DE2528319C2

DE2528319C2 - Schaltung zum Nachführen der Phase oder der Frequenz eines Signales

Info

Publication number: DE2528319C2
Application number: DE19752528319
Authority: DE
Inventors: Michel Jacques Robert Paris Nicolas
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1974-07-30
Filing date: 1975-06-25
Publication date: 1984-08-16
Also published as: FR2281001A1; GB1473022A; DE2528319A1; FR2281001B1

Description

G(s) =

I + T₁S
1 + TiS

wobei sdie komplexe Laplace'sche Variable ist und T] und Ti zwei charakteristische Zeitkonstanten dieses Filters sind.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochpaß-Filter (6) durch einen Widerstand (R) und einen Kondensator (C) gebildet ist.

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Nachfuhren der Phase oder Frequenz eines Signales bezüglich eines auf die Schaltung gegebenen Eingangssignales gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Schaltung ist in der US-PS 2930001 offenbart.

Solche Schaltungen werden in zahlreichen elektronischen Sende- und. Empfangsschaltungen verwendet, insbesondere um ein Signa! mit langsamer Frequenzverschiebung (Doppler-Effekt) oder rascher Frequenzverschiebung (Phasen- oder Frequenzdemodulator) zu filtern oder um die Frequenz eines Oszillators in Gegenwart von Rauschen zu stabilisieren. Ferner werden

55 derartige Schaltungen verwendet zur Demodulierung von frequenzmodulierten Signalen, zur FSK-Demodulierung, zur Frequenzsynthese und auch für die Drehzahlsteuerung von Motoren. Ein Beispiel für die letztgenannte Anwendung ist in der Zeitschrift »Regelungstechnik«, 1968, Seite 558, dargestellt.

Zur Theorie von Phasenregelschleifen allgemein wird auf die Bücher »Phase Lock Techniques« von Poyd M. Gardner (Verlag John Wiley & Sons) und »Principles of Coherent Communication« von Viterbi (Verlag McGraw Hill) verwiesen.

Allgemein unterscheidet man drei verschiedene Arbeitsbereiche des Vjrriegelns einer Phasenregelschleife:

1. Unterscheidet sich die Frequenz/i des Schleifensignals von der Frequenz^ des auf die Schaltung gegebenen externen Signales nur wenig, so folgt die Schleife Frequenz- und Phasenänderungen des externen Signales sehr rasch und verriegelt.

Dabei bleibt die Phasenverschiebung zwischen den Signalen mit der Frequenz^ und/i zu jedem Zeitpunkt kleiner als 180°. In der Praxis tritt dieser Fall dann auf, wenn der Unterschied/1 —f₀ wesentlich kleiner ist als die Bandbreite der Phasenregelschleife (bzw. deren Eigenfrequenz/,). Der soeben beschriebene Arbeitsbereich wird »Verriegelungsbereich« ger&nnt

2. Ist der Frequenzunterscheid/! —/₀ größer als die Eigenfrequenz der Schleife und kleiner als ein gewisser Grenzwert, der den »Aquisitionsbereich» (auch Fangbereich genannt) begrenzt, so ändert sich die Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen mit den Frequenzen/i und β kontinuierlich und nimmt Werte an, die einem sehr großen Vielfachen von 360° entsprechen.

3. Ist der Frequenzunterschied/] — fi> größer als die Grenzfrequenz des Aquisitionsbereiches, so wird keine Verriegelung der Schleife mehr erhalten.

Durch die Erfindung soll das Arbeiten der Phasenregelschleife zumindest im zweiten aer vorgenannten Fälle, d. h. während der Aquisitionsphase verbessert werden (sowohl durch Verbreiterung dieses Bereichs als auch durch Vergrößerung der Geschwindigkeit, mit welcher das Eintrimmen der Frequenz des Oszillators erfolgt), ohne daß eine Mehrzahl zusätzlicher Filterkreise hierzu erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung unter Vergleich mit dem Stand der Technik anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fi g. 1: eine bekannte Schaltung zum Nachführen der Phase oder der Frequenz eines Signales, wie sie der US-PS 2930001 entnommen werden kann;

Fig. 2: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung zum Nachführen der Phase oder der Frequenz eines Signales;

Fig. 3: die Filtercharakteristik, welche ein Hochpaß-Filter der Schaltung nach Fig. 2 aufweist;

Fig. 4: ein zum Blockschaltbild nach F i g. 2 äquivalenten Blockschaltbild;

Fig. 5: ein Ausführungsbeispiel für das Hochpaß-Filter der Schaltung nach Fig. 2; und

Fig. 6: einen detaillierten Schaltplan einer erfindungsgemäßen Schaltung zum Nachführen der Phase oder Frequenz eines Signales.

Bei der bekannten Schaltung nach Fig. 1 wird ein Eingangssignal mit einer Frequenz fo auf den in Fig. 1 links gelegenen Eingang eines Phasenkomparators 1 gegeben. Auf dessen in der Figur rechts gelegenen Eingang wird das in der Phasenregelschleife umlaufende Signal mit der Frequenz/i gegeben. Außer dem Phasenkomparator 1 weist die Phasenregelschleife ein Filter 2, einen Verstärker 3 und einen durchstimm baren spannungsgesteuerten Oszillator 4 auf. Diese Teile bilden einen geschlossenen Kreis. Die Schaltung dient dazu, die Frequenz der Phasenregelschleife so zu synchronisieren, daß schließlich die Frequenz/i mit der Frequenz fo übereinstimmt Das Ausgangssignal wird an einem Punkt A₁ dem Ausgang des Oszillators 4, abgenommen.

Das Filter 2 ist ein Tiefpaßfilter und wird in den meisten Fällen durch einen sogenannten nicht idealen Integrator gebildet

Dieser hat eine Übertragungsfunktion

sT₂+ 1

(Ti+ 29+1

Wird das Zusatzfilter 6 bezüglich der Phasendrehung und der Abschwächung geeignet ausgelegt, ist die oben angeführte Gleichspannung nach Betrag und Vorzeichenproportional zurFrequenzverstimmung^—/1. Sie kann damit als Steuerspannung zum Einregeln des Oszillators 4 verwendet werden und gestattet ein rasches Auffinden der Frequenz.

Rechnungen zeichen, daß in der Praxis ein Hochpaß-Filter erster Ordnung (eine nicht ideale Differentiationsschaltung) zu diesem Zwecke gut geeignet ist

Es muß nun noch geprüft werden, weiche Bedingungen das Zusatzfilter 6 der Zweigschaltung erfüllen muß, damit es die ihm erfindungsgemäß zugedachte Rolle erfüllen kann.

Ganz allgemein kann die Übertragungsfunktion (7(ω) eines jeden Filters in einen Realteil R und einen Imaginärteil /zerlegt werden:

20

wobei s eine komplexe Variable (Laplace) und T\ und T₂ Zeitkonstanten sind. S. hierzu das Kapitel 2-2, Seite 9 des weiter oben genannten Buches von Floyd M. Gardner.

Fig. 2 zeigt den wesentlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Nachführschaltung. Bauelemente, die solchen der Fi g. 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet Damit ist aus Fig. 2 jo ersichtlich, daß sich die erfindungsgemäße Schaltung von der in Fig. 1 dargestellten durch zwei Schaltungsblöcke 5 und 6 unterscheidet Der Schaltungsblock 5 ist ein Phasenmodulator, der zwischen dem Phasenkomparator 1 und dem Oszillator 4 angeordnet ist und so die Ausgangsspannung des Oszillators 4 moduliert. Der Schaltblock 6 ist ein Zusatzfilter, das als Zweigschaltung über die Phasenregelschleife geschaltet ist und mit dem Ausgang des Phasenkomparators 1 verbunden ist Das Zusatzfil'er 6 steuert den Phasenmodulator 5 unter Verwendung der vom Phasenkomparator bereitgestellten Ausgangsspannung. Das Zusatzfilter 6 muß so ausgelegt sein, daß es eine bestimmte Übertragungsfunktion G Cs) aufweist, auf die weiter unten noch genauer eingegangen wird.

Zunächst wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltung beim Nachführen der Phase beschrieben.

Es sei zunächst angenommen, daß die phasenmodulierte und auf eine Einganflsklemme des Phasenkomparators 1 gegebene Frequenz/1 bezüglich der Frequenz fo des Eingangssignales verschoben ist. Das Ausgangssignal des Phasenkomparators 1 ist dann eine Schwebung mit der Frequenz/0—/1.

Nun wird das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 4 mit der Frequenz/1 im Phasenmodulator 5 durch ein Signal fo—fi phasenmoduliert. Das erzeugte Signal besteht aus einem Träger/1 und zwei Seitenbändern mit:

60 Ι(ω),

wobei ω die der Frequenz / entspannende Kreisfrequenz ist

Die Rechnung zeigt, daß die Gleichspannungskomponente am Ausgang des Phasenkomparators, die hier zur Ansteuerung des steuerbaren Oszillators verwendet wird, deis Imaginärteil entspricht. Genauer gesagt, ist diese Gleichspannungskomponente proportional zu / (ωο—ωι), wobei ajound ω\ die den Frequenzen/o bzw./] entsprechenden Kreisfrequenzen sind.

Es ist wünschenswert, daß die die Änderung von /(ω) darstellende Kurve im wesentlichen den in Fig. 3 dargestellten Verlauf hat. Das heißt insbesondere:

a) Diese Kurve schneidet die Abszissenachse nur im Ursprung (wäre das nicht der Fall, ergäben sich Instabilitäten der Regelschleife oder falsche stabile Arbeitspunkte);

b) / (ω) wächst mit ω nicht unbegrenzt auf beiden Seiten des Ursprunges an (hierdurch soll vermieden werden, daß die vom Phasenmodulator erzeugte Phasenverschiebung keine zu großen Werte einnimmt).

Der Erfinder hat erkannt, daß ein Filter ei-ter Ordnung diese Bedingungen erfüllt Zugleich weist es einen verhältnismäßig einfachen und somit vorteilhaften Aufbau auf. In diesem Fall gilt:

G (s)

Ts

1 + Ts

Hieraus erhält man:
T

Ι(ω) =

ω¹!*

Dabei stellt die in Fig. 3 verwendete Abszisse ω den Frequenzunterschied zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangs=ignal des Oszillators 4 dar:

Eines der Seitenbänder hat somit eine Frequenz, die gleich der Frequenz des Eingangssignales/0 ist. Da der Phasenkomparator an seinen beiden Eingangsklemmen Signale mit gleicher Frequenz erhält, liefert er an seinem Ausgang eine Gleichspannung.

Die Kurve / (ω) gibt die Rückstellspannung in Abhängigkeit von der Frequenzverstimmung und hat den klassischen Verlauf ehr Kurve eines Frequenzdiskriminators, dessen zwischen dem Maximum und dem Minimum der Kurve gelegener Arbeitsbereich gegeben ist zu Δω = ±2πΙΤ.

Als Filter erster Ordnung kann man auch ein solches wählen, das eine Übertragungsfunktion

G(s)

1 + T₁S I + T₁S

aufweist, wobei 7] und T₁ die charakteristischen Zeitkonstanten dieses häufig auch Phasenvoreilfilter genannten Filters darstellen und 7] 2> Ti ist. Hieraus erhält man

Πω) =

Qj(T₁- T₁) 1 +U²T₂ ²

In der Regel eignet sich ein Filter mit einer Ordnung größer als der ersten nicht, da der Zähler der Funktion / (ω) ein Polynom höheren Grades als 1 darstellt, das reelle Wurzeln außerhalb des Ursprunges haben kann,

HtA '7tieät*>tis«|-»*>r'» C/iKnitlnnnttAn mit /t^r A V\c»!e*»4*rt_ U(W £wü«U.llLIlVll M^ ·****» «f W ■*■«««>■> ■ ■*■·. W* J- 1(/·Μ.Ιι/ι<νΙΙ

achse entsprechen.

Findet keine Signalableitung durch das Zusatzfilter 6 statt, so erfolgt die Einstellung der Phasenverriegelung unter Verwendung einer Rückstellspannung, die durch die Frequenzmodulation des Oszillators erhalten wird. Wie auf den Seiten 44 bis 46 und 86 bis 87 des oben genannten Buches von Gardner dargelegt ist, kann man die Rückstellspannung in diesem Fall berechnen, und man sieht, daß ihre Änderung der in Fig. 3 gestrichelt dargestellten Kurve entspricht. Die Rückstellspannung nimmt ab, wenn die Frequenzdifferenz anwächst; d. h. das Verriegeln der Phasenregelschleife wird dann schwierig.

Der oben beschriebene Signalabgriff über das Zusatzfilter 6 erleichtert somit das Einschwingen der Phasenregelschleife auf ds Eingangssignal. Es kann ferner gezeigt werden, daß diese Signalabnahme das Arbeiten der Phasenverriegelung nicht stört, wenn sich die Phasenregelschleife einmal auf die richtige Frequenz gesetzt hat. In diesem Fall arbeitet der Phasenkomparator im linearen Bereich (vgl. das Buch von Viterbi Seite 17) und das in F i g. 2 dargestellte Schaltbild kann durch ein äquivalentes, in Fig. 4 dargestelltes Schaltbild ersetzt werden. Bei diesem Bedeutet θο die Phase des Eingangssignales und θ\ die Phase des Ausgangssignales des spannungsgesteuerten Oszillators. Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung entspricht einer einfachen Phasenregelschleife in die ein Filter mit einer Übertragungsfunktion

H(S) =

1 + G (.a)

eingefügt worden ist Wählt man

G(s) =

Ts

1 + Ts '

Da man dem Verstärkungsfaktor K der sekundären Schleife einen verhältnismäßig kleinen Wert gibt (z. B. K= 0,3), ist H(i) wenig von 1 verschieden, wenn die Schaltung im Verriegelungsbereich arbeitet. Damit verliert die Zweigschaltung zum Signaiabgriff praktisch jeden Einfluß, wenn eine Verriegelung stattfindet. Sie ändert weder die Stabilität der Regelung noch deren Filtereigenschaften bezüglich Rauschens noch deren dynamisches Ansprüchen in spürbarer Weise.

Die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich unter Zuhilfenahme bekannter Bauelemente aufbauen: das Hochpaß-Zusatzfilter 6 kann ein einfaches RC-Netzwerk sein, wie in Fig. 5 dargestellt. Der Phasenmodulator kann eine Kapazitätsdiode veränderlicher Kapazi tät sein, die in einen Resonanzkreis geschaltet ist.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung für einen speziellen Anwendungs-

IUIi₁ steal* κ iwii uiw l/uiviiiJIVI uilg OIKVJ 11 VflfUVIlZlllÜUUllVl*

ten Senders für Fernmessungen.

Ein Phasenmodulator 1 erhält an seinem in der Figur links gelegenen Eingang das Signal eines Quarzschwingers 10 mit einer Frequenz von 200 kHz und an seinem in der Figur rechts gelegenen Eingang das in der

Schleife umlaufende Signal.

Der steuerbare Oszillator 4 arbeitet bei einer Frequenz von etwa 250 MHz. Zur Regelung ist der steuerbare Oszi'iator4 mit dem Quarzoszillator 10 gekoppelt. Das Ausgangssignal des steuerbaren Oszillators wird durch zwei aufeinanderfolgende Frequenzteiler? und 8 um einen Faktor 2x612= 1224 heruntergeteilt. Die beiden Frequenzteiler sind übe? eine monostabile Kippschaltung miteinander verbunden. Der steuerbare Oszillator 4 weist einen Modulationseingang 13 auf.

Der Phasenmodulator wird von der monostabilen Kippschaltung 9 dargestellt, wobei die Länge des nach Auslösung am Ausgang bereitgestellten Impulses durch das Ausgangssignal des Zusatzfilters 6 gesteuert wird. Das letztere ist ein RC-Filter erster Ordnung (C = 3300 pF, R= 43 kO). Vor dem Eingang des RC-Filters ist ein Verstärker 11 angeordnet.

Das Filter 2 der Hauptschleife mit einer Übertragungsfunktion F (s) besteht aus einem als Integrator geschalteten Verstärker 12 (mit einem Widerstand von 10 Mß und einem Kondensator von 8,5 pF).

Die Frequenzteiler? und 8 dienen dazu, den Modulationsindex herabzusetzen, um die auf die Modulation zurückzuführenden Seitenbänder praktisch zu unterdrücken. Sie gestatten somit die Kopplung des steuerba- ren Oszillators an einen Quarzoszillator.

Die erfindungsgemäße Schaltung zum Nachfühlen der Phase kann gleichermaßen als Schaltung zum Nachführen der Frequenz verwendet werden, genauso wie ein Phasendiskriminator bei entsprechender Änderung der Arbeitsbedingungen als Frequenzdiskriminator verwendet werden kann.

so erhält man

H(s) =

1+ Ts

1 + (K+ 1) Ts

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zum Nachführen der Phase oder der Frequenz eines Signales bezüglich eines auf die s Schaltung gegebenen Eingangssignales mit einem Phasenkomparator, welcher das Eingangssignal mit dem Ausgangssignal eines spannungsgesteuerten Oszillators vergleicht, und mit einer Phasenverriegelungsschleife, die den Phasenkomparator enthält und in Serie mit dem Ausgang des letzteren geschaltet aufweist: ein Filter, ggfs. einen Verstärker, den spannungsgesteuerten Oszillator, einen Phasenmodulator und denjenigen Eingang des Phasenkomparator, der nicht mit dem Eingangssignal beaufschlagt wird, wobei der Phasenmodulator die Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators moduliert und auf den Phasenkomparator gibt und hierzu durch ein Signal gesteuert wird, das von einer Zweijgchaltung bereitgestellt wird, die ihrerseits von einem geeigneten Punkt der Phasenverriegelungsschleife aus gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweigschaltung ein durch ein Filter erstes Ordnung gebildetes Hochpaß-Filter (6) mit begrenzter Phasenverschiebung aufweist, dessen eine Klemme mit dem Steuereingang des Phasenmodulators (S) verbunden ist und dessen andere Klemme mit dem Ausgang des Phasenkomparator (1) verbunden ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dali die Übertragungsfunktion des Hochpaß-Filters folgende F-nrm hai·

Ts

¹ + ^Ts

wobei s die komplexe Laplace'sche Variable darstellt und Tdie charakteristische Zeitkonstante dieses Filters darstellt.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion des Hochpaß-Filters folgende Form hat: