WO2003038455A2 - Verfahren und vorrichtung zur phasenberechnung aus den dämpfungswerten mittels hilberttransformation bei fdr-messungen - Google Patents

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • G01R31/11—Locating faults in cables, transmission lines, or networks using pulse reflection methods

Definitions

  • the invention relates to the field of so-called FDR measurement (Frequency Domain Reflectometry) and relates in particular to a method and a device for phase calculation from the attenuation values by means of Hilbert transformation in FDR measurements according to the preamble of the independent claims.
  • FDR measurement Frequency Domain Reflectometry
  • FDR measurements are carried out with the help of network analyzers, which can determine the reflection factor according to magnitude and phase, or with spectrum analyzers, which can only measure the magnitude of the reflection factor.
  • network analyzers which can determine the reflection factor according to magnitude and phase
  • spectrum analyzers which can only measure the magnitude of the reflection factor.
  • the phase is calculated by Hilbert transformation. It is important for the numerical quality of the Hilbert transformation that all pole points of the logarithmic damping function are as far to the left of the imaginary axis in the pole-zero diagram. In the measuring systems currently in existence, this is realized by a fully symmetrical parallel branching in the measuring circuit, which is implemented by using a coupling element (coupler).
  • the object of the invention is to demonstrate a method by means of which an increase in the accuracy of the phase calculation from the damping values is achieved by means of Hilbert transformation.
  • a device for carrying out the method is also to be specified. According to the invention, the object is achieved by the features specified in the independent patent claims.
  • the coupler is designed such that it has a high insertion loss between the source and the measurement object and between the measurement object and the sink.
  • the poles of the damping function are shifted further into the left complex half-plane of the pole-zero diagram, which results in a qualitatively better phase calculation.
  • the same effect is achieved by inserting an attenuator between the coupler and the test object.
  • Figure 1 the block diagram of the measuring arrangement according to the invention
  • Figure 2 Representation of a measured phase curve without
  • FIG. 5 Representation of a measured phase curve with an attenuator
  • FIG. 6 representation of a calculated phase curve with an attenuator
  • Figure 7 Representation of the absolute phase error over the frequency with
  • Attenuator First, the system function for wiring the measuring system with the attenuator is specified. Then specialize in the case without an attenuator and in both cases the corresponding phase (Hilbert transform of attenuation) and its deviations from the original phase are specified.
  • Figure 1 shows the block diagram of the measuring arrangement.
  • a measurement signal is sent from a signal source 1 via a coupler 3 and an attenuator 4 to a measurement object 5.
  • the portion of the measurement signal reflected in the measurement object is decoupled in coupler 3 and led to sink 2 (receiver).
  • sink 2 sink 2
  • the power wave b 2 running towards the receiver 2, that is to say reflected by the measurement object 5, is measured.
  • the associated system function for wiring with attenuator 4 at gate 3 is:
  • R is now at gate 3 '.
  • FIGS. 2 to 4 show the differences between the measured and calculated phase and the error functions without an attenuator 4.
  • the frequency is given in MHz on the abscissa, while the phase is shown in rad on the ordinate.
  • the curve according to FIG. 2 is the measured original phase, while the curve in FIG. 3 represents the phase determined by Hilbert transformation.
  • FIG. 4 certain absolute phase errors over frequency are shown between FIGS. 2 and 3. You can clearly see that especially in the middle
  • FIGS. 5 to 7 show in comparison the differences between the measured and calculated phase and the error functions when using an attenuator 4 of -6 dB, which was connected between the coupler 3 and the measurement object 5.
  • the self-reflection factor D1 1 of the attenuator 4 is 12% in the example shown.
  • the frequency is given in MHz on the abscissa, while the phase is shown in rad on the ordinate.
  • the absolute phase error is plotted against the frequency in FIG. It can be seen from the illustration that a phase error occurs only in the middle of the data set, whereas the phase over the entire range is calculated incorrectly in the measuring system without an attenuator 4 according to FIGS.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Phasenberechnung aus den Dämpfungswerten mittels Hilberttransformation bei FDR-Messungen, wobei das Messsystem eine Signalquelle für ein Messsignal, ein mit der Signalquelle verbundenes Kopplungsglied und ein mit dem Kopplungsglied verbundenes Messobjekt aufweist. Der vom Messobjekt reflektierte Anteil des Messsignals wird über das Kopplungsglied ausgekoppelt und an einer Senke gemessen. Erfindungsgemäss ist zwischen dem Kopplungsglied und dem Messobjekt ein Dämpfungsglied in den Signalpfad geschaltet. Das Dämpfungsglied kann auch im Kopplungsglied enthalten sein.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Phasenberechnung aus den Dämpfungswerten mittels Hilberttransformation bei FDR-Messungen
Die Erfindung betrifft das Gebiet der sogenannten FDR-Messung (Frequency Domain Reflectometry) und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Phasenberechnung aus den Dämpfungswerten mittels Hilberttransformation bei FDR-Messungen nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
FDR-Messungen werden mit Hilfe von Netzwerkanalysatoren, die den Reflexionsfaktor nach Betrag und Phase bestimmen können, oder durch Spektrumanalysatoren, die nur den Betrag des Reflexionsfaktors messen können, vorgenommen. Bei den zur Zeit gängigen Messverfahren mit Hilfe von Spektrumanalysatoren mit Trackinggenerator wird die Berechnung der Phase durch Hilberttransformation vorgenommen. Wichtig für die numerische Qualität der Hilberttransformation ist die Tatsache, dass sich alle Polstellen der logarithmierten Dämpfungsfunktion möglichst weit links der imaginären Achse im Pol-Nullstellen-Diagramm befinden. Bei den zur Zeit existierenden Messsystemen wird dies durch eine vollsymmetrische Parallelverzweigung in der Messschaltung realisiert, die durch den Einsatz eines Koppelgliedes (Koppler) realisiert wird. Derartige Koppler haben allerdings einen sehr hohen Eigenreflexionsfaktor zum Messobjekt und eine geringe Einfügedämpfung von der Quelle zum Messobjekt und wieder zurück vom Messobjekt zum Leistungsmesser. Diese Schaltung gewährleistet nur die Vorrausetzungen zur Durchführung der Hilberttransformation, das heißt alle Pole der Dämpfungsfunktion liegen in der linken komplexen Halbebene. Dennoch treten in der Regel unerwünschte und relativ große Fehler bei der Berechnung der Phase auf.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren aufzuzeigen, mittels dem eine Genauigkeitssteigerung der Phasenberechnung aus den Dämpfungswerten mittels Hilberttransformation erreicht wird. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens soll ebenfalls angegeben werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Erfindungsgemäß wird der Koppler so gestaltet, dass er eine hohe Einfügedämpfung zwischen Quelle und Messobjekt und zwischen Messobjekt und Senke aufweist. Dadurch werden die Pole der Dämpfungsfunktion weiter in die linke komplexe Halbebene des Pol-Nullstellen-Diagramms verschoben, was eine qualitativ bessere Phasenberechnung nach sich zieht. Dieselbe Wirkung wird erzielt, indem ein Dämpfungsglied zwischen Koppler und Messobjekt eingefügt wird.
Im folgenden wir ein Ausführungsbeispiei der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsgebiete der Erfindung.
Es zeigen:
Figur 1 : das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Messanordnung; Figur 2: Darstellung eines gemessenen Phasenverlaufs ohne
Dämpfungsglied; Figur 3: Darstellung eines berechneten Phasenverlaufs ohne
Dämpfungsglied; Figur 4: Darstellung des absoluten Phasenfehlers über der Frequenz ohne
Dämpfungsglied; Figur 5: Darstellung eines gemessenen Phasenverlaufs mit Dämpfungsglied; Figur 6: Darstellung eines berechneten Phasenverlaufs mit Dämpfungsglied; Figur 7: Darstellung des absoluten Phasenfehlers über der Frequenz mit
Dämpfungsglied. Zunächst wird die Systemfunktion für die Beschaltung des Messsystems mit dem Dämpfungsglied angegeben. Danach wird auf den Fall ohne Dämpfungsglied spezialisiert und für beide Fälle die entsprechende Phase (Hilberttransformierte der Dämpfung) und deren Abweichungen zur Originalphase angegeben.
Figur 1 zeigt das Blockschaltbild der Messanordnung. Von einer Signalquelle 1 , wird ein Messsignal über einen Koppler 3 und ein Dämpfungsglied 4 zu einem Messobjekt 5 gesendet. Der im Messobjekt reflektierte Anteil des Messsignals wird im Koppler 3 ausgekoppelt und zur Senke 2 (Empfänger) geführt. Gemessen wird die auf den Empfänger 2 zulaufende, also vom Messobjekt 5 reflektierte Leistungswelle b2. Die zugehörige Systemfunktion für die Beschaltung mit dem Dämpfungsglied 4 am Tor 3 lautet:
ax , mit den folgenden Matrizen:
Figure imgf000004_0001
Figure imgf000004_0002
Wird das Dämpfungsglied 4 entfernt, so wird Du = D22 = 0 und D12 = D2ι = 1 und die obige Systemfunktion vereinfacht sich zu:
b2 = £ , ^23 ' ^31 ' R a.
1 — K33 • R
R liegt jetzt am Tor 3'.
Die Berechnung der Phase aus dem Betrag der Leistungswerte erfolgt durch Hilberttransformation, die ihrerseits numerisch durch schnelle Faltung realisiert wird: Φ2 =FFτlFFT- -l n\b2\{f)]-~sign{
Die nachfolgenden Figuren 2 bis 4 zeigen die Unterschiede zwischen der gemessenen und berechneten Phase und die Fehlerfunktionen ohne Dämpfungsglied 4. Auf der Abszisse ist jeweils die Frequenz in MHz angegeben, während auf der Ordinate die Phase in rad aufgetragen ist.
Die Kurve gemäß Figur 2 ist die gemessene Originalphase, während die Kurve in Figur 3 die durch Hilberttransformation bestimmte Phase darstellt.
In Figur 4 ist zwischen den Figuren 2 und 3 bestimmte absolute Phasenfehler über der Frequenz dargestellt. Man erkennt deutlich, dass gerade im mittleren
Frequenzbereich ein sehr großer Phasenfehler bei den berechneten Werten auftritt.
Die Figuren 5 bis 7 zeigen im Vergleich die Unterschiede von gemessener und berechneter Phase sowie die Fehlerfunktionen bei Einsatz eines Dämpfungsglieds 4 von -6 dB, das zwischen Koppler 3 und Messobjekt 5 geschaltet wurde. Der Eigenreflexionsfaktor D1 1 des Dämpfungsglieds 4 beträgt im gezeigten Beispiel 12%. Auch hier ist auf der Abszisse jeweils die Frequenz in MHz angegeben, während auf der Ordinate die Phase in rad aufgetragen ist.
Man erkennt, dass die Phasenkurven der Figuren 5 und 6 nahezu identisch sind, und praktisch kein Phasenfehler auftritt, was auf den Einfluss der zusätzlichen Dämpfung zurückzuführen ist.
In Figur 7 ist wieder der absolute Phasenfehler über der Frequenz aufgetragen. Aus der Darstellung ist zu erkennen, dass nur in der Mitte des Datensatzes ein Phasenfehler auftritt, dagegen wird beim Messsystem ohne Dämpfungsglied 4 gemäß den Figuren 2 bis 4 die Phase über den gesamten Bereich falsch berechnet.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Phasenberechnung aus den Dämpfungswerten mittels Hilberttransformation bei FDR-Messungen, bei dem ein Messsignal über ein Kopplungsglied (3) auf ein Messobjekt (5) geführt wird und der vom Messobjekt reflektierte Anteil am Kopplungsglied (3) ausgekoppelt und gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kopplungsglied (3) und dem Messobjekt (5) ein
Dämpfungsglied (4) in den Signalpfad geschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Koppler selbst als Dämpfungsglied wirkt.
3. Vorrichtung zur Phasenberechnung aus den Dämpfungswerten mittels Hilberttransformation bei FDR-Messungen, mit einer Signalquelle (1 ) für ein Messsignal, einem mit der Signalquelle (1 ) verbundenen Kopplungsglied (3) und einem mit dem Kopplungsglied (3) verbundenen Messobjekt, wobei das Messsignal über das Kopplungsglied (3) auf das Messobjekt (5) geführt wird und der vom Messobjekt (5) reflektierte Anteil des Messsignals über das Kopplungsglied (3) ausgekoppelt und an einer Senke (2) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kopplungsglied (3) und dem Messobjekt (5) ein Dämpfungsglied (4) in den Signalpfad geschaltet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsglied im Kopplungsglied enthalten ist.
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