DE2826053A1 - Verfahren zum synchronisieren eines referenzsignals mit einem eingangssignal und schaltungsanordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren zum Synchronisieren eines Referenzsignals mit einem Ein-
• gangssignal und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Synchronisieren eines von einem regelbaren Oszillator abgegebenen Referenzsignals mit einem Eingangssignal, wobei in einem Phasenregelkreis mit zwei Phasendetektoren zwei um 900 gegeneinander phasenverschobene Steuersignale mit einer Frequenz gleich der Differenz der Schwingungszahlen des Referenz- und des Eingangssignals erzeugt werden, aus denen ein zur Regelung des Oszillators benutztes Signal gebildet wird, dessen Amplitude dieser Differenzfrequenz proportional ist.
• In der Elektronik besteht häufig die Aufgabe, einen Oszillator in Frequenz und Phase mit einem Eingangssignal zu synchronisieren. Ein dazu'geeignetes Regelsystem ist ein mit PLL (Phase-locked-loop) bezeichneter Phasenregelkreis, in dessen synchronisiertem Zustand ein Sollwert der Phasenverschiebung zwischen Eingangssignal und Oszillatorsignal erreicht oder wenigstens nahezu erreicht wird.
• Sobald eine Abweichung von diesem Sollwert auftritt, wird der Oszillator so lange nachgeregelt, bis die Abweichung null oder minimal wird.
• Die in allen PLL-Typen vorhandenen drei grundsätzlichen Funktionsblöcke - Oszillator - Phasendetektor und - Filter lassen eine Unterscheidung und Klassifizierung zu. Allein bezüglich der verwendbaren Filter lassen sich zwei Hauptgruppen unterscheiden: - Passive Filter, die im Bereich niedriger Frequenzen nicht als Integrator fungieren, - Aktive Filter, die im Bereich niedriger Frequenzen integrierend arbeiten.
• Mit diesen Filtertypen aufgebaute Phasenregelkreise unterscheiden sich in wesentlichen Punkten: Bei Verwendung nicht integrierender Filter - ist bei abgeschaltetem Eingangssignal der Arbeitspunkt stabil, - tritt ein Regelungsfehler auf, der eine Funktion der Ruhefrequenzablage des spannungsgesteuerten Oszillators von der Sollfrequenz, der Dimensionierung der Schleife sowie bei PCM-Signalen der Signalflankendichte ist.
• - besteht ein Fangbereich (maximale Frequenzabweichung der Ruhefrequenz des Oszillators, bei der die Schleife bei Anlegen des Signals automatisch synchronisiert), der stets erheblich kleiner als der Ziehbereich des Oszillators ist und der ebenfalls von der Dimensionierung der Schleife und von der Signalflankendichte abhängt.
• Während der erstgenannte Punkt als Vorteil anzusehen ist, ist der zweite Punkt eine Quelle störenden systematischen Jitters; der reduzierte Fangbereich bedingt - bei vorgegebener Bandbreite der Schleife - höhere Anforderungen an die Stabilität des Oszillators.
• Bei Verwendung von Integratoren als Filter gibt es - bei abgeschaltetem Eingangssignal, bedingt durch Drifteffekte, keinen stabilen Arbeitspunkt, - theoretisch keinen Regelungsfehler, - theoretisch einen Fangbereich, der dem Ziehbereich des Oszillators entspricht.
• Hier ist der zweite Punkt als Vorteil anzusehen, während der erste Punkt insofern nachteilig wirkt, als der theoretisch große Fangbereich in der Praxis durch Drifteffekte so erheblich eingeschränkt wird, daß ein abgedrifteter Oszillator häufig nicht mehr durch Einschalten des Signals gefangen werden kann.
• Aus "Proceedings of the I-R-E Januar 1954, Seiten 106 bis 133, insbesondere Seiten 116 bis 118, ist eine Schaltungsanordnung - ein sogenannter Quadrikorrelator für Synchronisationszwecke beim NTSC-Farbfernsehsystem bekannt, bei der zwei um 900 phasenverschoben angesteuerte Phasendetektoren zwei gleichfalls um 900 phasenverschobene Ausgangsspannungen (Beatnotes) erzeugen. Die Frequenz dieser Signale entspricht dabei der Differenz der Eingangsfrequenzen, liegt also im Bereich niedriger Frequenzen, bezogen auf die Arbeitsfrequenz des Systems. Bei diesem bekannten Quadrikorrelator wird eines der Beatnote-Signale differenziert und dann auf einen weiteren Phasendetektor gegeben, an dessen zweitem Eingang das andere, unveränderte Beatnote-Signal liegt. Am Ausgang dieses Phasendetektors entsteht nach Filterung eine Spannung, die proportional der Differenzfrequenz der hochfrequenten Signale ist und zur Frequenzregelung benutzt werden kann.
• Das der Erfindung zugrundeliegende Synchronisationsproblem hängt mit der Taktrückgewinnung bei der Obertragung digitalisierter Nachrichten mit einer Mehrfachausnutzung der übertragungswege im Zeitbereich bei hohen Obertragungsgeschwindigkeiten (GHz-Bereich) zusammen. Hierbei ist es erforderlich, daß ein abgedrifteter Oszillator schnell und zuverlässig synchronisiert wird. Der Regelvorgang soll dabei außer einer Phasenabweichung auch auf eine Frequenzabweichung ansprechen, damit der Fangbereich der Schleife bis an die Grenzen der maximalen Verstimmbarkeit des Oszillators erweitert wird.
• Gemäß der Erfindung werden mit dem einen - von einem de beiden Phasendetektoren abgegebenen - Steuersignal bei jedem zweiten Nulldurchgang Impulse erzeugt und abhängig von der Häufigkeit dieser Impulse dem anderen Steuersignal - das vom anderen Phasendetektor abgegeben wird. -entsprechende Amplitudenwerte zeitlich gemittelt und diese sodann dem Oszillator als zusätzliche, in ihrem Vorzeichen dem Vorzeichen der Differenzfrequenz entsprechende und in ihrer Amplitude dem Betrag der Differenzfrequenz proportionale Regelgröße zugeführt.
• Einzelheiten und vorteilhafte Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus der Erläuterung des Ausführungsbeispiels noch detailliert hervor. Im Vergleich zum oben erwähnten bekannten Quadrikorrelator ist jedoch darauf hinzuweisen, daß dieser für die Taktrückgewinnung aus z.B. PCM-Signalen nicht geeignet ist, da wegen der dabei auftretenden Amplitudenmodulation der Beatnote- Signale aufgrund zeitlich veränderlicher Flankendichte der PCM-Signale sehr "rauhe" Signalformen entstünden. Diese Rauheit würde durch den Differenziervorgang noch erheblich verstärkt, so daß - speziell auch für periodische änderungen der Flankendichte - eine definierte Ableitung einer frequenzabhängigen Regelspannung nicht möglich wäre. Außerdem würde im synchronisierten Zustand des Phasenregelkreises durch die variable Flankendichte und den Differenziervorgang der erwünschte Abschalteffekt der Frequenzregelung verhindert werden. Bei der Erfindung werden diese Nachteile vermieden, da flankendichteunabhängige Nulldurchgänge des betreffenden Steuersignals ausgewertet werden, im synchronisierten Zustand, auch beim Anliegen von PCM-Signalen, die Frequenzregelung mit Sicherheit abschaltet.
• Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird für die zeitliche Mittelung der Amplitudenwerte das betreffende Steuersignal nicht unmittelbar herangezogen, sondern in ein Rechtecksignal umgewandelt, das damit von der Amplitude des Steuersignals unabhängig ist und eine konstante Amplitude aufweist.
• Bezüglich der auf eine Schaltungsanordnung gerichteten Ansprüche wird hier auf deren Wortlaut verwiesen.
• In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung schematisch als Blockschaltbild dargestellt. Im gestrichelt eingerahmten Bereich sind die drei -Grund-Funktions-Blöcke - der Oszillator VCO, ein Phasendetektor PD 1 und ein Filter LF - enthalten. Das Filter LF arbeitet i ntegri erend.
• An den Oszillator VCO ist ein 900-Phasenschieber PS angeschlossen, der zu einem zweiten Phasendetektor PD 2 führt. Damit ergeben sich zwei Kanäle für die beiden um 900 gegeneinander phasenverschobenen Steuersignale.
• Im ausgerasteten Zustand entstehen am Ausgang der beiden Tiefpässe TP 1 und TP 2 die Steuersignale, die sich in erster Näherung wie folgt beschreiben lassen: U1 = U . sinacn t U2 = u . cos Hierbei ist U der Spitzenwert der Steuersignale und a X die jeweilige Frequenzdifferenz zwischen Eingangssignal und Referenzsignal des Oszillators VCO. (Bei Verwendung eines Phasendetektors mit dreieckförmiger Kennlinie sind entsprechende Formeln aufstellbar.) Das in dem an den Phasendetektor PD 1 angeschlossenen Kanal entstehende Steuersignal kann in einem Begrenzer-Verstärker LA so umgeformt werden, daß sich für positive Werte von U1 ein fester positiver Ausgangswert und für negative Werte von U1 ein fester negativer Wert gleicher Größe ergibt.
• Das in dem an den Phasendetektor PD 2 angeschlossenen Kanal entstandene Steuersignal erzeugt mit Hilfe eines Null-Spannungs-Komparators (ZCD) und einer nachgeschalteten monostabilen Kippstufe (MF) immer dann einen Impuls, wenn das Vorzeichen des Steuersignals von Plus nach Minus wechselt.
• Der entstehende Impuls soll kürzer als 1/4 der Periodendauer des Steuersignals mit der höchsten zu verarbeitenden Differenzfrequenz sein.
• Mit Hilfe des so entstandenen Impulses wird ein Analogschalter AS geschlossen, mit dem die das Vorzeichen der Frequenzdifferenz angebende Spannung U1 auf einen Tiefpass TP 3 geschaltet wird. Da dieser Tiefpass TP 3-über die Anzahl der je Zeiteinheit durchgeschalteten Werte mittelt, stellt seine Ausgangsspannung eine der Frequenzdifferenz proportionale, vorzeichenrichtige Meßgröße dar, die zur zusätzlichen, frequenzsensitiven Regelung dem Oszillator VCO zugeführt wird.
• Bemerkenswert ist, daß im eingerasteten Fall U1 bei Null liegt (bedingt durch das Regelverhalten), während U2 dann den Maximalwert hat, also keine weiteren Impulse zur Betätigung des Analogschalters AS entstehen. Dies bedeutet ein automatisches, sicheres Abschalten der Frequenzregelschleife im eingerasteten Zustand.

Claims (4)

1. Patentansprüche Verfahren zum Synchronisieren eines von einem regelbaren Oszillator abgegebenen Referenzsignals mit einem Eingangssignal, wobei in einem Phasenregelkreis mit zwei Phasendetektoren zwei um 900 gegeneinander phasenverschobene Steuersignale mit einer Frequenz gleich der Differenz der Schwingungszahlen des Referenz- und des Eingangssignals erzeugt werden, aus denen ein zur Regelung des Oszillators benutztes Signal gebildet wird, dessen Amplitude dieser Differenzfrequenz proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem einen Steuersignal bei jedem zweiten Nulldurchgang Impulse erzeugt und abhängig von der Häufigkeit dieser Impulse dem anderen Steuersignal entsprechende Amplitudenwerte zeitlich gemittelt und so dem Oszillator als zusätzliche, in ihrem Vorzeichen dem Vorzeichen der Differenzfrequenz entsprechende und in ihrer Amplitude dem Betrag der Differenzfrequenz proportionale Regelgröße zugeführt werden..
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die zeitliche Mittelung der Amplitudenwertedas betreffende Steuersignal in ein Rechtecksignal mit von der Amplitude des Steuersignals unabhängiger, konstanter Amplitude umgewandelt wird.
3. 3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Phasendetektoren (PD1, PD2), einen regelbaren Ostillator.(VCO), einen Phasenschieber (PS) und ein integrierend arbeitendes Filter (LF) sowie einen Analogschalter (AS) mit einem Null-Spannungs-Komparator (ZCD) und einer monostabilen Kippstufe (MF) zur Steuerung der Stellung des Analogschalters (AS).
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Begrenzerverstärker (LA) vor dem Eingang des Analogschalters (AS).