DE2143075C3

DE2143075C3 - Trägerfrequenzsystem

Info

Publication number: DE2143075C3
Application number: DE19712143075
Authority: DE
Inventors: Erhard Dr.-Ing. 8000 Muenchen Steiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-08-27
Filing date: 1971-08-27
Publication date: 1974-07-11
Also published as: JPS4835709A; IT964262B; NL170908C; SE386791B; CH551722A; GB1396135A; DE2143075B2; DE2143075A1; NL7211605A; JPS5225205B2; FR2151917A5; NL170908B

Description

eine Alarmspannung abgibt. 35 Phasenvergleiches entsprechend tiefer legt. Man \er-

4. Trägerfrequenzsystem nach Anspruch 3, da- meidet auf diese Weise die Notwendigkeit, extrem durch gekennzeichnet, daß die Alarmspaniiung hohe Tastverhältnisse am Pulsaiisgang des Phasenzum Abschalten mindestens eines Trägerfrequenz- diskriminator realisieren zu rrussen.

ausgangs verwendet ist. Die Anwendung von Pnase-Locked-Loop-Sehal-

5. Trägerfrequenzsystem nach Anspruch 3 oder 4, 40 Hingen in der Trägerfrequenztechnik führte zu Sydadurch gekennzeichnet, daß der bistabile Schalt-r stemen aei eingangs genannten Art, wie z. D. in der (ST) ein Schmitt-Trigger ist. Offenlegungsschrift 2 051 519 beschrieben, wobei ein

6. Trägerfrequenzsystem nach einem der vorher- quarzgesteuerter Hauptosziilator phascngeregelte weigehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß tcre Oszillatoren steuert, deren Anzahl gleich der in der Phasenregelschleife der Träger- bzw. Pilot- 45 Anzahl der zu erzeugenden Trägerfrequenzen ist und erzeuger ein Frequenzteiler (7") liegt. von denen jeder eine der benötigten Trägerfrequenzen

7. Trägerfrequenzsystem nach einem der vorher- erzeugt.

gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, Die Aiisgangsspannung des Oszillators wird dabei

daß der Phasendiskriminator (D) so ausgebildet jedoch lediglich auf einen Betrag hin überwacht, so

ist, daß die von ihm gelieferte Regelgleichspan- 50 daß rasciic zeitliche Änderungen, die zum Ausfall

nung außerhalb der Alarmgrenze einen Extrem- der Synchronisation führen können, nicht fcststcll-

wcrt annimmt, wenn eine oder beide seiner F^:.in- bar sind. Das hat zur Folge, dall falsche Frequenzen

gangsspannungen ausfallen. abgegeben werden können.

Line weitere Anordnung zur automatischen Über-

ο;, wachung des Betriebszusiandes der Synchronisiereinrichtung für Trägcrfrcquenzgcncraloren eines Systems der eingangs genannten Art ist in der Offcnlcgungs-

Die F.rfindung betrifft ein Trägerfrequenzsystem, schrift 191.1483 beschrieben, wobei insbesondere in

»ei dem jedem Sende- und Fmpfangsumsetzerpaar I·' i μ. 1 eine Anordnung gezeig! wird, bei der mehrere

iowie jeder Piloteinrichtung ein eigener Träger- bzw. 6o Überwachungen vorgesehen sind. Diese Überwa-

'ilotcrzcujier ist, der von einer gemeinsamen Steuer- chnngen dienen jedoch lediglich dazu, festzustellen,

'rcqucnz angesteuert wird und bei dem die von diesen ob die Svnchronisatioiisaiiordnung überhaupt arbeitet

erzeugten Frequenzen jede für sich direkt aus der bzw. ob die Steiierfrcqucnz vorhanden ist, während

lcmeinsamen Sieiicrfrcquenz abgeleitet werden, unab- eine weitere Überwachung lediglich ilen Betrag der

längig davon, ob ti ic angesteuerten Träger- bzw. 65 Aiisgangfispannung überwacht, so daß dadurch bci-

Pilotcizetiger gan/zahligc Vielfache tier Stciierfrcqucnz. spiclsweKc durch Alterung des Quarzes hervorgerufene

iefcrn. bei dem jeder Träger- bzw. Piloterzeuger nach langsame Änderungen der Frequenz signalisiert werden

lern an sich bekannten Prinzip des phascngeretzclten können.

ίο

pje Überwachung der Aiisgangsspunnung bei ibnscngesteuerten Oszillatoren lediglich auf ihren Jetrag hin reicht jedoch nicht aus, weil dadurch asche Spannungsänderungen (bedingt durch rasche "requenzänderungen) nicht angezeigt werden, ob- 5 ,vohl auch diese plötzlichen Änderungen einen kurzzeitige" Ausfall der Synchronisation bedeuten. Ein uich nur kurzzeitiger Ausfall der Synchronisation ist aber gerade auf dem Gebiet der Trägerversorgung für Nachrichtenübertragungsgeräte nicht tragbar, weil die Übertiagungsleitungen heute so ausgelegt sein müssen, daß auf ihnen auch Datenübertragung vorgenommen werden kann. Bei der Datenübertragung bedeutet jedoch ein kurzzeitiger Ausfall der Synchronisation Zeichenverstümmelung bzw. Zeichenänderung 15 und damit Fehlinformation. Aus diesem Grunde muß daher Vorsorge getroffen sein, daß auch kurzzeitige Änderungen signalisiert werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, (in Trägerfrequenzsystem der eingangs genannten 20 Art 'U schaffen, bei dem auch kurzzeitige Ausfälle der v.nchronisation signalisiert werden können.

D.ese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Phasenregelschleife weitere Mittel vorgesehen sind, die iüe Regelspannung auf ihre zeitliche Änderung 25 hin überwachen.

lii.-rdurch wird einmal erreicht, daß auch Schwebiii"! .sfrequenzen der Regelspannung mit kleiner Amplitude, wie sie bei Ausfall der Synchronisation von Quarzoszillatoren auftreten, erfaßt werden. Der 30 Ausfall der Synchronisation wird auch bei raschen Änderungen signalisiert und die Abgabe falscher Frequenzen in jedem Zeitpunkt des Betriebes unterbunden.

is ist vorteilhaft, daß die Mittel zur Regelspannungsüb·,;! wachung aus zwei parallelgeschalteten Grenzwertdeiektoren bestehen, von denen einer über ein Diffcren/icrglied angesteuert ist.

Dabei können die Ausgänge der Grcnzweridelektoren über ein ODER-^lied an einen bistabilen Schalter geführt sein, der bei Ausfall der Synchronisation eine Alarmspannung abgibt.

Als bistabiler Schalter läßt sich dabei auch ein Schmitt-Trigger vorteilhaft verwenden.

Eine solche Schaltung hat zur Folge, daß ein periodisches Wiederkehren und Löschen des Alarms sich auch ohne Speicherung vermeiden läßt. Nach einem \orübergehenden Ausfall muß daher der Alarm nicht erst von Hand gelöscht werden.

Schaltet man in bekannter WeI e in der IMir.cn- 5< rece'schleifc eines Träger- bzw. Pilnierzcugers einen Frequenzteiler ein, so lassen sich auf diese Weise auch nicht ganzzahhge Verhältnisse zwischen der Slciierfrcquenz und der Oszillatorfrcqucn/ des jeweiligen Erzeugers herstellen.

Der Totalausfall der Stcuer.-.pannung oder der intern für den Phasenvergleich hcnntigten Referenzspannung führt ebenfalls zum Ausfall der Synchronisation. Da der Phasendnkrimmator dann keine schwebende Ausgangsspannung liefern kann, muß er so ausgebildet sein, daß die Ausga,;;s-.panniinp hei Ausfall einer seiner Finsiangsspannungen einen 1 xtremwcrt außerhalb der Alarmgren/cn annimmt. Das ist z. H. bei einem UND-Gatter als Phasendiskriminator der FaIi. ⁶.^r>

Dio Erlindung wird an Hand eines Ausführunrs-

beispii-ls mit Hilfe der F' i g. 1 bis 5 naher erläutert.

Imen 1 lägetcizcuger zur Erzeugung zweier Trägcr-

Trägerfrequenz

/in —

Steuer- und Trägerfrequenz

Jt
m

erhält man eine Pulsspannung, die zum Phasenvergleich unmittelbar mit der aus der Steuerfrequenz gewonnenen Pulsspannung logisch verknüpft werden kann. Besteht der Frequenzteiler T aus mehreren Einzelteilern, so bedeutet λ" den Teilungsfaktor derjenigen Stufe, von der man eine Teilfrequenz abgreifen will Auf diese Weise erhält man dann eine zweite Trägerfrequenz

frrz · — - · /st η ■ k

'..-lit einer Phase-Locked-Loop-Schjltung.

F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild eines phasengeregelten Oszillators in der Trägerversorgungseinrichiung von TF-Geräten, bei dem in der Phasenregelschleife die Grenzwertdetek'oren Gl und G2 eingeschaltet sind. Der Trägererzeuger wird über einen Pulsformer /, der an dem einen Eingang eines UND-lores D liegt, mit der Steuerfrequenz /,„ angesteuert. Neben dem eigentlichen Oszillator Os:, der über eine Kapazitätsdiode \'ur in seiner Frequenz geregelt werden kann, ist noch zwischen dem anderen Eingang des UND-I ores D und dem Oszillatorausgang ein Frequenzteiler T eingeschaltet, de« entfallen kann, wenn die Oszillatorfrequenz ein ganzzahliji.es Vielfaches der Steuerfrequenz ist. Am Ausgang des UND-Torcs liegt der Tiefpaß 77', der die Regelgleichspannung für den Oszillator ausführt. Die Überwachung der Frequenz erfolgt dabei so, daß die Grenzwertdetektoren OI und Gl gleichzeitig sowohl den Betrag als auch die zeitliche Änderung der Regclspannung U in der Regelschleife überwachen. In diesem speziellen Fall wird die Überwachung dazu ausgenutzt, die Abgabe einer falschen Trägerfrequenz durch Sperren des zugehörigen Trägerverstärkers zu verhindern, wobei liie Erfindung jedoch nichi auf diesen Anwendungsfall beschränkt sein soll.

Fm Blockstromliuif der Überwachung selbst ist

in i i g. 2 gezeigt.

Die zwei Gren/Vr'crtdclckioren 61 und G2 bewerten gleichzeitig den Betrag und die zeitliche Änderung der Regelsparnung. Ihre Ausgänge sind über ein OPER-Glicd zusammengefaßt und steuern einen Schmitt-Trigger .S/' Wird ein nicht zulässiger Grenzwert in einem der (irenzwcrtdctektoren überschritten, dann schaltet der Schmitt-Trigger in seine zweite Rul'.i-lage und liefert eine Alarmspannung Ua- Die Alarmspannung kann dazu verwendet werden, über geeignete Schaltniiuel einen oder mehrere Frequenzausginge der Regelsehleife zu sperren und Signalei η rieht υ η gen auszulösen.

Dieses llhcrwachungsprinzip spricht nicht nur bei langsamer Veränderung der Eigenfrequenz des Os-

zillators über das zulässige Maß hinaus an. sondern auch hei plötzlichen Änderungen, die zum Ausfall der Synchronisation und Schweben der Rcgclspannung führen. Im letzteren Fall würde die reine Sp:mnungsüberwachung nicht mehr ausreichen, weil der Spannungshub der Rcgclspannung durch Filterwirkung des Tiefpasses TP bei schneller Schwebungsfrcquenz innerhalb der Toleranigrcnz.cn bliche.

Die richtige Dimenisonierung der Synchronüberwachung veranschaulicht F i g. 3. Die Pegelübcrwachung spricht bei den Spannungsgrenzen U \- und U— an, die dem garantierten Toleranzbereich -\:.\a> der Oszillatorfrequcnz entsprechen. Sie liegen innerhalb des Mitnahmebereiches, der durch den Spannungshub Umax -U_ml„ des Phasendiskriminators bestimmt ist. Ein z. B. gerade außerhalb der durch Umm bestimmten oberen Grenze des Mitnahmebereiches liegender Oszillator würde beim Durchpumpen der Regelspannung an der Alarmgrenzc U |- eine Abweichung seiner Kreisfrequenz vom Sollwert um T-

haben. Die i/tZ/f/l-Übcrwachung muß dabei ansprechen, noch bevor dieser Wert erreicht ist. damit ein periodisches Ein- und Ausschalten der Trägerspannung vermieden wird.

Den Stromlauf einer Ausführungsform der Synchronüberwachung zeigt F i g. 4. Die Kollektorstufe TV dient als Impedanzwandler. Der Transistorverstärker Tl mit den Dioden GrI. GrI bildet die Grenzwertstufe G₁ für die Überwachung des Betrages der Regelspannung.

Parallel zu Tl erfolgt die Ansteuerung der Grenzwertstufe G₂ über den Tiefpaß Λ3, Cl. Er unterdrückt Störspannungen, welche oberhalb der zu bewertenden Schwebungsfrcquenzcn liegen. Zur Differentiation der Eingangsspannung dient Cl. Kurzzeitliche Änderungen der Regelspannung steuern den Differenzverstärker Γ3, TA aus der Ruhelage und liefern über Gr3, Gr4 eine Steuerspannung für den Schmitt-Trigger. Am Ausgangdes Schmitt-Triggers T5. T6 läßt sich die Alarmspannung Ua abnehmen.

Die komplette Schaltung, die zur Erzeugung der Tertiär- und Quartärgruppenträger, die ganzzahlige Vielfache der Steuerfrequenz sind, verwendet werden kann, ist in F i g. 5 gezeigt.

Die sinusförmige Steuerspannung 1 I·',//, 440 kHz gelangt über den Emitterfolger mit dem Transistor T₂ an die beiden Eingänge des schnellen integrierten Komparators IS₁. Der nichtinvertierende Eingang (Plus-Zeichen) ist zur Erzielung einer Gegentaktwechselspannung mit einem Kondensator gegen Minus-Masse abgeblockt. Der invertierende Eingang (Minus-Zeichen) erhält über einen sehr hochohmigen Widerstand eine künstliche Offsetspannung von einigen Millivolt. Diese stört die symmetrische Begrenzungscigenschaft des Komparators nur wenig, da sie klein gegen die Steuerspannung ist. Man erreicht damit aber, daß bei einem Ausfall der Steuerspannung der Komparator keine Rauschspannung (auf Grund der hohen Leerlaufverstärkung) an den Phascndiskriminator abgibt. Dies ist notwendig für ein einwandfreies Arbeiten der Frequenzüberwachung, die vorstehend erläutert wurde.

Die Zenerdiode D₂ erzeugt eine interne Bezugsspannung für den integrierten Komparator. Über die Koppeldiode D₃ gelangt die Rechteckspannung an den als ungesättigten Schalter arbeitenden Transistor T₃. Der Emitterfolger mit dem Transistor Τ_Λ steuert den einen Eingang der schon besprochener. Phasendiskriminatorschaltung mil dem integrierten Transistorterzett /V₂ an. Der andere Eingang erhält aus dem Oszillatoren der Schallung eine Sinusspannung son 0.Sr₁ Vrff.

Zwischen dem Phascndiskriminator und dem Tiefpaß aus dem Widerstand Rt und dem Kondensator (Y (/'„ 2.6 kHz) liegt der zur Entkopplung benötigte Emitterfolger mit dem Transistor T_h. Die Diode A), ίο in der Stromführung zum Emitter von 7\, vermeidet eine beim Einschwingvorgang mögliche Aussteuerung der Kapazitätsdiode D_s und D_n bis in die Nähe des Durchlaßbercichcs.

Der Oszillator vom Typ der kapazitiven Dreipunktschallung ist klirrarm amplitudengeregelt. Dabei wird die Vorwärtssteilheit des Schwingstufentransislors T-durch Verminderung des Emittergleichstromes mittels des Regcltransistors 7'₈ auf den für den stationären Schwingzustand erforderlichen Wert reduziert. Durch

ao den galvanisch angekoppelten Trennverstärker mit den Transistoren T₉, 7'₁₀ und T₁₁ wird die Oszillatorspannung verstärkt und von der Schwingstufc entkoppelt. Der geeignete Verstärkungsfaktor (etwa ZOfach) wird dabei erreicht durch die Überbrückung

as des Emitterwiderstandes von T₉ durch die Serienschi'Uung eines nicderohmigcn Widerstandes und eines Kondensators. Der Darlington-Emitterfolger mit den Transistoren T₁₀ und T₁₁ hat einen sehr niederohmigcn Ausgang und speist die Ampliludenrcgclschallung (mit Transistor r_s), die Ausgangsstufe (Transistor T_v>) und den Entkoppelverstärkcr mit dem Transistor 7'₁₄.

der zur Ansteuerung des Phasendiskriminators dient.

Die Rcgelspannungscrzcugung erfolgt durch die

Dioden D₁ und /)„. Erreicht die Ausgangswechselspannung am Emitter von 7",, beim Anschwingen des Oszillators einen Spitzenwert von etwa 0,5 V (Schwellspannung einer Diode), so beginnen D- und D₈ zu leiten und reduzieren damit den Basisstrom von 7"_s bzw. den Emitterstrom von T₁. Die Verstärkung von T₁ sinkt dabei bis auf den für den stationären Schwingzustand erforderlichen Wert ab. Da als Führimgsgröße der Regelung eine Diodcnschwellspannung verwendet wird, ist auch die Ausgangswechsclspannung mit einem für Dioden typischen negativen Temperaturkocffizienten behaftet. Der Ausgangspcgc! ändert sich im geforderten Umgebungslemperaturbereich insgesamt um etwa 15ⁿ/_n.

Der Ausgangspegel von 0,5 V_rfr wird über die irr Betriebsfallc durchgeschaltetc Diode D₉ vom Kollek tor des Transistors T₁₂ entnommen. Durch Anleger einer negativen Spannung an den Basisvorwiderstanc vom Transistor 7"_I3 läßt sich der Ausgangspegel ab schalten, wobei der Transistor T₁₃ bis in die Sättiguni durchgeschaltet und die Diode D₉ stromlos wird. Diesi elektronische Pegelabschaltung erfolgt im Falle eine asynchronen Zustandcs zwischen Steuerfrequenz um Oszillatorfrequenz, beim Ausfall der Steuerfrequen und bei einigen anderen Störungen. Die hierfür er forderliche Frequenzüberwachung ist nicht im Strom lauf von F i g. 6 eingetragen. Die prinzipielle Wir kungsweisc soll nur kurz, erläutert werden.

Als Überwachungskriterium dient die Ausgangs spannung des Phasendiskriminators (Emitter von 7y wobei deren absolute Größe und die zeitliche Ände rung bewertet werden. Kommt die Kapazilätsdioder vorspannung in die Nähe der unteren oder obere Grenze des Mitnahmebereichs, so erfolgi über eine Schaltverstärker die Ausgangspegclabschaltunii. 1;

des nicht synchronen Betriebes entsteht im endiskriminator eine Wechselspannung der Differeqiienz zwischen Oszillatorfrcqucn/ und der uenz der entsprechenden Oberwelle der Stcucrnung. die ebenfalls zu einer Pegclabschalliing . Hin Ausfall der Stciicrspaniumg wird auch er-

faßt, da die Ausganpsgleichspanniing des Phascndiskrimmators hierbei ilen Minimalwcrt annimmt.

lici mehreren Trügcrer/eugcrn zur r.rzciigung mehrerer Trägcrfrciiucnzcn lindet die vorstehend beschriebene (.!bcrwacliungsschaltiing in jedem der Trügcrer/euger Anwendung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 628/341

Claims

1 2

Oszillator als Frequenzwandler aufgebaut ist, in

Patentansprüche: dessen Phasenregelschleife Mittel vorgesehen sind,

durch die die in der Phasenregelschleife erzeugte

I. Trägerfrequenzsystem, bei dem jedem Sende- Regelspannung auf ihren Betrag hin überwacht wird, und Empfangsumsetzerpaar scwie jeder Pilot- 5 Bei der Steuerfrequenz- und Trägerfrequenzereinrichtung ein eigener Träger- bzw. Piloterzeuger zeugung werden häufig noch die bekannten Methoden zugeordnet ist, der von einer gemeinsamen Steuer- der Frequenzsynthese mit Frequenzteilern, -yervielfrequenz angesteuert wird und bei dem die von fachern und -mischern angewandt. Die Selektion der diesen erzeugten Frequenzen jede für sich direkt gewünschten Frequenzen erfolgt bei diesem Veraus der gemeinsamen Steuerfrequenz abgeleitet io fahren mit passiven Trägerfiltern, die hohe Dämpwerden, unabhängig davon, ob die angesteuerten fungsforderungen für Nebenwellen einhalten müssen. Träger- bzw. Piloterzeuger ganzzahlige Vielfache Entsprechend groß muß dabei der Aufwand an konder Steuerfrequenz liefern, bei dem jeder Träger- ventionellen Siebmitteln mit Spulen bzw. Filterbzw. Piloterzeuger nach dem an sich bekannten quarzen sein, deren Toleranzen und Abgleich bei Prinzip des phasengeregelten Oszillators als Fre- ij, hohen Frequenzen zunehmend schwieriger zu bequenzwandler aufgebaut ist, in dessen Phasen- herrschen sind. In gleicher Weise steigen bei hohen regelschleife Mittel vorgesehen sind, durch die die Frequenzen die Schwierigkeiten bei der Realisierung in der Phasenregelschleife erzeugte Regelspannung von Verzerrern mit guten Symmetrieeigenschaften auf ihren Betrag hin überwacht wird, dadurch und geringem Phasenrauschen, wie sie /u; Frequenzgekennzcichnet, daß in der Phasenregel- 20 Vervielfachung in Trägerfrequenzerzeugern benötigt schleife weitere Mittel vorgesehen sind, die die werden.

Regelspannung auf ihre zeitliche Änderung hin Demgegenüber bietet das an sich bekannte Verüberwachen, fahren der Frequenzanalyse mit in einer Phase-

1 Trägerfrequenzsystem nach Anspruch 1, da- Locked-Loop-Schaltung synchronisierten Oszillatoren

durch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Regel- 25 den Vorteil, in spulenloser Technik auf kleinem Raum

spannungsüherwachung aus rwei parallelgeschal- sehr hohe Vervielfachungsfaktorfn realisieren zu

teten Grenzwertdetektoren (Gl, C2) bestehen, von können. Der Grund hierfür liegt darin, daß durch

denen einer über ein Differenzierglied (DG) an- geeignete Wahl der Regelsteilhcit sehr kleine relative

gesteuert ist. Bandbreiten möglich sind, wie sie mit konventionellen

1 Trägerf -quenzsystem nach Anspruch 2, da- 30 Spulen oder Quarzfiltern nicht erreicht werden. Die

durch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der technischen Schwierigkeiten bei sehr hohen FrCqUCn;'-

Grenzwertde'ektoren (itl, Gl) über ein ODER- \ervielfachungsfaktoren können durch den Einsatz

Glied (OG) an einen bistabilen Schalter (ST) ge- eines Frequenzteilers in der Regelschleife dadurch

führt sind, der bei Ausfall üt-r Synchronisation erleichtert werden, daß man die Frequenzebene des