DE10039421A1

DE10039421A1 - Phasendetektor

Info

Publication number: DE10039421A1
Application number: DE10039421A
Authority: DE
Inventors: Ernst Muellner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2002-02-21
Anticipated expiration: 2020-08-12
Also published as: DE10039421C2; US20020057113A1

Abstract

Zwei Binärsignale werden an Eingänge einer unsymmetrischen Schaltung mit zwei EXOR-Elementen zugeführt. DOLLAR A Durch eine Subtraktion der Ausgangssignale von zwei EXOR-Elementen mit anschließender Tiefpaßfilterung wird die Ausgangsspannung des Phasendetektors proportional zum Phasenunterschied zwischen den Eingangssignalen sein. Die Subtraktion wird derart geführt, daß kein durch die internen Laufzeitverzögerungen der EXOR-Elemente Fehler zur Bestimmung des Phasenunterschiedes mehr auftritt. Besonders wird die Gleichphasigkeit zwischen den Eingangssignalen präzis und durch einen einfachen Spannungsvergleich mit einem vom Fachmann ausgewählten Schwellwert bestimmt. Des weiteren ist der Bereich der Bestimmung von größeren Phasenunterschieden zwischen Binärsignalen mittels der vorgeschlagenen Schaltung erweitbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen neuen Phasendetektor nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Für die Bestimmung der Phasenunterschiede zwischen zwei Binärsignalen werden EXOR-Elemente (Exclusiv-Oder) verwendet. Die bekanntesten Schaltungen beruhen auf einer Anordnung mit einem einzigen EXOR-Element oder auf zwei symmetrisch angeordneten EXOR-Elementen.

Aus der deutschen Patentschrift DE 197 17 586 C1 ist eine Phasendetektorschaltung für hohe Datenraten bekannt, bei der zwei EXOR-Elemente verwendet werden. Durch eine Gleichbehandlung der Signale in beiden Datenwegen wird eine hohe Stabilität erreicht.

Aufgrund der Laufzeitunterschiede an Eingängen der EXOR- Elementen tritt aber ein Fehler δ bzw. 2δ (Fig. 4) am Ausgang zweier symmetrisch angeordneten EXOR-Elemente auf, der die Phasendetektorkennlinie bei der Detektion der Gleichphasigkeit beeinträchtigt.

Die Aufgabe bei der liegenden Erfindung besteht also darin, eine Möglichkeit zur genaueren Bestimmung der Phasenunterschiede zu finden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Phasendetektor, der durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gekennzeichnet ist, gelöst.

Zweckmäßige Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüche beschrieben.

Im Vergleich zu üblichen EXOR-Schaltungen wird eine neue unsymmetrische Anordnung mit zwei EXOR-Schaltungen und einer Invertierung eines Eingangs- oder Ausgangssignals bei einem EXOR vorgeschlagen. Die Invertierung kann nach verschiedenen Varianten erfolgen, die aber zum selben Ergebnis bezüglich der Phasendetektorkennlinie führen.

Durch die Invertierung bei einem EXOR werden die zwei logischen EXOR-Ausgangssignale voneinander subtrahiert. Der Meßfehler δ bzw. 2δ wird durch diese Subtraktion komplett unterdrückt. Deshalb tritt keine Unschärfe mehr bei der Bestimmung der Gleichphasigkeit auf.

Die durch zusammenfassen der analogen EXOR-Ausgangsspannungen erhaltene Kennlinie der gesamten Schaltung ist direkt proportional zur Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen und bildet als Phasendetektorkennlinie einen unsymmetrischen linearen Bereich, wobei ihr Nulldurchgang die Gleichphasigkeit der Eingangssignalen definiert. Bei symmetrischen Schaltungen wäre eine Minimumdetektion erforderlich für die Bestimmung der Gleichphasigkeit. Bei der neuen unsymmetrischen Anordnung ist nur ein einfacher Schwellwert (Nulldurchgang nach der Theorie) der Phasendetektorkennlinie zu detektieren.

Des weiteren läßt sich der lineare Bereich der Ausgangsspannung durch den Einsatz von mindestens einem Laufzeitglied (Inverter) erweitern, so daß ein breiterer Phasendifferenzbereich sich vermessen läßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipsschaltbild des neuen Phasendetektors,

Fig. 2 Prinzipsschaltbild der ersten Variante der Invertierung,

Fig. 3 Prinzipsschaltbild der zweiten Variante der Invertierung,

Fig. 4 Phasendetektorkennlinie bei einer symmetrischen und unsymmetrischen Schaltung,

Fig. 5 Schaltungsbild zur Erweiterung des Phasenunterschiedenbereiches,

Fig. 6 Phasendetektorkennlinie mit Erweiterung des Phasenunterschiedenbereiches,

Fig. 7 Realisierung des Phasendetektors in CML-Technik.

In Fig. 1 ist ein Prinzipsschaltbild des neuen Phasendetektors abgebildet. Die Schaltung weist zwei EXOR- Elemente EXOR1 und EXOR2 mit je zwei Eingängen auf. Die ersten Eingänge jedes EXOR-Gatters verzögern die Signale um einer Laufzeit τ1 und die zweiten Eingänge um einer Laufzeit τ2. An den ersten Eingang E1 der EXOR-Elemente werden ein Binärsignal a und ein Binärsignal b geführt. An den zweiten Eingang E2 der EXOR-Elemente werden die selben Signale a und b in umgekehrter Reihenfolge wie an den Eingängen E1 geführt. Dies bedeutet, daß das Eingangssignal a um der Laufzeit τ1 an dem EXOR-Gatter EXOR1 und um der Laufzeit τ2 an dem EXOR- Gatter EXOR2 verzörgert wird, sowie das Eingangssignal b um der Laufzeit τ2 an dem EXOR-Gatter EXOR1 und um der Laufzeit τ1 an dem EXOR-Gatter EXOR2. Die Ausgangssignalen s1 und s2 der EXOR-Elemente werden mittels einer Einheit SUB analog subtrahiert. Durch eine Zeitmittelung der Ausgangsspannung s1-s2 mittels eines Tiefpaßfilters TF wird eine Regelspannung S erhalten. Diese Regelspannung S entspricht genau der gewünschten Phasendetektorkennlinie zur Bestimmung des Phasenunterschiedes zwischen den Signalen a und b.

Fig. 2 zeigt eine erste Variante des neuen Phasendetektors. Die Grundschaltung ist ähnlich wie bei Fig. 1, weist aber eine Invertierung des Ausgangssignals s2 und einen Addierer ADD statt den Subtrahierer SUB (Fig. 1) auf. Diese Invertierung mit anschließender Addition ist im Bezug der Ausgangsspannung äquivalent zur vorigen Subtraktion in Fig. 1. Das EXOR-Element, bei dem die Invertierung realisiert ist, ist nach der Stand der Technik EXNOR-Element genannt. Die Phasendetektorkennlinie läßt sich daher als S_unsym = <s1+s2< beschreiben.

Fig. 3 zeigt eine zweite Variante des neuen Phasendetektors, die ebenfalls zu selben Ergebnis führt. Die Grundschaltung ist ähnlich wie bei Fig. 1, weist aber eine invertierende Eingang eines EXOR-Elements auf oder es wird einem EXOR- Element ein invertiertes Signal zugeführt. Diese Invertierung mit anschließender Addition der Aussgangsignale s1 und s2 mittels des Addierers ADD ist äquivalent zur vorigen Subtraktion der EXOR-Ausgangssignale in Fig. 1. Die Phasendetektorkennlinie läßt sich daher ebenfalls als S_unsym = <s 1+s2< nach dem Tiefpaßfilter TF beschreiben.

Fig. 4 zeigt eine Phasendetektorkennlinie S_unsym als Funktion des Phasenunterschiedes Δ zwischen den Eingangssignalen a und b. Die analog addierten und zeitlich gemittelten Ausgangssignale <s1< und <s2< jedes EXOR-Elementes sind ebenso als Funktion des Phasenunterschiedes Δ dargestellt. T bezeichnet die Periode des Taktes bzw. die Bitdauer. Jedes der Signalen <s1< und <s2< weist im Betrag um Δ = 0 einen Fehler von δ = τ2-τ1<0 aufgrund der EXOR-Laufzeiten τ1 und τ2 auf. Für eine symmetrische EXOR-Schaltung mit Addition der Aussgangssignale s1 und s2 anstatt Subtraktion von s1 und s2 bildet die Phasendetektorkennlinie S_sym einen flachen Bereich über [-δ; +δ] um die Stelle Δ = 0. Ohne Invertierung eines Ausgangsignals z. B. s2 oder eines Eingangssignal eines EXOR- Gatters bleibt also die Bestimmung der Gleichphasigkeit für Δ = 0 durch <s1+s2< von der Menge 2δ mit δ = τ2-τ1 ungenau (s. Plateau bei Kurve S_sym). Mit der neuen unsymmetrischen Schaltung wird dieser Plateaueffekt unterdrückt und die Phasendetektorkennlinie S_unsym = <s1-s2< = <s1+s2< bildet einen linearen Bereich LB über Phasenunterschieden in [-δ; +δ]. Die Phasengleichheit Δ = 0 ist mit Nulldurchgang von S_unsym vorhanden. Dies bedeutet, daß die Gleichphasigkeit durch ein einfaches Zeichenwechsel von S_unsym und nicht mehr durch eine aufwendigere und unscharfe Minimumdetektion wie bei symmetrischen Schaltungen bestimmt wird. In der Praxis wird die Gleichphasigkeit zwischen den Eingangssignalen a und b durch einen Schwellwert nah am Nulldurchgang bestimmt.

Fig. 5 zeigt eine Schaltung zur Erweiterung des linearen Bereichs LB der Phasendetektorkennlinie durch Einsatz von zwei Laufzeitgliedern L1 und L2. Es wurde hier die Grundschaltung der Fig. 2 genommen, es könnte aber die Grundschaltungen der Fig. 1 und 3 genommen werden. Die zwei als Laufzeitglieder verwendeten Inverter je mit der Laufzeit τ_inv werden entweder an die ersten Eingänge oder an die zweiten Eingänge jedes EXOR-Gatters angeschaltet. Dadurch läßt sich der lineare Bereich LB der Phasendetektorkennlinie S_unsym von [-δ; +δ] wie in Fig. 4 dargestellt, auf [-τ_inv-δ; δ+τ_inv] mit δ = τ2-τ1 erweitern.

Anstatt zwei Verzögerungsglieder mit der Laufzeit τ_inv kann auch nur eines entweder an einen ersten Eingang eines EXOR- Gatters oder an einen zweiten Eingang eines EXOR-Gatters angeschaltet werden. Der lineare Bereich LB wird in diesem Fall entsprechend der Anschaltung des Inverters auf Phasenunterschiede entweder von -δ bis τ_inv+δ oder von -τ_inv-δ bis +δ einseitig erweitert.

Der lineare Bereich LB der durch den Nullpunkt gehenden Kennlinie S_unsym kann so für größere Phasenunterschiede A erweitert werden.

Fig. 6 zeigt die Phasendetektorkennlinie S_unsym/inv der mit zwei Laufzeitgliedern versehenen Schaltung sowie die Kennlinie S_unsym ohne Inverter (auch in Fig. 4). Die Steigung des linearen Bereiches LB bleibt konstant. Der lineare Bereich LB zwischen Phasenunterschied Δ und Regelspannung S_unsym/inv der Schaltung wird auf [-τ_inv-δ; δ+τ_inv] erweitert.

In Fig. 7 ist als Ausführungsbeispiel eine Realisierung des Phasendetektors in CML-Technik dargestellt. Die Schaltung wird mit symmetrischen Signalen a, a, und b, b angesteuert. Am Eingang a in der unteren Ebene des linken EXOR-Elements EXOR1 ist eine Invertierung vorgenommen worden. Φ (a, b) bezeichnet die Spannung zur Bestimmung des Phasenunterschieds zwischen den Eingangssignalen a und b.

Claims

1. Phasendetektor mit einem ersten und einem zweiten EXOR- Element mit je zwei Eingängen zur Bestimmung der Phasenunterschied zwischen einem ersten Binärsignal und einem zweiten Binärsignal, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Eingang (E1) des ersten EXOR-Elements (EXOR1) und dem zweiten Eingang (E2) des zweiten EXOR-Elements (EXOR2) das erste Binärsignal (a) zugeführt ist und daß dem zweiten Eingang (E2) des ersten EXOR-Elements (EXOR1) und dem ersten Eingang (E1) des zweiten EXOR-Elements (EXOR2) das zweite Binärsignal (b) zugeführt ist und daß die Ausgänge der EXOR-Elemente mit Eingängen eines Subtrahierers (SUB) verbunden sind, an dessen Ausgang eine dem Phasenunterschied entsprechende Regelspannung (S) abgegeben ist.

2. Phasendetektor mit einem ersten und einem zweiten EXOR- Element mit je zwei Eingängen zur Bestimmung der Phasenunterschied zwischen einem ersten Binärsignal und einem zweiten Binärsignal, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Eingang (E1) des ersten EXOR-Elements (EXOR1) und dem zweiten Eingang (E2) des zweiten EXOR-Elements (EXOR2) das erste Binärsignal (a) zugeführt ist und daß dem zweiten Eingang (E2) des ersten EXOR-Elements (EXOR1) und dem ersten Eingang (E1) des zweiten EXOR-Elements (EXOR2) das zweite Binärsignal (b) zugeführt ist, wobei eines der Eingangssignale eines EXOR-Elements oder eines der Ausgangssignale eines EXOR-Elements invertiert ist, an dessen Ausgängen eine Additionsschaltung (ADD) angeschlossen ist, an dessen Ausgang eine dem Phasenunterschied entsprechende Regelspannung (S) abgegeben ist.

3. Phasendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tiefpaßfilter (TF) zur zeitlichen Mittelung der Ausgangsspannung des Subtrahierers (SUB) oder des Addierers (ADD) angeschaltet ist, so daß die durch die Regelspannung (S) ermittelt wird, die proportional zum Phasenunterschied zwischen den Eingangssignalen (a) und (b) ist und bei Gleichphasigkeit durch Null geht.

4. Phasendetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasengleichheit zwischen den Eingangssignalen (a) und (b) durch einen Schwellwert der Regelspannung (S) definiert ist.

5. Phasendetektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder zwei Laufzeitglieder (L1) und (L2) an identische Eingänge (E1) oder (E2) eines bzw. beider EXOR-Elemente (EXOR1) und (EXOR2) angeschaltet sind, so daß größere negative bzw. auch positive Phasenunterschiede zwischen den Eingangssignale (a) und (b) meßbar werden.