DE4028520A1

DE4028520A1 - Schneller digitaler phasenregelkreis

Info

Publication number: DE4028520A1
Application number: DE4028520A
Authority: DE
Inventors: Seizo Nakamura
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1989-09-08
Filing date: 1990-09-07
Publication date: 1991-03-21
Anticipated expiration: 2010-09-08
Also published as: DE4028520C2; GB2236223A; JPH0396015A; GB9019255D0; US5036297A; GB2236223B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen schnellen digita len Phasenregelkreis bzw. PLL-Kreis, der die Wirkung der Verzögerungszeit eines digitalen Schaltungselementes ab schwächt.

Digitale Phasenregelkreise werden umfangreich in der digi talen Telekommunikation verwendet, und liegen in verschie denen Typen vor. Einer von ihnen ist ein digitaler Phasen regelkreis mit Phasenschalt- und Frequenzteilern, der ein geführt wird in dem Beitrag "How to Use PLL-IC" von Masa yasu Hata, Keisuke Furukawa, 10. Februar 1986, Akiba Shup pan, Seite 139.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel die ses Typs von herkömmlichem digitalen Phasenregelkreis zeigt. In Fig. 2 ist ein Eingangsanschluß 1 gezeigt, ein Phasenvergleicher 2, ein Tiefpaß-Filter 3, z. B. ein Mon te-Carlo-Filter, eine Steuerschaltung 4, ein Oszillator 5, eine Verzögerungsschaltung 6 mit Abgriffen, eine Aus wahlschaltung 7, eine Verzögerungsschaltung 8, ein Fre quenzteiler 9 und ein Ausgabeanschluß 10.

An den Eingabeanschluß 1 angelegte digitale Signale wer den dem Phasenvergleicher 2 eingegeben, und deren Phase wird mit der Phase des Ausgangssignals des Frequenztei lers 9 verglichen. Die Vergleichsausgabe des Phasenver gleichers 2 wird durch das Tiefpaß-Filter 3 geleitet, wo Hochfrequenz-Anteile entfernt werden, und wird an die Steuerschaltung 4 angelegt. Das Ausgabesignal des Oszilla tors 5 wird der Verzögerungsschaltung 6 mit Abgriffen ein gegeben, welche das Ausgabesignal des Oszillators 5 im Be reich von 360° verzögert, und die Signale, welche suk zessive größere Phasenverzögerungen haben, werden von einer Vielzahl von Zwischen-Abgriffspunkten ausgegeben. Beispielsweise werden acht Signale erzeugt und die Diffe renz in der Phasenverzögerung zwischen aufeinanderfolgen den Signalen beträgt 45°. Die Abgriffspunkte der Ver zögerungsschaltung 6 werden mit der Ausfallschaltung 7 verbunden. Gemäß der Steuerung von der Steuerschaltung 4 wählt die Auswahlschaltung 7 einen der Abgriffspunkte und verbindet den ausgewählten Abgriffspunkt mit seinem Aus gang, und das Ausgangssignal von dem ausgewählten Ab griffspunkt wird dem Frequenzteiler 9 zugeführt. Das be deutet, daß, wenn die Phase des digitalen Signals, wel ches an den Eingangsanschluß 1 angelegt ist, relativ zum Signalausgang von dem Ausgangsanschluß 10, d. h. zum Aus gangssignal des Frequenzteilers 9 voreilt, um die Phase des Ausgangssignals des Frequenzteilers 9 vorzustellen, die Auswahlschaltung 7 auf einen Abgriffspunkt geschaltet wird, der ein Signal mit einer kleineren Phasenverzöge rung erzeugt als das Signal, welches gegenwärtig ausge wählt ist. Damit wird ein Signal mit einer Phase, die dem gegenwärtig ausgewählten Signal vorauseilt, von der Aus wahlschaltung 7 dem Frequenzteiler 9 zugeführt. Wenn es noch nötig ist, die Phase weiter vorzuziehen, auch wenn der Abgriffspunkt mit der kleinsten Verzögerung erreicht wurde, wird der Abgriffspunkt mit der größten Verzögerung gewählt. Die Anzahl n von Abgriffspunkten ist in Bezie hung mit der Phasendifferenz R zwischen benachbarten Ab griffspunkten wie folgt:
n = 360°/R.

Das Schalten auf den Abgriffspunkt mit der größten Verzö gerung (mit der Phase nO) hat das Ergebnis:
R-(nR)=R-360°=R.

Somit ist die Differenz im Winkel wiederum R und die Kon tinuität der Phasenänderung wird aufrechterhalten. Auf diese Weise wird die Phase des Signals zum Frequenzteiler 9 um einen bestimmten Winkel zur Zeit vorgestellt, bis die Phase des eingegebenen digitalen Signals und die Pha se des Ausgangssignals des Frequenzteilers 9 miteinander übereinstimmen. Die Operation zum Verzögern der Phase ist ähnlich.

Während des Schaltens der Phase haben das gegenwärtig aus gewählte Signal und das als nächstes auszuwählende Signal verschiedene digitale Werte von "1" und "0", es entsteht eine Störung in dem Ausgangssignal wegen der Phasenschal tung, und der Betrieb des Frequenzteilers 9 ist gestört. Beispielsweise werden in Fig. 3, (A), (B), (D) und (F) gleichzeitig Kurvenformen von den Abgriffspunkten der Ver zögerungsschaltung 6 ausgegeben. (A) und (D) sind Kurven formen des gegenwärtig ausgewählten Signals vor der Pha senschaltung (im folgenden als Kurvenformen vor dem Schal ten bezeichnet). (B) und (E) sind Kurvenformen der Signa le, die nach der Phasenschaltung ausgewählt werden sollen (im folgenden als Kurvenformen nach dem Schalten bezeich net). (C) und (F) sind Kurvenformen des Ausgangssignals der Auswahlschaltung 7. T1 und T2 bezeichnen die Zeitga be, bei der die Schalter der Auswahlschaltung betätigt werden. Im Falle von Fig. 3 haben die Kurvenform vor dem Schalten (A) und die Kurvenform nach dem Schalten (B) ver schiedene digitale Werte "1" und "0", und die Ausgabe-Kur venformen sind mit einer Störung vor und nach der Zeit T1 verbunden, wie bei (C) gezeigt. Wenn demgemäß der Fre quenzteiler 9 die Frequenzteilung ausführt durch Zählen der Vorderflanken der Eingabe-Kurvenform, wird eine feh lerhafte Frequenzteilung aufgrund der Störung auftreten. Wenn das Schalten zur Zeit T2 auftritt, wenn die Kurven formen vor dem Schalten (D) und die Kurvenformen nach dem Schalten (E) identische digitale Werte "1" und "0" haben, wird keine Störung auftreten. Die Verzögerungsschaltung 8, welche in Fig. 2 gezeigt ist, ist vorgesehen zum Be stimmen dieser Zeitpunkte. Wenn beispielsweise die Diffe renz zwischen aufeinanderfolgenden Abgriffspunkten der Verzögerungsschaltung 6 45° beträgt, eilen die Kur venformen nach dem Schalten entweder 45° vor oder 45° nach, wie in Fig. 4 bei (H) und (I) gezeigt, und zwar bezüglich der Kurvenform vor dem Schalten, die bei (H) gezeigt ist. Wenn demgemäß das Schalten zu einem Zeitpunkt von 90° Nacheilen nach der Vorderflanke der Wellenform vor dem Schalten vorgenommen wird, kann die Störung vermieden werden. In diesem Fall wird die Verzögerungsschaltung 8 so eingestellt, daß sie eine Phasenverzögerung von 90° des Eingangssignals hat. Die Verzögerungsschaltung 8 ist normalerweise vom digitalen Typ.

Wenn bei dem oben beschriebenen digitalen Phasenregel kreis die Arbeitsfrequenz erhöht wird und ein sehr schnel ler Betrieb erforderlich ist, stellt die Betriebs-Verzöge rungszeit an jedem Teil eine Beschränkung dar. Beispiels weise eilt aufgrund der Verzögerungszeit der Auswahlschal tung 7, der Steuerschaltung 4 und der Verzögerungsschal tung 8, wie in Fig. 2 gezeigt (diese gesamte Verzöge rungszeit wird nachstehend als Schleifenverzögerungszeit bezeichnet), der Phasen-Schaltzeitpunkt T₃ nach, wie in Fig. 4 gezeigt. Wenn in dem in Fig. 4 gezeigten Bei spiel die Schleifenverzögerungszeit die 45° entsprechende Zeit überschreitet, entsteht eine Störung, die bei (C) in Fig. 3 gezeigt ist, der Frequenzteiler 9 arbeitet fehler haft und der gesamte Betrieb wird unzureichend. Die maxi male Arbeitsfrequenz des digitalen Phasenregelkreises ist daher beschränkt durch die 45° entsprechende Schleifen verzögerungszeit.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Probleme auszuschalten, und einen sehr schnellen Phasenregelkreis zu schaffen, dessen Betrieb nicht durch irgendwelche Störungen beeinträchtigt wird, die auftreten können, wobei der zulässige Wert der Schleifenverzöge rungszeit so erhöht ist, daß die Arbeitsfrequenz erhöht ist.

Zum Erreichen dieser Aufgabe weist ein sehr schneller digitaler erfindungsgemäßer Phasenregelkreis auf:
eine Verzögerungsschaltung mit Abgriffen, welche eine Vielzahl von Signalen erzeugt, die voneinander unter schiedliche Phasen haben;
eine Auswahlschaltung zum selektiven Ausgeben der Aus gangssignale der Verzögerungsschaltung;
einen Frequenzteiler zum Frequenzteilen des Ausgabesig nals der Auswahlschaltung;
einen Phasenvergleicher zum Vergleichen der Phase des eingegebenen digitalen Signals und des Ausgangssignals des Frequenzteilers;
eine Steuerschaltung zum Steuern der Signalauswahl der Auswahlschaltung entsprechend dem Ausgangssignal des Phasenvergleichers, um zu erreichen, daß die Phase des Ausgabesignals des Frequenzteilers mit dem eingegebenen digitalen Signal zusammenfällt;
ein Tiefpaß-Filter zum Entfernen der Störung, die in der Auswahlschaltung erzeugt wurde; und
eine Kurvenform-Anpassungsschaltung zum Anpassen der Kurvenform des Ausgangssignals des Tiefpaß-Filters an eine rechteckige Kurvenform.

Die Phasen des eingegebenen digitalen Signals und des Aus gabesignals des Frequenzteilers werden verglichen. Die Steuerschaltung gibt einen Befehl an die Auswahlschaltung dergestalt, daß, wenn als Ergebnis des Vergleichs die Pha se des Ausgabesignals des Frequenzteilers hinter dem ein gegebenen digitalen Signal nacheilt, das Signal, welches dem gegenwärtig ausgewählten Signal voreilt, zur Ausgabe ausgewählt wird, und falls die Phase des Ausgabesignals des Frequenzteilers dem eingegebenen digitalen Signal vor eilt, das Signal, welches dem augenblicklich ausgewählten Signal nacheilt, zur Ausgabe ausgewählt wird. In Überein stimmung mit diesem Befehl betätigt die Auswahlschaltung die Schalter, um das gewünschte Signal aus der Vielzahl von Signalen auszuwählen, welche von der Verzögerungs schaltung ausgegeben werden. Das Tiefpaß-Filter entfernt jede Störung, die in dem Ausgangssignal der Auswahlschal tung enthalten sein könnte. Die Kurvenform-Anpassungs schaltung paßt das Ausgangssignal des Tiefpaß-Filters an rechteckige Kurven an und liefert es an den Frequenztei ler.

Mit der obigen Anordnung wird die Wirkung der Störung eliminiert und die Vorrichtung arbeitet richtig, auch bei einer hohen Arbeitsfrequenz.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfol genden Beschreibung von Ausführungsbeipielen in Verbin dung mit den Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Aus führungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches einen her kömmlichen digitalen Phasenregelkreis zeigt.

Fig. 3 zeigt Kurvenformen von Eingangssignalen und Ausgangssignalen der Auswahlschal tung.

Fig. 4 ist ein Kurvenform-Diagramm, welches die Eingangssignale in die Auswahlschaltung in dem Fall zeigt, wo die Ausgangssignale der Verzögerungsschaltung 6 45° Pha sendifferenzen hat.

Fig. 5 zeigt ein Kurvenform-Diagramm an ver schiedene Teilen in Fig. 1.

Fig. 6 ist ein Schaltungsdiagramm, welches einen analogen Tiefpaß-Filter zeigt.

Fig. 7 ist ein Schaltungsdiagramm, welches die Kurvenform-Anpassungsschaltung zeigt.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Ausführungs form der Erfindung zeigt. Es ist ein analoges Tiefpaß-Fil ter (TPF) 11 gezeigt und eine Kurvenform-Anpassungsschal tung 12. Weitere Elemente sind mit denselben Bezugszei chen wie in Fig. 2 bezeichnet und sind äquivalent zu de nen in Fig. 2.

Der Betrieb der vorliegenden Ausführungsform wird nun mit Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben. Fig. 5 zeigt die Kurvenformen an verschiedenen Teilen der Vorrichtung von Fig. 1. (J) zeigt die Kurvenformen des Signals, welches von der Auswahlschaltung 7 vor der Phasenschaltung ausge wählt wurde. (K) zeigt die Kurvenformen des Signals, das von der Auswahlschaltung 7 bei der Phasenschaltung aus gewählt werden soll. (L) zeigt die Kurvenform des Ausgabe signals der Auswahlschaltung 7 nach der Phasenschaltung. (M) zeigt die Kurvenform des Ausgangssignals des Tief paß-Filters 11. (N) zeigt die Kurvenform des Ausgabesig nals der Kurvenform-Schaltung 12.

In der vorliegenden Ausführungsform, wie in Fig. 1 ge zeigt, werden das Tiefpaß-Filter 11 und die Kurvenform-An passungsschaltung 12 auf der Ausgabeseite der Auswahl schaltung 7 des in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Phasen regelkreises hinzugefügt. Die Grundoperation des Phasenre gelkreises ist identisch wie im Fall von Fig. 2.

Wenn in Fig. 1 die Phase des Signalausgangs von dem Aus gabeanschluß 10, d. h. des Ausgabesignals des Frequenztei lers 9 dem digitalen Signal, welches in den Eingangsan schluß 1 eingegeben wurde, nacheilt, gibt die Steuerschal tung 4 der Auswahlschaltung den Befehl, die Phase des Aus gangssignals vorzustellen. In Übereinstimmung mit diesem Befehl wählt die Auswahlschaltung 7 aus der Vielzahl von Signalen von der Verzögerungsschaltung 6 das in der Phase dem gegenwärtig ausgewählten Signal voreilende Signal und liefert es an das Tiefpaß-Filter 11. Wenn gleichermaßen das Ausgangssignal von dem Ausgabeanschluß 10 dem eingege benen digitalen Signal voreilt, liefert die Auswahlschal tung 7 das Signal, welches in der Phase hinter gegenwär tig ausgewählten Signal nacheilt, an das Tiefpaß-Filter 11. Auf diese Weise wird das Signal, welches von dem Aus gangsanschluß 10 ausgegeben wird, in Phase mit dem digita len Signal gehalten, welches in den Eingabeanschluß 1 ein gegeben wird.

Wenn aufgrund der Schleifenverzögerungszeit die Arbeits frequenz hoch wird, wird der Schaltzeitpunkt der Auswahl schaltung 7 verzögert. Wenn das Schalten vorgenommen wird zum Zeitpunkt T₄ bezüglich des gegenwärtig ausgewählten Signals, wie in Fig. 5 bei (J) gezeigt und des als nächstes ausgewählten Signals, welches in Fig. 5 (K) ge zeigt ist, entsteht eine Störung in der ausgegebenen Kur venform der Auswahlschaltung 7. Das Signal, welches die Störung enthält, wird in das Tiefpaß-Filter 11 eingege ben. Das Tiefpaß-Filter 11 glättet den Störungsteil aus, wie in Fig. 5 (M) gezeigt. Die Kurvenform-Anpassungs schaltung 12 ändert das Ausgabesignal des Tiefpaß-Filters 11 in eine rechteckige Welle, die für den Digitalschal tungsbetrieb geeignet ist und liefert es an den Frequenz teiler 9 und die Verzögerungsschaltung 8.

Auch wenn der Schaltzeitpunkt der Auswahlschaltung 7 auf grund der Schleifenverzögerungszeit verzögert ist, und die Ausgabe-Kurvenform der Auswahlschaltung 7 eine Stö rung enthält, entfernen das Tiefpaß-Filter 11 und die Kur venform-Anpassungsschaltung 12 erfindungsgemäß, wie be schrieben wurde, die Störung und die Schaltung arbeitet nicht fehlerhaft. Die Arbeitsfrequenz ist daher nicht be schränkt durch die Schleifenverzögerungszeit.

Zur Vereinfachung der Erklärung wird die Verzögerungs schaltung 8 verwendet, um die feste Zeitgabe für das Schalten zur Verfügung zu stellen. Es ist jedoch nicht nötig, die Schalt-Zeitgabe konstant zu halten, und zwar wegen der Wirkung des Tiefpaß-Filters 11 und der Kurven form-Anpassungsschaltung 12, für das die Verzögerungs schaltung 8 weggelassen werden kann.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel des in Fig. 1 gezeigten analo gen Tiefpaß-Filters (TFP) 11. Die Grenzfrequenz dieses analogen Tiefpaß-Filters wird nun betrachtet. Wenn die Phase des Ausgabesignals der Verzögerungsschaltung 6, wie in Fig. 1 gezeigt, 45° beträgt, tritt ein Störungszyklus innerhalb von 45° auf, wie in Fig. 5 bei (L) gezeigt. Die Frequenzzerstörung ist daher:
360°/45°=8.

Dies bedeutet, daß die Frequenz achtmal die Frequenz des Signals beträgt, das von der Auswahlschaltung 7 ausgege ben wird. Das analoge Tiefpaß-Filter ist erforderlich, um die Frequenzanteile geeignet zu unterdrücken, die acht mal höher sind. Daher kann die Grenzfrequenz auf vier bis sechsmal die Frequenz des Ausgangs der Auswahlschaltung 7 eingestellt werden. Wenn die Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen der Verzögerungsschaltung 6 einen anderen Wert als 45° hat, kann die Grenzfrequenz in derselben Weise festgelegt werden, wie zuvor beschrieben.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel der Kurvenform-Anpassungsschal tung 12, wie in Fig. 1 gezeigt. Es ist ein analoger Vergleicher 12-1 gezeigt, ein Eingangsanschluß 12-2, ein Bezugs-Eingangsanschluß 12-3 und Ausgabeanschluß 12-4. An dem Bezug-Eingangsanschluß 12-3 ist eine Spannung ange legt mit einem Wert zwischen der oberen Grenzspannung und der unteren Grenzspannung des Ausgabesignals des analogen Tiefpaß-Filters (TPF) 11 wie in Fig. 5 bei (M) gezeigt. Der analoge Vergleicher 12-1 erzeugt eine digitale "1" an dem Ausgangsanschluß 12-4, wenn der Signaleingang an dem Eingabeanschluß 12-2 die oben genannte Spannung über steigt. Der analoge Vergleicher 12-2 erzeugt eine digita le "0" an dem Ausgabeanschluß 12-4, wenn das Signal, wel ches in den Eingangsanschluß 12-2 eingegeben ist, die oben genannte Spannung nicht überschreitet. Somit paßt er die Eingangskurve an die gewünschte Form an.

Erfindungsgemäß, wie beschrieben, wurden ein Tiefpaß-Fil ter und eine Kurvenform-Anpassungsschaltung auf der Aus gangsseite der Auswahlschaltung vorgesehen, mit denen das Problem der Störung beim Schalten eliminiert ist, wobei die Beschränkung bezüglich der Schleifenverzögerungs zeit beseitigt wurde. Der digitale Phasenregelkreis kann daher in sehr schnellen Anwendungen verwendet werden.

Claims

1. Schneller digitaler Phasenregelkreis zum Erzeu gen eines Signals synchron mit der Phase eines Eingangssignals mit:
einer Verzögerungsschaltung mit Abgriffen, die eine Viel zahl von Signalen erzeugt, die voneinander verschiedene Phasen haben;
einer Auswahlschaltung zum selektiven Ausgeben der Ausga besignale der Verzögerungsschaltung;
einen Frequenzteiler zum Frequenzteilen des Ausgangssig nals der Auswahlschaltung;
einem Phasenvergleicher zum Vergleichen der Phasen des digitalen Eingangssignals und des Ausgabesignals des Frequenzteilers;
einer Steuerschaltung zum Steuern der Signalauswahl der Auswahlschaltung gemäß dem Ausgangssignal des Phasenver gleichers, um zu erreichen, daß die Phase des Ausgangssig nals des Frequenzteilers mit dem eingegebenen digitalen Signal zusammenfällt;
einem Tiefpaß-Filter zum Entfernen der Störung, die in der Auswahlschaltung erzeugt wird; und
einer Kurvenform-Anpassungsschaltung zum Anpassen der Kur venform des Ausgangssignals des Tiefpaß-Filters an eine rechteckige Kurvenform.

2. Phasenregelkreis nach Anspruch 1, der zusätz lich einen Oszillator aufweist, wobei der Verzögerungs schaltung das Ausgangssignal des Oszillators zugeführt wird.

3. Phasenregelkreis nach Anspruch 1, wobei die Aus gangssignale der Verzögerungsschaltung sukzessive um die selbe Phasendifferenz phasenverschoben sind.

4. Phasenregelkreis nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung die Auswahlschaltung veranlaßt, das Aus gangssignal der Verzögerungsschaltung auszuwählen, das in der Phase dem gegenwärtig ausgewählten Ausgangssignal vor eilt, wenn festgestellt wird, daß das Ausgangssignal des Frequenzteilers der Phase des Eingangssignals nacheilt, und die Steuerschaltung die Auswahlschaltung veranlaßt, das Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung auszuwählen, das in der Phase dem gegenwärtig ausgewählten Ausgangssig nal nacheilt, wenn festgestellt wird, daß das Ausgangssig nal des Frequenzteilers der Phase des Eingangssignals führt.

5. Phasenregelkreis nach Anspruch 1, wobei die Grenzfrequenz des Tiefpaß-Filters höher als die maximale Frequenz des Ausgangssignals der Auswahlschaltung ist und kleiner als die tiefste Frequenz der Störung.

6. Phasenregelkreis nach Anspruch 1, wobei die Aus gangssignale der Verzögerungsschaltung sukzessiv um die selbe Phasendifferenz verschobene Phasen haben, und die Phasendifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Ausgangs signalen der Verzögerungsschaltung 45° beträgt, wobei die Grenzfrequenz des Tiefpaß-Filters vier- bis sechsmal so hoch wie die maximale Frequenz der Ausgangssignale der Auswahlschaltung ist.

7. Phasenregelkreis nach Anspruch 1, gekennzeich net durch eine zusätzliche Verzögerungsschaltung, die auf das Ausgangssignal der Kurvenform-Anpassungsschaltung an spricht und ein Signal erzeugt, das gegenüber dem Aus gangssignal der Kurvenform-Anpassungsschaltung phasenver schoben ist; wobei die Steuerschaltung auf das Signal von der zusätzlichen Verzögerungsschaltung anspricht und von einem Zustand, in dem eines der Ausgangssignale der Aus wahlschaltung ausgewählt ist, in einen anderen Zustand schaltet, in dem ein anderes Ausgangssignal der Auswahl schaltung ausgewählt ist, und zwar zu einem Zeitpunkt, der durch das Signal von der zusätzlichen Verzögerungs schaltung bestimmt ist.