DE10003258A1 - Digitaler Phasenverstärker - Google Patents

Abstract

Die vorgeschlagene Taktregeneration, die vollständig digital realisierbar ist und keine rückgekoppelte Regelschleife aufweist, bedarf keinen Verriegelungsvorgang (locking), weist keine Jitterüberhöhung der Jitterübertragungsfunktion auf und ermöglicht schnelles Frequency Hopping.

Description

Der Anmeldungsgegenstand bezieht sich auf eine digitale Fre­ quenznachsteuerung.

Der Anmeldungsgegenstand betrifft eine Anordnung und ein Ver­ fahren zur Taktregeneration.

Eine in vielen elektronische Schaltungen vorkommende Kompo­ nente ist die Taktregeneration. Die Taktregeneration nimmt einen vorhandenen Referenztakt auf und leitet daraus einen Ausgangstakt besserer Qualität ab. Je nach Anwendung muß zwi­ schen folgenden Taktverarbeitungen unterschieden werden:

• - Der Ausgangstakt hat einen geringeren Jitter als der Refe­ renztakt.
• - Der Ausgangstakt hat eine definierte Phase zum Referenz­ takt.
• - Der Ausgangstakt hat eine höhere oder tiefere Frequenz als der Referenztakt.
• - Der Ausgangstakt hat eine Frequenz- oder Phasenmodulation, die der Referenztakt nicht hat (z. B. Frequency Hopping).

In den meisten Fällen wird eine Phase Locked Loop (PLL) oder Delay Locked Loop (DLL) als Regelschaltung eingesetzt, um ei­ nen Taktregenerator zu realisieren.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt das Problem zugrunde, eine An­ ordnung und ein Verfahren zur Taktregeneration anzugeben, die die mit einer Rückkopplung verbundenen Nachteile vermeiden.

Das Problem wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.

Vorteile resultieren direkt aus der Tatsache, daß der durch den Anmeldungsgegenstand gebildete Digitale Phasen Verstärker DPA (für: Digital Phase Amplifier) keine rückgekoppelte Regelschleife ist, sondern einem Geradeausverstärker ent­ spricht:

• - Keine Jitterüberhöhung der Jitterübertragungsfunktion
• - Kein Lockvorgang nötig
• - Schnelles Frequency Hopping möglich

Darüber hinaus hat der DPA den Vorteil, daß er vollständig digital realisierbar ist und keine analogen Komponenten benö­ tigt. Daraus folgen Platz- und Kostenvorteile.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Anmeldungsgegenstand wird im folgenden als Ausführungs­ beispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang an­ hand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des anmeldungsgemäßen Digitalen Phasenverstärkers und

Fig. 2 charakteristische Abläufe in dem Digitalen Phasenver­ stärker.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung zur Taktregeneration sind einer Frequenzmeßeinrichtung RM (für: ReferenceMeasu­ ring) eingangsseitig ein Referenzfrequenzsignal RCLK (für: ReferenceClock) mit der Referenzfrequenz f_REF und ein lokales Taktsignal mit der lokalen Frequenz f_lokal zugeführt. Die Fre­ quenzmeßeinrichtung führt einer Digitalen Signalverarbei­ tungseinrichtung DSP (für: DigitalSignalProcessing) Meßwerte S (für: Sample) zu. Einem numerisch gesteuerten Oszillator NCO (für: NumericControlledOscillator) sind von der Digitalen Signalverarbeitungseinrichtung eine Sollfrequenz F und das lokale Taktsignal mit der lokalen Frequenz f_lokal zugeführt.

Der Anmeldungsgegenstand, der auch als Digitaler Phasenver­ stärker DPA (für: Digital Phase Amplifier) bezeichnet wird, verarbeitet den Referenztakt in drei Schritten:

• 1. Messen der Referenzfrequenz in äquidistanten Zeitschritten
• 2. Digitale Signalverarbeitung, z. B. Mittelung der Meßwerte, um die gewünschte PLL-Bandbreite zu erreichen.
• 3. Ausgabe des Ergebnisses mit Hilfe eines numerisch kontrol­ lierten Oszillators (NCO)

Wichtig für die korrekte Funktion des DPA ist, daß die Tor­ zeit der Referenzmessung von der gleichen Taktquelle abgelei­ tet wird wie die Zeitbasis des NCO, damit die unvermeidlichen Fehler der Referenzmessung korreliert sind mit dem Frequenz­ fehler des NCO.

Der DPA arbeitet rein digital, d. h. zwischen den Verarbei­ tungsschritten werden digitale Samples in äquidistanten Zeit­ schritten übertragen.

In Schritt 2 kann der aktuelle Mittelwert mit Hilfe von digi­ taler Signalverarbeitung beliebig manipuliert werden, um eine der folgenden Funktionen durchzuführen:

• a) Frequenz- oder Phasenmodulation
• b) Frequency Hopping (der Ausgangstakt kann im Gegensatz zu einer rückgekoppelten Regelschaltung (z. B. PLL) seine Fre­ quenz schlagartig ändern)
• c) Frequenzumsetzung, wobei als Umsetzfaktor jede beliebige rationale Zahl zulässig ist, im Gegensatz zu einer rückge­ koppelten Regelschaltung (z. B. PLL) ist dieser Umsetzfak­ tor unabhängig von den Nominalwerten der Ein- und Aus­ gangsfrequenz und der PLL-Bandbreite.

Messung der Referenzfrequenz

Ein Zähler zählt die Flanken der Referenz. In äquidistanten Zeitintervallen δt wird der Zählerstand abgelesen und der Samplewert S zur nachgeschalteten Mittelwertbildung übertra­ gen. Dabei gelten folgende Randbedingungen:

• - Der Zähler wird bei Ablesen des Zählerstandes nicht zu­ rückgesetzt
• - Die äquidistanten Zeitintervalle δt werden von der glei­ chen lokalen Zeitbasis erzeugt, die im dritten Verarbei­ tungsschritt auch die Zeitbasis für den NCO ist.
• - Der Zähler ist so groß dimensioniert, daß innerhalb des Abtastintervalls in Verarbeitungsschritt 2 höchstens ein Zählerüberlauf stattfindet.

Mittelung der Meßwerte

In vielen Applikationen wird von einem Taktregenerator erwar­ tet, daß er hochfrequenten Jitter bedämpft. Diese Tiefpaß­ funktion wird am einfachsten mit der hier beschriebenen Mit­ telwertbildung realisiert.

Die Tiefpaßfunktion basiert auf einer gleitenden Mittelwert­ bildung. Dazu werden n + 1 Werte in einem FIFO gespeichert. Der ganzzahlige Wert n richtet sich nach der gewünschten PLL- Bandbreite und wird nach folgender Formel bestimmt:

Gleichung 1

Um den Mittelwert M zu bestimmen, werden der erste und der letzte Wert im FIFO subtrahiert und die so ermittelte Diffe­ renz durch n dividiert.

Gleichung 2

Frequenzumsetzung

Dieser Schritt ist nur nötig, wenn die auszugebende Frequenz F einen anderen Wert hat als die Referenz oder wenn die aus­ zugebende Frequenz moduliert werden soll. Dazu wird der Mit­ telwert M mit einer rationalen Zahl, d. h. mit einem Bruch ganzer Zahlen k₁ und k₂, multipliziert.

Gleichung 3

Im Fall einer Frequenzmodulation werden die Zahlen k₁ und k₂ von Zeitschritt zu Zeitschritt in gewünschter Weise geändert.

NCO

Die Eingangsgröße des NCO ist die Sollfrequenz F, dargestellt als rationale Zahl, d. h. als Bruch ganzer Zahlen. Damit hat der NCO als Eingangsgrößen zwei Integerzahlen, nämlich der Nenner und der Zähler von Gleichung 3.

Der NCO ist eine vollständig digitale Schaltung, die synchron zu einem lokalen Takt arbeitet. Diese lokale Taktfrequenz f_Lokal des NCO muß mindestens so hoch sein wie die Ausgangs­ frequenz.

Übersicht über die Berechnung

Der NCO beginnt mit der ersten Ausgangsflanke und führt nun fortlaufend eine Berechnung durch, um zu ermitteln, zu welchem Zeitpunkt die nächste Flanke des Ausgangssignals gene­ riert werden muß. Diese Berechnung erfolgt in Vielfachen der Periodendauer des lokalen Taktes und liefert wiederum eine rationale Zahl. Der NCO muß nun diese Zahl auf die nächstlie­ gende Flanke des lokalen Taktes runden.

Dieser Rundungsfehler führt zwangsläufig zu einem Jitter. Da­ mit der Rundungsfehler nicht zu einer Frequenzabweichung des Ausgangs führt, wird der Rundungsfehler jeder Berechnung in einem Fehlerspeicher erfasst und bei der nächsten Berechnung mit verarbeitet.

Berechnung im Detail

Im Mittel muß der NCO PZ Perioden des lokalen Taktes warten, bis er die nächste Flanke abgeben muß. PZ ist der Quotient aus der lokalen Frequenz f_Lokal und der Sollfrequenz F.

Gleichung 4

Aus PZ werden im nächsten Schritt die Zahlen floor, ceiling, δF und δC gebildet.
floor: Nächstkleinere ganze Zahl von PZ
ceiling: Nächstgrößere ganze Zahl von PZ

δF = PZ - floor

δC = ceiling - PZ

Dabei gilt zunächst: ceiling = floor + 1
Floor und ceiling begrenzen den minimalen und maximalen Fre­ quenzwert, den der NCO liefern kann. In den meisten Applika­ tionen wird kein großer Ziehbereich des NCO gefordert. Sollte jedoch ein größerer Ziehbereich gefordert werden, muß floor verkleinert und ceiling vergrößert werden.

δF und δC sind zunächst einmal rationale Zahlen, die aber beide den gleichen Nenner besitzen. Wird mit diesem Nenner erweitert, ergeben sich folgende ganze Zahlen für δFN und δCN:

Gleichung 5

δFN = (PZ - floor).Nenner(PZ) = (n.δt.k₂

.f_Lokal

) - floor.k₁

.(FIFO[0] - FIFO[n])

Gleichung 6

δFC = (ceiling - PZ).Nenner(PZ) = ceiling.k₁

.(FIFO[0] - FIFO[n]) - (n.δt.k₂

.f_Lokal

)

Die Berechnung der Werte von δFN und δFC erfolgt einmal pro Sample-Intervall δT. Liegen diese Werte vor, werden sie von dem NCO in folgender Weise abgearbeitet (siehe Fig. 2).

Bei der hier dargestellten Methode der Referenzmessung kann es sich nachteilig bemerkbar machen, daß der Meßwert mit ei­ nem Jitter behaftet ist, dessen Peak-Peak-Wert der Perioden­ dauer der Referenzfrequenz entspricht. Dieser Jitter kann re­ duziert werden, wenn nicht nur die Anzahl der Perioden der Referenz erfasst wird, sondern auch die Zeitdauer des Inter­ valls von der letzten Flanke der Referenz zum Ende der Tor­ zeit. Dieser Interpolationswert kann analog erfasst werden, eine Interpolation ist auch digital mit der zeitlichen Auflö­ sung des lokalen Taktes möglich.

Claims (6)

1. Anordnung zur Taktregeneration bei der
eine Frequenzmeßeinrichtung (RM), der eingangssseitig ein Re­ ferenzfrequenzsignal zuführbar ist, mit einer Digitalen Si­ gnalverarbeitungseinrichtung (DSP) verbunden ist,
die Digitale Signalverarbeitungseinrichtung mit einem nume­ risch gesteuerten Oszillator (NCO) verbunden ist,
von einer Takteinrichtung ein lokales Taktsignal (LCLK) an die Frequenzmeßeinrichtung und an den numerisch gesteuerten Oszillator abgebbar ist.

2. Verfahren zur Taktregeneration demzufolge

• - einer Frequenzmeßeinrichtung (RM) ein Referenztakt (RCLK) zugeführt wird,
• - die Referenzfrequenz des Referenztaktes in äquidistanten Zeitschritten als Samplewerte (S) erfaßt wird
• - die Samplewerte an eine Digitale Signalverarbeitungsein­ richtung (DSP) abgegeben werden,
• - die Samplewerte in der Digitalen Signalverarbeitungsein­ richtung zu einer auszugebenden Frequenz (F) digital ver­ arbeitet werden
• - die Digitale Signalverarbeitungseinrichtung die auszuge­ bende Frequenz an einen numerisch gesteuerten Oszillator (NCO) abgibt,
• - der durch die auszugebende Frequenz angesteuerte numerisch gesteuerte Oszillator eine Ausgangsfrequenz (f_out) ausgibt.
• - eine Takteinrichtung ein lokales Taktsignal (LCLK) zur Ab­ leitung der Torzeit für die Erfasssung der Samplewerte an die Frequenzmeßeinrichtung abgibt
• - die Takteinrichtung das lokale Taktsignal an den numerisch gesteuerten Oszillator zur Ableitung als Zeitbasis abgibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Signalflanke der Ausgangsfrequenz die zu der errechneten Signalflanke nächstliegende Signalflanke des lokalen Taktsi­ gnales ausgegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung zwischen der errechneten Signalflanke und der nächstliegenden Signalflanke des lokalen Taktsignales erfaßt wird sowie in einem Fehlerspeicher abgespeichert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichungen für mehrere Signalflanken aufsummiert wer­ den.

6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die aufsummierten Abweichungen bei der Errechnung der Signal­ flanke berücksichtigt werden.