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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Takt-Wiederherstellung-Schaltung mit einem Taktgenerator aufweisend eine Phasenregelschleife und ein Takt-Wiederherstellungsverfahren mit einer Phasenregelschleife.
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Phasenregelschleifen (PLL – „phase locked loop“) dienen dazu, die Phasenlage und die Frequenz eines Oszillators über die Phasenregelschleife so zu beeinflussen, dass die Abweichungen in Bezug auf die Phasenlage zwischen einem Referenzsignal und dem von einem Oszillator der Phasenregelschleife ausgegebenen Signal konstant und gering sind und die Frequenz des von dem Oszillator ausgegebenen Signals gleich der Frequenz des Referenzsignals ist.
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Für die Übertragung von Daten ist es notwendig, die Taktfrequenz von einem Transmitter zu einem Empfänger zu übertragen oder die Taktfrequenz empfängerseitig wiederherzustellen. Im ersten Fall ist eine zusätzliche Datenleitung für den Takt notwendig und im zweiten Fall muss eine Takt-Wiederherstellung erfolgen. Unabhängig davon, ob der Takt übertragen oder aus einem Datensignal wiederhergestellt wird, ist eine Phasenregelschleife empfängerseitig notwendig, um ein Taktsignal mit der richtigen Frequenz und Phase bereitzustellen.
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Bei herkömmlichen Phasenregelschleifen wird ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO – „voltage controlled oscillator“) in Verbindung mit einer analogen Phasenregelschleifenstruktur verwendet, wobei die Frequenz- und Phaseneinstellung des spannungsgesteuerten Oszillators durch ein analoges Signal gesteuert wird. Das analoge Steuersignal wird aus der Phasendifferenz zwischen Eingangs- und Oszillatorsignal generiert, wobei vor dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) ein Regelfilter mit entsprechender Charakteristik wie z.B. P, PI, I oder PID angeordnet ist, was die dynamischen Eigenschaften der Phasenregelschleife (PLL) beeinflusst.
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EP 1 195 903 A2 offenbart eine Takt-Wiederherstellungseinheit mit einer Frequenzdetektorschaltung. Der spannungsgesteuerte Oszillator wird über einen Referenztakt gesteuert, wobei in einer Ausführung ein Teiler vorgesehen ist, dem ein phasenverschobenes Taktsignal zugeführt wird und der daraus ein skaliertes Signal erzeugt. Der Teiler bewirkt hierbei durch die Herabsetzung der Frequenz des phasenverschobenen Taktsignals die Verwendung eines verzögerten Referenztaktsignals. Die in EP 1 195 903 A2 beschriebene Phasenregelschleife entspricht dem vorstehend genannten Beispiel aus dem Stand der Technik.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen ist jedoch, dass diese einen spannungsgesteuerten Oszillator der Phasenregelschleife direkt mit einem analogen Signal ansteuern, um die Frequenz eines Ausgabesignals des spannungsgesteuerten Oszillators zu ändern. Der spannungsgesteuerte Oszillator solcher Schaltungen wird hierbei direkt über externe Steuerleitungen angesteuert, wobei diese externen Steuerleitungen empfindlich für Rauschen und Verzerrungen sind.
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Solche PLL-Schaltungen können auch in Kommunikationskomponenten in Computernetzwerken zur Zugriffssteuerung der Komponenten eingesetzt werden. Dabei treten das Problem der Synchronisation und damit die Einstellung auf eine exakte Uhrzeit der im Netzwerk eingebundenen Komponenten auf. üblicherweise überträgt die als Master dienende Komponente einen Zeitstempel, der von der Slave-Komponente zur Synchronisation ausgewertet wird. Unter Verwendung einer PLL wird der entsprechend gleichspannungsgesteuerte Quarz des Oszillators in Abhängigkeit von dem eingangsseitig anliegenden Eingangs- oder Zeitsignal derart geregelt, um auf die Sollfrequenz abgestimmt werden zu können. Solche Regelkreise lassen keine Steuerung von außen zu und sind als zusätzliche Elemente vorgesehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung sowie ein Verfahren zur Takt-Wiederherstellung anzugeben, wobei eine feinere Frequenzanpassung bzw. Phasenanpassung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen und Verfahren möglich und die Steuerung des spannungsgesteuerten Oszillators unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen ist und ohne zusätzliche eingangsseitig vorgesehene Elemente auskommt, um auf eine Sollfrequenz abgestimmt werden zu können.
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Die Aufgabe wird durch eine Takt-Wiederherstellungsschaltung mit den in Anspruch 1 angegebenen technischen Merkmalen und durch ein Takt-Wiederherstellungsverfahren mit den in Anspruch 7 angegebenen technischen Merkmalen gelöst.
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Bei einer Takt-Wiederherstellung-Schaltung mit einem Taktgenerator, aufweisend eine Phasenregelschleife mit einem Phasendetektor, einem Filter, einem spannungsgesteuerten Oszillator und einem zweiten Frequenzteiler, wobei der Taktgenerator ein Eingangstaktsignal erhält und der spannungsgesteuerte Oszillator ein Ausgangstaktsignal erzeugt und der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators mit dem zweiten Frequenzteiler und der zweite Frequenzteiler mit dem Phasendetektor verbunden ist, ist der zweite Frequenzteiler mit einer Steuerschaltung verbunden, wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von über einen Steuerbus empfangenen Eingangssignalen das Teilungsverhältnis des zweiten Frequenzteils dynamisch variabel zu steuern.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird über die Steuerschaltung der zweite Frequenzteiler gesteuert, wodurch feinere Abstimmungen möglich sind. Im Gegensatz zu Phasenregelschleifen aus dem Stand der Technik, welche zur Anpassung der Frequenz des Ausgangstaktsignals den spannungsgesteuerte Oszillator direkt über ein Analogsignal ansteuern, wird die Frequenz des Ausgangstaktsignals bei der erfindungsgemäßen Schaltung durch dynamisches Verändern der Teilung des zweiten Frequenzteilers eingestellt. Die Eingangssignale werden über den Steuerbus an die Steuerschaltung übertragen, wobei diese Eingangssignale in der Steuerschaltung ausgewertet werden und zur Einstellung des Teilungsverhältnisses des zweiten Frequenzteilers (N) dienen. Die Steuerschaltung kann dabei mit dem zweiten Frequenzteiler (N(t)) über einen digitalen Bus direkt verbunden sein, wodurch der zweite Frequenzteiler dynamisch variabel verändert wird. Insbesondere werden die Eingangssignale über den Steuerbus empfangen, der mit der Steuerschaltung verbunden ist. Die über den Steuerbus von einer angeschlossenen Komponente empfangenen Bussignale unterliegen keinem Rauschen, welches bei Analogsignalen zur Steuerung eines spannungsgesteuerten Oszillators aus dem Stand der Technik auftritt. Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die Steuerung des zweiten Frequenzteilers über digitale Signale. Daher wird das von dem spannungsgesteuerten Oszillator ausgegebene Signal nicht von Verzerrungen oder anderen Störungen beeinflusst. Es wird dadurch eine kostengünstige Schaltungsanordnung für eine Phasenregelschleife mit einer Frequenzanpassung angegeben. Darüber hinaus sind sehr feine und genaue Frequenz- bzw. Phaseneinstellungen möglich, welche der Ausbildung des zweiten Teilers (N(t)) unterliegen. Die Übertragungscharakteristik des Wiederherstellungsverhaltens hängt daher nur von der in der Steuerschaltung implementierten Übertragungscharakteristik und der Übertragungsrate des verwendeten Bussystems ab.
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Der Phasendetektor ist dem ersten Frequenzteiler nachgeschaltet und dazu ausgebildet, die Frequenz eines Referenzsignals, das bspw. von einem ersten Frequenzteiler bereitgestellt wird, mit der Frequenz des von dem zweiten Frequenzteiler ausgegebenen Signals miteinander zu vergleichen.
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Das Filter ist dem Phasendetektor nachgeschaltet und gibt ein gefiltertes Signal an den spannungsgesteuerten Oszillator aus.
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Die Steuerschaltung kann mit einem Ausgang eines Oszillators verbunden sein, der die Referenzfrequenz für den Phasendetektor bereitstellt. Zudem ist die Steuerschaltung dazu ausgebildet, die Referenzfrequenz des von dem Oszillator ausgegebenen Signals mit den über den Steuerbus empfangenen Eingangssignalen zu vergleichen.
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Die Steuerschaltung kann auch dazu ausgebildet sein, das Teilungsverhältnis eines ersten Frequenzteilers (M) zu steuern, der dem Phasendetektor das Eingangstaktsignal bereitstellt. Dadurch kann eine noch feinere Frequenzeinstellung erfolgen.
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In weiteren Ausführungsformen kann die Steuerschaltung dazu ausgebildet sein, aus der Frequenz des von dem spannungsgesteuerten Oszillator ausgegebenen Signals einen Zeitstempel zu generieren und den generierten Zeitstempel mit einem Zeitstempel zu vergleichen, der zusammen mit dem von einem Sender oder Transmitter übermittelten Signal übertragen wird.
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Die Steuerschaltung kann als Eingangssignale von einem Sender übermittelte Signale oder einen Zeitstempel, der zusammen mit einem von einem Sender übermittelten Signal übertragen wird, erhalten, wobei die übermittelten Signale eine Referenzfrequenz aufweisen und/oder eine übermittelte Referenzfrequenz in entsprechende Daten umgewandelt wird.
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Ferner kann die Steuerschaltung dazu ausgebildet sein, eine Messung des Speicherbelegungszustands eines Zwischenspeichers zu nutzen und den ersten Frequenzteiler und/oder den zweiten Frequenzteiler in Abhängigkeit des Messergebnisses derart zu steuern, dass ein Überlaufen des Zwischenspeichers vermieden wird.
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In den verschiedenen Ausgestaltungsmöglichkeiten kann die Steuerschaltung beispielsweise ein empfangenes Eingangssignal mit der Frequenz des von dem spannungsgesteuerten Oszillator ausgegebenen Signals vergleichen. Der Taktgenerator kann als IC ausgebildet sein und wird hierbei extern angesteuert. Dies erfolgt beispielsweise über einen I2C-Bus (wobei auch andere Bussysteme verwendet werden können). Die extern ansteuerbaren Frequenzteiler werden dazu verwendet, die Frequenz des Ausgangstaktsignals von dem spannungsgesteuerten Oszillator zu steuern.
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Bei einem erfindungsgemäßen Takt-Wiederherstellungsverfahren, wobei die Frequenz eines Eingangstaktsignals durch einen ersten Frequenzteiler geteilt und das geteilte Eingangstaktsignal einer Phasenregelschleife zugeführt wird, wobei die Phasenregelschleife einen Phasendetektor, ein Filter, einen spannungsgesteuerten Oszillator und einen zweiten Frequenzteiler aufweist, wobei das geteilte Eingangstaktsignal und ein Signal von dem zweiten Frequenzteiler dem Phasendetektor zugeführt werden und der Phasendetektor die Frequenzen der Signale miteinander vergleicht und ein Signal an das Filter und das Filter ein Signal an den spannungsgesteuerten Oszillator liefert, wobei dem zweiten Frequenzteiler ein Ausgangstaktsignal von dem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt wird, wird der zweite Frequenzteiler von einer Steuerschaltung gesteuert, wobei die Steuerschaltung das Teilungsverhältnis des zweiten Frequenzteilers in Abhängigkeit von über einen Steuerbus empfangenen Eingangssignalen einstellt.
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Die Steuerschaltung kann ebenso das Teilungsverhältnis des ersten Frequenzteilers in Abhängigkeit von den empfangenen Eingangssignalen einstellen.
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Als Eingangssignale können der Steuerschaltung von einem Sender übermittelte Signale oder ein Zeitstempel, der zusammen mit einem von einem Sender übermittelten Signal übertragen wird, zugeführt werden, wobei die übermittelten Signale eine Referenzfrequenz aufweisen und/oder eine übermittelte Referenzfrequenz in entsprechende Daten umgesetzt wird.
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In der Steuerschaltung kann der mit dem übermittelten Signal übertragene Zeitstempel mit einem in Abhängigkeit der Frequenz des von dem spannungsgesteuerten Oszillators ausgegebenen Signals erzeugte Zeitstempel verglichen werden.
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Die der Steuerschaltung zugeführten Eingangssignale können in einem Zwischenspeicher zwischengespeichert werden, wobei eine Messung des Speicherbelegungszustands des Zwischenspeichers mit den Eingangssignalen durchgeführt wird und die daraus erhaltenen Daten zur Steuerung des ersten Frequenzteilers und/oder des zweiten Frequenzteilers herangezogen werden, so dass ein Überlaufen des Zwischenspeichers vermieden wird.
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Die Steuerschaltung kann mit dem zweiten Frequenzteiler über einen digitalen Bus verbunden sein, wodurch der der zweite Frequenzteiler dynamisch variabel verändert wird.
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In der Steuerschaltung kann die aus den Eingangssignalen gebildete Frequenz mit einer Referenzfrequenz des von einem Oszillator ausgegebenen Signals verglichen werden, wobei der Oszillator ein Signal mit der Referenzfrequenz an den ersten Frequenzteiler oder direkt an den Phasendetektor liefert.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine Phasenregelschleife gem. dem Stand der Technik;
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2 eine Schaltung zur Takt-Wiederherstellung; und
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3 eine weitere Schaltung zur Takt-Wiederherstellung.
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In den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehene Teile und Komponenten entsprechen im Wesentlichen einander, solange nichts anderes angegeben ist.
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1 zeigt eine Phasenregelschleife aus dem Stand der Technik. Die Phasenregelschleife 10 weist einen ersten Frequenzteiler 12 auf, dem ausgehend beispielsweise von einem Quarzoszillator ein Referenzsignal mit einer Frequenz fs zugeführt wird. Der erste Frequenzteiler 12 teilt die Frequenz fs und gibt ein Signal mit einer Frequenz fs/M aus. Das Signal mit der Frequenz fs/M wird einem Phasendetektor 13 zugeführt. Der Phasendetektor 13 erhält von einem zweiten Frequenzteiler 17 ein Signal mit einer Frequenz fosc/N. Der Phasendetektor 13 vergleicht die eingehenden Signale von dem ersten Frequenzteiler 12 und dem zweiten Frequenzteiler 17 und gibt ein Fehlersignal an ein Regelfilter 14 aus. Das Fehlersignal wird im Hinblick auf Phasen- und Frequenzunterschiede ausgehend von den eingehenden Signalen ermittelt. Die Steuerung 15 erzeugt ein Steuersignal für einen spannungsgesteuerten Oszillator 16. Der spannungsgesteuerte Oszillator 16 gibt dann ein Signal mit einer Ausgabefrequenz fosc = fs × N/M aus.
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Die Ausgangsfrequenz fosc des von dem spannungsgesteuerten Oszillator 16 ausgegebenen Signals hängt von den Teilungsverhältnissen des ersten Frequenzteilers 12 und des zweiten Frequenzteilers 17 ab und wird durch die Steuerung 15 verändert, welche die Ausgangsfrequenz fosc des spannungsgesteuerten Oszillators 16 regelt.
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2 zeigt eine Schaltung 20, wobei einer Phasenregelschleife ausgehend von einem Oszillator 22 ein Referenzsignal zugeführt wird. Die Phasenregelschleife umfasst einen Phasendetektor 26, einen Filter 28, einen spannungsgesteuerten Oszillator 30 und einen zweiten Frequenzteiler 32. Das Referenzsignal wird einem ersten Frequenzteiler 24 zugeführt. Das Referenzsignal weist eine bestimmte Frequenz fs auf. Die Frequenz des zugeführten Referenzsignals wird in dem ersten Frequenzteiler 24 um ein bestimmtes Maß M geteilt. Die Frequenz des geteilten Referenzsignals wird anschließend in dem Phasendetektor 26 der Phasenregelschleife mit einer Frequenz eines Signals von dem zweiten Frequenzteiler 32 verglichen, wobei die Ausgangsfrequenz fosc des Ausgangstaktsignals des spannungsgesteuerten Oszillators 30 gleich der Frequenz des geteilten Referenzsignals sein soll.
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Das geteilte Referenzsignal mit einer Frequenz fs/M wird dem Phasendetektor 26 zugeführt. Zudem wird dem Phasendetektor 26 ein Signal von dem zweiten Frequenzteiler 32 mit einer Frequenz fosc/N(t) zugeführt. Der Phasendetektor vergleicht das geteilte Referenzsignal mit dem Signal von dem zweiten Frequenzteiler und gibt ein Signal an das Filter 28 aus. Das gefilterte Signal wird dem spannungsgesteuerten Oszillator 30 zugeführt. Der spannungsgesteuerte Oszillator 30 der Phasenregelschleife gibt ein Ausgangstaktsignal mit einer Ausgangsfrequenz fosc= fs × N(t)/M aus. Das Ausgangstaktsignal wird dem zweiten Frequenzteiler 32 N(t) zugeführt, welcher von einer Steuerschaltung 34 gesteuert wird. Der zweite Frequenzteiler 32 führt das Ausgangstaktsignal mit der geteilten Frequenz zum Phasendetektor (26) zurück. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Phasenregelschleife 10 weist die Schaltung 20 von 2 (und von 3) keine Steuerung 15 auf. Die Phasenregelschleife 10 (1) stellt die Ausgabefrequenz fosc durch die Steuerung 15 ein, indem die Steuerung 15 ein Steuersignal an den spannungsgesteuerten Oszillator 16 ausgibt. Das Steuersignal wird in Abhängigkeit des von dem Phasendetektor 13 erzeugten Fehlersignals gebildet. Bei den Schaltungen 20 von 2 und 3 wird hingegen die Teilung des zweiten Frequenzteilers 32 dynamisch gesteuert, so dass die Frequenz des Ausgangstaktsignals gleich der Frequenz des Referenzsignals bzw. der Frequenz des geteilten Referenzsignals ist.
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Über die Steuerschaltung 34 erfolgt ein dynamisches Ändern des Teilungsverhältnisses des zweiten Frequenzteilers 32. Hierbei wird die Frequenz des Ausgangstaktsignals durch das variable Teilungsverhältnis des zweiten Frequenzteilers 32 verändert und dynamisch angepasst.
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Die Steuerschaltung 30 empfängt über einen nicht dargestellten Steuerbus Eingangsdaten mit einer Frequenz. Diese Eingangsdaten mit einer Frequenz können von einem Sender übermittelte Signale oder ein Zeitstempel, der zusammen mit dem von einem Sender übermittelten Signal übertragen wird, sein. Die übermittelten Signale können hierbei Datensignale sein oder eine definierte Frequenz eines übertragenen Signals kann in Datensignale umgewandelt werden. Alle übermittelten Signale, unabhängig von ihrer Ausbildung, können in entsprechende Eingangsdaten umgewandelt und zur Steuerung des Teilungsverhältnisses des ersten Frequenzteilers 24 und/oder des zweiten Frequenzteilers 32 an die Steuerschaltung 34 übertragen werden.
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Die Frequenz des ausgegebenen Signals von dem Oszillator 22 kann in der Steuerschaltung 34 mit der Frequenz von Signalen, die als Eingangsdaten empfangen werden, verglichen werden. Der Steuerschaltung 34 kann auch das Ausgangstaktsignal zugeführt werden. Bei der in 2 gezeigten Schaltung 20 wird der zweite Frequenzteiler 32 durch die empfangenen Eingangsdaten digital angesteuert.
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Bspw. werden über den Steuerbus Daten empfangen, die eine bestimmte Frequenz vorgeben. Der Oszillator 22 gibt eine Frequenz aus, die durch den ersten Frequenzteiler 24 geteilt wird und dann der bestimmten Frequenz entspricht. Damit durch den spannungsgesteuerten Oszillator 30 ein Ausgangstaktsignal ausgegeben wird, dessen Frequenz gleich der bestimmten übertragenen Frequenz ist, verändert die Steuerschaltung 34 die Teilung N(t) des zweiten Frequenzteilers 32 dynamisch, so dass die Frequenzen gleich sind. Die Frequenz des von dem zweiten Frequenzteiler 32 an den Phasendetektor 26 gesendeten Signals kann im Phasendetektor 26 auch mit anderen Referenzdaten verglichen werden.
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Die in den 2 und 3 gezeigten Schaltungen 20 dienen in erster Linie zur Frequenzanpassung. Die in 3 gezeigte Schaltung 20 weist zusätzlich zu der in 2 gezeigten Schaltung 20 eine Zeitstempel-Schaltung 36 auf, die ausgehend von dem Ausgangstaktsignal eines spannungsgesteuerten Oszillators 30 der Phasenregelschleife einen Zeitstempel generiert, der der Steuerschaltung 34 zugeführt wird. Die Zeitstempel-Schaltung 36 kann selbstverständlich als Komponente der Steuerschaltung 34 ausgebildet sein. Auch eine Software basierte Lösung ist hierbei denkbar. Bei der in 3 gezeigten Ausführung erhält die Steuerschaltung 34 als Eingangsdaten einen Zeitstempel, der in regelmäßigen Abständen mit einem eingehenden Signal von einem Sender oder einem Transmitter übertragen wird. Dieser übertragene Zeitstempel wird mit dem durch die Zeitstempel-Schaltung 36 generierten Zeitstempel in der Steuerschaltung 34 verglichen. Die Steuerschaltung 34 steuert dann in Abhängigkeit möglicher Abweichungen den zweiten Frequenzteiler 32 so, dass die Frequenz des von dem spannungsgesteuerten Oszillator 30 der Phasenregelschleife ausgegebenen Signals gleich einer Referenzfrequenz ist, welche aus den Eingangsdaten gebildet wird, die über den Steuerbus der Steuerschaltung 34 übermittelt werden.
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Die in 2 und 3 gezeigten Schaltungen 20 weisen gegenüber der in 1 gezeigten Phasenregelschleife 10 den Vorteil auf, dass die Frequenz des von dem spannungsgesteuerten Oszillator ausgegebenen Signals keinen Abweichungen aufgrund von Störungen (Rauschen) unterliegt. Ferner ermöglicht die digitale Ansteuerung des zweiten Frequenzteilers 32 über den Steuerbus eine sehr feine Einstellung des Teilungsverhältnisses des zweiten Frequenzteilers 32. Eine derartige Teilung ist bei der Schaltung 10 von 1 aufgrund der analogen Ansteuerung nicht möglich.
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Die Steuerschaltung 34 kann neben der Ansteuerung des zweiten Frequenzteilers 32 auch eine Ansteuerung des ersten Frequenzteilers 24 vornehmen. Dies wirkt sich insbesondere positiv auf die einzustellenden Frequenzen aus.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Phasenregelschleife
- 12
- erster Frequenzteiler
- 13
- Phasendetektor
- 14
- Filter
- 15
- Steuerung
- 16
- spannungsgesteuerter Oszillator
- 17
- zweiter Frequenzteiler
- 20
- Schaltung
- 22
- Quarzoszillator
- 24
- erster Frequenzteiler
- 26
- Phasendetektor
- 28
- Filter
- 30
- spannungsgesteuerter Oszillator
- 32
- zweiter Frequenzteiler
- 34
- Steuerschaltung
- 36
- Zeitstempel-Schaltung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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