DE2038828A1 - Nichtlineare Schleife fuer Phasenmitnahme - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-INQ. JOACHIM STRASSE 20 38 8 28

HANAU · RÖMERSTR. 19 · POSTFACH 79J · TEL.20803 · TELEQRAMME: HANAUPATENT · TELEX: 4ie*7Mp»t

COMMUNICATIONS SATELLITE CORPORATION ' A. August 1970 Washington, D. C, USA Str-Schu/Jg - 10497

Nichtlinearo Schleife zur Phasenmitnahme

DIo Erfindung betrifft Schleifen zur Phasenmitnahme Im allgemeinen und Im besonderen eine Einrichtung zum Erzielen einer Mitnahmesynchronisierung der Frequenz und der Phase eines selbsterzeugten Signals an die Trägerfrequenz eines empfangenen Signals In einem NachrIchtenübermittIungssystem.

In einer bestimmten Art eines kohärenten DI gita I-NachrIchtensystems werden Signale während kurzer Zeltperloden oder In Stößen bzw. In Impulsen ("Bursts") übermittelt, um dadurch, daß nicht ständig ein Träger übertragen wird, Energie zu sparen Nach einem zweiten System werden Signale von mehreren Stationen in einen Antwortsender überlappt oder im Zeitmultiplex eingegeben. Auch hierbei werden die Signale In Impulsen ("Durst") übermittelt. In beiden Fällen muß die Empfängorstatlon bei Beginn eines Jeden Impulses auf die Frequenz und Phase der empfangenen Trägerwelle durch Mitnahme angepaßt werden, um die Synchronisation und die Demodulation der DIgI ta I Informatlon zu ermöglichen. Diese Mitnahme bzw. dieser Anglolch

109808/1876

auf die Trägerwelle oder "Trägeraufnahrce" vollzieht sich üblicherweise während einer kurzen Anfangsperiode, wenn die Trägerwelle nicht moduliert ist, um die Aufnahmezeit zu verkürzen. Da während dieser Zeit keine brauchbare Information durchgegeben, aber schon Energie verbraucht wird, ist es wünschenswert, die Trägerwellen-Aufnahmezeit so kurz wie möglich zu halten, um die informationstragende Kapazität des Impulses zu vergrößern und dennoch eine verläßliche Arbeitsweise zu ermöglichen.

Eine Möglichkeit zur Verkürzung der Triigerwe I I en-Auf nahnezo i t besteht darin, die Bandbreite der Phasenmitnahme-Schleifen zu vergrößern. Jedoch wächst mit einem breiteren Band der Phasensynchronisationsfehler, und damit steigt das Rauschon in der Sch Ie i fe an.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einer Phasenmitnahmo-Elnrichtung ein von a,ußen aufgebrachtes Signal Λ sin (c^.t + Θ.), das empfangene Signal, mit einem selbsterzeugten Signal A cos (to_t ♦ Q^) zusammengebracht. Es wird angestrebt, diese beiden Signale In Frequenz und Phase miteinander zu koppeln. Der Phasenfehler oder die Differenz zwischen den Signalen wird als 0 ■ θ_ - θ. angegeben, wobei θ bzw. Θ« die relativen Phasenwinkel eines Jeden Signals sind. Die Bezeichnungen v. und u/j stellen die Kreisfrequenzen eines jeden Signals dar. .Üblicherweise können ω. und Uly anfänglich dicht nebeneinander liegen, wenn die äußere SignaIfrequqnz annähernd bekannt ist und die Elgen-SIgnaIfrequenz dicht naheliegend eingestellt wird. Da In einer Phasenmitnahme-Schleife die Phasendifferenz verringert wird, worden die Frequenzdifferenzen ebenfalls verrlngert.

Nach einer AusfUhrungsform der Erfindung wird ein η 1chtIineares Glied mit ausgewählten Eigenschaften der Schleife zugefügt, um eine stellere Phasendetektor-Charakteristik für bestimmte

109808/1876

Phasenci i f f erenzwerte zu schaffen und um die Mitnahme- bzw. AngIeichszeit der Schleife betra'cht I i ch zu verkürzen. ['ine besondere nichtlineare Funktion, die eine steilere chrakteristische Funktion oder "Phasenbeschleunigung" schafft, ist ein Schaltungsglied mit einer QuadratwurzeI-SignaI abgabe auf ein gegebenes Eingangssignal. Jedoch kennen, wie nachfolgend aufgezeigt werden wird, auch andere Funktionen, die der gegebenen Aufgabe genügen, ebenfalls verwandt werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausfiihrungsform einer Phasenmitnahme-Schleife gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm der Ansprechcharakteristiken verschiedener Phasenmitnahme-Schleifen zum besseren Verständnis der Erfindung und

Fig. 3, 4 und 5 Diagramme der Ansprechzeiten verschiedener Arten von Phasenmitnahme-SchIeIfon.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Ausf iihrungsform einer Phasenmitnahme-Schleife gemäß der vorliegenden Erfindung dai— gestellt. Ein Eingangssignal, welches aus einem η IchtmoduIiei— ten Trägerwellensignal bestehen kann, beispielsweise A sin (*/,t ♦ Θ-), wird über eine Leitung 1 an ein herkönmI Iches Multiplizierglied 2 angelegt. Ein zweites Signal A cos W^t ♦ Θ«) aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 3, der nachfolgend beschrieben wird, wird über eine Leitung 4 an das Mu11iρ 1I ζierg Iied 2 angelegt. Dieses Multiplizierglied 2 erzeugt ein Ausgangssignal, welches eine Funktion der Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangssignalen ist.

10980 8/1876 "".

•Untersuchungen an Phasenmitnahme-Schleifen haben ergeben, daß der Ausgang eines Phasendetektors (Multiplizierglied 2) für
eine herkömmliche Schleife im wesentlichen eine Sinusfunkt I on der Differenz der Phasenwinkel der dem MuI iρ I I ζ I erg I ied eingegebenen Signale ist. Hierzu kann beispielsweise auf Andrew J. Viterbi: "PR I NZ I P I EII DER KOHÄRENTEN KOMfIUNIKATION",
McGraw-Hill, New York, 1966, Kapitel 3, verwiesen werden.

Der Ausgang des Multipliziergliedes 2 wird zuerst einem Bandfilter (CPF) 5 zugeführt, der für eine Frequenz ausgelegt ist, die in der Mitte der DIfforenzfrequenz des Mu111 ρ Iiζ Ierorausgangs liegt. Dor BPF 5 ist in F'hasenm i tnahme-Sch I e i f en ein
gjL bekanntes Element. Der Ausgang des 13PF 5 wird dann an olne
nichtlineare Schaltung 6 gegeben, die beispielsweise eine
Schaltung mit Quadratwurze I Charakter i st I k sein kann. '.VIe nachfolgend erläutert wird, können die Charakteristiken unter bestimmten Einschränkungen als von einer Quadratwurzel abweichend ausgewählt werden. Schaltungen, die auf ein eingegebenes Signal hin einen QuadratwurzeI ausgang haben, sind bekannt, und dloso Schaltung an sich ist nicht Gegenstand der Erfindung. Die
Einführung einer ηichtIinearen Schaltung 6 in dio Schleife
ändert die Systemcharakteristiken in

Vs i η 0 für 0 <· 0 < Π und in -γ- sin 0 für - Π < 0< 0,
|fc wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Der Ausgang der η IchtI inearen Schaltung wird an einen herkömmlichen Tiefpaßfilter 7 mit einer UbertragungschrakterI st Ik F(s) angelegt. Der spannungsgestouerte Oszillator 3 nimmt don Ausgang vom Filter 7 auf, um ein Signal zu erzeugen, das mit dem empfangenen Signal kohärent ist, wenn die Schleife im Glelchlaufzustand ist.

109808/ 1876

Lm Diagramm gemäß Fig. 2 wird die Ansprechcharakteristik von zwei Arten von Phasenmitnahme-Schleifen nach dem Stand der Technik aufgezeigt und einer möglichen Charakteristik gemäß der vorliegenden Erfindung gegenübergestellt, nämlich der \ Quadratwurzel-A-nsp.rechcharakteri sti k über den Bereich der Eingangsphasendifferenzen von -TT bis *ΓΤ. Die herkömmliche Sch I e i f enansprechcharakteri s,t i k ist sin 0, und die Tangentenlinie f(0) » 0 zu dieser Ansprechkurve ist eingezeichnet. Ebenfalls ist eine Tan Iock-SchI eifencharakteristik für k « 0,7 eingezeichnet. Die Tan Iock-Charakteristik hat im allgemeinen die Form f(0) » JX*-£L£.|AIL0 ^EIne detaillierte Erklärung der Tan Iock-CharakteristIk wird in der US-Patentschrift 3 204 185 (Lome M. Robinson) und in' dem Artikel beschrieben "Tanlock: Eine Phasenmitnahme-Schleife mit ausgedehnten GleichI aufei genschaften¹¹ von L. M. Robinson in ProceedJ nos 1962 Co η ν. on M i I i t ary E I ect ron i es, Februar 7-9, Los Angeles, CaMf.

Die Vsin 0-Ansprechcharakter i st i k, eine der mog I i chen Charakter I st i ken_d_i_es_er Erfindung, ist dargestellt. Es ist erkennbar, daß die ysln 0 -Charakteristik ein Ansprechsignal f(0) hervoi— ruft, das für kleine positive Werte von 0 oberhalb und für kleine negative Werte von 0 unterhalb der Tangenten Iiηie liegt, wodurch sich für diese Werte eine erheblich größere Empfindlichkeit als bei der Tanlock oder aer herkömmlichen Sinus-Ernp f i nd I i chke i tssch I e I f e ergibt. Diese verbesserte Ansprechcharakter istik ermögI Icht der Schleife el non sehne I Ieren Mitnahme- bzw. Angleichaffekt. Die Empfindlichkeit der bekannten Schleifen neigt zum flacheren Verlauf und zum langsameren Annähern an den Nu I I-Phasenfeh I er infolge des kleineren Wortes für f(0) bei kleinen Phasendifferenzon. Die Darstellungen der Figuren 3, 4 und 5 verdeutlichen diesen Effekt. In den Figuren 3, 4 bzw. 5 werden RechnersimuI at ionon der Ansprech-Kurven für die sin 0-CharakterI stik, für dlo Tan Iock-Charakteristi k mit einem Faktor k ■ 0,7 und für die VsIn 0 - Charakter i st 11; der vorliegenden Erfindung gegonübergestoI 11. In jedem Fall tritt

109808/1876

eine Anfangs-Phasen-Abweichung von + 45 auf, und jede Schleife weist ein identisches F (s) auf .__Es_ _w i rd aus den Ansprüchkurven deutlich, daß sich die Vsin 0 -Empfindlichkeit schneller 0 annähert, und zwar nicht nur für kleinere, sondern auch für größere Phasendifferenzen.

In der Fig. 3 ist eine herkömmliche sin 0-Ansprechcharakteristik mit drei verschiedenen anfäng I ichen Frequenzabweichungen von +0,3 MHz , -0,3 MHz und -1 MHz dargestellt. In jedem Fall betragt die Mitnahme- bzw. AngIeichszeit ungefähr 875 Nanosekunden.

Die Fig. 4 zeigt die Tan Iock-EmpfindIichkeit bei k - 0,7 für Frequenzabweichungen von -1 MHz. Der Angleich ist noch nicht in 1 000 Nanosekunden erreicht.

In Fig. 5 Ist die Vsin 0 -Empfindlichkeit für *0,3 MHz, -0,3 MHz und -1 MHz anfängliche Frequenzabweichungen dargestellt. Im ungünstigen Fall der -1 MHz-AbweIchung ist der Angleich in 700 Nanosekunden erreicht.

Obwohl eingangs die QuadratwurzeI-U IchtIinearitat beschrieben wurde, läßt sich eine verallgemeinerte Angabe über eine geeignete UichtIinearitut machen. Im wesentlichen muß darauf geachtet werden, daß eine Empfindlichkeit gewählt wird, die für kleine Werte der Phasendifferenz oberhalb der Tangentenlinie f(0) - 0 liegt. Diese Funkt Ionsfami I Ie läßt sich mit

η
g(x) -J)" A_k G_k (χ)

k-1

beschreiben, wobei k und η positive ganze Zahlen, A, eine Konstante und

G_k (x) - x^mk für χ _> 0, 1 > _m > ο

- -<-x)^mk für χ'_<_ 0, 1 > m_k > 0

.^slnd· 109808/1876 J₁ .

So ergibt sich für eine besondere Charakteristik von VsIn 0 mit η » 1, m. * 0,5 und χ ■ sin 0:

G₁(X) - X⁰'⁵ -Vx für χ > 0

- -(-x)⁰'⁵ - -lC für * <_ Q

Der Fachmann weiß selbstverständlich, wie Funktionsgeneratoren aufzubauen sind, um eine Anzahl von Ansprechkurven nach der obigen Gleichung verfügbar zu machen. Diese Generatoren sind nicht Gegenstand dieser Anmeldung.

Dio vorstehend beschriebene PhasenmItnahme-SchIeIfe Ist besonders wertvoll für die Trägerrückgewinnung in phasenverschoben verschlüsselten (PSK) DemoduIatoren digitaler Kommunikations-Systeme, insbesondere für Satellitenkommunikationen, In denen ImpuIs("Burst")-Übertragungen angewendet werden, um Energie zu sparen, und in denen ImpuIs("Burst")-Übertragungen für Mehrfachausnutzung mit Zeitteilung ("Zeitmultiplex") benutzt werden.

/\nsprUche:

109808/1876

Claims (2)

1. Ansprüche:

   M.yPhasenmitnahme-Schleife zur Mitnahme bzw. zum Angleich der Frequenz und Phase eines selbsterzeugten Signals mit der Frequenz und Phase eines von außen angelegten Signals, in welcher als Funktion der Phasendifferenz zwischen den selbsterzeugten und äußeren Signalen ein Phasendifferenzsignal erzeugt wird, das über ein Tiefpaßfilter an eine Schaltung angelegt wird, die ein Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz eine Funktion der Spannung des vom Tiefpaßfilter abgegebenen Signals ist und die das selbsterzeugte Signal darstellt, welches an die PhasendifferenzschaItung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechcharakteristiken der Schleife durch Einfügung eines ηichtIinearen Gliedes modifiziert werden, durch welches die Ansprechcharaktoristik der Schleife für kleine positive Werte der Phasendifferenz oberhalb und für kleine negative Werte der Phasendifferenz unterhalb der Tangenten I iηie f(0) » Φ liegt.
2. 2. Schleife nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i c h η e t , daß die vom ηichtIinearen Glied vorgegebene Schleifen-Ansprechcharakteristik einer Funktion der Funkt i ons farn i I I β folgt:

   η
   g(x) - \ A_k G_k (x)

   k-f
   in welcher k und η positive ganze Zahlen sind, A, eine

   Konstante i st und

   G. (x) - x^mk für χ > 0, 1 > m. >0

   K · K

   - -(-x)^mk für χ < 0, 1 >m. >0

   109808/ 1 876

   Schleife nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß η ■ 1, ra. ^β 0,5 und χ * sin 0 Ist, wodurch die Sch I e i f enanspreclicharakter i st i k durch

   Vs in 0 für 0 _>_ 0

   und durch

   -V- sin 0 für 0 < 0 beschrieben ist.

   109808/1876