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
Phasenmitnahme-Schleife zur phasenstarren Verriegelung der Frequenz und Phase eines intern erzeugten Signals mit der Frequenz und Phase eines von außen zugeführten SignalsInfo
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- H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
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- H03L7/10—Details of the phase-locked loop for assuring initial synchronisation or for broadening the capture range
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- Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
Description
20
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>mt>(), Ao
Gk (ν) = - ( - .ν)™* für .v
< 0, 1 > mk > 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) = Ak 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 hr,
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) = vm' für \ >(), 1 >mk >0.
(-ν) - ( - ν Γ' fur vs Π. 1 ->mk^
(-ν) - ( - ν Γ' fur vs Π. 1 ->mk^
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
!· (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'/'
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] AkGk{x)
beschreiben, wobei k und η positive ganze Zahlen,
eine Konstante und
eine Konstante und
G1 (A-) = .γra» Tür .ν
> 0, I > mk > 0
= - (-λ)"1' für λ-<0. 1 >mA>0.
= - (-λ)"1' für λ-<0. 1 >mA>0.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
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
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