DE2501714C2

DE2501714C2 - Digitale Frequenznachlaufschaltung zur kontinuierlichen Messung der Trägerfrequenz von Impulsen

Info

Publication number: DE2501714C2
Application number: DE2501714A
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Ing. 2804 Lilienthal Schnell; Wolfgang Dipl.-Ing. 2801 Neukrug Stedtnitz
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1975-01-17
Filing date: 1975-01-17
Publication date: 1984-06-07
Also published as: NO143182B; FR2298112A1; NO143182C; DE2501714A1; NO760029L; FR2298112B1

Description

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Oszillator (5) einstellbar ist und dessen Bandbreite 40 wenn gerade ein neuer Einheitsinipuls eingelesen wird, durch einen Vor-/Rückwärtszähler (19) veränderbar immer ein Einheitsimpuls an der gleichen Bit-Stelle. Die

Stelle des Schieberegisters, in dem der Einheitsimpuls

ist, wobei der Vor-/Rückwärtszähler (19), der tv.it den Korrekturimpulsen beaufschlagt ist, ebenfalls mit dem Oszillator (5) verbunden ist.

3. Digitale Frequenznachlaufschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite des kommutativen Nachlauffilters (1) durch Überbrückung seiner Längswiderstände mit einem oder mehreren geschalteten Feldeffekttransistoren veränderbar ist.

steht, ist ein Maß für das Verhältnis der Signalfrequenz zur Schiebetaktfrequenz.

Es ergibt sich für jede Richtung je ein Korrektursignal, um den als VCO aufgebauten Schiebetaktoszillator zu hohen oder tiefen Frequenzen zu verstellen. Dies geschieht so lange, bis sich ein Frequenzteilerverhältnis eingeregelt hat, das durch die Wahl der Speicherplätze festgelegt ist. Die erfindungsgemäße Frequenznachlaufeinrichtung arbeitet also in weiten Frequenzbereichen.

In weiterem Ausbau des Erfindungsgedankens wird

ein weiterer Nachteil bisheriger Schaltungen behoben, daß nämlich die Phasenlage der Signalspannung im

Die Erfindung betrifft eine digitale Frequenznach- 55 Zeitpunkt des Einschaltens bei Impulsbetrieb auf den !aufschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ge- Einschwingvorgang -·--<-<■-<— *>■-«■■<> <-- ^-~°-~

nannten Art.

In Doppler-Sonargeräten muß die Trägerfrequenz der Impulszüge von Echos sehr genau gemessen werden. Das bietet Schwierigkeiten, da die Impulse zeitig eo kurz sind. Während des Impulses kann dieser durch Interferenzen oder durch Luftblasen unterbrochen werden. Die Frequenz ist aber das direkte Maß für die Geschwindigkeit, so daß sich unter solchen Umständen Fehlmessungen ergeben. 6ί

Es ist bekannt, die Frequenz des Empfangssignals dadurch /u messen, daß man die Frequenz eines VCO (Voltage Control Oszillator) so einregelt, daß sie mögerheblichen Einfluß hat. Dieser Ausbau besteht im Einfügen einiger Flipflops in die erfindungsgemäße Schaltung. Es wird erreicht, daß

1. nur ganze Schwingungen analysiert werden,

2. Anfang und Ende jeder Signalschwingung getaktet werden, daß heißt, mit der Flanke des Schieberegisters zusammenfallen. Der Schiebetakt ist etwa ein Vielfaches der Signalfrequenz, zum Beispiel ca. sechzehnfach,

3. nach Beendigung eines Impulszuges die »Vorgeschichte« »vergessen« wird. Bei Beginn eines Impulszugcs werden die Flanken als Einheitsimpulxe

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in das Schieberegister eingelesen. Schon nach einer Schwingung kann der erste Korrekturimpuls erzeugt werden. Die Regelung ist also im eingeschwungenen Zustand »phasenstarr«.

Da der Schiebetakt jeweils so nachreguliert wird, daß er der n-fachen Signalfrequenz entspricht, kann mit dem Schiebetakt oder einem ganzzahligen Bruchteil davon ein auf diese Weise mitlaufendes kommutatives Filter gesteuert werden. Dadurch ist auf einfache Weise eine scharfe Bandeingrenzung des Dopplerspektrums möglich.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die digital aufgebaute erfindungsgemäße Frequenznachlaufschaltung einen weiten Fangbereich besitzt, der sich durch Erhöhung der Anzahl der Stellen des Schieberegisters beliebig erweitern läßt. Die digitale Schallung ist weiterhin völlig driftfrei. Die erfindungsgemäße Schaltung ist im eingeschwungenen Zustand phasenstarr.

Dopplersignale schwanken von Impuls zu Impuls statistisch in der Phasenlage. Dient ein Regclvorgang der Phasennachregelung nach Impulsbeginn. so ist es erwünscht, diesen Rcgelvorgang zu vermeiden, da er nur zur Unruhe im Regelkreis beiträgt, ohne der Genauigkeit der Frequenznachführung zu nützen. Liegen nur wenige Schwingungen im Pulsbetrieb zur Frequenzanalyse vor, so versa- μ gen alle herkömmlichen Schaltungen. Denn der Phasenreglervorgang ist noch im vollen Gange, wenn der Signalimpuls bereits vorbei ist.

Während der Phasenregelung muß zwangsmäßig kurzfristig die Frequenz verstellt werden. Infolge des unvollkommen abgelaufenen Regelvorganges in der relativ langen Impulspause bleiben dann Regelabweichungen des spannungsgesteuerten Oszillators stehen, die zu großen statistischen Fehlern führen. w

In der erfindungsgemäßen Schaltung darf bei genügender Bit- Zahl η des Schieberegisters die Phasenlage von Impuls zu Impuls beliebig schwanken, ohne daß ein Korrektursignal erzeugt wird.

Die erfindungsgemäße Nachlaufschaltung ist al- ·»> so den Bedingungen der Dopple:-Sonargcräte angepaßt.

Obgleich die Sendeimpulse kohärent sind, werden die Empfangsimpulsc im wesentlichen inkohärent, obwohl währeirj des Impulses Kohärenzbc-Ziehungen wirksam sind. Die Kohärenzzeit liegt al- ■ so in άζτ Größenordnung der Impulslänge selbst oder liegt wesentlich darunter. Die erfindungsgemäße Nachlaufsteuerung aber arbeitet mit den Eigenschaften eines schnellen Phasendiskriminators.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 Blockschaltbild einer Frequenznachlaufschaltung, F i g. 2 Schaltung eines kommutativen Filters,

F i g. 3 Zeit-Impulsplan des Schieberegisters.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Frcquenznachlaufschaitung. Das Empfangssignal trägt die Dopplerfrequenz und ist auf eine passende Zwi- μ schenfrequenz umgesetzt. Beim Eingeben in die Schaltung passiert s.. ein kommutatives Filter 1. Hierauf wird es in einem Begrenzer-Verstärker 2 verstärkt. Sodann wird das Signal in einem Schmitt-Trigger 3 auf digitalen Normpegcl gebracht. Mit Hilfe des |K-Flipflops 4 wird es mit dem Schiebelakt synchronisiert. Der Schiebetakt wird von dem spannungsgcsieuerten Oszillator 5 mit nachgeschaltetem 2 -. 1 -Teiler 6 erzeugt. Er wird vom Q-Ausgang des Teilers 6 den Clock-Eingängen der Flipflops 4 und 7 zugeführt. Dem Flipflop 4 folgt das Flipflop 7. Dieses verschiebt das Signal um einen .Schiebetakt. Durch UND-Kombination der beiden Signale erzeugt Tor 8 einen negativen impuls, der mit der positiven Flanke des Eingangssignals zusammenfällt und einen Schiebetakt breit ist. Dieser Impuls wird im Tor 9 invertiert. Ein weiteres Flipflop 10 unterdrückt den ersten vom Flipflop 7 erzeugten, vom Signal abgeleiteten Impuls, da dieser Impuls in seiner zeitlichen Lage nicht vom Signal, sondern vom Schieberegister 12 bestimmt sein könnte. Der Zeitfenstertakt gibt nur dann den Weg f& das Empfangssignal zur Frequenzanalyse frei, wenn das Signal von störend.. -. Nebenerscheinungen frei ist.

Der zweite vom Flipflop 7 erzeugte Impuls kann aber nur vom Signal selbst erzeugt werdet" Ει-durchläuft das Tor 11, nachdem Q im Mipflop 10 durch den ersten Impuls auf /. gegangen ist. Dies geschieht, nachdem das elearsignal im Schieberegister 12 weggenommen ist.

Der zweite und damit erste brauchbare Signalimpuls am Ausgang des Tores 11 wird als Einheitssignal in das Schieberegister 12 eingelesen. Das Schieberegister ist noch leer. Daher darf dieser Einheitsimpuls aber noch nicht herangezogen werden zu der Entscheidung, ob ein vorhergegangener Impuls richtig im Register steht. Vielmehr wird zu diesem Zwecke erneut im JK-Flipflop 13 der zweite Impuls dadurch unterdrückt, daß dieser erst am Ende des zweiten Impulses umschalten Die Tore 14 und 15 werden also erst vom dritten Einheitsimpuls passiert. Inzwischen ist aber der zweite Einheitsimpuls durch das Schieberegister 12 gelaufen. Wo er im Augenblick des Auftretens drs dritten Einheitsimpulses am Tor 15 steckt, ist abhängig vom Schiebetakt. Hierfür gibt es drei Möglichkeiten, die mit den Buchstaben a). b) und c) bezeichnet werden·.

a) der zweite Einheitsimpuls steckt in einem der letzten Plätze des Registers mit Ausnahme des letzten,

b) der zweite Einheitsimpuls steckt im letzten Platz des Registers,

c) der zweite Einheitsimpuls ist bereits aus dem Register ausgeschoben.

Kig.3 zeigt, wie mit jedem Schiebetaktimpuls der eingespeicherte Einheitsimpuls um ein Bi; weitergeschoben wird. Nach η — 16 Schiebetakten befindet sich der Einheitsimpuls im Fall b) in der letzten Speicherzelle des Schieberegisters 12 für das Ib. Bit, im Fall a) in der vorletzten Speichel zelle für das 15. Bit und im Fall c) ist er bereits nicht mehr im Schieberegister 12.

Wie Fig. 1 zeigt, ist ein ODER-Tor 16 mit m = 8 Eingängen mit Ausgängen des Schieberegif ters verbunden, das für π = 16 Bits ausgelegt ist, und zwar mit den Ausgängen für das (77—m)-tc Bit bis (n— l)-te Bit.

Fall a) bedeutet, üa-,'3 der Schicbeiakt im Verhältnis zur Signalfrcqucn/. zu niedrig isi. Am Ausgang des ODER-Tors 16 sieht ein Impuls. Die UND-Verknüpfung in Tor 17 macht zur Bedingung, daß die Impulse

des Tores 15 und des ODER-Tors 16 gleichzeitig vorliegen. Es wird in diesem fall ein Korrekturimpuls erzeugt, der über ein Flipflop 18 einen Vor-ZRückwärtszähler 19 verstellt. Auf den Zähler 19 folgt ein Digital-Analog-Wandler 20. Dieser regelt den spannungsgesteuerten Oszillator 5 zu höheren Frequenzen hin.

Im Fall b) stehen Signalfrequenz und die Frequenz des Oszillators 5 im richtigen Verhältnis. Am Ausgang des Tores 17 steht kein Korrekturimpuls, da am Ausgang des ODER-Tors 16 kein Impuls ansteht, wenn ein Einheitsimpuls das Tor 15 passiert.

Liegen Fall a) und b) nicht vor. so erfüllt das Invertertor 22 die Bedingung, daß das Tor 21 Korrekturimpulse zum Verstellen zu tieferen Frequenzen hin liefern kann. Damit aber auch im Fall b) kein Korrekturimpuls am Ausgang des Tores 21 erzeugt wird, wird der invertierte Ausgang des Schieberegisters für das 16. Bit an den dritten Eingang des Tores 21 angeschlossen. Im Fall c), wenn am Ausgang des ODER-Tors 16 kein Signal ansteht und sich kein Einheitsimpuls in der Speicherzelle des Schieberegisters für das 16. Bit befindet, gibt das Tor 21 einen Korrekturimpuls bei Erscheinen des nächsten Einheitsinipulses am Ausgang des Tores 15 ab. Über ein nachgeschaltetes Flipflop 22</ und den Zähler 19 wird der spannungsgesteucrle Oszillator 5 zu tiefe- _'"> ren Frequenzen hin verstellt.

Ist die Taktfrequenz /u niedrig, so wird im HipHop 18 ein Korrekturimpuls erzeugt. Ist die Taktfrequenz richtig, so wird weder im Flipflop 18 noch im Flipflop 22;;, das dem Tor 21 nachgeschaltet ist, ein Korrekturimpuls «ι erzeugt, und ist die Taktfrequenz zu hoch, so wird im Flipflop 22a ein Korrekturimpuls erzeugt.

Es erscheint auf den ersten Blick, als ob die Quantisierung in zum Beispiel nur sechzehn .Schieberegisterplätze die Frequenznachlaufschaltung verhältnismäßig grob 3ί und diskontinuierlich arbeiten lassen. Es hat sich aber durch praktische Versuche erwiesen, daß die crfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur wesentlich schnellern, sondern auch genauer ohne Überschwingen nachregelt, bis der Abgleich erreicht ist. als man es bei dieser Bitzahl erwartet.

Die Eigenschaften der Dopplernaehlaulregelung lassen sich wesentlich verbessern, wenn das Empfangssisinal gefiltert ist. Dazu muß das Zentrum der Durchlaßkurve des Filters dem Schwerpunkt des üopplerspek- 4Ί Hums folgen. Dazu dient ein komnuilalives Filter 1 (I ig. 3). Dem kommutativen elektrisch nachsteuerbaren Filter 1 ist ein F.mitterfolger 23 nachueschaltet. Diesem folgt ein selektiver Bandpaß 24. der das gesamte Betriebsfrequenzband einengt. ₍

Das kommutative Filter 1 wird über den Eingang 25 mit einer Führungsfrequenz angesteuert. Diese wird über einen Teiler 26 vom spannungsgesteuerten Oszillator 5 bzw. Teiler 6 abgeleitet. Hat das Schieberegister zum Beispiel Ib Bit. so muß die Taktfrequenz 16mal höher liegen als die Signalfrequenz im abgeglichenen Zustand. Der Teiler 6 muß ein Teilerverhältnis 1 : 4 haben. Das kommutative Filter ! läßt dann ein Frequenzband durch, das symmetrisch zur Signalfrequenz liegt.

Die Bandbreite des Dopplersignais steigt aus physika- t>o Tischen Gründen mi; höherer Geschwindigkeit an. Dazu ist erwünscht, daß die Bandbreite kontinuierlich oder stufenlos umschaltbar ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Längswiderstand in mindestens zwei Teiiwiderstände 27, 28 äufgeieiii ist. Minde- t>3 stens einer davon, beispielsweise 27. wird von einem Feldeffekttransistor 29 überbrückt, indem die Ausgjngsspannung des Digital-Analog-Wandlers 20 über die Leitung 30 bei einer bestimmten Höhe dieser Ausgangsspannung überbrückt wird, die mit einem Potentiometer 31 eingestellt werden kann. Damit wird die OurchlaUbandbrcilc erhöht.

Das kommutative Filter 1 ist teilweise durch den Widerstand 32 überbrückt. Dieser Widerstand führt der Naehlaufschaltung nach dem Einschalten des Gerätes die Signalfrequenz geschwächt zu, bis der Abgleich vollzogen ist und das gefilterte Signal über den Weg 27, 28 ungeschwächt passieren kann. Über Regelverstärker wird das Ausgangssignal im nichtabgeglichenen wie im abgeglichenen Zustand konstant gehalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

25 Ol Patentansprüche:

1. Digitale Frequenznachlaufschaltung zur kontinuierlichen Messung der Trägerfrequenz von Empfangsimpulsen, unter Verwendung eines Schieberegisters für η Bits, eines Korrekturimpulse erzeugenden Verknüpfungsnetzwerkes und eines durch das letztere angesteuerten Oszillators zur Erzeugung von Schiebetakten des Schieberegisters, deren Frequenz auf ein n-faches der Trägerfrequenz durch die Korrekturimpulse einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schieberegister für mindestens π > 4 Bits ausgelegt ist, daß das Verknüpfungsnetzwerk aus einem ODER-Tor (16), dessen Eingänge mit Ausgängen des Schieberegisters (12) für das (n—m>te bis (n— l)-te Bit verbunden sind, wobei m > 2 ist, einem nachgeschalteten ersten Tor (17) und einem über ein Invertertor (22) mit dem ODER-Tor (16) zusammengeschalteten zweiten Tor (21) besteht, das außerdem mit dem invertierten Ausgang des Schieberegisters (12) für das n-te Bit zusammengeschaltet ist, daß das Schieberegister (12) und beide Tore (17,21) mit trägerfrequenten, aus dem Empfangssignal gewonnenen Einheitsimpulsen beaufschlagt sind, daß am Ausgang des ersten Tors (17) ein Korrekturimpuls zum Erhöhen der Frequenz der Schiebetakte ansteht, wenn ein Signal am Ausgang des ODER-Tors (16) ansteht und der nächste Einheitsimpuls erscheint, und daß am Ausgang des zweiten Tors (21) ein Korrekturimpuls zum Verringern der Frequenz ansteht, wenn die Ausgänge des Schieberegisters vom (n—w)-icn bis zum nten Bit bei Erscheinen des rächten Einheitsimpulses kein Signal aufweisen.

2. Digitale Frequenznachlaufschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Empfangsimpulse ein kommutatives Nachlauffilter (1) vorgesehen ist, dessen Mittenfrequenz durch den liehst genau mit der Frequenz des Empfangssignals übereinstimmt

Aus der US-PS 33 51 868 ist eine Frequenznachlaüfschaltung bekannt, bei der mit Hilfe eines zweizeiligen rückgekoppelten Schieberegisters, eines Ex-OR-Tores und eines Tiefpaßfilters eine Frequenzkorrektur erhalten wird. Das Schieberegister wird mit der Frequenz des VCO betrieben. Im Ex-OR-Tor werden normierte Eingangsimpulse mit dem Ausgangsimpuls der erste,; Speicherzelle auf Koinzident geprüft Es entstehen Impulse mit phasenproportionalem Mittelwert. Bei einer Phasenverschiebung der Signale um eine halbe Impulsbreite ist die Frequenz richtig eingestellt, das Ex-OR-Tor erzeugt dann eine Impulsfolge, deren am Ausgang des Tiefpaßfilters anstehender Mittelwert keine weitere Korrektur des VCO bewirkt Kurzzeitige Phasenschwankungen beeinträchtigen hier zwar den Regelmechanismus nicht, doch ergibt sich durch die Mittelwertbildung eine Verzögerung des Regelvorgangs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine genauer als bekannte, mit analoger Technik arbeitende Schaltungen arbeitende Frequenznachlaufschaltung anzugeben, die im Gegensatz zu bekannten Lösungen driftfrei ist, rasch anspricht deren Fangbereich gegenüber demjenigen des Standes der Technik größer ist Und welche Mehrdeutigkeiten vermeidet

Diese Aufgabe wird bei einer Frequenznachlaufschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst

Das zu analysierende Empfangssignal wird zunächst verstärkt und gekuppt. Die positive Rechteckflanke wird jeweils durch getaktete Flipflops in Einheitsimpulse umgewandelt. Diese Einheitsimpulse haben also jeweils den Abstand einer Periode der Signalfrequenz. Sie werden im Schiebetakt durch das Schieberegister geschoben und das Schieberegister wird dadurch geladen. Hat die Signalfrequenz einen bestimmten Wert und der Schiebetakt einen bestimmten W-Tt, so steht dann.

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