DE2724991B2

DE2724991B2 - Meßverfahren und Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Dämpfungsverzerrung und der Gruppenlaufzeitverzerrung eines Meßobjekts

Info

Publication number: DE2724991B2
Application number: DE2724991A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Blaess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-06-02
Filing date: 1977-06-02
Publication date: 1979-08-09
Also published as: GB1581502A; IT7823866A0; IT1095919B; FR2393316B1; BE867771A; FR2393316A1; US4264959A; DE2724991A1

Description

D = X

π = 1

wobei A_n die Amplitude und q>„ die Phase jeweils einer bestimmten Frequenz η · /'bedeuten und die so gebildeten einzelnen Harmonischen bekannter Amplitude durch Überlagerung zum Testimpuls zusammengesetzt sind.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig der Testpuls durch aufeinanderfolgende Abfragen von in einem Speicher enthaltenen Werten und durch anschließende Digital-Analog-Umsetzung erzeugt wird.

3. Meßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig der zeitliche Verlauf des Testpulses (Pulsantwort) durch Abtasten mehrerer Werte bestimmt wird, wobei mindestens zwei Werte für die höchste vorkommende Frequenz gewonnen werden, und daß die so gewonnenen Werte ggf. nach Analog-Digital-Umwandlung, in einen Speicher (5) eingeschrieben werden.

4. Meßverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Periode des Testpulses (Pulsantwort) abgetastet und damit das Programm für die Fourier-Analyse durchlaufen wird.

5. Meßverfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung und Speicherung über mehrere Pulsperioden erfolgt und bei jeder Periode das Programm durchlaufen wird, und daß nach jedem Durchgang der Mittelwert der bisherigen Ergebnisse gebildet und dargestellt wird.

6. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Rechners (7) die eingespeicherten Werte der Zeitfunktion des Testpulses (Pulsantwort) in die Frequenzebene transformiert werden.

7. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Testpuls (Pulsantwort) zunächst einem Vorverstärker (1) und einem Filter (2) zugeführt wird.

8. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenänderungen und die Gruppenlaufzeit auf einem Bildschirm dargestellt werden.

9. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ampli-

tudenwerte und die Gruppenlaufzeit über einen Drucker tabellarisch angegeben werden.

10. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erhaltenen Werte einem einstellbaren Toleranzschema (8) unterworfen werden und bei Erfüllen bzw. Nichterfüllen der vorgegebenen Daten eine Gut/ Schlecht-Aussage abgeleitet wird.

11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Testpuls nach Durchlaufen eines Meßobjektes einer Abtastvorrichtung (3) zugeführt wird, in der der zeitliche Verlauf der Pulsantwort festgestellt wird und die Abtastwerte z. B. über einen Analog-Digital-Wandier (4) digitalisiert und in einen Speicher (5) eingeschrieben werden, daß die gespeicherte Pulsantwort mittels eines Rechners (7) in ihre Frequenzkomponenten zerlegt und Real- und Imaginärteil bzw. Betrag und Phase jeder Komponente ermittelt werden, daß die so erhaltenen Ergebnisse mit den ursprünglichen Werten verglichen werden und daß hieraus über den Rechner (7) die Dämpfung und Gruppenlaufzeit der Komponenten ermittelt werden.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßverfahren zur Ermittlung der Dämpfungsverzerrung und der Gruppenlaufzeitverzerrung eines Meßobjekts, z. B. einer Nachrichtenübertragungsstrecke, dem ein Testpuls zugeführt und seine durch das Meßobjekt verursachte Verformung (Pulsantwort) ausgewertet wird, wobei mit Hilfe der Fourier-Analyse die Pulsantwort zerlegt sowie die einzelnen Frequenzkomponenten hinsichtlich ihrer Amplituden und ihrer Phasenbeziehung zueinander bestimmt werden und durch Vergleich mit dem ursprünglich gesendeten Testpuls die Dämpfungs- und Gruppenlaufzeitverzerrung ermittelt wird.

Bei bekannten Verfahren wird die Gruppenlaufzeit eines Meßobjektes mit einem nach Nyquist genannten Verfahren aus der Phasenverschiebung der Hüllkurve eines modulierten Sinusträgers ermittelt, wobei auch eine Aussage über die Dämpfung erhalten werden kann. Mit diesem Verfahren lassen sich genaue Meßwerte erzielen, es ist jedoch bei der Ausführung einer Messung sehr zeitraubend und umständlich.

Für vereinfachte Gut/Schlecht-Aussagen des Gruppenlaufzeit- und Dämpfungsverlaufs im NF-Sprachband ist auch das sogenannte PAR-Verfahren bekannt. Bei ihm wird eine getastete Pulsfolge über eine Übertragungsstrecke gegeben, und es wird versucht, aus der Pulsverformung durch Messen des Spitzen-(Peak) zu Mittelwert (Average) Verhältnisses (Ratio) Rückschlüsse über die Leitungseigenschaft zu erhalten. Verschiede-

bo ne Störgrößen gehen auf das Meßergebnis ein, welche jedoch die verschiedenen Modulationsarten der Datenübertragung unterschiedlich beeinträchtigen; deshalb wird die Aussagekraft dieses einfachen Verfahrens eingeschränkt.

Aus Meinke-Gundlach, »Taschenbuch der Hochfrequenztechnik«, 2. Auflage 1962 ist es bekannt, daß für periodische Funktionen die Fourier-Analyse durchgeführt werden kann, und es sind eine Reihe von

Beispielen angegeben. Allen diesen Beispielen ist gemeinsam, daß nicht einzelne, sondern unendlich viele Harmonische auftreten.

Aus der Zeitschrift »Electronic Engineering« August 1966, Seiten 516 bis 519 ist ein Verfahren für die Messung der Übertragungsfunktion mit Hilfe von schnellen Impulsen bekannt Ausgehend von der Erkenntnis, daß eine ^-Funktion mit (theoretisch) unendlich schmalen Impulsen in der Fourieranalyse eine Verteilung der Harmonischen mit konstanter Amplitude bei allen Frequenzen (bis unendlich) liefert, wird in der Praxis ein möglichst kurzer Impuls verwendet, der in seinen Spektralkomponenten allerdings nur eine ^5-^-Funktion ergibt Eine Folge derartiger schmaler

Rechteckimpulse wird auf das Meßobjekt gegeben, und empfangsseitig wird die Kurvenform des durch die Übertragung veränderten Impulses nach Abtastung aufgezeichnet und einer Fourieranalyse unterworfen. In gleicher Weise ist auch vor der Übertragung eine Abtastung des Sendeimpulses durchzuführen, und auch dieses Ergebnis wird gespeichert und einer Fourieranalyse unterworfen.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß eine zweifache Aufzeichnung sowohl des Sendeimpulses als r> auch des verzerrten empfangenen Impulses durchgeführt werden muß. Außerdem ist es erforderlich, daß beide Impulsformen der Fourieranalyse unterworfen werden. Bei der Messung an Übertragungsstrecken ergibt sich dabei das Problem, daß die Fourieranalyse _ia für den Sendeimpuls an der Empfangsstelle nicht direkt zur Verfügung steht. Es muß also entweder durch eine entsprechende zusätzliche Übertragung die Information über den Aufbau des Sendeimpulses zur empfangsseitigen Meßstelle übertragen werden, oder der empfangs- r, seitig aufgezeichnete verzerrte Impuls wird zur Sendeseite zurückübertragen. Dabei ergibt sich neben den großen Aufwand ein Nachteil dadurch, daß jeglicher Übertragungsfehler unmittelbar das Meßergebnis beeinflußt In das Meßergebnis gehen weiterhin die Fehler sowohl bei der sendeseitigen als auch bei der empfangsseitigen Fourieranalyse mit ein.

Bei der Messung von Nachrichtenübertragungsstrekken ist auch zu beachten, daß die bei Rechteckimpulsen auftretenden unendlich vielen Harmonischen

— Funktion)

sehr breite Frequenzbänder belegen und zu Störungen führen können wenn in bestimmten Kanälen gemessen werden soll, während in anderen Kanälen eine normale Nachrichtenübertragung stattfindet. Schließlich ist es noch für den praktischen Betrieb von Nachteil, daß die Amplituden und ebenso die Phasen der einzelnen Harmonischen durch die Form des verwendeten Sendeimpulses vorgegeben sind und somit nicht frei gewählt werden können.

Der Erfindung, welche sich auf ein Meßverfahren der eingangs genannten Art bezieht, liegt die Aufgabe w) zugrunde, den Aufwand für die Durchführung des Verfahrens zu verringern und gleichzeitig einen Weg aufzuzeigen, auf dem eine Messung in einem genau definierten Frequenzband und mit höherer Genauigkeit durchführbar ist. Gemäß der Erfindung wird dies μ dadurch erreicht, daß der Testpuls aus einer Reihe bezüglich ihrer Amplitude und Phase vorgegebener Schwingungen unterschiedlicher Frequenz besteht, der nach folgender Formel gebildet wird

ί/(ί)=Σ

η = 1

wobei A_a die Amplitude und q>„ die Phase jeweils einer bestimmten Frequenz η ■ f bedeutet und die so gebildeten einzelnen Harmonischen bekannter Amplitude durch Überlagerung zum Testimpuls zusammengesetzt sind.

Die Erfindung hat gegenüber dem bekannten, mit Rechteckimpulsen arbeitenden Meßverfahren somit den Vorteil, daß nicht mit einem bis nach Unendlich reichenden Spektrum von Oberwellen gearbeitet wurden muß, sondern nur mit einer bestimmten Anzahl von π einzelnen Harmonischen. Damit sind z. B. Betriebsmessungen in einem Übertragungskanal möglich, ohne daß benachbarte Übertragungskanäle gestört werden, weil die Zahl und der Abstand der einzelnen bestimmten Harmonischen entsprechend frei gewählt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß sowohl die Amplituden als auch die Phase der die einzelnen Komponenten des Testimpulses bildenden harmonischen Einzelfrequenzen frei gewählt werden können. Dies bietet die Möglichkeit mit entsprechend angepaßten Testimpulsen zu arbeiten.

Weiterhin ist das Verfahren nach der Erfindung wesentlich einfacher durchführbar, weil die Zusammensetzung des Testimpulses aus den bestimmten π Harmonischen bekannt ist und somit für den Testimpuls keine Fourieranalyse durchgeführt werden muß. Der Testimpuls selbst braucht also lediglich in seinem Programm d. h. in seiner Zusammensetzung dem Rechner für die Auswertung bekannt zu sein. Damit sind auch alle Fehlermöglichkeiten ausgeschaltet welche bei dem bekannten Verfahren aus der dort notwendigen zusätzlichen Fourieranalyse des Sendeimpulsei entstehen. Durch die Erfindung erhält man somit in einfacher Weise eine hinreichend genaue Aussage über den frequenzabhängigen Dämpfungs- und Gruppenlaufzeitverlauf insbesondere auch an den Bandgrenzen.

Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dabei derart ausgebildet, daß der Testpuls nach Durchlaufen eines Meßobjekts einer Abtastvorrichtung zugeführt wird, in der der zeitliche Verlauf der Pulsantwort festgestellt wird und die Abtastwerte z. B. über einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert und in einen Speicher eingeschrieben werden, daß die gespeicherte Pulsantwort mittels eines Rechners in ihre Frequenzkomponenten zerlegt und Real- und Imaginärteil bzw. Betrag und Phase jeder Komponente ermittelt werden, daß die so erhaltenen Ergebnisse mit den ursprünglichen Werten verglichen werden, und daß hieraus über den Rechner die Dämpfung und Gruppenlaufzeit der Komponenten ermittelt werden.

Vorzugsweise kann der Testpuls auch über einen Vorverstärker und ein Filter geführt werden, was den zusätzlichen Vorteil mit sich bringt, daß Leitungsdämpfungen ausgeglichen und Störungen außerhalb der Meßbandbreite ausgeschaltet werden.

Die Amplitudenänderungen und die Gruppenlaufzeit keinen dabei punktweise entweder auf einem Bildschirm oder Platte dargestellt oder über einen Drucker tabellarisch angegeben werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die erhaltenen Werte einem einstellbaren Toleranzschema unterworfen werden und bei Erfüllen bzw. Nichterfüllen

der vorgegebenen Daten eine Gut/Schlechtaussage abgeleitet wird.

Anhand des Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

In dem vorliegenden Verfahren wird ein Testpuls, welcher sich aus der Überlagerung einzelner Harmonischer mit bekannter Amplitude und Phasenbeziehung zusammensetzt, auf das Meßobjekt — z. B. eine Übertragungsstrecke — gegeben. Im Meßobjekt wird entsprechend dem frequenzabhängigen Dämpfungsverlauf die Amplitude der Harmonischen unterschiedlich gedämpft und durch die ebenfalls frequenzabhängige Gruppenlaufzeit ihre Phasenbeziehung verändert. Es ergibt sich als Pulsantwort des Meßobjektes dementsprechend ein geänderter zeitlicher Verlauf. Außerdem können Störungen überlagert sein.

Störspannungen außerhalb der zu untersuchenden Bandbreite können auf der Auswerteseite der Meßanordnung nach einem Vorverstärker 1, dessen Verstärkung direkt in das Ergebnis eingerechnet werden kann, durch ein geeignetes Filter 2 unterdrückt werden. Danach wird der zeitliche Verlauf der Pulsantwort durch Abtasten mehrerer Werte (mindestens zwei Werte für die höchste vorkommende Frequenz) und anschließender Analog-Digital-Umwandlung 3 in einen Speicher 5 eingeschrieben. Diese Abtastung und Speicherung kann je nach Größe des verbleibenden Störgeräusches über mehrere Pulsperioden erfolgen, wodurch der Nutz-Stör-Abstand erhöht wird.

Vorteilhaft wird dabei eine Periode abgetastet und das Programm durchlaufen. Phasenrichtig können später erneut Perioden abgetastet werden, und mit diesen das Programm durchlaufen werden. Nach jedem Durchgang wird der Mittelwert der bisherigen Ergebnisse gebildet und dargestellt. Man erkennt hierbei und bei der Darstellung auf einem Bildschirm sehr gut, wie sich die endgültigen- Kurven herauskristallisieren. Es wäre jedoch auch eine on-line-Verarbeitung der Werte bei entsprechendem Aufwand im folgenden Rechner denkbar.

Die eingespeicherten Werte der Zeitfunktion werden mit Hiife eines Rechners 7 (z. B. auch Mikroprozessor)mit einem FFT-Programm 6 in die Frequenzebene transformiert Als Ergebnis wird für jede Harmonische Real- und Imaginärteil, und hieraus Amplitude und Phase, ermittelt. Als Meßgröße ist die Änderung gegenüber den Verhältnissen am gesendeten Puls maßgebend. Hieraus wiederum kann mit Hilfe des Rechners 7 auf die interessierende Gruppenlaufzeit

^Τ8(ω) ^:

db(<„)

umgerechnet werden, wobei bei genügend hoher Zahl der Harmonischen im zu untersuchenden Frequenzband vereinfachend angenähert gilt:

Die ermittelten Werte für Amplitudenänderung und Gruppenlaufzeit können nun z. B. auf einem Bildschirm oder Plotter dargestellt oder tabellarisch über einen Drucker ausgegeben werden. Es ist jedoch auch denkbar, diese Werte einem einstellbaren Toleranzschema 8 zu unterwerfen und bei Erfüllen/Nichterfüllen dieser vorgegebenen Daten eine einfache Gut/Schlecht-Aussage abzuleiten. Durch geeignete Änderung des Toleranzschemas kann die Gut/Schlecht-Aussage aul einen wählbaren Frequenzbereich eingeengt werden.

Der Testimpuls kann sich z. B. aus der Überlagerung verschiedener harmonischer cos-Schwingungen nach der Gleichung

16

1/(0 =Σ Λ cos (2 .τ · η /f)

A = const, / = 200 Hz

zusammensetzen. Diese Zusammensetzung ist vor allem bei der Untersuchung von Fernsprechleitungen gültig. Durch die konstante Amplitude aller Harmonischen gehen Veränderungen gerade an den Bandgrenzen relativ stark in die Pulsverformung ein, gegenüber z. B. einer getasteten cos-Schwingung, wie z. B. beim PAR-Verfahren. Die Erzeugung eines derartigen Testpulses ist durch das aufeinanderfolgende Abfragen von in einem Speicher gespeicherten Werten und anschließender Digital-Analog-Umsetzung relativ einfach.

Das vorstehend beschriebene Meßverfahren zur Ermittlung des Dämpfungsverlaufs und der Gruppenlaufzeitverzerrung beinhaltet den Übergang von der

•15 Zeit-Ebene in die Frequenz-Ebene. Dieser Übergang ist an sich durch Fourier definiert, jedes Verfahren, das diesen Übergang realisiert, läßt sich anwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßverfahren zur Ermittlung der Dämpfungsverzerrung und der Gruppenlaufzeitverzerning eines Meßobjekts, z. B. einer Nachrichtenübertragungsstrecke, dem ein Testpuls zugeführt und seine durch das Meßobjekt verursachte Verformung (Pulsantwort) ausgewertet wird, wobei mit Hilfe der Fourier-Analyse die Pulsantwort zerlegt sowie die einzelnen Frequenzkomponenten hinsichtlich ihrer Amplituden und ihrer Phasenbeziehung zueinander bestimmt werden und durch Vergleich mit dem ursprünglich gesendeten Testpuls die Dämpfungsund Gruppenlaufzeitverzerrung ermittelt wird, d a durch gekennzeichnet, daß der Testpuls aus einer Reihe bezüglich ihrer Amplitude und Phase vorgegebener Schwingungen unterschiedlicher Frequenz besteht, der nach folgender Formel gebildet wird