DE19816656A1

DE19816656A1 - Präzisionsfrequenzteiler

Info

Publication number: DE19816656A1
Application number: DE19816656A
Authority: DE
Inventors: Franz Braunagel
Original assignee: SUEDWESTFUNK ANSTALT DES OEFFE
Current assignee: SUEDWESTRUNDFUNK -ANSTALT DES OEFFENTLICHEN RECHTS
Priority date: 1998-04-15
Filing date: 1998-04-15
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2018-04-16
Also published as: DE19816656C2

Abstract

Zum Erzeugen von Frequenzen durch Teilung einer frequenzstabilen Mutterfrequenz wird vorgeschlagen, als Teilungsfaktor eine beliebige, rationale Zahl zu wählen. Der bei der Teilung der Mutterfrequenz resultierende Phasenfehler wird über eine Anzahl von Takten gemittelt.

Description

Bei Frequenzgeneratoren, wie sie beispielsweise in Tunern für Fernsehgeräte oder Videorecordern eingesetzt werden, ist es allgemein bekannt, die Frequenz eines Quarzoszillators mittels eines Frequenzteilers auf die gewünschte Frequenz z. B. Tuning frequenz herunter zu teilen. Mit den bekannten Frequenzteilern lassen sich jedoch nur ganzzahlige Teilerverhältnisse einstellen, so daß die herunter geteilte Frequenz von der gewünschten Frequenz um einen Fehlerbetrag abweicht. Zum Ausgleich dieses Frequenzfehlers wird üblicherweise in einer PLL-Schaltung zunächst der Phasenfehler durch Vergleich mit der Phase eines Referenzsignals festgestellt, im Falle eines Fernsehempfängers der Phase des Frabträgers des empfangenen Fernsehsignals. Anschließend wird aufgrund des festgestellten Phasenfehlers die Frequenz des Quarzoszillators z. B. mittels Kapazitätsdioden nachgestellt.

Dieses bekannte Verfahren setzt jedoch das Vorliegen eines Referenzsignals voraus, welches zumindest in regelmäßigen Abständen verfügbar ist.

Es ist ferner bekannt, selbsttaktende Codierungen für digitale Signale vorzusehen, welche den Referenztakt zu ihrer exakten, phasengenauen Abtastung als Signalbestandteil bereits enthalten. Mit dem aus der Codierung gewonnenen Referenztakt wird bei jeder Taktflanke ein Zähler synchronisiert, welcher von einem freilaufenden Oszillator angesteuert wird. Falls jedoch das digitale Eingangssignal für eine längere Periode ausfällt, z. B., wenn bei einem digitalen Rundfunksignal zeitweilig kein Empfang möglich ist (in Tunnels, unter Brücken), driftet die Phase der Abtastfrequenz gegenüber der Phase des Referenzsignals. Dieser Phasenfehler wird zwar bei Wiedererscheinen des Referenzsignals korrigiert, ohne daß die Schaltung feststellen kann, wieviele Bits bei dieser Korrektur verlorengegangen sind. Bei Digitalübertragungsverfahren, bei denen es auf die genaue Anzahl von Bits in einem bestimmten Zeitrahmen (z. B. Paketlänge) ankommt, kann es vorkommen, daß infolge der Phasenkorrektur ganze Pakete unbrauchbar werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Gewinnen von Frequenzen mit beliebigen Frequenzwerten zu schaffen, welches auch bei Ausfall eines Referenztaktes über einen längeren Zeitraum phasenfehlerfrei arbeitet. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, die Frequenz eines Oszillators mittels eines Frequenzteilers herunter zu teilen, welcher im Gegensatz zum Stand der Technik nicht auf ein ganzzahliges Teilerverhältnis beschräkt ist, sondern jede beliebige rationale Zahl, z. B. 3,53892, mit einer festgelegten Anzahl von Kommastellen als Teilerverhältnis aufweisen kann. Durch ein derartiges nahezu beliebiges Teilerverhältnis entsteht bei der Teilung der Mutterfrequenz des Quarzoszillators im Mittel jeder gewünschte Frequenzwert, wobei über eine Anzahl von Takten gemittelt wird, welche bezüglich des Zahlenwertes der Kommastellen dem Wert der nächsthöheren Stelle im Zahlensystem entspricht. Bei einem Teilerverhältnis von z. B. 15,37 müssen 37 von 10² = 100 Takte eine Länge von 16 Takten der Mutterfrequenz aufweisen, während die restlichen (100-37) = 63 Takte eine Länge von 15 Takten der Mutterfrequenz aufweisen. Entsprechend müssen bei einem Teilerverhältnis von 15,371, 371 Takte von 10³ = 1000 Takte die Länge von 16 Takten und die restlichen (1000-371) = 629 Takte die Länge von 15 Takten der Mutterfrequenz aufweisen.

Ein solches Verfahren wird im folgenden beschrieben:
Um einen Takt unbekannter Länge zu adaptieren, genügt es, diesen Takt über mehrere Perioden hinweg zu messen und dann den Mittelwert daraus zu bilden. Bei der Bildung des Mittelwertes ergibt sich normalerweise ein Rest, der, wenn er nicht korrigiert wird, zu den oben dargestellten Fehlern führt. Besteht die Möglichkeit, den Takt immer wieder mit dem zu adaptierenden Signal zu synchronisieren, so ist dies kein Problem. Treten in dem zu adaptierenden Signal jedoch längere Taktpausen auf, so summiert sich der Fehler. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, die bei der Mittelung entstehenden Stellen hinter dem Komma auszuwerten.

Ergeben sich bei n=2^m Messungen eine Summe X, so muß dieser Wert durch 2^m geteilt werden, d. h. er muß in einem Schieberegister um m Stellen nach rechts verschoben werden. Die Stellen, die dabei aus dem Schieberegister herausfallen, entsprechen den Kommastellen, die bei der Division durch 2^m entstehen. Die dabei am weitesten rechts stehende Ziffer entspricht der höchsten negativen Zweierpotenz, die am wenigsten links stehende Ziffer entspricht 2^-1.

Beispiel

Dabei digitalen Systemen die kleinste Einheit immer ein Takt ist und diese Einheit nicht unterschritten werden kann, muß durch Hinzufügen und Weglassen von Korrekturtakten dafür gesorgt werden, daß sich der Fehler, der durch das Weglassen der Bruchteile eines Taktes entsteht, im Laufe der Zeit auf ein Minimum reduziert.

Die Wertigkeit 2^k einer Ziffer hinter dem Komma bedeutet, daß auf 2^x Signaltakte ein Signaltakt kommt, der um einen Oszillatortakt verlängert ist. Auf das obige Beisiel angewandt heißt das, daß jeder 2., 8., 16., 32. und 64. Takt um einen Oszillatortakt verlängert werden muß, um auf den obigen Mittelwert zu kommen. Dieses entspricht 46 verlängerte Takte auf insgesamt 64 Takte. Das Schema nach dem sich die Anzahl der zusätzlichen Oszillatortakte richtet, lautet wie folgt:
Anzahl von Takten, die der Zahl hinter dem Komma entspricht, auf die nächst höhere Zweierpotenz der Zahl hinter dem Komma.

Beispiel

10110,1101₂ = 10110₂ + 1101₂/10000₂.

Geht man dementsprechend so vor, daß man 46 Takte verlängert und die restlichen bis 64 in ihrer Taktlänge beläßt, dann ist der Fehler nach 64 Takten gleich Null. Dafür ist er jedoch nach 46 Takten sehr hoch und zwar ist er zu diesem Zeitpunkt

D.h. Nach 46 Signaltakten hat sich ein Fehler aufsummiert, daß der 46. Signaltakt 12,938 Oszillatortakte später endet als er eigentlich enden müßte. Es ist also eine Phasenverschiebung von 12,938 Oszillatortakten entstanden. Dieser Fehler entwickelt sich dann in 64-46 = 18 Signaltakten wieder auf Null zurück um dann im nächsten Zyklus wieder in der gleichen Weise anzusteigen und abzusinken.

In Fig. 1 ist der Verlauf des Phasenfehlers Fn von n = 64 Takten dargestellt, und zwar bei teilweiser Korrektur, wobei der Wert der Kommastellen 46/64 beträgt.

Beträgt die Taktlänge 10 Generatortakte, so ist nach ca. 35 Takten ein Phasenfehler von einer Taktlänge aufgetreten. Dies ist für Abtastsysteme jedoch untragbar, da in diesem Fall ein Symbol zu wenig abgetastet wurde. Um dieses Problem zu umgehen ist es erforderlich, die Anzahl der zu verlängernden Takte nicht zusammenhängend, sondern verteilt abzu arbeiten. Tut man dies in geeigneter Weise, so kann man erreichen, daß der Fehler nie über einen Generatortakt ansteigt (siehe Fig. 3).

Um eine optimale Verteilung der verlängerten und normalen Takte zu erzielen, braucht man nur das Polynom, das sich aus den Stellen hinter dem Komma ergibt, in geeigneter Weise zu interpretieren.

Da C₁ = 1 ist, bedeutet dies, daß jeder 2¹. Takt verlängert werden muß. Wäre C₂ = 1, so müßte jeder 4. Takt ebenso verlängert werden. Da C₂ = 0 ist, enthält die Verlängerung jedes 4. Taktes usw., d. h. auf 10000 Taktsignale kommen 1101 Taktsignale die um einen Oszillatortakt verlängert sind. Dieses Verfahren ist für jede Zahlenbasis gültig, ganz gleich ob im Dual-, Dezimal-, Hexadezimal- oder einem anderen Zahlensystem gerechnet wird.

Berechnung der Fehler

In Fig. 2 sind die Phasenfehler für die Fälle fehlender Korrektur (gestrichelte Kurve), teilweiser Korrektur (punktierte Linie) und erfindungsgemäße Korrektur (durchgezogene Linie) veranschaulicht.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2 im Bereich des Startpunktes Null.

Der Fehler des optimal korrigierten Frequenzteilers bleibt bei einer Polynomlänge von 16 Stellen bis 2**16 = 65536 kleiner als ein Oszillatortakt.

Geht man weiter nach diesem Schema vor, so erhält man aus dem gegebenen Polynom, das unten angegebene Muster von Taktverlängerungen.

In der Matrix nach Fig. 4 sind in den Spalten 1. . .n die jeweils 2., 4., 8. usw. Takte markiert, die verlängert werden. In der Spalte 0 sind die Summen der Spalten 1. . .n dargestellt. Jede Zeile der Matrix entspricht einem Takt des Teilerausganges. Eine 1 in der Spalte 0 einer Zeile bedeutet, daß der zugehörige Takt verlängert wird. Wie man sieht, sind die Lücken zwischen verlängerten und unverlängerten Takten relativ gut verteilt, so daß es zu keiner übermäßigen Häufung von verlängerten und unverlängerten Takten kommt. Dadurch wird das oben beschriebene Phänomen, daß der Taktfehler < 1 werden kann, vermieden. Die Aufgabe besteht nun darin die Adressen der zu verlängernden Takte zu finden. Und zwar so, daß ein z. B. 16. Takt nicht mit dem zusammenfällt, den man schon für den 2. oder 4. usw. ausgesucht bat. Wählt man jeden 2. Takt aus einer Folge aus, so hat er in binärer Numerierung am Ende der Nummer immer entweder eine 0 oder eine 1. Hat man einmal eine Festlegung getroffen, so ist jeder 2. Takt immer der, der am Ende eine 1 hat.

Für jeden 4. Takt stehen die Endnummern 100 und 010 zur Verfügung. Die 001 und 011 sind bereits von jedem 2. Takt belegt und somit vergeben. Aus später ersichtlichem Grund wählt man die Endnummer 100 aus. Demzufolge müssen also alle Takte mit der Nummer xxxxxx100 um 1 verlängert werden, wenn C₂ = 1 ist. Für C₃ = 1 gilt, daß jeder 8. Takt verlängert werden muß. Für jeden 8. Takt stehen noch folgende Endnummern: 0010, 0110 und 1000 zur Verfügung. In diesem Falle wählt man die Endnummer 1000 als Adresse aus. Das bedeutet wieder, daß alle Takte mit der Adresse xxxxxx1000 ausgewählt werden.

Das Schema nach dem die Endnummern gebildet werden, lautet demnach:

Endnummer = 2ⁱ

wobei i die Nummer des Bits im Polynom C_i der Kommastellen darstellt. Von der Taktnummer werden die letzten i+1 Stellen zum Vergleich herangezogen.

Um aus den Takten diejenigen auszusuchen, deren Endnummer eines der oben genannten Muster aufweisen, müssen nur die i+1 letzten Bits der Adresse des Taktes untersucht werden. Mathematisch lautet die Vorschrift dann:

Takt verlängern, wenn Modulo(Taktnunnner, 2ⁱ⁺¹ = 2) und C_i = 1 ist.

Schaltungstechnische Realisierung

Zur Realisierung dieses Verfahrens benötigt man einen Zähler, der jeden Signaltakt zählt. Während jedes Signaltaktes muß überprüft werden ob der jeweilige Takt ein 2., 4., 8., 16. usw. Takt ist, der verlängert werden muß. Wird diese Frage mit ja beantwortet, dann muß eben dieser Takt verlängert werden. Die Anzahl der Zweierpotenzen, die überprüft werden hängt von der Länge des Polynoms C_i der Nachkommastellen ab. Angenommen i sei = 16, so lädt man ein 16 Bit langes Schieberegister mit einer 1 im höchsten Bit. Den Parallelausgang dieses Schieberegisters führt man nun einer Schaltung zu, die eine Maske generiert mit der aus dem Taktzähler die Stellen ausgeblendet werden, die man zum Adreßvergleich benötigt. Desweiteren wird der Parallelausgang des Schieberegisters einer Schaltung zugeführt, die die Nummer des zu verlängernden Taktes generiert. Zum Schluß wird ein Komparator benötigt, der die Gleichheit dieser beiden Zahlen feststellt und dann die Verlängerung des Taktes veranlaßt oder nicht, je nach dem ob das entsprechende Bit von C_i gesetzt ist oder nicht. Anschließend wird das Bit in dem oben genannten Schieberegister um eine Stelle verschoben und die Prüfung wiederholt. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange bis das Bit am Ende aus dem Schieberegister fällt. Beim nächsten Takt wird der Taktzähler um 1 erhöht und die Prozedur geht vorne los.

Beispiel

Wie man sieht, geht die Matrix Numgen die Nummern generiert einfach aus der Matrix Maske dadurch hervor, daß man die Spalten jeweils um eine Stelle nach rechts verschiebt und die erste Spalte vollständig mit Nullen füllt. Aus den beiden Matrizen Maske und Numgen geht hervor, daß nur das niederwertigst gesetzte Bit des Taktzählers interessant ist. Ist das niederwertigste gesetzte Bit auch im Vektor C₀ gesetzt, so muß der Takt verlängert werden.

Beispiel 1

Taktzähler = 00101100@

Kommastelle = 01011110

in diesem Fall ist das niederwertigste Bit des Taktzählers in C₀

gesetzt, der Takt muß also verlängert werden.

Beispiel 2

Taktzähler = 00101101@

Kommastelle= 01011110

in diesem Fall ist das niederwertigste Bit des Taktzählers in C₀

gesetzt, der Takt muß also nicht verlängert werden.

Diese Auswertung kann mit einem Schaltnetz in bool'scher Logik sehr leicht realisiert werden. Mit der Erfindung lassen sich folgende Vorteile erzielen:

1. Jedes beliebige Teilerverhältnis kann realisiert werden.
2. Aufgrund von nicht ganzzahligen Teilerverhältnissen können niedrigere Frequenzen des Mutteroszillators verwendet werden.
3. Bei mehreren verschiedenen Ausgangsfrequenzen wird nur eine einzige Eingangsfrequenz benötigt.
4. Es können driftfreie PLL und Taktrückgewinnungsschaltungen realisiert werden.
5. Aufgrund der driftfreien PLL können nicht selbsttaktende Codes verwendet werden.
6. Es können Interleaverschaltungen für sehr große Datenunterbrechungen realisiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen von Frequenzen durch Teilung einer frequenzstabilen Mutterfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsfaktor eine beliebige, rationale Zahl ist, und daß der bei der Teilung der Mutterfrequenz resultierende Phasenfehler über eine Anzahl von Takten gemitteit wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl n von Takten, über welche der Phasenfehler gemittelt wird, wie folgt bestimmt wird:
n = b^m
wobei b die Zahlenbasis des Zahlensystems des Teilerverhältnisses
m die Anzahl der Steilen des Zahlensystems hinter dem Komma des Teilerverhältnisses ist,
daß die Anzahl p von Takten, deren Länge um den Zahlenwert 1 gegenüber dem Zahlenwert vor dem Komma des Teilerverhältnisses vergrößert wird, dem Zahlenwert der Stellen des Zahlensystems hinter dem Komma des Teilerverhältnisses entspricht,
und daß die Anzahl k von Takten, deren Länge dein Zahlenwert vor dem Komma des Teilerverhältnisses entspricht, gleich Differenz (n-p) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl p von Takten und die Anzahl k von Takten auf die Anzahl n=p=k von Takten gemäß folgender Beziehung aufgeteilt werden:
L = Zahlenwert der Stellen des Zahlensystems hinter dem Komma des Teilerverhältnisses
L^* = der im Binärsystem ausgedrückte Wert des Bruchs L dividiert durch n
Falls a = 1 ist, muß jeder 2¹-te Takt um die Länge 1 verlängert werden
Falls b = 1 ist, muß jeder 2²-te Takt um die Länge 1 verlängert werden
Falls z = 1 ist, muß jeder 2⁹-te Takt um die Länge 1 verlängert werden.