswertung den Mittelwert des demodulierten Frequenzintervalls.
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Zur Feldstärkeabhängigkeit ist folgendes zu sagen: Von kleinen Feldstärkeschwankungen
im Bereich von etwa o bis 20 db ist das Verfahren unabhängig, da in diesem Bereich
ein phasenreiner Begrenzer zu verwirklichen ist. Größere Feldstärkebereiche von
z. B. o bis 80 db können entweder mit Hilfe einer HF-Begrenzung im breitbandigen
Vorverstärker erreicht werden oder werden durch eine Regelung der Videoverstärker
abgefangen.
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Der Aufwand ist zufolge der n Kanäle auf den ersten Blick etwas groß.
Man kann jedoch die einzelnen Kanalelemente mit Hilfe gedruckter und transistorisierter
Schaftungen - ähnlich den Rechnerschaltungen - räumlich sehr zusammendrängen.
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Mit Hilfe einer Schaltungsvarianten kann man den Aufwand an Videoverstärkern
und Multivibratoren um die Hälfte reduzieren. Zu diesem Zweck ist es notwendig,
die Videoverstärker 7 so zu dimensionieren, daß sie übersteuerungsfest sowohl positive
als auch negative Impulse gleichmäßig verstärken. Weiter werden die Videodetektoren
61 bis 6, gegenüber den Videodetektoren 6, + bis 6» 2 entgegengesetzt gepolt. Nunmehr
werden jeweils die Detektoren 61 und 6n/2 + 1 bzw. 62 und 6n/2 + 2 usw. an einen
gemeinsamen Verstärkereingang angeschlossen. Es ist auch denkbar, daß die Detektoren
alle gleich gepolt sind, jedoch die nicht eingezeichneten Vorverstärker ein anders
gepoltes Signal abgeben. Sorgt man dafür, daß die angeschlossenen monostabilen Multivibratoren
polaritätsempfindlich sind und entsprechend der Polarität des Signals das anzusteuernde
Tor für die Schwingung mit der einen oder der anderen zugeordneten Phasenlage geöffnet
wird, so arbeitet das Verfahren wie oben beschrieben.
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Das bisher beschriebene Frequenzmeßverfahren ist diskontinuierlich.
Wie bereits oben erwähnt, ist jedoch auch eine Ausführung möglich, bei der eine
kontinuierliche Frequenzmessung zustande kommt. Hierzu muß man lediglich im Ausführungsb
ei spiel der Zeichnung die Multivibratoren 8 durch Speicherglieder ersetzen, die
den Spannungswert der ankommenden Signale amplitudengetreu für eine Zeit speichern.
Weiterhin werden nunmehr die Tore 9 durch Modulationsstufen ersetzt. Diese müssen
derart dimensioniert sein, daß sie bei der Spannung Null auf den Speichergliedern
voll gesperrt werden. Bei Vorhandensein von Signalen in den Speichergliedern werden
die Spannungen von der Phasenzentrale 10 dagegen, proportional diesen Signalen,
in der Amplitude daß moduliert. Allerdings hat diese Anordnung den Nachteil, daß
nunmehr sämtliche Kanäle exakt gleich sein müssen.
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Wie bereits oben erwähnt, ist das erfindungsgemäße Verfahren zur
Messung der Trägerfrequenz von Signalen mit kurzer Zeitdauer geeignet.
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So kann man z. B. mit diesem Verfahren die Frequenz von Signalen bestimmen,
die nur Bruchteile einer Mikrosdunde lang sind.