DE2038828C3 - Phasenmitnahme-Schleife zur phasenstarren Verriegelung der Frequenz und Phase eines intern erzeugten Signals mit der Frequenz und Phase eines von außen zugeführten Signals - Google Patents

Description

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J¹;

k = I

in welcher k und a positive, ganze Zahlen sind, Ai₁ eine Konstanteist und für Ck(χ)gilt:

Gt (.ν) = λ-"¹' für v>0, l>m_t>(), _Ao

Gk (ν) = - ( - .ν)™* für .v < 0, 1 > m_k > 0 .

3. Phasenmitnahme-Schleifc nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß /7=1, m^=0,5 und ·τ> χ=sin Φ ist, wodurch für die Ansprechkennlinie der Schleife gilt:

S (.γ) = /I₁ [sinΦ für'/> >() und

-,Il

K (.ν) = A_k f- \ - sin '/>J für Φ < 0 .

Die Erfindung bezieht sich auf eine Phasenmitnahme-Schleife zur phasenstarren Verriegelung der Frequenz und Phase eines intern erzeugten Signals mil der Frequenz und Phase eines von außen zugeführten wi Signals, in der als Funktion der Phasendifferenz zwischen dem intern erzeugten Signal und dem von außen zugeführten Signal in einer Phasenvergleichsschaltung ein Phasendifferenzsignal erzeugt wird, das über ein nichtlineares Glied und ein Tiefpaßfilter an eine h^r, Schaltung angelegt wird, die das interne Signal abgibt, dessen Frequenz eine Funktion der Spannung des vom Tiefpaßfilter abgegebenen Signals ist.

Eine derartige Phasenmitnahme-Schleife ist bereits bekannt (US-PS 33 16 497). Als nichtlineares Glied wird bei dieser Schleife ein Filter eingesetzt, dessen Kennlinie sich in Abhängigkeit von der Amplitude des von der Phasenvergleichsschaltung abgesehenen Fehlersignal ändert. Bei kleinen Fehlersignalen zeigt die Kennlinie den von linearen Filtern her bekannten Verlauf. Größere Fehlersignsle bewirken eine Zunahme der Bandbreite des Filters. Bei einer größeren Bandbreite des Filters vermindert sich die erforderliche Zeit für die Synchronisation des intern erzeugten Signals mit dem von außen zugeführten Signal. Die bekannte Phasenmitnahme-Schleife ermöglicht daher bei größeren Phasendifferenzen einen schnelleren Angieich der Phasen und Frequenzen.

Gei einer anderen bekannten Phasenmitnahme-Schleife speist die Phasenvergleichsschaltung über ein Bandpaßfilter einen Begrenzerund einen Diskriminator, dem ein Integrierglied nachgeschaltet ist, das mit einem Oszillator verbunden ist. Durch den Begrenzer gelangen die Schwingungen mit einer bestimmten Amplitude zum Diskriminator. Die Phasenmitnahme-Schleife wird dadurch unempfindlich gegen Amplitudenänderungen. Ohne den Einfluß der Amplitudenänderungen läßt sich das Verhalten der Schleife schneller im voraus berechnen, so daß die Festlegung der Parameter der einzelnen Bauelemente erleichtert wird (»Proceedings of the I.R.E«, November 1951, Seiten 1433 bis 1436).

Es ist ferner eine Phasenmitnahme-Schleife bekannt geworden, bei der durch einen besonderen Aufbau des Tiefpaßfilters die Empfindlichkeit der Regelung und die Stabilität verbessert werden (GB-PS 5 15 843).

Schaltungen mit Phasenmitnahme-Schleifen können bei bestimmten Arten von kohärenten Digital-Nachrichtensystemen verwendet werden, deren Signale während kurzer Zeitperioden oder in Stoßen bzw. in Impulsen (»Bursts«) übermittelt werden, wobei Energie dadurch eingespart wird, daß nicht ständig ein Träger übertragen wird. Auch in einem zweiten System, bei dem Signale von einer Vielzahl von Stationen in einem Transponder verschachtelt oder im Zeitmultiplex verarbeitet werden, erfolgt eine Signalübertragung im Stoßbetrieb (»Bursts«). In beiden Fällen muß die Empfangsstation zu Beginn eines jeden Nachrichiensioßes auf die Frequenz und Phase der empfangenen Trägerwelle phasenslarr eingestellt werden, um die Synchronisation und die Demodulation der Digitalinformation /u ermöglichen. Diese phasenstarre Einstellung auf die Trägerwelle oder die »Trägeraufnahme« vollzieht sich üblicherweise während einer kurzen Anfangsperiode, wenn die Trägerwelle nicht moduliert ist, um die Aufnahme/eh /u verkürzen. Da während dieser Zeit keine brauchbare Information durchgegeben, aber schon Energie verbraucht wird, ist es wünschenswert, die Trägerwellen-Aufnahme/eit so kurz wie möglich zu halten, um die informationstragende Kapazität des Impulses /u vergrößern und dennoch eine verläßliche Arbeitsweise /u ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Phasenmitnahme-Schleife der eingangs erläuterten Gattung derart weiterzuentwickeln, daß sowohl bei größeren als auch bei kleineren Phasendifferenzen zwischen dem von außen zugeführten und dem intern erzeugten Signal ein sehr schneller Angleich bezüglich Frequenz und Phase auftritt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch das nichtlineare Glied die Ansprechkennlinie, die definiert ist als die Kurve des am Ausgang der

Phasenvergleichsschaltung auftretenden Phasendifferenzsignals, derart modifiziert wird, daß für kleine positive Werte der Phasendifferenz das Phasendifferenzsignal oberhalb und für kleine negetive Werte der Phasendifferenz das Phasendifferenzsignal unterhalb der durch den Nullpunkt verlaufenden Tangentenlinie an die Ansprechkennlinie liegt, die bei der entsprechenden Schleife ohne nichtlineares Glied auftritt

Bei dieser Anordnung kann ein durch die Beziehung: A sin (üj|t + 0i) bestimmtes von außen zugeführtes Signal mit einem intern erzeugten Signal zusammentreffen, füi das die Beziehung A cos (k)2t + Θ2) gilt- Diese beiden Signale werden in Frequenz und Phase einander angeglichen. Der Phasenfehler zwischen den Signalen kann durch Φ =02-Φι angegeben werden, wobei mit Θι bzw. Φ2 die relativen Phasenwinkel eines jeden Signals bezeichnet sind. Die Bezeichnungen ωι und 0)2 dienen zur Angabe der Kreisfrequenzen der Signale. Üblicherweise können ωι und ω: anfänglich dicht beieinander liegen, wenn die Frequenz des von außen zugeführten Signals annähernd bekannt ist, so daß die Frequenz des internen Signals eng angepaßt werden kann. Da in einer Phasenmitnahme-Schleife die Phasendifferenz verringert wird, werden die Frequenzdifferenzen ebenfalls verringert. Ein Vorteil der oben erläuterten Anordnung ist darin zu sehen, daß auch bei Signalen, deren Frequenzen dicht beieinander liegen, die Angleichzeit erheblich verkürzt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die vom nichtlinearen Glied vorgegebene Ansprechkennlinie der Schleife einer Funktion aus folgender Funktionsfamilie entspricht:

Leitung 1 an ein herkömmliches Mulliplizierglied 2 angelegt Ein zweites Signal

= Σ

k (ν)

in welcher k und η positive, ganze Zahlen sind, Ak eine Konstante ist und für Gift)gilt:

aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 3, der nachfolgend beschrieben wird, wird über eine Leitung 4 an das Multiplizierglied 2 angelegt. Dieses Multiplizierglied 2 erzeugt ein Ausgap gssignal, welches eine Funktion der Phasendifferenz zwischen den beiden

ίο Eingangssignalen ist.

Untersuchungen an Phasenmitnahme-Schleifen haben ergeben, daß das Ausgangssignal eines Phasendetektors (Multiplizierglied 2) für eine herkömmliche Schleife im wesentlichen eine Sinusfunktion der

li Differenz der Phasenwinkel der dem Multiplizierglied eingegebenen Signale ist. Hierzu kann beispielsweise auf Andrew J. Viterbi: »Principles of Coherent Communication«, McGraw-Hill Book Company, New York, 1966, Kapitel 3, verwiesen werden.

in Der Ausgang des Multipliziergliedes 2 wird zuerst einem Bandfilter 5 zugeführt, das für eine Frequenz ausgelegt ist, die in der Mitte des Differenzfrequenzbandes des Multipliziergliedausgangssignals liegt Das Bandfilter 5 ist in Phasenmitnahme-Schleifen ein bekanntes Element Das Ausgangssignal des Bandfilters 5 wird dann an eine nichtlineare Schaltung 6 gegeben, die beispielsweise eine Schaltung mit Quadratwurzelcharakteristik sein kann. Wie nachfolgend erläutert wird, können die Charakteristiken unter bestimmten

jo Einschränkungen als von einer Quadratwurzel abweichend ausgewählt werden. Schaltungen, die auf ein eingegebenes Signal hin ein Ausgangssignal mit quadratwurzelförmigem Verlauf haben, sind bekannt. Solche Schallungen mit Quadratwurzelcharakteristik

ν, sind an sich nicht Gegenstand der Erfindung. Die Einführung einer nichtlinieraren Schaltung 6 in die Schleife ändert die Systemcharakteristik in

G'i(.v) = v^m' für \ >(), 1 >m_k >0.
(-ν) - ( - ν Γ' fur vs Π. 1 ->m_k^

Ai) und in

Vorzugsweise ist /7=1, m* = 0,5 und x = s\n<P, wodurch für die Ansprechkennlinie gilt:

K (.v) ■■-■ Ii I sin'/' (m Φ > 0 und
!· (ν) - /Ii ( I sin'/') für'/' < (). __o

Durch die Anordnung ergibt sich eine Kennlinie, die zu einer beträchtlichen Verkürzung der Angleichzeit führt

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in ■>-> einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Phascnmitnahme-Schleife, _W)

Fig.2 ein Diagramm der Ansprechkennlinien verschiedener Phasenmitnahine-Schleifen und

Fig.3, 4 und 5 Diagramme der Ansprechzeiten verschiedener Arten von Phasenmitnahine-Schleifen.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Phaseninitnah- tn me-Schleifc dargestellt. Ein Eingangssignal, welches aus einem nichtmodulierten Trägerwellensignal bestehen kann, beispielsweise A sin (αΜ + θι), wird über eine I sin </' für 0 <<l> < 7

- sin«/¹ für - 1 < </■ < 0 ,

wie es in F i g. 2 dargestellt ist.

Der Ausgang der nichtlinearen Schaltung wird an ein herkömmliches Tiefpaßfilter 7 mit einer Übertragungscharakteristik F (s) angelegt. Der spannungsgesteuerte Oszillator 3 nimmt das Ausgangssignal vom Filter 7 auf, um ein Signal zu erzeugen, das mit dem empfangenen Signal kohärent ist, wenn die Schleife im Gleichlaufzusland ist

Im Diagramm gemäß F i g. 2 wird die Ansprechkennlinie von zwei Arten von Phasenmitnahine-Schleifen nach dem Stand der Technik aufgezeigt und einer möglichen Kennlinie gemäß der vorliegenden Erfindung gegenübergestellt, nämlich der Quadratwurzel-Ansprechkennlinie über den Bereich der Eingangsphasendifferenzen von -π bis +π. Die herkömmliche Schleifenansprechkennlinie ist sin Φ, und die Tangente durch den Nullpunkt ί(Φ)=Φ an diese Ansprechkurve ist eingezeichnet. Ebenfalls ist eine Tanlock-Schleifenkcnnlinie für k=0,7 eingezeichnet. DieTanlock-Kcnnlinie hat im allgemeinen die Form

(I + /<) sin '/'
I + k cos'/'

Eine detaillierte Erklärung der Tanlock-Charakteristik wird in der US-Patentschrift 32 04 185 und in dem Artikel beschrieben: »Tanlock: A Phase-Lock Loop Of Extended Tracking Capability« von L. M. Robinson in Proceedings 1962, Conv. on Military Electronics, Februar 7 -9, Los Angeles, Calif., S. 396 - 407.

Die [sin Φ-Ansprechkennlinie, eine der möglichen Kennlinien der besprochenen Schaltung ist dargestellt. Es ist erkennbar, daß die|/sin Φ-Kennlinie ein Ansprechsignal /(^hervorruft, daß für kleine positive Werte von Φ oberhalb und für kleine negative Werte von Φ unterhalb der Tangentenlinie liegt, wodurch sich für diese Werte eine erheblich größere Empfindlichkeit als bei der Tanlock- oder der herkömmlichen Regelschleife mit sin-Verhalten ergibt. Diese verbesserte Ansprechkennlinie ermöglicht der Schleife einen schnelleren Mitnahme- bzw. Angleicheffekt. Die Empfindlichkeit der bekannten Schleifen neigt zum flacheren Verlauf und zum langsameren Annähern an den Null-Phasenfehler infolge des kleineren Wertes für ί(Φ) bei kleinen Phasendifferenzen. Die Darstellungen der Fig. 3, 4 und 5 verdeutlichen diesen Effekt. In den F i g. 3, 4 bzw. 5 werden Rechnersimulationen der Ansprech-Kurven für die sin Φ-Charakteristik, für die Tanlock-Charakteristik mit einem Faktor k—QJ und für die I sin Φ-Charakteristik der vorliegenden Erfindung gegenübergestellt. In jedem Falle tritt eine Anfangs-Phasen-Abweichung von +45° auf, und jede Schleife weist eine identische Übertragungscharakteristik des Tiefpasses F(s)au(.

Es wird aus den Ansprechkurven deutlich, daß sich die sin Φ-Empfindlichkeit schneller 0° annähert, und zwar nicht nur für kleinere, sondern auch für größere Phasendifferenzen. sind.

In der F i g. 3 ist eine herkömmliche sind Φ-Ansprechkennlinie mit drei verschiedenen anfänglichen Frequenzabweichungen von +0,3MHz, — 0,3MHz und

— IMHz dargestellt. In jedem Fall beträgt die Mitnahme- bzw. Angleichszeit ungefähr 875 Nanosekunden.

Die Fig.4 zeigt die Tanlock-Empfindlichkeit bei k—OJ für Frequenzabweichungen von ±1 MHz. Der Angleich ist noch nicht in 1000 Nanosekunden erreicht.

In Fi g. 5 ist die sin|^Empfindlichkeit für —0,3 MHz,

— 0,3MHz und —1 MHz anfängliche Frequenzabweichungen dargestellt. Im ungünstigen Fall der —1 MHz-Abweichung ist der Angleich in 700 Nanosekunden erreicht.

Obwohl eingangs die Quadratwurzel-Nichtlinearität beschrieben wurde, läßt sich eine verallgemeinerte Angabe über eine geeignete Nichtlinearität machen. Im wesentlichen muß darauf geachtet werden, daß eine Empfindlichkeit gewählt wird, die für kleine Werte der Phasendifferenz oberhalb der Tangentenlinie F(<P)=⁽I> liegt. Di?se Funktionsfamilie läßt sich mit

/1

,!,'(v) =y] A_kG_k{x)

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

G₁ (A-) = .γ^ra» Tür .ν > 0, I > m_k > 0
= - (-λ)"¹' für λ-<0. 1 >m_A>0.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Phasenmitnahme-Schleife zur phasenstarren Verriegelung der Frequenz und Phase eines intern erzeugten Signals mit der Frequenz und Phas.e eines von außen zugeführten Signals, in der als Funktion der Phasendifferenz zwischen dem intern erzeugten Signal und dem von außen zugeführten Signal in einer Phasenvergleichsschaltung ein Phasendifferenzsignal erzeugt wird, das über ein nichtlineares Glied und ein Tiefpaßfilter an eine Schaltung angelegt wird, die das interne Signal abgibt, dessen Frequenz eine Funktion der Spannung des vom Tiefpaßfilter abgegebenen Signals ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch das nichtlineare Glied (6) die Ansprechkennlinie, die definiert ist als die Kurve des am Ausgang der Phasenvergleichsschaltung (2) auftretenden Phasendifferenzsignals, derart modifiziert wird, daß für kleine positive Werte der Phasendifferenz (Φ)Αζ& Phasendifferenzsignal oberhalb und für kleine negative Werte der Phasendifferenz (Φ) das Phasendifferenzsignal unterhalb der durch den Nullpunkt verlaufenden Tangentenlinie an die Ansprechkennlinie liegt, die bei der entsprechenden Schleife ohne nichtlineares Glied (6) auftritt.

2. Phasenmitnahme-Schleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom nichtlineraren Glied (6) vorgegebene Ansprechkennlinie der Schleife einer Funktion aus folgender Funktionsfamilie entspricht:

io