DE10039421C2 - Phasendetektor - Google Patents

Description

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

Für die Bestimmung der Phasenunterschiede zwischen zwei Bi­ närsignalen werden EXOR-Elemente (Exclusiv-Oder) verwendet. Die bekanntesten Schaltungen beruhen auf einer Anordnung mit einem einzigen EXOR-Element oder auf zwei symmetrisch ange­ ordneten 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 Gleichbehand­ lung der Signale in beiden Datenwegen wird eine hohe Stabili­ tät erreicht.

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

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

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Phasendetek­ tor, der durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gekenn­ zeichnet ist, gelöst.

Zweckmäßige Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprü­ che beschrieben.

Im Vergleich zu üblichen EXOR-Schaltungen wird eine neue un­ symmetrische 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 logi­ schen EXOR-Ausgangssignale voneinander subtrahiert. Der Meß­ fehler δ bzw. 2δ wird durch diese Subtraktion komplett unter­ drückt. 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 propor­ tional zur Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen und bildet als Phasendetektorkennlinie einen unsymmetrischen li­ nearen 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 Ausgangsspan­ nung durch den Einsatz von mindestens einem Laufzeitglied (Inverter) erweitern, so daß ein breiterer Phasendifferenzbe­ reich erfasst werden kann.

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 Inver­ tierung,

Fig. 3 Prinzipsschaltbild der zweiten Variante der In­ vertierung,

Fig. 4 Phasendetektorkennlinie bei einer symmetrischen und unsymmetrischen Schaltung,

Fig. 5 Schaltungsbild zur Erweiterung des Phasenunter­ schiedenbereiches,

Fig. 6 Phasendetektorkennlinie mit Erweiterung des Pha­ senunterschiedenbereiches,

Fig. 7 Realisierung des Phasendetektors in CML-Technik

In Fig. 1 ist ein Prinzipsschaltbild des neuen Phasendetek­ tors abgebildet. Die Schaltung weist zwei EXOR-Elemente EXOR1, EXOR2 mit je zwei Eingängen auf. Die ersten Eingänge jedes EXOR-Elements verzögern die Signale um eine erste Lauf­ zeit τ1 und die zweiten Eingänge um eine zweite Laufzeit τ2. An den jeweils ersten Eingang E1 der beiden EXOR-Elemente werden ein Binärsignal a und ein Binärsignal b geführt. An den jeweils 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 die Laufzeit τ1 an dem ersten EXOR-Gatter EXOR1 und um die Laufzeit τ2 an dem zweiten EXOR-Gatter EXOR2 verzögert wird, sowie das Eingangssignal b um die Laufzeit τ2 an dem ersten EXOR-Gatter EXOR1 und um die Laufzeit τ1 an dem zweiten EXOR- Gatter EXOR2. Die Ausgangssignale s1 und s2 der EXOR-Elemente werden mittels eines Subtrahierers 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 Pha­ sendetektorkennlinie 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 eine Addierer­ schaltung ADD statt des Subtrahierers SUB (Fig. 1) auf. Diese Invertierung mit anschließender Addition ist bezüglich der Ausgangsspannung äquivalent zur vorigen Subtraktion in Fig. 1. Das EXOR-Element, bei dem die Invertierung realisiert ist, ist nach der Stand der Technik ein EXNOR-Element. Die Phasendetektorkennlinie läßt sich daher als S_unsym = <s1 + 2< 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 einen invertierenden 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 der Addiererschaltung ADD ist äquivalent zur vorigen Subtraktion der EXOR-Ausgangssignale in Fig. 1. Die Phasen­ detektorkennlinie läßt sich daher ebenfalls als S_unsym = <s1 + 2< nach dem Tiefpaßfilter TF beschreiben.

Fig. 4 zeigt eine Phasendetektorkennlinie S_unsym als Funktion des Phasenunterschiedes Δ zwischen den Binärsignalen 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 Peri­ ode des Taktes bzw. die Bitdauer. Jedes der Signale <s1< und <s2< weist im Betrag um Δ = 0 einen Fehler von δ = τ2 - τ1 < 0 auf­ grund der EXOR-Laufzeiten τ1 und τ2 auf. Für eine symmetri­ sche EXOR-Schaltung mit Addition der Ausgangssignale s1 und s2 anstatt Subtraktion von s1 und s2 bildet die Phasendetek­ torkennlinie 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-Elements 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 + 2< bildet einen linearen Bereich LB über Phasenunter­ schieden in [-δ; +δ]. Die Phasengleichheit Δ = 0 ist mit Null­ durchgang von S_unsym vorhanden. Dies bedeutet, daß die Gleich­ phasigkeit durch einen einfachen Zeichenwechsel von S_unsym und nicht mehr durch eine aufwendigere und unscharfe Minimumde­ tektion wie bei symmetrischen Schaltungen bestimmt wird. In der Praxis wird die Gleichphasigkeit zwischen den Binärsigna­ len a und b durch einen Schwellwert nah am Nulldurchgang be­ stimmt.

Fig. 5 zeigt eine Schaltung zur Erweiterung des linearen Be­ reichs LB der Phasendetektorkennlinie durch Einsatz von zwei Laufzeitgliedern L2 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-Elements angeschaltet. Dadurch läßt sich der lineare Be­ reich LB der Phasendetektorkennlinie S_unsym von [-δ; +δ] wie in Fig. 4 dargestellt, auf [-τ_inv - δ; δ + τ_inv] mit δ = τ2 - τ1 erwei­ tern.

Anstatt zweier Laufzeitglieder mit der Laufzeit τ_inv kann auch nur eines entweder an einen ersten Eingang eines EXOR- Elements oder an einen zweiten Eingang eines EXOR-Gatters an­ geschaltet werden. Der lineare Bereich LB wird in diesem Fall entsprechend der Anschaltung des Inverters auf Phasenunter­ schiede entweder von -δ bis τ_inv + δ oder von -τ_inv - δ bis +δ ein­ seitig erweitert.

Der lineare Bereich LB der durch den Nullpunkt gehenden Kenn­ linie S_unsym kann so für größere Phasenunterschiede Δ erwei­ tert werden.

Fig. 6 zeigt die Phasendetektorkennlinie S_unsym/inv der mit zwei Laufzeitgliedern versehenen Schaltung sowie die Kennli­ nie 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, 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 (5)

1. Phasendetektor mit einem ersten und einem zweiten EXOR- Element mit je zwei unterschiedlichen Laufzeiten aufweisenden Eingängen zur Bestimmung der Phasenunterschiede zwischen ei­ nem 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) verbun­ den sind, an dessen Ausgang eine dem Phasenunterschied ent­ sprechende Regelspannung (S) abgegeben ist.

2. Phasendetektor mit einem ersten und einem zweiten EXOR- Element mit je zwei unterschiedliche Laufzeiten aufweisenden Eingängen zur Bestimmung der Phasenunterschiede zwischen ei­ nem 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 (E2) des zweiten EXOR-Elements (EXOR2) das zweite Binärsignal (b) zugeführt ist, wobei eines der Ein­ gangssignale eines EXOR-Elements oder eines der Ausgangssi­ gnale eines EXOR-Elements invertiert ist, und daß die Ausgän­ ge der EXOR-Elemente mit Eingang zu einer Additionsschaltung (ADD) verbunden sind, an deren Ausgang eine dem Phasenunter­ schied entsprechende Regelspannung (S) abgegeben ist.

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

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

5. Phasendetektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens an einem Eingang eines EXOR-Elements oder an identischen Eingängen (E1, E2) beider EXOR-Elemente (EXOR1, EXOR2) ein Laufzeitglied (L1, L2) angeschaltet ist.