DE1516253C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung der Phasenverzerrungen eines elektrischen Vierpols, insbesondere Übertragungssystems - Google Patents

Description

Für den Ausgleich der Signalverzerrungen eines über einen Vierpol, insbesondere Übertragungssystems, übertragenen Fernmeldesignals ist in vielen Fällen die Kenntnis der Phasenverzerrungen des Vierpols von wesentlicher Bedeutung. Hierbei läßt sich nämlich eine einfache Toleranzgrenze angeben, die von den Phasenverzerrungen nicht überschritten werden darf, wenn die Signalverzerrungen nicht stören sollen. Betragen beispielsweise die Phasenverzerrungen nicht mehr als 6°, dann sind die Signalverzerrungen — vorausgesetzt, daß keine Dämpfungsverzerrungen vorhanden sind — kleiner als 5% der Signalamplitude. Eine derartige Toleranzgrenze läßt sich für die Gruppenlaufzeitverzerrungen des Vierpols nicht angeben, da es hierbei außer auf die Amplitude der Gruppenlaufzeitverzerrungen auch auf die Häufigkeit der Schwankungen innerhalb des Übertragungsbereiches ankommt.

Zur Ermittlung der meßtechnisch besonders aufschlußreichen Phasenverzerrungen ist ein Verfahren bekanntgeworden, das von einer herkömmlichen Gruppenlaufzeitwobbelmessung ausgeht. Die hierbei erhaltene Gruppenlaufzeitspannung, die mit ihrem zeitlichen Amplitudenverlauf ein Maß für die im durchwobbelten Frequenzbereich auftretende Gruppenlaufzeitkurve darstellt und z. B. zur Beschreibung derselben in einem Registrier- oder Sichtgerät verwendbar ist, wird hierzu einer Integration über die Zeit unterworfen, indem ein zur Bildung dieser Gruppenlaufzeitspannung herangezogenes Differenzierglied abgeschaltet wird (deutsche Patentschrift 1019 760,

ίο insbesondere Spalte 3, Zeilen 64 bis 67). Die integrierte Gruppenlaufzeitspannung dient dann in ihrem zeitlichen Verlauf zur Beschreibung der Phasenkurve des Vierpols im durchwobbelten Frequenzbereich. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß bei der Ermittlung der Gruppenlaufzeit ein frequenzunabhängiger Summand unbestimmt bleibt, der einer sogenannten Grundlaufzeit entspricht. Die als Integrationsergebnis aufzufassende Phasengröße des Vierpols enthält dementsprechend einen unbestimmten, frequenzproportionalen Grundanteil (Bezugsphase), der von der Größe dieses Summanden bzw. der Grundlaufzeit abhängig ist. Für die Gruppenlaufzeitspannung bedeutet der , genannte Summand einen konstanten Gleichstrom- ^ anteil, während die Bezugsphase in der integrierten, die Phasenkurve beschreibenden Spannung einem zeitproportionalen Gleichstromanteil entspricht, welch letzterer in der Phasenkurvendarstellung eine Phasenbezugsgerade definiert. Wählt man den Gleichstrom anteil der Gruppenlaufzeitspannung so aus, daß sich für die Grundlaufzeit die Spannung Null ergibt, d. h., mißt man lediglich die als Differenz der Gruppenlaufzeit und der Grundlaufzeit definierte Gruppenlaufzeitverzerrung, so wird im Integrationsergebnis die als Differenz der Phasengröße und der Bezugsphase definierte Phasenverzerrung ausgewertet.

Die vorstehend beschriebenen Meßkurven bzw. Meßspannungen sind in den Fig. 1 und 2 nochmals übersichtlich dargestellt. Hierbei zeigt Fig. 1 zunächst die Gruppenlaufzeitkurve τ eines Vierpols über der Kreisfrequenz o>, wobei die Grundlaufzeit T₀ durch eine waagerechte Gerade dargestellt wird, deren Abstand von der ω-Achse beliebig festgelegt werden kann. Die schraffierten Flächenteile stellen sodann die Gruppenlaufzeitverzerrungen des Vierpols gegenüber ( der Grundlaufzeit dar. Die sich durch eine Integration aus der Gruppenlaufzeitkurve τ ergebende Phasenkurve φ ist im darunterliegenden Diagramm über der Frequenz ω aufgetragen. Der unbestimmte, frequenzproportionale Grundanteil (Bezugsphase) ist hier als Phasenbezugsgerade φ = τ₀ · ω eingetragen. Auch in diesem Diagramm stellt die schraffierte Fläche die eigentlichen Phasenverzerrungen gegenüber der Bezugsphase dar. Stellt man den Gleichstromanteil der Gruppenlaufzeitspannung insbesondere so ein, daß sich für die in Fig. 1 eingezeichnete Grundlaufzeit τ₀ die Spannung Null ergibt, so erhält man die in Fig. 2 dargestellte Gruppenlaufzeitspannung U_x, welche zum Zeitpunkt Z₁ das Vorzeichen wechselt, während die sich hieraus durch Integration ergebende, die Phasen-Verzerrungen beschreibende Spannung ί/_φ zum Zeitpunkt I₁ bei dem betrachteten Kurvenverlauf einen maximalen Wert besitzt.

Die Schwierigkeiten dieses von einer Gruppenlaufzeitwobbelmessung ausgehenden Verfahrens liegen darin, daß die elektrische Integration der Gruppenlaufzeitspannung eine Integration über die Zeit ist, während definitionsgemäß der Übergang von der Gruppenlaufzeitkurve auf die Phasenkurve eine Integration

über die Frequenz erforderlich macht. Dies ist beispielsweise aus der Beziehung

φ = J τ dc» (I)

zu entnehmen, in der φ die Phasengröße, τ die Gruppenlaufzeit und ω die Kreisfrequenz darstellt. Nur wenn Zeit und Meßfrequenz linear zusammenhängen, liefert die elektrische Integration, die z. B. mittels eines /?C-GIiedes vorgenommen wird, unter Berücksichtigung eines geeigneten Maßstabes richtige Meßergebnisse für die Phasenverzerrungen. Der Maßstab hängt dann aber von der jeweils eingestellten Wobbeigeschwindigkeit ab. Bei einer räumlichen Trennung von Wobbeisender und Empfänger ist diese zumeist nicht unmittelbar ablesbar, so daß der richtige Maßstab in diesem Fall nicht angegeben werden kann. Bei einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen Zeit und Meßfrequenz ist jedoch darüber hinaus ein fester Maßstab für die Phasenverzerrungen überhaupt nicht vorhanden.

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Phasenverzerrungen eines Vierpols, insbesondere Übertragungssystems, bei dem die nach Durchführung eines Gruppenlaufzeitwobbelmeßverfahrens ermittelte, ein Maß für die Gruppenlaufzeitverzerrungen darstellende Spannung einer nachfolgenden Integration über die Zeit unterworfen wird und die integrierte Spannung ein Maß für die Phasenverzerrungen darstellt, werden die vorstehend genannten Schwierigkeiten dadurch beseitigt, daß erfindungsgemäß die ein Maß für die Gruppenlaufzeit darstellende Spannung vor der Integration mit einer weiteren Spannung multipliziert wird, die durch Differentiation aus einer Gleichspannung gebildet wird, die ihrerseits der Meßfrequenz oder der Frequenz der über den Vierpol abgeleiteten Meßspannung proportional ist.

Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung liegt darin, daß der ein Maß für die Kurve der Phasenverzerrungen des Vierpols im durchwobbelten Frequenzbereich darstellenden, integrierten Spannung ein eindeutiger Amplitudenmaßstab zugeordnet werden kann, der eine unmittelbare Auswertung der Spannung in einem Anzeigegerät oder auch insbesondere eine Auswertung der unter Verwendung dieser integrierten Spannung in einem Registrier- bzw. Sichtgerät dargestellten Kurve der Phasenverzerrungen zuläßt. Dieser Maßstab ist von der Größe oder dem zeitlichen Verlauf der Wobbeigeschwindigkeit vollständig unabhängig.

Weitere Merkmale und Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung werden an Hand der nachfolgenden Beschreibung einer in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert.

Fig. 3 zeigte eine Meßanordnung, die als ersten Bestandteil eine an sich bekannte, zur Ermittlung der Gruppenlaufzeit^verzerrungen eines Vierpols X nach dem Wobbeiverfahren dienende Teilschaltung enthält. Ein links abgebildeter Sendeteil A dieser Teilschaltung enthält einen frequenzvariablen Generator 1, der spannungsgesteuerte, frequenzbestimmende Mittel (Reaktanzröhre, Kapazitätsdiode od. dgl.) enthält und der über eine Steuerleitung 2 von einem Wobbelspannungsgenerator 3 automatisch in seiner Ausgangsfrequenz über einen einstellbaren Frequenzbereich in Abhängigkeit von der Amplitude der Wobbeispannung frequenzmoduliert wird. Die im Bereich Z₁ ± /,, gewobbelte Ausgangsspannung U₁ wird in einem Modulator 4 mit einer Trägerschwingung U₂ der Frequenz/₂ gemischt, die mit einer niedrigen, konstanten Modulationsfrequenz/s (Spaltfrequenz) amplitudenmoduliert ist. Die Trägerschwingung der Frequenz/₂ wird dabei von einem Generator 5 erzeugt und in einem Modulator 6 mit der von einem Generator 7 gelieferten Spannung U₃ der Frequenz/_S moduliert. Am Ausgang des Modulators 6 tritt dann die dem Modulator 4 zuzuführende amplitudenmodulierte Trägerschwingung U₂ auf.

Durch ein dem Modulator 4 nachgeschaltetes Tiefpaßfilter 8 wird sodann eine Meßspannung U_m ausgesiebt, welche aus einer amplitudenmodulierten Trägerschwingung besteht, die gegenüber U₂ um den festen Betrag Z₁-Z₂ nach niedrigen Frequenzen hin verschoben ist. Diese Meßspannung U_7n wird über einen Verstärker 9 dem Meßobjekt X zugeführt und vom Ausgang des Meßobjektes einem Verstärker 10 zugeleitet, der die Eingangsstufe eines Empfangsteiles B der genannten Teilschaltung darstellt.

Die Ausgangsspannung des Verstärkers 10 wird einerseits einem Frequenzmesser 11 zugeführt, der eine Spannung i/₄ erzeugt, deren Amplitude im wesentlichen von dem Momentanwert der Trägerfrequenz der über den Vierpol X abgeleiteten Meßspannung U_1n abhängt, und andererseits einem Demodulator 12, der aus der abgeleiteten Meßspannung die Modulationsspannung U₃ der Frequenz /_s zurückgewinnt. Diese Modulationsspannung U₃ wird in einem Phasendiskriminator 13 mit einer gleichartigen, gleichfrequenten Ausgangsspannung U₃' eines Vergleichsgenerators 14 bezüglich der gegenseitigen Phasenlage verglichen. Eine im Phasendiskriminator 13 als Vergleichsergebnis gebildete Ausgangsspannung U_T stellt dann mit ihrer Amplitude ein Maß für die Phasendifferenz der Spannungen U₃ und U₃ und damit gleichzeitig ein Maß für die Gruppenlaufzeitverzerrung des Vierpols Λ'dar, die ebenfalls von dem Momentanwert der Trägerfrequenz der Meßspannung abhängig ist. Damit ist es in an sich bekannter Weise möglich, die an den Klemmen 15 und 16 auftretenden Spannungen U₄ und t/_r dem horizontalen und vertikalen Ablenksystem eines Kathodenstrahloszillographen zuzuführen, auf dessen Bildschirm dann eine Kurvendarstellung der Laufzeitverzerrungen des Vierpols X in dem von der Meßspannung U_7n durchwobbelten Frequenzbereich beschrieben wird.

Die bisher beschriebene Teilschaltung kann in verschiedener, dem Fachmann bekannter Weise in einzelnen Punkten abgewandelt werden. So ist die dargestellte Erzeugung der Meßspannung U_7n im einzelnen für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich. Ebenso kann die an der Klemme 15 anliegende Ausgangsspannung U_A für den Fall, daß der Sendeteil A und der Empfangsteil B örtlich nicht voneinander getrennt sind, auch von der Ausgangsspannung des Wobbelspannungsgenerators 3 direkt abgeleitet werden. Letztlich ist die gesamte, vorstehend beschriebene Teilschaltung zur Ermittlung der Gruppenlaufzeitverzerrungen im Wobbeibetrieb an sich für die Erfindung nicht charakteristisch, sondern kann beispielsweise durch jede andere bekannte Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Gruppenlaufzeitverzerrungen ersetzt werden, die an den ausgangsseitigen Klemmen 15, 16 vergleichbare Spannungen t/₄ und U_x erzeugt. Hierbei ist zusätzlich festzustellen, daß bei den bekannten Systemen die Spannung U_T im allgemeinen mit einem einstellbaren Gleichstromanteil erzeugt wird, der ins-

besondere dazu dient, um die Gruppenlaufzeitverzerrungskurve auf dem Schirm eines in der beschriebenen Weise an die Klemmen 15, 16 angeschalteten Kathodenstahloszillographen in vertikaler Richtung gegenüber einer horizontalen Bezugsgeraden auf dem Bildschirm zu verschieben. Durch eine derartige Einstellung wird die Grundlaufzeit auf beliebige Werte eingestellt und insbesondere durch diese Einstellung bestimmten Frequenzen innerhalb des Frequenzmeßbereiches zugeordnet. Eine Veränderung des Gleichstromanteiles ίο der Spannung U_z kann bei einer Meßanordnung der in Fig. 3 beschriebenen Art beispielsweise durch Einstellung eines dem Phasendiskriminator 13 vorgeschalteten Phasenschiebers 17 erfolgen, wodurch der Arbeitspunkt auf der zl<p/t/_T-Kennlinie des Diskriminators 13 verändert wird (Δφ = Phasendifferenz zwischen U₃ und U₃').

Nach der Erfindung wird eine an sich bekannte Differenzierstufe 18, die beispielsweise aus einem in F i g. 3 schematisch angedeuteten i?C-Glied besteht, an die Klemme 15 angeschaltet. Bezeichnet man die an der Klemme 15 anliegende, der Frequenz der über den Vierpol X abgeleiteten Meßspannung U_1n proportionale Spannung U_A mit

IZ₄(Oj) = ^₁-- ω, (2) *5

so entsteht am Ausgang der Differenzierstufe 18 eine Spannung

= K₁-K₂--,

(3)

also eine Spannung, die der zeitlichen Ableitung der Frequenz proportional ist. Die Spannung U₅ wird zusammen mit der an der Klemme 16 anliegenden Spannung U_T den beiden Eingängen eines Multiplikators 19 zugeführt, der eine Ausgangsspannung U₆ bildet, die von der Gruppenlaufzeit und von der Ableitung der Frequenz nach der Zeit abhängig ist:

Ι/_β(τ, ω) = K₁ - K₂ - K₃ ■ υ_τ - ^-.

(4)

Eine nachgeschaltete Integrierstufe 20, die beispielsweise aus einem in Fig. 3 schematisch dargestellten ÄC-Glied besteht, integriert die Spannung U₆ über die Zeit und ergibt eine Spannung ί/_φ, welche der Phasenverzerrung φ des Vierpols X proportional ist.

T, ω) d/ = K₁ ■ K₂ ■ K₃ - Kt ■ J U_T · άω (5) Die Konstanten K₁ bis K_i sind dabei reine Gerätekonstanten und somit unabhängig von der Meßfrequenz oder der Größe und dem zeitlichen Verlauf der Wobbeigeschwindigkeit. Die Spannung U_n., die der Phasen verzerrung φ proportional ist, wird vorzugsweise über einen Verstärker 21 geführt, dessen Verstärkungsgrad so eingestellt wird, daß die zahlenmäßige Auswertung der Spannung U₁₁. an einer festen Skala der als Registrier- oder Sichtgerät dienenden Kathodenstrahlröhre 22 erfolgen kann. Die horizontale Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgt hierbei mittels der der Frequenz der über den Vierpol X abgeleiteten Meßspannung U_m proportionalen Spannung U₄. Neben der beschriebenen Auswertung mittels des Kathodenstrahloszillographen 22 kann auch eine zahlenmäßige Auswertung an einem Anzeigeinstrument 23 (Zeigerinstrument, Lichtzeigerinstrument od. dgl.) vorgenommen werden, die beispielsweise eine Überwachung vorgegebener Verzerrungstoleranzen ermöglicht.

Jeder Phasengang des Meßobjekts X drückt sich zwar auch in einer zusätzlichen Frequenzänderung der über X abgeleiteten Meßspannung U_n. aus, doch sind die hierdurch gegebenen Einflüsse auf die Spannung t/₄ und somit auf die Horizontalablenkspannung von 22 gegenüber der (durch 21 verstärkten) den Phasengang als Meßinformation enthaltenden Spannung [Z₄ vernachlässigbar klein.

Bei einer Durchführung der Phasenverzerrungsmessung eines Vierpols X als Streckenmessung führt die Verwendung eines Frequenzmessers 11 zur Ableitung der der Frequenz der über den Vierpol X abgeleiteten Meßspannung U_m proportionalen Spannung U_A bei dem Verfahren nach der Erfindung zu einer direkten zahlenmäßigen Auswertung an Hand eines eindeutigen Maßstabes, ohne daß eine Snychronisierungsleitung zwischen dem Sendeteil A und dem Empfangsteil B notwendig ist. Handelt es sich bei dem Vierpol X um ein Übertragungssystem, das eine Nachrichtenübertragung unter Verwendung eines Trägers vorsieht, dem die Nachrichtenspannung nach irgendeinem Verfahren aufmoduliert ist, ist es zweckmäßig, der Trägerfrequenz selbst die Phasenverzerrung Null zuzuordnen. Damit entspricht in den Diagrammen nach Fig. 1 der Ursprung des Koordinatensystems jeweils der Trägerfrequenz des Übertragungssystems.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Phasenverzerrungen eines Vierpols, insbesondere Übertragungssystems, bei dem die nach Durchführung eines Gruppenlaufzeitwobbelmeßverfahrens ermittelte, ein Maß für die Gruppenlaufzeitverzerrungen darstellende Spannung einer nachfolgenden Integration über die Zeit unterworfen wird und die integrierte Spannung ein Maß für die Phasenverzerrungen darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die ein Maß für die Gruppenlaufzeit darstellende Spannung vor der Integration mit einer weiteren Spannung multipliziert wird, die durch Differentation aus einer Gleichspannung gebildet wird, die ihrerseits der Meßfrequenz oder der Frequenz der über den Vierpol abgeleiteten Meßspannung proportional ist.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, unter Verwendung einer an sich bekannten Meßschaltung zur Gruppenlaufzeitmessung nach einem Wobbeiverfahren, mit einer dem Meßspannungseingang eines Registrier- bzw. Anzeigegerätes (22) vorgeschalteten, zusätzlichen Integrierstufe (20), dadurch gekennzeichnet, daß die dem Registrier- bzw. Sichtgerät zugeführte Zeitablenkspannung (£/.,) als die der Frequenz der über den Vierpol abgeleiteten Meßspannung proportionale Gleichspannung dient und diese Spannung außerdem nach dem Durchlaufen eines Differenziergliedes (18) zusammen mit der die Gruppenlaufzeitverzerrungen darstellende Spannung (i/r) an die Eingänge eines Multiplikators (z. B. Hall-Multiplikators) (19) angeschaltet ist, dessen Ausgang mit der Integrierstufe (20) verbunden ist.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 zur Streckenmessung der Phasenverzerrungen eines Vierpols, insbesondere Übertragungssystems.