DE1930187A1 - Phasenriegelkreis - Google Patents

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W-. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

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D-8000 MÖNCHEN 80 · MARIA-THERESIA-STüXSSE 6 · TELEFON (0811) 441061 1930187

North American Rockwell Corporation, Ξ1 Segundo, Calif.. /USA

Phasenriese!kreis

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Phasenriegelschleife - insbesondere für digitalgesteuerte Phasenfehlersignale - zur Feststellung der Phase von einkommenden Signalen zur Verriegelung der Phase eines Referenzsignals im Hinblick auf die Phase eines Eingangssignals.

In vielen Fällen ist es notwendig, die Phase eines einlaufenden Signals zu gewinnen bzw. eine andere Phase mit derselben in Gleichlauf zu bringen. Typis-che; Beispiele dieser Art sind die Gewinnung eines^ Führungssignals bei Datenübertragungssystemen und Phasenverriegelungsdemodulatoren bei frequenzmodulierten Systemen.

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Bekannte Systeme dieser Art verwenden eine Phasenregelschleife.,, in welcher das mit Rausch- und anderen äußeren Signalen versetzte Eingangssignal -einem Vervielfacher . bzw. Phasendetektor zugeführt wird, welcher an seinem zweiten Eingang ein Ausgangssignal eines kontinuierlich veränderlichen spannungsgesteuerten Oszillators erhält. Der Vervielfacher bzw. der Phas.endetek.tor ergibt dann ein Ausgangssignal, das.. proportional zu dem Phasenfehler ist bzw. in einer, gewissen Funktion - beispielsweise einer Sinusfunktion zu dem Phasenfehler steht, der zwischen dem Eingangssignal, und dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators, vorhanden ist. Dieses Fehlersignal wird dann im allgemeinen einem Tiefpaßfilter; zugeführt, wodurch die der Phasendifferenz entsprechende ileichstromk^omponente erzeugt wird. Das gefilterte Phasenfehlersignal wird, dann einem C-Ieichstromver-. stärker zugeführt und zur Steuerung der Frequenz des spannungsgesteurten Oszillators verwendet, dessen Frequenz vorzugsweise eine lineare Funktion, des von. dem Tiefpaßfilter, zugeführten Gleichspannungssignals ist. . . . . .-

Obwohl derartige Systeme -prinzipiell zufriedenstellend arbeiten, so ergeben sich trotzdem Schwierigkeiten. So sind, beispielsweise in dem spannungsgesteuerten Oszillator im allgemeinen Kapazitätsdioden oder ähnliche Elemente eingebaut, um den spannungsgesteuerten Oszillator zum Zweck eines linearen Abhängigkeitsverhältnisses zu beeinflussen. Es ergeben sich jedoch sehr große Schwierigkeiten, ein zufriedenstellendes lineares Abhängigkeitsverhältnis zu erzielen. Selbst wenn jedoch das Linearitätsproblem gelöst ist, ist die Frequenzverschiebung pro Volt Sp'annungsänderung am Eingang des Eirgangssignals nicht genügend groß, um einen zufriedenstellenden-Betrieb zu gewährleisten. Der Betrieb

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des spannungsgesteuerten Oszillators- ist ferner entweder unstabil oder in manchen "Fällen — insbesondere bei Verwendung von Kristallen -"überstabil.'

Ein weiteres Problem ergibt sich in Hinblick auf die Anforderungen.an den Spannungspegel des Steuersignals, welches dem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt wird. Die Schleifenverstärkung bei einer typischen Phasenriege lschle if e erfordert im allgemeinen einen Gleichstromverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor, beispielsweise 30 ÖÖO. Gewöhnliche Gleichstromverstärker weisen jedoch in bekannter Weise Spannungsdriften, Instabilitäten usw. auf.

Demzufolge ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Phasenriegelkreis zu schaffen, der diese oben genannten Nachteile nicht aufweist und der unter Verwendung relativ einfeher Baugruppen einen zufriedenstellenden Betrieb ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein Frequenzverschiebungsoszillator vorgesehen ist, der zwischen einer ersten und zweiten Frequenz mit kontinuierlicher Phase air Erzeugung des Referenzsignals schaltbar ist, wobei die beiden Frequenzen oberhalb und unterhalb der Frequenz des Eingangssignals liegen und daß in.Abhängigkeit des Eingangs signals und des Referenzsignals gesteuerte Schalteinrichtungen vorgesehen sind, durch welche der Phasenfrequenzverschiebungsoszillator von seiner ersten zu seiner zweiten Frequenz und umgekehrt in Abhängigkeit der Differenz der Phasen der beiden Signale geschaltet ist.

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Der Ausgang des Tiefpaßfliters Ist mit einem Vorzeichendetektor verbunden, durch welchen festgestellt · wird, sobald das Phasenfehlersignal in einer der beiden Richtungen einen bestimmten Schwellwert überschreitet, wodurch der Frequenzverschiebungsoszillator in "Abhängigkeit desselben gesteuert wird.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung ergeben sieh verschiedene Vorteile. Erstens entfällt die Notwendigkeit, einen Gleichstromverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor zu verwenden. Fernerhin wird der komplizierte spannungsges teuer, te Oszillator durch einen einfachen Zweifrequenzoszillator ersetzt. Die Notwendigkeit einer Linearität ist somit eliminiert, so daß bei sehr schmalbandiger Auslegung ein Kristalloszillator verwendet werden kann, ohne daß das Problem von zu hoher Stabilität auftritt. ■ · ■

.■Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen im folgenden anhand eines Äusführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer bekannten .Phasenriegelschleife mit einem spannungsgesteuerten Oszillator; und

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Phasenregelschleife gemäß "

der Erfindung. . ■

Im folgenden soll auf die Zeichnung' - insbesondere Fig. 1 - Bezug genommen werden, in welcher eine bekannte Phasenriegelschleif e.'-1O dargestellt ist .Die zu unter-

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,suchende Phase des EingangaäLgnals a (t) , welches ebenfalls Geräusch- und andere Störsignale enthalten kann, wird über eine Leitung 11 einem Vervielfacher bzw.phasendetektor 12 zugeführt, welcher über eine zweite Leitung 13 als zweites Eingangssignal des Ausgangssignals b (t) eines kontinuierlich veränderlichen spannungsge- . steuerten Oszillators ^k erhalt· Der Phasendetektor ergibt ein Ausgangssignal c (t), das proportional".zum Phasenfehler bzw. in einer gewissen Funktion - beispielsweise einer Sinusfunktion-zu dem Phasenfehler' steht. Dieses Phasenfehlersignal wird einem Tiefpaßfilter 15 zugeführt, welcher ein einfacher RC-Kreis sein kann, dessen Ausgangssignal e(t) ein Gleichstromsignal ist/ das der Differenz der Phasen der Signale a (t) und b (t) entspricht. Das Ausgangesignal des Tiefpaßfilters 15 wird über einen einen hohen Verstärkungsfaktor aufweisenden Gleichstromverstärker 16 dem spannungsgesteuerten Oszillator 1^ zur Steuerung dessen-Frequenz zugeführt.

Unter der Annahme, daß das Eingangssignal a (t) durch die folgende Gleichung .

a(t) = Asin (u _Qt + Q,_±) (1)

und das "Signal b'(t) durch die Gleichung

b(t) = Bcos (ω■ t + θ_ο) (2) '

dargestellt ist, dann ergibt der als Produkteinrichtung arbeitende Phasendetefctor 12 ein Ausgangesignal c(t), das durch die folgende Gleichung

c(t) = ABsin (üJ ₀± + 9_i)cos(^_ot + Q_Q) (3) = 1/2AB/sin (2cJ _Qt +Q₁ + 9₀) +

: ■■■':. . -6-909886/1007

wiedergegeben werden kann. Es ist einleuchtend, daß der Ausgang des Phasendetiektors 12 einen Bestandteil aufweist, der proportional zu der Differenz der Phasen der Eingangssignale ist. Das Tiefpaßfilter 15 eliminiert die zweite Harmonische 2 u> , wodurch nur die Gleichstromkomponente sin(0. - θ ) übrig bleibt^ Solange sin(Q^ - &₀) klein ist, was gewöhnlich der Fall ist, kann dieser Ausdruck durch (Θ. - θ ) ersetzt werden. Demzufolge kann das Ausgangesignal e(t) des Tiefpaßfilters 15 durch die folgende G-Ie ichung ;

■ ■ e(t) = 1/2ABsin (Q₁ - ^θ ₀>

ersetzt werden, wobei K eine konstante und θ .der Phasen-

". ■ III fc*

fehler ist.

Der spannungsgesteuerte Oszillator 14 verändert seine .'■''_ Frequenz K radiane pro Sekunde pro Volt der Steuerspannung. Wenn demzufolge der Verstärker 16^einen Verstärkungsfaktor. A aufweist, dann kann die Änderung der Frequenz Au) des Oszillators 14 durch folgende Gleichung

AO= AK_oe(t) -V .,. (5)

wiedergegeben werden. Durch Auflösung der Gleichungen ti· und für e(t) und durch Substitution ergibt sieh

= e(t) =

AK

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Als typisches Beispiel einer Phasenverriegelung bei einem 1800 Hz-Signal sei angenommen, daß dasselbe + 5.Hz variiert und eine Phasenverriegelung, innerhalb eines Bereiches von 1° erreicht werden soll. Bei Substitution dieser Werte.in Gleichung 7 ergibt' sich .

m^Ko^A - θ~ - 2 7Γ/30Ο

Bekannte Produktdetektoren beispielsweise der Phasendetektor 12 weisen im Hinblick auf praktische Erregungen - wie Überbelastung - K -Werte in der Größenordnung von 0,1 oder weniger auf. Wenn aus'Stabilitätsgründen ein Kristalloszillator verwendet wird, dessen Frequenz durch Frequenzhalbierung bis auf 18oO Hz erniedrigt worden ist, kann angenommen werden, daß K etwa 0,1 Hz pro Volt bzw. f. = 2Tf (0,1) = 0,6 beträgt. Bei Substitution dieser V/erte in Gleichung 8 und Auflösung nach A ergibt sich

α 1SOO 1800 ,v

^{A =} ^iT ⁼ 0,1 χ 0,6 =30.000. (9)

Wie dies bereits erwähnt wjrden ist, ergibt ein /erstärker mit derartig hohem Verstärkungsfaktor nennenswerte Schwierigkeiten wegen Instabilitäten, Driften usw.

Im folgenden soll auf Fi<g. 2 Bezug genommen werden, in

welcher eine Phasenregelschleife gemäß der Erfindung dargestellt ist, wobei-die auftretenden Probleme durch Vermeidung eines Gleichstromverstärkers 16 und eines kontinuierlich veränderlichen gesteuerten Oszillators 1'^ vermieden sind, Der spannungsgesteuerte Oszillator 1^f wird durch einen einfachen FrequenzverschiebungsoszillatOr 17 ersetzt, der in der Lage ist, zwei gewählte Frequenzen zu erzeugen. Der Frequenz-

BÄD ORIGINAL -8-

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Verschiebungsoszillator 17 muß dabei in der Lage sein, von einer Frequenz zur anderen abrupt mit kontinuierli- eher Phase zu springen. Bei einer derartigen Ausbildung wird das Ausgangssignal, des-Tiefpaßfilters 15 einem Vorzeichendetektor 18 zugeführ.t, der feststellt, ob das Phasenfehlersignal in einer der beiden Richtungen einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Das Ausgangs signal des Vorzeichendetektors 18 - der beispielsweise ein einfacher Flip-Flop-Kreis seih"kann, welcher von einem Zustand in den anderen durch das Ausgangssignal des Tief-paßfliters-15 geschaltetwird - wird einem Schalter 19 zugeführt, der die Frequenz des Frequenzverschiebungs-"Oszillators 1? steuert. Der Schalter 19 befindet sich kontinuierlich im An- oder Auszustand, so daß der FrequenzverschiebungsGSzillator 1? auf einer oder anderen Frequenz seiner beiden Frequenzen schwingt. -

Wenn -die Phase des Ausgangssignals des Frequenzverschiebungsoszillators 17 der Phase des Eingangssignals auf der Leitung 11 nacheilt, bewirkt der Schalter 19 eine Umschaltung auf die höhere Frequenz, auf welcher sie solange bleibt, bis die Phase dieses Signals die Phase des Eingangssignals auf der Leitung 11 erreicht.hat* Sobald die Phase des Ausgangssignals des Frequenzverschiebungs-.oszillators 17 der Phase des Eingangssignals von der Leitung 11 um einen bestimmten Wert voreilt, bewirkt der Schalter 19, daß der Frequenzverschiebungsoszillator 17 auf seine_niedrige Frequenz geschaltet wird, auf welcher er solange bleibt, bis das Eingangssignal der Leitung 11 phasenmäßig erreicht ist. Auf diese Weise wird die Phase des Signals auf der Leitung 13 kontinuierlich inner--'

ORIGINAL

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halb eines vorgegebenen Wertes der Phase des Eingangssignals der Leitung ΊΊ gehalten. '.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung seien nun erörtert. Nicht nur eliminiert sich die Notwendigkeit einer Vorsehung eines Gleichstromverstärkers, sondern auch die Vorsehung eines komplexen kontinuierlich veränderlichen spannungsgesteuerten Oszillators mit seiner Linearitäts'bedingung. Zusätzlich kann für Schmalbandbetrieb - beispielsweise bei Fuhrungssignalsgewinnung ein Kristalloszillator für den Frequenzverschiebungsoszillator 17 verwendet.werden, ohne daß eine zu hohe Stabilität eintritt.

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Claims (1)

1. Pat e nta'ns prüche

   1*. ,/Phasenriegelschleife - insbesondere für digitalgesteuerte Phasenfehlersignale - zur Feststellung der Phase von einkommenden Signalen zur Verriegelung der Phase eines Referenzsignals im Hinblick auf die Phase eines Eingangssignals , dadurch · g e k e η η ze ich net, daß ein Frequenzverschiebungsoszillator (1^) vorgesehen ist, der zwischen einer ersten und zweiten Frequenz mit kontinuierlicher Phase zur Erzeugung des Referenzsignals schaltbar ist, wobei die beiden Frequenzen oberhalb und unterhalb der Frequenz des Eingangssignals liegen, und daß in Abhängigkeit des Eingngssignals und des Referenzsignals gesteuerte Schalteinrichtungen ,(19) vorgesehen sind, durch welche der Phasenfrequenzverschiebungsoszillator (17) von seiner ersten zu seiner zweiten Frequenz und umgekehrt in Abhängigkeit der Differenz der Phasen der beiden Signale geschaltet ist.

   2» Phasenreglerschleife nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e ich η e t, daß die Schalteinrichtungen (19) die Eingangssignale und Referenzsignale multiplizieren.

   3· Phasenreglerschleife nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η ζ e i ch η e t, daß die Schalteinrichtungen (19) ein Tiefpaßfilter (15) aufweisen, welches ein dem Phasenfehler der beiden Signale proportionales Gleichstromsignal durchläßt.

   4. Phasenregelschleife nach Anspruch 3» dadurch "ge:-, k e η η ζ e i e h η e t, daß die Schalteinrichtung (19) einevon dem Gleichstromsignal gespeiste Einrichtung aufweist,

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   welche festlegt, ob der Phasenfehler einen bestimmten Wert in einer der beiden Richtungen überschreitet, und welche den einen oder anderen der beiden Signal-identifizierenden Zustände erzeugt.

   5· Phasenregelschleife nach Anspruch ^,dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (19) eine Einrichtung (19) aufweist, die ein Umschalten des Oszillators (17)" von einer ersten in eine zweite Frequenz bewirkt,, sobald das Phasenfehlersignal einen bestimmten Wert überschreitet.

   6. phasenregelschleife nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η nze ic h η e t, daß der Oszillator (17) auf seine höhere Frequenz geschaltet ist, sobald die Phase des Referenzsignals der Phase des ■Eingangssignais nacheilt, und auf seine niedrige Frequenz gescteltet ist, sobald die Phase des Referenzsignals der Phase des Eingangssignals voreilt.

   7. Phasenregelschleife nach einem der vorhergehenden Arisprüche, dadurch ge k e η η ζ ei c h η e t, daß die Schalteinrichtungen (19) einen Phasendetektor (12) aufweisen.

   8. Phasenregelschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (19) eine das Eingangssignal und das Referenzsignal gesteuerte Einrichtung aufweist, welche feststellt, ob die Differenz der Phasen einen bestimmten Wert in einer der beiden Richtungen überschreitet und welche den Oszillator (14) von seiner ersten auf seine zweite Frequenz schaltet, sobald die Differenz einen bestimmten Wert überschreitet.

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