DE2649225A1 - Phasenfangdetektor fuer einen digitalen frequenzsynthesizer - Google Patents

Phasenfangdetektor fuer einen digitalen frequenzsynthesizer

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DE2649225A1 DE19762649225 DE2649225A DE2649225A1 DE 2649225 A1 DE2649225 A1 DE 2649225A1 DE 19762649225 DE19762649225 DE 19762649225 DE 2649225 A DE2649225 A DE 2649225A DE 2649225 A1 DE2649225 A1 DE 2649225A1
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

B4TENWNl4flLTE "BROSEDKa BROSE
D-8023 Munchen-Pullach. W:enu S.r. 2. ~\t\- (OGm) 7-3.3 3·) 'ft. ThIbx '-212"?7 brus cl. Cnb.'es. ■ ^atcrmbus- München
Diplom Ingenieure
ihr zeichen C5^65_A ra9 28· Oktober 1976
Your re f. 3jvj-*i Date.
TiIE BENDIX CORPORATION, Executive Offices>. Bendix Center, Southfield, Michigan 48075, USA
Phasenfangdetektor für einen digitalen Fre.-quenz-
synthesizer.
Die Erfindung betrifft digitale Frequenzsynthesizer und speziell einen Phasenfangdetektor für die Bestimmung, wann die Phase des Signals des veränderlichen Frequenzoszillators eines derartigen Synthesizers von der Phase des Bezugsfrequenzoszillators .um einen unzulässigen Betrag abgewichen ist.
Ein spezielles Anwendungsgebiet desGegenstandes der vorliegenden Erfindung ist die Entfernungsmessung bei einem Entfernungsmeßsystem (DME), welches in einem Flugzeug mit geführt wird. Mit Hilfe einer derartigen Einrichtung wird der Abstand· eines Flugzeugs von einer Bodenstation dadurch be-
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stimmt, indem man die Zeit mißt, die vom Aussenden eines Abfragsignals vom Flugzeug bis zum Emp&ng eines Antwortsignals von einer Bodenstation verstreicht. Für die Berechnung dieser Zeit gelangt eine Speichervorrichtung zur Anwendung. Um eine Selektivität unter den verschiedenen Bodenstationen zu erreichen, die innerhalb der Reichweite eines1 Flugzeugs gelegen sein können, werden den Bodenstationen unterschiedliche Betriebsfrequenzen zugeordnet und die im Flugzeug mitgeführte Ausrüstung muß auf diese verschiedenen Kanäle abstimmbar sein. Die digitalen Sequenzsynthesizer nach dem Stand der Technik stellen zur Zeit die zufriedenstellenste Abstimmeinrichtung bei dieser Art von Ausrüstung dar, da sie unmittelbar ferngesteuert werden können und eine sehr stabile und selektive Betriebsweise besitzen.
Ein digitaler Frequenzsynthesizer enthält gewöhnlich einen span-1 nungsgesteuerten Oszillator (VCO), einen Bezugsoszillator und einen Phasejidetektor, um die Phase einer ausgewählten Harmonischen oder einer Unterharmonischen des 'Signals des VCO mit der Grundwelle oder einer Harmonischen oder Unterharmonischen des Signals des Bezugsoszillators zu vergleichen. Die Ausgangsgrösj se des Phasendetektors dient nach der Filterung dazu, die Fre- ! quenz des VCO zu steuern und es steht somit ein Spektrum von : hochstabilen Frequenzsignalen zur Verfügung, von denen irgend-. eines verwendet -werden kann, indem man eine bestimmte Harmonische oder Unterharmonische der VCO-Frequenz auswählt und dem Phasendetektor zuführt.
: In vielen Anwendungsfällen derartiger Synthesizer ist es wünschenswert, eine Einrichtung vorzushen, um eine Anzeige darüber zu erhalten, wann die Ausgangsgröße des VCO in richtiger Weise phasenstarr mit der Ausgangsgröße des Bezugsoszillators ist
: oder um im selben Sinn anzuzeigen, wann die Ausgangsgrößep nicht richtig phasenstarr sind. Die bereits bekannten Anzeige-
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vorrichtungen sind mit dem Nachteil behaftet, daß sie einen zu schmalen Bereich der zulässigen Phasendifferenz zwischen den VCO- und den Bezugsoszillatorsignalen besitzen, innerhalb welchem ein "phasenstarrer" Zustand angezeigt wird. Wenn Versuche unternommen v/erden, den Bereich auf einen annehmbaren Phasenfehler zu verbreitern, s'o werden diese Anzeigevorrichtungen ' hinsichtlich ihrer Betriebsweise unzuverlässig.
Es ist somit Ziel der Erfindung, eine Phasenfanganzeigevorrichtung für einer, digitalen Frequenzsynthesizer mit einem breiteren Bereich einer tolerierbaren Phasenabweichung zu schaffen, : wobei jedoch dennoch zuverlässig ein phasenstarrer Zustand angezeigt werden soll.
Auch ist es Aufgabe der Erfindung, eine derartige Anzeigevorrichtung zu schaffen, die genormte logische Schaltungen enthält und bei der keine Schwellendetektoren erforderlich sind, ebenso keine Bezugsspannungsvergleichsvorrichtungen oder ähnlich aufwendige Konstruktionen.
Im wesentlichen wird erfindungsgemäß in einem digitalen Frequenzsynthesizer, in welchem die Ausgangsgröße eines veränderlichen Frequenzoszillators hinsichtlich der Frequenz durch N geteilt wird, diese Ausgangsgröße hinsichtlich ihrer Phase mit der Ausgangsgröße eines Bezugsoszillators verglichen, die hinsichtlich der Frequenz durch M geteilt wird, wobei erfindungsgemäß zusätzlich logische Schaltungen vorgesehen werden, durch die ein "Fenster" erzeugt wird, welches immer dann in Bereitschaft gesetzt oder geöffnet wird, wenn die durch M teilende Einrichtung einen gewissen ganzzahligen Zustand erreicht, d.h. der Zustand M -1 oder den Zustand M -2 und welches weiter geöffnet ist während des Zustandes M oder des Zustandes M +1. ; V/enn die Ausgangsgröße des N- Teilers, die in Impulsform vor-
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liegt, während derjenigen Zeit, auftritt, während welcher das genannte Fenster offen ist, bleibt ein Anzeigemultivibrator in einem rückgestellten Zustand, wobei er anzeigt, daß ein phasenstarrer Zustand existiert. Wenn der N-Teilerimpuls außerhalb des Fensters auftritt, so wird der Anzeigemultivibrator gesetzt bzw. in den set-Zustand getriggert, wodurch angezeigt wird, daß der Synthesizer seinen Phasenfangzustand verloren hat.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 ein funktionelles Blockdiagramm eines digitalen Frequenzsynthesizers mit einem Phasenfangdetektor nach der Erfindung; und
Figur 2A, B und C Wellenformendiagramme, die für die Erläuterung der Betriebsweise des Gegenstandes der Erfindung dienlich sind.
Gemäß Figur 1 enthält ein digitaler Frequenzsynthesizer in der herkömmlichen Weise einen spannungsgesteuerten Oszillator 10, der ein Signal mit derFrequenz Fv einem programmierbaren Teiler 12 zuführt. Der Teiler 12 teilt die Frequenz des Eingangssignals durch eine ganze Zahl N, deren Wert durch einen Kanalauswählschalter 14 bestimmt wird. Das am Ausgang 16 des Teilers 12 erscheinende Signal mit einer Frequenz von Fv/N gelangt als eine Eingangsgröße zu einem Phasendetektor 18. :
Ein hochstabiler Bezugsoszillator 20 erzeugt ein Signal mit der. Frequenz Fr für einen Teiler 22, der die Frequenz des Signals des Oszillators 20 durch eine feste ganze Zahl M teilt, so daß dadurch ein Signal erhalten wird, dessen Frequenz Fr/M beträgt
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, und welches als zweite Eingangsgröße zuia. Phasendetektor 18 ge- ; langt. Der Teiler 22 enthält in geeigneter Weise einen Binärzähler 24, der ein NAND-Gatter 26 speist, wobei dieses Gatter ■ in Bereitschaft gesetzt wird, nachdem der Zähler in einen Zu-. stand getrieben wurde, der dem binären Äquivalent von M -1 entspricht. .- · ■-
Der Phasendetektor 18 erzeugt eine in geeigneter Weise gefilterte Ausgangsspannung für die Steuerung der Frequenz des Oszillators 10. Die Steuerspannung ist auf die Phasendifferenz ! zwischen den Eingangssignalen zum Phasendetektor bezogen und besitzt ein solches Vorzeichen, daß die Frequenz des Oszillators 10 entweder in anwachsender oder abnehmender Richtung verändert wird, bis die Eingangssignale zu den Phasendetektoren synchron phasenstarr sind. Wenn die Phasendetektor-Eingangssignale synchronisiert sind, so gilt folgende Beziehung:
£f . q oder
: Bei Verwendung eines derartigen Synthesizers erhält man einen : j breiten Abstimmbereich von genauen stabilen Kanalfrequenzen ; und die Wirkungsweise des Synthesizers läßt sich am besten anhand eines Beispiels demonstrieren. Es sei beispielsweise ein Sender gewünscht mit einer Ausgangsfrequenz von 1041-1150 MHz, die in 1 MHz-Kanäle für die Verwendung in dem DME abstimmbar sein soll. Durch die Verwendung eines X4-Frequenzvervielfachers, der an den Ausgang des VCO 10 angeschlossen wird, um Ausgangssignale mit den Betriebsfrequenzen von 1041-1150 MHz für die , Verwendung in dem DME vorzusehen, so liegen die erforderlichen
Frequenzen des VCO bei 260.25-287.5 MHz, die in Inkrementen von· j 0,25 MHz verändert -«/erden können. Eine Bezugsfrequenz von 1 MHz ; und ein ¥ert von M = 16 werden ausgewählt. Durch Verändern des
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' Wertes von N von 4164 auf 4600.in Inkreraenten von 4, kann der VCO in 0,25 MHz-Schritten abgestimmt werden und zwar über das : geforderte Frequenzband, wie sich dies leicht demonstrieren ! läßt.
Der soweit beschriebene Synthesizer ist bekannt. Die durch die vorliegende Erfindung erzielte Verbesserung besteht aus dem Phasenfangdetektor mit den NAND-Gattern 28 und 30 und dem Univibrator 32.
Bei dem vorangegangenen Beispiel eines digitalen Frequenzsynthesizers wurde ein Wert von M = 16 angenommen. In diesem Fall er-
0 2 zeugt der Zähler 24 eine Vier-ziffer-Binärausgangsgröße A A
4 8
A A . Das NAND-Gatter 26 empfängt jede dieser Ziffern und wird in Bereitschaft gesetzt, wenn der Zähler einen Zustand1111 erreicht, dem binären Äquivalent von 15. Es sei daran erinnert, daß der erste Zyklus einer Folge des Oszillators 20 den Zähler 24 auf 0000 stellt, wobei der Zustand 1111 jeweils einmal für alle sechzehn Zyklen des Eingangssignals erreicht wird. Das NAND-Gatter 28 empfängt als Eingangsgrößen die Zählerziffern AAA und wird somit während des Zählerzustandes 0111 und 1111 in Bereitschaft gesetzt, um für das NAND-Gatter 30 die Eingangsgröße O oder LO zu erzeugen. Wenn die Ausgangsgröße auf der Leitung 16 während der Zeit, während welcher die Ausgangsgröße aus dem NAND-Gatter 28 gleich LO ist, gleich 1 oder HI ist, so bleibt die Ausgangsgröße des NAND-Gatters 30 gleich HI. Wenn die Ausgangsgröße auf der Leitung 16 zu HI wird und zwar während der Zeit, während welcher die Ausgangsgröße des NAND-Gatters 28 gleich HI ist, so wird die Ausgangsgröße des Gatters 30 gleich LO, wodurch der Univibrator 32 getriggert wird, der dann ein Signal für die Rückstellung eines Speichervorrichtung (nicht gezeigt) erzeugt, oder eine Anzeige für andere Zwecke zu liefern, daß der Synthesizer sich nicht im phasenstarren Zu-
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stand befindet.
Die Betriebsweise des Gegenstandes, der Erfindung kann besser unter Hinweis auf die Wellenformen von Figur 2 verstanden werden. In Figur 2A ist der Synthesizer in richtiger Weise phasenstarr mit der Hinterflanke des positiven Ausgangsimpulses des Teilers 12 in zeitlicher Übereinstimmung mit der Vorderflanke des negativen Impulses des Gatters 26. Wenn der Synthesizer einer Vibration ausgesetzt wird, wie dies häufig in Flugzeugen der Fall ist oder einer Stromversorgungsschwankung oder anderer Störung ausgesetzt wird, so werden Phasenfehler, wie dies in den Figuren 2B und C gezeigt ist, sehr leicht eingeführt. Diese Phasenfehler sind von zeitweiliger Dauer und besitzen keine ausreichende Größe, um in negativer Weise die Betriebsweise der Ausrüstung zu beeinflussen. Sie besitzen jedoch eine ausreichende Größe, um die Anzeigevorrichtung für eine nicht vorhandene PhasenStarrheit zu triggern, wenn diese so arbeitet, daß sie das Fehlen der Koinzidenz der Impulsflanken feststellt.
Das Gatter 28 erzeugt durch symmetrisches Dekodieren um den Zustand des Zählers 24, bei welchem die Phasenstarrheit auftritt, ein "Fenster" eines annehmbaren Phasenfehlers und erlaubt keine Anzeige des Verlustes der Phasenstarrheit, wenn der Phasenfehler diese Toleranzgrenze nicht überschreitet. Solange der Impuls des Teilers 12 erscheint, wenn die AusgangsgröÖe des Gatters 28 niedrig liegt (LO), führt das Gatter 30 keine Triggerung des Univibrators 32 herbei. Die durch das Fenster des Gatter?, 28 erzeugte Phasentoleranz beträgt 2/16 χ 2 TT = TT/4 Radians. Da der Irmuls des Teilers 12 sehr schmal ist (100 ns) ergibt dies eine Toleranz von + Ίϊ/8 bis - ■% einer zulässigen Phasenabweichung, bevor der Verlust des Fangzustandes bzw. der Phasenstarrheit angezeigt wird. ':!ie sich aus der untersten V.rellenform von Figur 2 entnehmen läßt, die mit "Fenster fir. 2"
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I -9.
bezeichnet ist, kann das Gatter 28 modifiziert werden, um vier
■ Zählschritte symmetrisch um bzw. zum Fangpunkt zu dekodieren, in welchem Fall die Phasentoleranz auf 4/16 χ 2ΐΓ oder + 1Γ/4 bis - 1Γ/4 vergrößert wird. Wenn es wünschenswert ist, läßt sich sogar eine breitere Toleranz dadurch erzeugen, indem man noch weiter die Dekodierkapazität des Gatters 28 erhöht.
Zusammenfassend schafft die vorliegende Erfindung einen Phasen- ; fangdetektor für einen digitalen Frequenzsynthesizer. Der Frequenzsynthesizer enthält einen programmierbaren digitalen Frequenzteiler für das Ausgangssignal, einen Bezugsfrequenzoszillator Fr und eine phasenstarre Schleife, die die Frequenz der Ausgangsgröße des Synthesizers dadurch steuert, indem sie die Phase des Frequenzteilersignals mit der Phase des Bezugssignals vergleicht. Die Frequenz Fv des Synthesizers wird durch Programmieren in der Größe N gemäß der Beziehung Fv = «r- Fr bestimmt. Der Phasenfangdetektor enthält eine logische Einrichtung, durch die ein "Fenster" erzeugt w.ird, welches "offen" für eine Zählung ist, die symmetrisch kleiner ist oder größer ist als der Faktor M. Der Detektor signalisiert keinen "Fehlfang"-Zustand, solange die Ausgangsgröße des programmierbaren Teilers . während der Zeit auftritt, während welcher das Detektorfenster offen ist.
Offensichtlich sind in der vorangegangenen Beschreibung bestimmen ι te Werte für Frequenzen, Divisorgrößen, logische Verbindung/und ähnliche Größen lediglich als Beispiel angegeben und es ist offensichtlich, daß der Gegenstand der Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist und eine Reihe von Abwandlungen und Änderungen möglich sind, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu
■ verlassen. :
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Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen veranschaulichten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.
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Claims (1)

  1. 26AS225
    Patentanspruch
    '. Phasenfangdetektor für einen digitalen Frequenzsynthesizer mit ; ; wenigstens einem spannungsgesteuerten Oszillator, einer ersten
    I Frequenzteilereinrichtung für die Teilung der Frequenz des Si-
    : gnals des spannungsgesteuerten Oszillators durch einen Faktor N,
    mit einem Bezugsoszillator, zweiten Frequenzteilermitteln für
    i die Teilung der Frequenz des Signals des Bezugsoszillators durch" ; einen Faktor M, und mit einer Vergleichseinrichtung zum Ver-
    ; gleichen der Phasen der Ausgangsgrößen der ersten und der zweiten Frequenzteilereinrichtung und zum Erzeugen einer S teuer span-* i nung für den spannungsgesteuerten Oszillator, die auf die Pha- '· j sendifferenz zwischen den Ausgangsgrößen der Teilereinrichtun-I gen bezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenfangde-1 tektor (28, 30, 32) folgende Einrichtungen und Merkmale aufi weist: eine erste logische Anordnung (28), die eine Ausgangs- : j größe erzeugt, welche ihren Zustand periodisch für einen Inter- ': ' vall ändert, der nach dem Erscheinen von M-K Zyklen des Signals . ι des Bezugsoszillators (20) beginnt, wobei K eine vorbestimmte 1 j ganze Zahl ist, und der zumindest solange fortgesetzt wird, bis, j M-Zyklen des Signals des Bezugsoszillators (20) erschienen sind; 1 eine zweite logischeAnordnung (30) für die Bestimmung der Zeit-: j koinzidenz des Signals der ersten Frequenzteilereinrichtung '. j (12) mit der Änderung des Zustandsintervalls der ersten logi-
    j j
    I sehen Anordnung (28); und eine durch die zweite logische Anord-'
    j nung (30) gesteuerte Einrichtung (32) zum Erzeugen eines nicht-,
    ' phasenstarren bzw. außer Phase laufenden Signals, wann das ;
    ; Signal aus der ersten Frequenzteilereinrichtung (12) während !
    ; des Intervalls der ersten logischen Anordnung (28) nicht er- ;
    ; scheint. j
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    0RK3IMAL
DE19762649225 1975-11-28 1976-10-28 Phasenfangdetektor fuer einen digitalen frequenzsynthesizer Withdrawn DE2649225A1 (de)

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