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Phasenverriegelte Regelschleife Die Erfindung betrifft eine phasenverriegelte
Regelschleife (Phase-Locked-Loop, im folgenden PLL genannt) gemäß der Gattung des
Patentanspruchs 1.
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Die in der Hauptanmeldung (P 24 13 604.7) beschriebene phasenverriegelte
Regelschleife vermeidet nicht nur die Nachteile bekannter PLL-Methoden, bei denen
ein spannungsgesteuerter Oszillator verwendet wird, sondern sie bringt darüber hinaus
die Vorteile leichter digitaler Programmierbarkeit und schneller Messung.
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Es hat sich Jedoch herausgestellt, daß auf dem Gebiet des Verkehrswarnfunks
höchste Ansprüche an das Selektionsvermögen einer Regelschleife zu stellen sind,
wobei die Selektion aber nicht auf Kosten der Schnelligkeit einer Frequenz erkennung
erhöht werden sollte.
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Rundfunksender mit Verkehrsfunkmeldungen strahlen in der Bundesrepublik
Deutschland seit 1972 zusätzlich einen 57-kHz-Pilotton aus.
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Zur Unterscheidung der Rundfunkanstalten im Hinblick auf die von ihnen
erfaßten regionalen Bereiche wurde ein Bereichskennungssystem entwickelt, wie es
in der Funk-Technik 15 (1973) Seite 528 beschrieben ist. Bei ihm ist der 57-kHz-Pllotton,
den Jeder UKW-Verkehrsfunksender ausstrahlt, mit einer der sogenannten Bereichskennfrequenzen
von 23,75 Hz ... 53,98 Hz amplitudenmoduliert,
die durch Frequenzteilung
aus dem Pilotton gewonnen werden.
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Zur Erkennung von BereichsKennfrequenzen sind Methoden mit Regelschleifen
bekannt. Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Auslegung derartiger Regelschleifen
ist eine hohe Selektion und damit verbunden eine geringe Störanfälligkeit der Regelschleife,
wobei Jedoch auf eine genügende Schnelligkeit einer Frequenzerkennung häufig nicht
verzichtet werden darf. Der Anmelderin ist es gelungen, mit einem neuartigen Verfahren
die mittlere Ansprechzeit selbst bei den tiefsten Bereichskennfrequenzen von ca.
270 ms auf ca. 150 ms zu verkürzen und außerdem eine höhere Selektion zu erreichen
als es mit bekannten Regelschleifen möglich ist.
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Bei einer PLL werden die Frequenz und auch die Phasenlage eines in
einem Frequenzgenerator, z.B. einem regelbaren Oszillator erzeugten Referenzsignals,
mit der Frequenz bzw. Phasenlage eines Eingangssignals in ein festes definiertes
Verhältnis gebracht.
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Folgt die Generatorfrequenz der Eingangsfrequenz, so sagt man, das
Eingangssignal ist mit dem Referenzsignal verriegelt oder die Regelschleife ist
eingerastet.
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Bei der PLL-Methode wird nicht die Dauer einzelner Schwingungsperioden
ausgewertet, es gelangt vielmehr der Grundwellengehalt zur Auswertung, so daß Störspitzen
keine Verfälschungen bewirken.
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Eine PLL kann nur dann einrasten, wenn das Eingangssignal innerhalb
eines bestimmten Frequenzbereiches a f liegt, innerhalb dessen die Frequenz des
Referenzsignals nachsteuerbar ist, den Bereich 6f nennt man Fangbereich der PLL.
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Soll eine hohe Selektion und damit stabile Frequenz und Phase erreicht
werden, ist der Fangbereich der PLL klein zu wählen.
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Ein kleiner Fangbereich bringt aber den Nachteil mit sich, daß bei
einer anfangs vorhandenen ralschen Phasenlage zwischen Eingangssignal und Referenzsignal
eine Korrektur nur sehr langsam vor sich gehtJ so daß die PLL eine sehr lange Zeit
zum Einrasten benötigt. Andererseits hat ein kleiner Fangbereich den Vorteil hoher
Störsicherheit.
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Um sowohl eine hohe Selektion als auch ein schnelles Einrasten einer
PLL zu verhalten, findet man in der Zeitschrift Electronic Design, 20. july 1964
S. 59> den Vorschlag, einen anfänglich breiten Fangbereich-nach dem Einrasten
der PLL auf einen schmalen umzuschalten. Auch bei einer in der Funk-Technik 1973,-Nr.
2 S. 46 beschriebenen PLL wird vorgeschlagen, eine Tiefpaßzeitkonstante umschaltbar
zu machen, wodurch die gleiche Wirkung erreicht wird. Beide Regelschleifen haben
Jedoch den Nachteil, daß bei ihnen aus Toleranz- und Alterungsgründen des verwendeten
spannungsgesteuerten Oszillators die Selektion nicht genügend groß gemacht werden
kann.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die in der Hauptanmeldung
beschriebene Regelschleife in der Art zu verbessern, daß eine möglichst hohe Selektion
erreicht wird, ohne die Einrastzeit der PLL zu verlängern.
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Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1
angeführten Merkmale erfüllt.
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Die Erfindung hat den großen Vorteil, daß mit ihr trotz einer stark
erhöhten Selektion eine wesentlich verkürzte Frequenzkennungszeit erreicht wird,
so daß die erfindungsgemäße PLL ein schnelles Einrasten und eine hohe Störsicherheit
bei auftretenden Fehlsignalen gewährleistet.
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Mit der erfindungsgemäßen Regelschleife wird in vorteilhafter Weise
vermieden, daß Frequenzen, die nur wenig außerhalb des schmalstenFangbereiches der
PLL liegen und bei bekannten Verfahren Schwebungen mit sehr kleinen Schwebungsfrequenzen
und somit sehr großen Schwebungsperioden hervorrufen, bei denen in einzelnen Zeitabschnitten
für ein Auffüllen eines Integrators günstige Phasenbeziehungen existieren, als innerhalb
des ein- -gestellten Fangbereiches der PLL liegend erkannt werden.
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Ein weiterer Vorteil ist darin begründet, daß die erfindungsgemaße
PLL leicht in integrierter Form herstellbar ist.
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Im folgenden wird die erfindungsgemäße PLL anhand einer Zeichnung
beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschema, Fig. 2 qualitativer Verlauf einer
Phase f als Funktion der Zeit für verschiedeneFrequenzbereiche Af, Fig. 3 a Abhängigkeit
von Tastverhältnissen ul, u2 von einer Phase ybei eingerastetem Zustand, Fig. 3
b zwei Signalfolgen fM und fL und eine daraus durch Antivalenzbildung gewonnene
Folge, Fig. 4'Breiten des Fangbereiches der PLL als Funktion eines Zählerstandes
Z.
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Ein zu erkennendes Eingangsstnal fM und ein Ausgangssignal fL eines
spannungsgesteuerten Frequenzteilers 1 liegen als Digitalsignale an den Eingängen
eines ersten Phasenkomparators 2, der z.B. aus einem Xquivalenzglied bestehen kann.
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Am Eingang des Frequenzteilers 1 liegt eine konstante Signalfrequenz
fF, aus der man durch Multiplikation mit einem geeigneten Faktor die Eingangsfreqüenz
fM erhält. Die Wirkung des Frequenzteilers 1 ist der Hauptanmeldung zu entnehmen.
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Bei der vorliegenden Verbesserung steuert eine Ausgangsgröße des ersten
Phasenkomparators 2 mit einem Tastverhältnis u1, die eine Information über die Phasendifferenz
zwischen den Frequenzen zum und fL enthält, über einen ersten Eingang 3 das Teilerverhältnis
des Frequenzteilers 1. Dabei ist eine Nachsteuerung nur innerhalb eines Frequenzbereiches
d f = f2 - £1 möglich, wobei die Frequenzen f1 und £2 Grenzfrequenzen für den Fangbereich
der PLL darstellen.
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Liegt die Frequenz SM des Eingangssignals innerhalb des eingestellten
Frequenzbereiches # f des Frequenzteilers 1, wird die von ihm erzeugte Referenzfrequenz
fLin die Richtung von gezogen, bis die Regelschleife eingerastet ist. Dieser Zustand
ist dann erreicht, wenn zum = ist, weil die Phase zwischen Eingangssignal und Referenzsignal
in diesem Fall konstant ist und am Steuereingang 3 des Frequenzteilers 1 ein binäres
Signal mit konstantem Tastverhältnis liegt.
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Wenn das EingangSsignal mit der Frequenz fM in der Mitte des am Frequenzteiler
1 eingestellten Fangbereiches der PLL liegt, beträgt bei eingerastetem Zustand die
Phase zwischen den beiden Frequenzen fM und fL innerhalb gewisser Grenzen bekanntlich
900, da zwischen der Phase einerseits und demeingestelltenFrequenzbereich auf und
der Zeit t andererseits folgende Beziehung besteht (bei einer Anfangsphase (f(o)
0):
Aus dieser Beziehung, deren graphische Darstellung der Fig. 2 zu
entnehmen ist, bzw. aus der Ableitung d die A f . exp dt (-2 bft) läßt sich leicht
ablesen, daß zum schnellen Annähern der Phase y an den Grenzwert 2- ein möglichst
großer Frequenzbereich A f zu wählen ist. In der graphischen Darstellung resultiert
hieraus eine hohe Anfangssteigung der Kurve (Fig. 2).
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Für den Fall, daß eine zu erkennende Frequenz zum nicht in der Mitte
des Frequenzbereiches nurfliegt, rastet die PLL bei einer Phase ein, die zwischen
o und Sr liegt und bekanntlich einem Grenzwert
zustrebt.
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Hat die PLL eine Anfangsphase ffi bereits im wesentlichen in Richtung
auf den Wert 27 korrigiert, so wird nicht mehr der 2 gesamte Fangbereich benötigt,
weil die Frequenz t in diesem Zeitpunkt bereits in der Nähe von zum liegt. Aus dieser
Kenntnis heraus entstand die Idee, noch während des Vorgangs bis zum Einrasten den
Fangbereich stufenförmig einzuengen, wobei Anzahl und Höhe der Stufen mit Hilfe
eines noch zu beschreibenden Vorwärts-Rückwärts-Zählers 6 und einer Logikschaltung
10 im Frequenzteiler 1 eingestellt werden. Auf diese Weise erreicht man zum Zeitpunkt
des Einrastens eine sehr hohe Selektion, ohne zu Beginn des Fangvorganges auf einen
breiten Fangbereich verzichten zu müssen.
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Um eine derartige Variation des Frequenzbereiches A f zu erhalten,
werden das Eingangssignal mit der Frequenz für und das Referenzsignal mit der Frequenz
fL einem zweiten Phasenkomparator 4 zugeführt, wobei das Referenzsignal vorher mit
Hilfe eines 900 -Phasendrehgliedes 5 in der Phase gedreht wird.
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Ein Ausgangssignal des zweiten Phasenkomparators 4 mit einem Tastverhältnis
u2 kann nicht unmittelbar zur Steuerung eines Frequenzbereiches # f und zur Anzeige
eines Einrastens benutzt werden, da durch unkohärente Eingangssignale kurzzeitig
jede Phasenbeziehung zwischen zum und fL auftreten kann. Daher wird das Ausgangssignal,
um eine sichere Erkennung zu verhalten, in einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 6 über
eine gewisse Anzahl von Perioden des Eingangssignals mit der Frequenz t integriert.
Je größer diese Integrationszeit gewählt wird, desto mehr Sicherheit erhält man
gegen Störungen oder Schwebungsfrequenzen.
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In der Fig. 3 a sind ein Signal mit der Frequenz zum und ein weiteres
mit der Frequenz fL aufgetragen, die um eine Phase y gegeneinander verschoben sind.
Darunter ist ein Signal mit einem Tastverhältnis ul dargestellt, das durch Antivalenzbildung
aus den Signalen zum und fL gewonnen wurde. Bezogen auf die Periode 2 des Signals
Rot hat das untere Signal eine Periode 2f.
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Definiert man ein Tastverhältnis als das Verhältnis von Impulsdauer
# zu Periodendauer #, so gilt für das Tastverhältnis u1 die Beziehung
im Bereich
d.h. das Tastverhältnis ul ist proportional dem Betrag der Phase Ist . Ist die PLL
bei # = # eingerastet, so gilt u1 = 1 . Dies 2 bedeutet, daß in eingerastetem Zustand
der Frequenzteiler 1 die Frequenz t gleich lange durch die obere Grenzfrequenz f2
und die untere Gren Mittenfrequenz
so daß im Mittel durch eine geteilt wird.
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Liegt die zu erkennende Frequenz fM nicht in der Mitte des Fangbereiches
4 f der PLL> ergibt sich aus einer einfachen Uberle-#1 gung die Beziehung T proportional
fM - fm.
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Da die Ausgangsgröße des zweiten Phasenkomparators gegenüber der des
ersten Phasenkomparators um 900 phasenverschoben ist, ergibt sich für das Tastverhältnis
u2:
Die fastverhältnisse u1> u2 sind in Fig. 3 b in Abhängigkeit von der Phase 9
aufgetragen.
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Der Vorwärts -Rückwärts-Zähler 6 ist so aufgebaut, daß er das Zeitintegral
einer Funktion u2 - u0 bildet, wobei u0 eine einstellbare Größe darstellt. Hierdurch
läßt sich erreichen, daß eine Eingangsfrequenz £M nur dann zur Anzeige gelangen
kann, wenn sie nicht nur innerhalb des Fangbereiches der PLL liegt, sondern ausserdem
auch innerhalb eines eingestellten schmaleren Frequenz-, intervalls, in dessen Mitte
die Mittenfrequenz fm liegt. Dieser Sachverhalt läßt sich mit einer Phasenbeziehung
dadurch ausdrükken, daß die Eingangsfrequenz fM dann zur Anzeige gelangt, wenn in
eingerastetem Zustand zwischen ihr und der Frequenz fL eine Phasendifferenz y besteht,
für die gilt
wobei g durch den Wert von u0 bestimmt ist und Werte
annehmen kann (Fig. 3 b).
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Das Ausgangssignäl des zweiten Phasenkomparators 4 wird einem Eingang
des Vorwärts-Rückwärts -Zählers 6 zugeführt. Gleichzeitig gelangt es an einen Steuereingang
eines Frequenzumschalters 7.
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Am Frequenzumschalter 7 liegen zwei einstellbare Taktfrequenzen und
f an. Das binäre Ausgangssignal des zweiten Phasenkomparators 4 steuert nach einem
bekannten Verfahren den Frequenzumschalter
7 in der Weise, daß
bei Vorhandensein eines Impulses (Zustand 1) die erste Taktfrequenz t als Clockfrequenz
für den Vorwärts -Rückwärts-Zähler 6 6 dient und der Zähler rückwärts zählt. In
den übrigen Zeiten, in denen das Ausgangssignal den Zustand 0 besitzt, dient die
Taktfrequenz fB als Clockfrequenz und der Zähler 6 zählt vorwärts. Vom Vorwärts
-Rückwar'ts -Zähler 6 ist weiterhin zu fordern, daß er eine Überlaursperre in beiden
Zählrichtungen besitzt. Durch Einstellen eines kritischen Tast,-verhältnisses mit
Hilfe der Taktfrequenzen fAund fB erreicht man nach einem bekannten Verfahren, daß
der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 6 nur dann hochzählt, wenn das Tastverhältnis u2 kleiner
als das kritische Tastverhältnis ist.
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An Ausgängen 8, 9 des Vorwärts -Rückwärts -Zählers 6 lassen sich Informationen
über die Zustände des höchstwertigen und des zweithöchsten Bits des Vorwärts -Rückwärts
-Zählers 6 abnehmen, die in einer einfachen logischen Schaltung 10 ausgewertet werden.
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Durch diese Auswertung lassen sich Schaltpunkte gewinnen. Dies läßt
sich einfach an einem 4-Bit-Zählerdemonstrieren, der bekanntlich von 0 bis 15 zählen
kann. Bei ihm ändern sich Zustände von mindestens einem der beiden höchstwertigen
Bits beim Übergang von der Dezimalzahl-drei nach vier, von sieben nach acht und
von elf'nach zwölf.
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Diese Zustandsänderungen werden in der logischen Schaltung 10 in der
Art ausgewertet, daß über zwei Leitungen 11 und 12 der Frequenzbereich # f des Frequenzteilers
1 gesteuert wird. So können z.B. die anfangs vorhandenen Grenzfrequenzen f1 und
2 beim Übergang des Zählerstandes von einem unteren Wertbereich zu einem höheren
(beim 4-Bit-Zähler beim Übergang von drei nach vier) auf andere Grenzfrequenzen
f11 und f21 umgeschaltet werden, für die gelten muß f1 < 4 f2, > f2, so daß
ein engerer Fangbereich
der PLL entstanden ist. Entsprechend kann
bei den anderen Zustandsänderungen des Vorwärts -Rückwärts -Zählers 6 verfahren
werden. Insgesamt erhält man also während des Hochzählens des Vorwärts-Rückwärts-Zählers'6
ein stufenförmiges Engerwerden des Fangbereiches der PLL.
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Man kann nun die vorletzte Schaltstufe des Vorwärts-Rückwärts-Zählers
6 dazu benutzen, die PLL auf den engsten Frequenzbereich # fn = f2n ~ f1n zu schalten.
Die höchste Schaltstufe mit enem Schaltpunkt S wird dann dazu verwendet, an einem
Ausgang 13 der logischen Schaltung 10 eine Information über das Einrasten der PLL
in dem engsten Fangbereich abzugeben.
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Wie oben erläutert wurde, kann der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 6 nur
dann hochzählen, wenn das Tastverhältnis u2 kleiner als ein eingestelltes kritisches
Tastverhältnis ist. Jedem Frequenzbereich 6 f, d f1 ... d f läßt sich ein Phasenbereich
zuordnen. Wenn ein Eingangssignal mit der Frequenz fM innerhalb des schmalsten Frequenzbereiches
a fn liegt, kann es nur dann am Auszanz 13 zur Anzeige zelanzen. wenn in einzerastetem
Zustand zwisohen ihm und der Frequenz fL eine Phase
besteht. Es ist zu beachten, daß d in allen Frequenzbereichen # f, # f, ... # f
eine konstante Größe bleibt, die nur von n der Einstellung des kritischen Tastverhältnisses
u0 abhängt.
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Besitzt das am ersten Phasenkomparator 2 liegende Eingangssignal eine
Frequenz fMIdie wenig außerhalb des schmalsten Frequenzbereicheshfn des Frequenzteilers
1 liegt, besteht bei bekannten Regelschleifen, bei denen der Fangbereich konstant
ist, die große Gefahr, daß Schwebungen mit sehr kleinen Schwebungsfrequenzen und
somit sehr großen Schwebungsperioden enststehen. Dadurch ergeben sich in den einzelnen
Perioden Zeitabschnitte mit Phasenbeziehungen,
die ein Auffüllen
eines Integrators ermöglichen und häufig zu Fehlschaltungen führen.
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Bei der hier beschriebenen PLL sind derartige Fehlschaltungen aus
folgenden Gründen nicht mehr möglich. Eine Frequenz SMß die wenig außerhalb des
schmalsten Frequenzbereiches # fn liegt, fällt noch in den anfänglichen Frequenzbereich
# r und somit in den anfänglichen Fangbereich der PLL. Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler
6 kann nur so weit hochzählen, wie die Frequenz fM noch innerhalb eines der Frequenzbereiche
A f> # f1 und zwischen ihr und der Frequenz fIJ die Beziehung # + # gilt. Sind
bei einer Umschaltung auf einen
nächstengeren Frequenzbereich diese Bedingungen nicht mehr erfüllt, wird der Vorwärts
-Rückwärts -Zähler 6 an diesem Umschaltpunkt stehen bleiben. In diesem Zustand bleibt
die PLL eingerastet, und es ist nicht möglich, daß der Vorwärts-Rückwärts-Zähler
6 bis zum Schaltpunkt S hochzählt und die Frequenz fM am Ausgang'l3 zur Anzeige
gelangt.