DE2433445A1

DE2433445A1 - Phase sync. oscillator for demodulation of fm carrier wave - has sync. response time shortened using low pass filter without increasing noise band width

Info

Publication number: DE2433445A1
Application number: DE2433445A
Authority: DE
Inventors: Yohichi Tan; Seijiro Yokoyama
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1973-07-16
Filing date: 1974-07-13
Publication date: 1975-02-06
Also published as: JPS5028968A

Abstract

The phase synchronised oscillator circuit for FM carrier wave demodulation has a phase comparator for the oscillator output with the incoming FM signal. The comparator output is coupled over a controlled low pass filter to the frequency control input of the oscillator. The low pass filter contains a non-linear impedance whose magnitude depends upon the comparator output voltage such that the filter has a relatively low cut-off frequency when the oscillator frequency is not synchronised with the carrier wave and a relatively high cut-off frequency when it is synchronised. This non-linear element in the filter reduces the circuit synchronisation response time without increasing the equivalent noise bandwidth. The non-linear element may be formed by two anti-parallel diodes.

Description

Phasensynchronisierte Oszillatorschaltung -Die Erfindung betrifft eine phasensynchronisierte Oszillatorschaltung zur Demodulation einer frequenzmodulierten Trägerwelle, mit einem spannungsgeregelten Oszillator, mit einem Phasenkomparator, welcher die Phasendifferenz zwischen der Trägerwelle und dem Ausgangssignal des Oszillators feststellt und eine Fehlerspannung erzeugt, und mit einem Tiefpaßfilter, das die niederfrequenten Komponenten des Ausgangs des Phasenkomparators hindurchläßt, damit diese die Frequenz des Oszillators regeln und mit der Trägerwelle synchronisieren. Phase-locked oscillator circuit -The invention relates to a phase-locked oscillator circuit for demodulating a frequency-modulated Carrier wave, with a voltage-controlled oscillator, with a phase comparator, which is the phase difference between the carrier wave and the output of the Oscillator detects and generates an error voltage, and with a low-pass filter, which lets through the low-frequency components of the output of the phase comparator, so that they regulate the frequency of the oscillator and synchronize it with the carrier wave.

Herkömmliche phasensynchronisierte Oszillatorschaltungen enthalten einen Phasenkomparator, einen spannungsgesteuerten Oszillator und eine Rückkopplungsschaltung, welche ein Tiefpaßfilter enthält. Bei solchen phasensynchronisierten Oszillatorschaltungen sollte im allgemeinen der Mitnahmebereich der Frequena- oder Phasenabweichung der eingegebenen modulierten Trägerwelle von dem Nominalwert möglichst groß sein, und gleichzeitig sollte die Mitnahmezeit, die zur Erreichung der Synchronisierung erforderlich ist, möglichst kurz sein. Andererseits sollte die Bandbreite der über das Tiefpaßfilter synchronisierten Oszillatorschaltung möglichst eng sein, damit die in dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators enthaltene Rauschkomponente möglichst klein gehalten wird. Bei den herkömmlichen phasensynchronisierten Oszillatorschaltungen dieser Art ist jedoch die Verringerung der äquivalenten Rauschbandbreite unvermeidbar mit einer Verengung des Mitnahme-Frequenzbereiches und mit einer Verlängerung der Mitnahmezeit verbunden.Conventional phase locked oscillator circuits included a phase comparator, a voltage controlled oscillator and a feedback circuit, which contains a low-pass filter. In such phase-locked oscillator circuits should generally be the driving range of the frequency or phase deviation of the input modulated carrier wave from the nominal value if possible be large, and at the same time the dead time needed to achieve synchronization is required to be as short as possible. On the other hand, the bandwidth of the over the low-pass filter synchronized oscillator circuit be as close as possible so the noise component contained in the output of the voltage controlled oscillator is kept as small as possible. In the conventional phase-locked oscillator circuits however, in this way, the reduction in the equivalent noise bandwidth is inevitable with a narrowing of the entrainment frequency range and with an extension of the Entrainment time connected.

Um dieses Problem zu überwinden, kann man beim anfänglichen Mitnahme- oder Mitziehschritt zur Synchronisierung ein breitbandiges Tiefpaßfilter verwenden, um dadurch den Mitnahmebereich zu verbreitern und die Mitnahmezeit zu verkürzen. Unmittelbar nach Beendigung dieses anfänglichen Mitnahmeschrittes kann man dann zu einem anderen Tiefpaßfilter umschalten, welches eine engere Bandbreite hat, um dadurch das Signal-Rausch-Verhalten der phasenstarren Schaltung zu verbessern.To overcome this problem, the initial take-away or use a pull-in step for synchronization using a broadband low-pass filter, in order to widen the take-away area and shorten the take-away time. Immediately after completing this initial take-away step, you can then switch to another low-pass filter, which has a narrower bandwidth thereby improving the signal-to-noise behavior of the phase-locked circuit.

Bei diesem Verfahren sind jedoch zusätzliche Schaltungen erforderlich, z.B. eine Schaltung zur Überwachung des synchronisierten Zustands, zwei Tiefpaßfilter und Schalteinrichtungen, welche die gesamte Schaltungsanordnung komplizieren.However, this method requires additional circuits, e.g. a circuit for monitoring the synchronized state, two low-pass filters and switching devices which complicate the entire circuit arrangement.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute, phasensynchronisierte Oszillatorschaltung zu schaffen, welche die Nitnahmezeit bis zur Erreichung der Synchronisierung verkürzt, ohne die äquivalente Rauschbandbreite zu erhöhen.The object of the invention is to provide a simply constructed, phase-synchronized To create an oscillator circuit which reduces the take time to reach the Synchronization shortened without increasing the equivalent noise bandwidth.

Diese Aufgabe ist bei einer phasensynchronisierten Oszillatorschaltung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelost, daß das Tiefpaßfilter eine nicht lineare Stufe enthält, deren Widerstand von dem absoluten Wert der Ausgangsspannung des Phasenkomparators derart nicht linear abhängt, daß das Tiefpaßfilter eine relativ niedrige Grenzfrequenz aufweist, wenn die Frequenz des Oszillators nicht mit der der Trägerwelle synchronisiert ist, und daß das Tiefpaßfilter eine relativ hohe Grenzfrequenz aufweist, wenn die Synchronisierung erreicht worden ist.This task is with a phase-locked oscillator circuit of the type mentioned at the outset according to the invention in that the low-pass filter contains a non-linear stage, the resistance of which depends on the absolute value of the output voltage of the phase comparator does not depend linearly in such a way that the low-pass filter is a relative has low cut-off frequency when the frequency of the oscillator does not match the the carrier wave is synchronized, and that the low-pass filter has a relatively high Has cutoff frequency when synchronization has been achieved.

Die nicht lineare Stufe dieses Tiefpaßfilters bildet einen kleinen Widerstand, wenn der absolute Wert der Ausgangsspannung des Phasenkomparators groß ist, und sie bildet einen großen Widerstand, wenn der absolute Wert der Ausgangs spannung des Phasenkomparators klein ist. Die Bandbreite des Tiefpaßfilters kann also verbreitert oder verengt werden, abhängig davon, ob die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators mit der Eingangsfrequenz des Phasenkomparators phasensyzichronisiert ist oder nicht.The non-linear stage of this low-pass filter forms a small one Resistance when the absolute value of the output voltage of the phase comparator is large is, and it forms a large resistance when the absolute value of the output voltage of the phase comparator is small. The bandwidth of the low-pass filter can thus widened or narrowed, depending on whether the output frequency of the voltage controlled oscillator with the input frequency of the phase comparator is phase synchronized or not.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben.The invention is illustrated below using an exemplary embodiment and described in more detail in connection with the drawing.

Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung einer herkömmlichen phasensynchronisierten Oszillatorschaltung, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung, Fig. 3 (a) eine nicht lineare Widerstandsstufe, welche in einem Tiefpaßfilter der Oszillatorschaltung der Fig. 2 verwendet wird, Fig. 3 (b) die Charakteristik der in Fig. 3 (a) gezeigten Widerstands stufe und Fig. 4 die Charakteristik des in der Oszillatorschaltung der Fig. 2 verwendeten Tiefpaßfilters.1 shows a circuit arrangement of a conventional phase-locked one Oscillator circuit, FIG. 2 shows a circuit arrangement of an oscillator circuit according to the invention, Fig. 3 (a) shows a non-linear resistance stage, which in a low-pass filter of the The oscillator circuit of Fig. 2 is used, Fig. 3 (b) shows the characteristic of the in Fig. 3 (a) shown resistance stage and Fig. 4 shows the characteristics of the Oscillator circuit of Fig. 2 used low-pass filter.

Die Fig. 1 zeigt eine herkömmliche phasensyzichronisierte Oszillatorschaltung, bei welcher eine, von einem EmpfEnger empfangene, frequenzmodulierte Trägerwelle auf den Eingangsanschluß A eines Phasenkomparators 1 gegeben wird, dessen anderer Bingangsanschluß B mit dem Ausgang eines spannungsgesteuerten Oszillators 2 verbunden ist. Der Phasenkomparator 1 vergleicht die augenblickllcße Phasendifferenz zwischen der eingegebenen Trägerwelle und dem Ausgang des apannungsgesteuerten Oszillators 2 und erzeugt an seinem Anschluß C eine Spannung, welche die Differenz darstellt, Diese Differenzspannung wird über ein Tiefpaßfilter, welches aus den Widerständen Ril, R12 und einem Kondensator C11 besteht, zu dem Steuereingangsanschluß E des spannungsgesteuerten Oszillators 2 rückgekoppelt, dessen Frequenz oder Phase mit der Eingangsträgerwelle synchronisiert wird. Auf diese Weise wird am Ausgangsanschluß OUT ein phasensynohronisiertes Ausgangszeichen erzeugt. Bei dieser phasensynchronisierten Oszillatorschaltung wurde Jedoch die Bandbreite des Tiefpaßfilters hinreichend stark verringert, um das Signal-Rausch-Verhältnis hoch zu halten. Dadurch wurde unvermeidbar der Mitnahmebereich verringert, und die Mitnahmezeit wurde verlängert.Fig. 1 shows a conventional phase-synchronized oscillator circuit, in which a frequency-modulated carrier wave received by a receiver is applied to the input terminal A of a phase comparator 1, the other of which Input terminal B is connected to the output of a voltage-controlled oscillator 2 is. The phase comparator 1 compares the instantaneous phase difference between the input carrier wave and the output of the voltage controlled oscillator 2 and generates at its terminal C a voltage which is the difference represents This differential voltage is passed through a low-pass filter, which is made up of the resistors Ril, R12 and a capacitor C11, to the control input terminal E of the voltage-controlled oscillator 2 fed back, its frequency or phase with the input carrier shaft is synchronized. In this way, at the output port OUT generates a phase-synchronized output character. With this phase-locked However, the oscillator circuit became sufficiently large in bandwidth of the low-pass filter decreased to keep the signal-to-noise ratio high. This became inevitable the take-away area has been reduced and the take-away time has been increased.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform ist in der Fig. 2 dargestellt. Ein Phasenkomparator 1 empfängt auf seinem Eingangsanschluß A eine frequenzmodulierte Trägerwelle und auf seinem Eingangsanschluß B das Ausgangszeichen eines spannungsgesteuerten Oszillators 2, wie der Phasenkomparator der Fig. 1. Der Phasenkomparator 1 erzeugt an seinem Ausgangsanschluß C eine Spannung, welche die Phasendifferenz anzeigt. Diese Spannung wird über ein Tiefpaßfilter 3' zui Anschluß E des spannungsgesteuerten Oszillators 2 zurückgeführt. Das Tiefpaßfilter 3' besteht aus einer nicht linearen Widerstands stufe Rt, aus Widerständen R21 und R22 und aus einem Kondensator C21, welche in Reihe geschaltet sind und deren eines Ende geerdet ist. Ein am Koppelpunkt zwischen den Widerständen R21 und R22 abgenommenes Signal wird über den Anschluß E dem spannungsgesteuerten Oszillator 2 zugeführt. Die Frequenz (oder Phase) des Ausgangszeichens des spannungsgesteuerten Oszillators 2 wird in Abhängigkeit von diesem Signal auf dem Anschluß E so gesteuert, daß das Ausgangszeichen auf dem Anschluß OUT mit dem Eingangszeichen auf dem Eingangsanschluß IN synchron ist.An embodiment according to the invention is shown in FIG. A phase comparator 1 receives on its input terminal A a frequency-modulated Carrier wave and on its input terminal B the output character of a voltage-controlled Oscillator 2, like the phase comparator of FIG. 1. The phase comparator 1 generates at its output terminal C a voltage which indicates the phase difference. This voltage is fed through a low-pass filter 3 'to terminal E of the voltage-controlled Oscillator 2 returned. The low-pass filter 3 'consists of a non-linear one Resistance stage Rt, from resistors R21 and R22 and from a capacitor C21, which are connected in series and one end of which is grounded. One at the crosspoint between the resistors R21 and R22 Signal will The voltage-controlled oscillator 2 is supplied via the connection E. The frequency (or phase) of the output sign of the voltage controlled oscillator 2 is shown in Depending on this signal on the terminal E controlled so that the output character on the connection OUT synchronous with the input character on the input connection IN is.

Die nicht lineare Widerstands stufe Rx hat einen kleinen Widerstandswert, wenn der absolute Wert der Spannung zwischen den Anschlüssen C und D groß ist, und sie hat einen großen Widerstandawert, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen C und D einen kleinen Wert hat. Der Widerstandswert der nicht linearen Widerstands stufe Rx ändert sich also in Abhängigkeit von dem Pegel der Ausgangsapannung an dem Anschluß C derart, daß die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 3' angehoben oder erniedrigt werden kann, abhängig von dem Pegel der Ausgangs spannung an dem Anschluß C. In der Fig. 3 a ist eine bevorzugte Ausführungsform einer nicht linearen Widerstandsstufe Rx dargestellt, welche zwei Dioden Xl und X2 enthält, welche mit entgegengesetzter Polung parallel zueinander geschaltet sind. Wenn dem Anschluß C eine positive Spannung zugeführt wird, ist die Diode X2 in Sperrichtung vorgespannt und weist einen hinreichend großen Widerstand auf. Der Widerstand zwischen den Ans chlu seen C und D hängt in diesem Fall von der Durchlaßcharakteristik der Diode Xl in Vorwärtsrichtung ab. Wenn dagegen. die Spannung an dem Anschluß C negativ ist, wird der Widerstand durch die Durchlaßcharakteristik der Diode X2 in Vorwärtsrichtung bestimmt, Ein Beispiel der Kennlinien der nicht linearen Widerstandsstufe Rx ist in Fig. 3 b dargestellt, in welcher auf der Abszisse die negative und die positive Spannung und auf der Ordinate die entsprechenden Widerstandswerte aufgetragen sind.The non-linear resistance level Rx has a small resistance value, when the absolute value of the voltage between the terminals C and D is large, and it has a large resistance value when the voltage between the terminals C and D has a small value. The resistance value of the non-linear resistor stage Rx thus changes depending on the level of the output voltage the connection C such that the cutoff frequency of the low-pass filter 3 'is raised or can be decreased, depending on the level of the output voltage at the terminal C. In Fig. 3a is a preferred embodiment of a non-linear resistor stage Rx shown, which contains two diodes Xl and X2, which with opposite Polarity are connected in parallel to each other. When the terminal C has a positive voltage is fed, the diode X2 is reverse biased and has a sufficient great resistance. The resistance between connections C and D depends on in this case on the forward characteristic of the diode Xl in the forward direction. If against it. the voltage at the terminal C is negative, the resistance will through the transmission characteristic of the diode X2 determined in the forward direction, An example of the characteristics of the non-linear resistance stage Rx is shown in FIG. 3 b, in which on the abscissa the negative and positive voltage and the corresponding resistance values are plotted on the ordinate.

Eine gewöhnliche Flächendiode weist im allgemeinen einen grossen Widerstand in Durchlaßrichtung auf, so lange die angelegte Spannung im Bereich bis 0,5 Volt bleibt, während bei Erhöhlung der Spannung über diesen Wert der Widerstandswert in Durchlaßrichtung abrupt abfällt.An ordinary junction diode generally has a large resistance in the forward direction as long as the applied voltage is in the range up to 0.5 volts remains, while if the voltage is increased above this value, the resistance value drops abruptly in the forward direction.

Der absolute Wert der Fehlerspannung, welche an dem Ausgang des Phasenkomparators 1 erscheint, ist ungefähr proportional zur augenblicklichen Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal an dem Anschliß IN und dem Ausgangezeichen des spannungsgesteuerten Oszillators 2, welches dem Anschluß B zugeführt wird. Dementsprechend ist im synchronisierten Zustand der absolute Wert der Fehlerspannung klein, während er im nicht synchronisierten Zustand sehr groß ist. Im letztgenannten Fall wird der Widerstand der nicht linearen Widerstandsstufe Rx klein, und die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 3' wird hoch, wodurch die Bandbreite vergrößert wird, wie manaus der folgenden Gleichung sieht: Deshalb wird der Mitnabmefrequenzbereich erweitert und die Mitnahmezeit #erkürzt. Infolgedessen kann die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators leicht mit dem Eingangssigni synchronisiert werden, selbst wenn die Abweichung der Frequenz desEingangssignals von der des spannungsgesteuerten Oszillators 2 ziemlich groß tt.The absolute value of the error voltage which appears at the output of the phase comparator 1 is approximately proportional to the instantaneous phase difference between the input signal at the connection IN and the output signal of the voltage-controlled oscillator 2 which is fed to the connection B. Accordingly, the absolute value of the error voltage is small in the synchronized state, while it is very large in the non-synchronized state. In the latter case, the resistance of the non-linear resistor stage Rx becomes small and the cut-off frequency of the low-pass filter 3 'becomes high, thereby increasing the bandwidth, as can be seen from the following equation: For this reason, the take-away frequency range is expanded and the take-away time # shortened. As a result, the frequency of the voltage controlled oscillator can be easily synchronized with the input signal even if the deviation of the frequency of the input signal from that of the voltage controlled oscillator 2 is quite large.

Wenn dagegen der spannungsgesteuerte Oszillator 2 synchron mit der am Eingangsanschluß IN ankommenden Trägerwelle schwingt, wird der absolute Wert der Fehlerspannung klein. In diesem Zustand hat die nicht lineare Widerstands stufe Rx einen erhöhten Widerstandswert, so daß die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 3' erniedrigt ist, wodurch die Bandbreite des Tiefpaßfilters 3' verkleinert ist. Dadurch wird das Rauschen, welches in dem hindurchgelassenen Signal enthalten ist, weitestgehend verringert.If, on the other hand, the voltage controlled oscillator 2 is synchronous with the carrier wave arriving at the input terminal IN oscillates, becomes the absolute value the error voltage is small. In this state, the non-linear resistance level has Rx has an increased resistance value, so that the cutoff frequency of the low-pass filter 3 ' is decreased, whereby the bandwidth of the low-pass filter 3 'is reduced. Through this the noise contained in the transmitted signal becomes as large as possible decreased.

Obgleich in diesem Zustand der Mitnahmefrequenzbereich verringert ist, hat dies keinen nachteiligen Effekt, da bereits vor Erreichung dieses Zustands die Synchronisierung erreicht worden ist.Although the driving frequency range is reduced in this state is, this has no adverse effect, since before this state is reached synchronization has been achieved.

Die Veränderung der Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 3' ist in Fig. 4 dargestellt, in welcher auf der Abszisse die Eingangsfrequenz des Filters und auf der Ordinate die Dämpfung des Ausgangs dargestellt ist. Die Kurve 1 mit der Grenzfrequenz fc entspricht dem nicht synchronisierten Zustand und die Kurve 2 mit der Grenzfrequenz fc' entspricht dem synchronisierten Zustand.The change in the cutoff frequency of the low-pass filter 3 'is shown in Fig. 4, in which on the abscissa the input frequency of the filter and the attenuation of the output is shown on the ordinate. The curve 1 with the Cutoff frequency fc corresponds to the non-synchronized state and curve 2 with it the cutoff frequency fc 'corresponds to the synchronized state.

Claims

Claim

Phase-locked oscillator circuit for demodulating a frequency-modulated Carrier wave, with a voltage controlled oscillator with a phase comparator, which is the phase difference between the carrier wave and the output of the Oscillator detects and generates an error voltage, and with a low-pass filter, that is the low-frequency components of the output voltage of the phase comparator so that these regulate the frequency of the oscillator and that of the carrier wave synchronize, characterized in that the low-pass filter is a non-linear Stage (Rx) contains whose resistance depends on the absolute value of the output voltage of the phase comparator (1) depends in such a way that the low-pass filter (3 ') is a relative has low cut-off frequency when the frequency of the oscillator (2) does not match that is synchronized with the carrier wave, and that the low-pass filter (3 #) is a relative has high cut-off frequency when synchronization has been achieved.

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