DE69631067T2

DE69631067T2 - Numerischer spannungsgesteuerter oszillator

Info

Publication number: DE69631067T2
Application number: DE1996631067
Authority: DE
Inventors: Todd Steven JAFFE; H. Christopher STROLLE
Original assignee: Sharp Corp; Sarnoff Corp
Current assignee: Sharp Corp; Wistron Corp
Priority date: 1995-10-10
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2016-10-11
Also published as: EP0934625B1; US5619154A; EP0934625A4; EP0934625A1; JP3340919B2; DE69631067D1; WO1997014211A1; JPH09186588A

Description

Die Erfindung betrifft spannungsgesteuerte Oszillatoren.
Moderne digitale Kommunikationssysteme erfordern genaue und stabile Referenzsignale für die Verwendung bei der Modulation und Demodulation von übertragenen Signalen. Beispielsweise enthalten digitale Kommunikationsempfänger typischerweise eine Trägerwiederherstellungsschleife, die verwendet wird, um ein Trägersignal aus der empfangenen Übertragung zu erzeugen. 1 stellt ein Blockdiagramm einer illustrativen Trägerwiederherstellungsschleife 100 dar. Innerhalb der Schleife ist ein Multiplizierer 102, ein Phasendetektor 104, ein Schleifenfilter 106 und ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) 108. Der Zweck der Trägerwiederherstellungsschleife ist es, die Phase und die Frequenz der Signale, die von dem VCO (ein Träger) erzeugt wurden, auf das empfangene Signal festzusetzen bzw. mit diesem zu synchronisieren. Zu diesem Zweck erzeugt der VCO ein Sinuswellensignal (Träger), der typischerweise mit der Phase auf dem empfangenen Signal synchronisiert ist. In einem m-wertigen digitalen Quadraturkommunikationsempfänger erzeugt der VCO typischerweise sowohl eine Sinus- als auch eine Kosinuswellenform, um eine Phasensynchronisierung auf sowohl das I- als auch das Q-Kanalbasisband (oder nahes Basisband)-Signal durchzuführen. Im Betreib werden die I- und Q-Kanalsignale (auf dem Pfad 101) in dem Phasendetektor 104 phasendetektiert, um ein Phasenfehlersignal zu erzeugen, und der Schleifenfilter 106 extrahiert die DC-Komponente des Phasenfehlersignals. Die DC-Komponente wird dann an den VCO 108 angelegt. Die DC-Komponente stellt die Phase und/oder die Frequenz des VCO ein, um eine Frequenzsynchronisierung mit dem empfangenen Signal zu erzielen. Der VCO erzeugt sowohl eine Kosinus- als auch eine Sinuswellenform, die mit dem empfangenen Signal bei dem Multiplizierer 102 multipliziert werden.
Genauer gesagt, weist der VCO digitale Komponenten auf einschließlich einem Modulo-Integrator 110 und zumindest einer Nachschlagtabelle 112 und/oder 114. Das Steuersignal des VCO ist eine Fehlerspannung e(t), die typischerweise von einem tiefpaßgefilterten Signal von dem Phasendetektor 104 erzeugt wird. Das DC-Niveau des Steuersignals zeigt den Phasenfehler zwischen dem empfangenen Signal und dem Signal des VCOs an. Der Modulo-Integrator beinhaltet einen Addierer 116, eine Modulo-Funktion 118 und eine Symbolverzögerung 120. Die Eingangssignale zu dem Addierer sind das Steuersignal und das Ausgangssignal der Verzögerung. Der Ausgang des Addierers bildet den Eingang zu der Modulo-Funktion und der Ausgang der Modulo-Funktion bildet einen Eingang zu der Verzögerung. Dieser Modulo-Integrator sammelt das Steuersignal (Fehlerspannung) und „bricht" bei einem vorbestimmten Überlaufniveau der Addition „um", so daß, wenn das Steuersignal ein konstanter DC-Wert ist, der Integrator eine Sägezahnwellenform an seinem Ausgang erzeugt.
Der Momentanwert der Ausgangswellenform des Integrators bildet einen Eingangswert (Speicheradresse) zu einer oder mehreren Nachschlagtabellen 112, 114. Typischerweise gibt es in einem m-wertigen Empfänger eine Sinuswertnachschlagtabelle 114 und eine Kosinuswertnachschlagtabelle 112. Somit erzeugen die Nachschlagtabellen für jeden Wert der Integratorwellenform einen Wert einer Sinusfunktion und einen Wert einer Kosinusfunktion. Diese Werte, wenn sie nacheinander genommen werden, bilden eine Sinuswellenform und eine Kosinuswellenform, die von dem Empfänger verwendet werden, um die empfangene Übertragung zu demodulieren.
Die Größe der Nachschlagtabellen, d. h. die Anzahl von verfügbaren Werten, auf die Bezug genommen wird, ist direkt mit der gewünschten Genauigkeit der Sinus- und Kosinuswellenform verknüpft. Mit anderen Worten kann eine sehr glatte Wellenform nur erzeugt werden, wenn viele viele Werte für das Wiederaufrufen aus den Tabellen verfügbar sind. Im allgemeinen wird die Nachschlagtabellentechnik für die Synthetisierung von Wellenform für relativ einfache digitale Kommunikationssysteme verwendet, zum Beispiel 4-wertige oder 16-wertige Quadraturamplitudenmodulationstechniken (QAM), wo ungenaue Referenzwellenformen ausreichend sind. Für Modulationssysteme, die 64-wertige oder 256-wertige QAM verwenden, müssen jedoch die Referenzwellenformen, die von dem VCO erzeugt werden, gut definiert, präzise und glatt sein. Die Nachschlagtabellen können als solche übermäßig groß und daher kostspielig werden.
US-Patent 4,285,044, ausgestellt am 18. August 1982, beschreibt ein Beispiel eines numerischen Sinuswellengenerators, d. h. eines Generators, der keine Nachschlagtabelle verwendet. Dieser Generator verwendet eine numerische Technik, um eine Sinuswelle mit gegebenem konstanten Phasenwinkel zu synthetisieren. Genauer gesagt, hat der Generator zwei Eingangswerte, den Kosinus und den Sinus eines konstanten Phasenwinkels und synthetisiert eine Sinuswelle einer festen Frequenz und Phase aus den beiden Eingangswerten. Dieses Patent ist wichtig wegen seiner Beschreibung einer numerischen Technik für das Synthetisieren einer Sinuswelle; dem Generator fehlt jedoch jegliche Fähigkeit, spannungsgesteuert zu sein. Somit ist solch ein Generator mit fester Frequenz nicht nützlich für moderne digitale Kommunikationssysteme.
Die deutsche Patentanmeldung Nr. DE 31 19 448A beschreibt eine Schaltkreisanordnung, die betrieben werden kann, um digital ein Kosinussignal und ein Sinussignal zu erzeugen, deren Frequenz einstellbar und/oder veränderbar ist. Der Eingang zu dem Schaltkreis ist ein numerischer (Binär-) Wert. Entsprechend diesem System wird die Amplitude der erzeugten Kosinus- und Sinussignale gesteuert, um die Genauigkeit der Ausgangssignale zu verbessern. Die Amplitudensteuerung wird durchgeführt durch Vergleichen des tatsächlichen Wertes einer quadrierten Summe A der geschätzten Signalwerte mit einem vorbestimmten Grenzwert B, um einen Differenzwert (A – B) zu erzeugen. Ein Polaritätselement wird verwendet, um einen Schalter einzustellen, entweder in eine erste Position oder eine zweite Position, entsprechend einem positiven bzw. negativen Differenzwert. Die Schalterposition bestimmt den Normalisierungsfaktorausgang von einem entsprechenden Genera tor. Wenn der Differenzwert positiv ist, dann wird ein Normalisierungsfaktor von kleiner als Eins an die geschätzten Ausgangssignale angelegt, während, wenn der Differenzwert negativ ist, ein Normalisierungsfaktor von Eins an die geschätzten Ausgangssignale angelegt wird.
Es besteht im Stand der Technik daher die Notwendigkeit für einen numerischen spannungsgesteuerten Oszillator mit einer einstellbaren Frequenz und einem Phasenausgangssignal, der keine Nachschlagtabellen verwendet, um Sinus- und Kosinuswellenformen zu erzeugen.
Die Nachteile, die mit digitalen spannungsgesteuerten Oszillatoren des Standes der Technik verbunden sind, werden durch die Erfindung eines numerischen spannungsgesteuerten Oszillators überwunden. Eine Ausführungsform der Erfindung erzeugt eine Sinuswellenform, eine Kosinuswellenform oder beides unter Verwendung einer numerischen Technik, die keine Nachschlagtabellen verwendet, um die Wellenform zu synthetisieren. Genauer gesagt, weist die Ausführungsform auf: einen Integrator für das Erzeugen einer abgeschätzten Sinuswellenform und einer abgeschätzten Kosinuswellenform aus einem variablen Steuersignal, einen Normalisierer, der mit dem Integrator verbunden ist, für das Erzeugen eines Normalisierungsfaktors durch Verwendung einer funktionalen Näherung, um einen Fehler in der abgeschätzten Sinuswellenform und der abgeschätzten Kosinuswellenform vorherzusagen, und einen Multiplikator, der mit dem Normalisierer verbunden ist, für das Multiplizieren des Normalisierungsfaktors mit der abgeschätzten Sinuswellenform und der abgeschätzten Kosinuswellenform. Die Multiplikation der abgeschätzten Sinuswellenform und des Normalisierungsfaktors erzeugt die Sinuswellenform und die Multiplikation der abgeschätzten Kosinuswellenform und des Normalisierungsfaktors erzeugt die Kosinuswellenform. Die Frequenz und Phase der Sinus- und Kosinuswellenformen variieren mit Veränderungen der Amplitude des variablen Steuersignals.
Ausführungsformen der Erfindung können durch Betrachen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht verstanden werden, in denen:
1 ein Blockdiagramm einer konventionellen Trägerwiederherstellungsschleife unter Verwendung eines digitalen spannungsgesteuerten Oszillators des Standes der Technik darstellt und
2 ein Blockdiagramm eines numerischen spannungsgesteuerten Oszillators in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Es wurden identische Bezugszahlen verwendet, wo dies möglich war, um identische Elemente, die allen Figuren gemeinsam sind, zu bezeichnen.
Ausführungsform der Erfindung ist ein numerischer spannungsgesteuerter Oszillator, der eine Sinuswellenform, eine Kosinuswellenform oder beides unter Verwendung einer numerischen Technik erzeugt. Da es keine Nachschlagtabellen gibt, um von Natur aus die Präzision der Wellenformen zu beschränken, wird die Präzision der Wellenformen nur durch die Präzision der Komponenten beschränkt, die verwendet werden, um die Ausführungsform der Erfindung zu implementieren, und durch die Abfragefrequenz beschränkt, die verwendet wird, um die digitalen Signale zu erzeugen. Die Phase und die Frequenz der Ausgangswellenform werden durch ein Eingangssignal, zum Beispiel die Fehlerspannung e(t), gesteuert. Mit anderen Worten ist die Frequenz der Ausgangswellenform (S₀) eine Funktion des Fehlersignals e(t), wie es durch die folgende Gleichung definiert wird: S0 = ej2π∫e(t)dt
2 stellt ein Blockdiagramm eines numerischen spannungsgesteuerten Oszillators (NVCO) 200 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung dar. Der NVCO enthält einen Multiplikator 202, einen Integrator 206 und einen Normalisierer 208. Der Multiplikator 202 ist mit dem Integrator 206 derart verbunden, daß ein Eingangssignal (zum Beispiel eine Fehlerspannung von einem Schleifenfilter) mit einem integrierten Signal und einem negierten integrierten Signal multipliziert wird. Das negierte integrierte Signal ist ein integriertes Signal, das mit einer negativen Eins (–1) im Block 204 multipliziert wurde. Genauer gesagt, wird ein negiertes integriertes Sinussignal auf dem Pfad 210 in dem Multiplikator 202 mit dem Eingangssignal multipliziert. In ähnlicher Weise wird ein integriertes Kosinussignal auf dem Pfad 216 in dem Multiplikator 214 mit dem Eingangssignal multipliziert. Diese multiplizierten Signale werden zu dem Integrator 206 zurückgesendet.
Der Integrator 206 sammelt die Sinus- und Kosinussignale durch Verzögern in entsprechenden Ein-Symbol-Verzögerern 218 und 220 und durch Summieren in jeweiligen Addierern 222 und 224 der verzögerten Signale mit nicht verzögerten Signalen. Im Grunde genommen bildet die Kombination des Verzögerers 218 und des Addierers 224 einen Sinussignalintegrator und die Kombination des Verzögerers 220 und des Addierers 222 bildet einen Kosinussignalintegrator. Der Integrator wird initialisiert durch Beladen des Verzögerers 128 mit Null und des Verzögerers 220 mit einer Eins, d. h. der NVCO hat einen ursprünglichen Zustand des Kosinusausgangs gleich Eins und des Sinusausgangs gleich Null.
Um sicherzustellen, daß die Kosinus- und Sinusausgangssignalwellenformen auf dem Einheitskreis bleiben, wird jedes integrierte Signal (d. h. die abgeschätzten Sinus- und Kosinuswellenformen auf den Pfaden 225 und 227) in dem Normalisierer 208 verarbeitet und dann in dem Multiplikator 226 mit einem Normalisierungsfaktor multipliziert. Der Normalisierungsfaktor ist im wesentlichen eine prädektive Schätzung des Fehlers in der synthetisierten (abgeschätzten) Wellenform. Wenn das abgeschätzte Kosinussignal an einem Eingang zu dem Multiplikator 238 A' ist und das abgeschätzte Sinussignal an einem Eingang des Multiplikators 240 B' ist, dann würden aufgrund der Verarbeitungs- und Abschneidefehler die Ausgangswellenform die folgende Identität erfüllen: A'² + B'² = 1 + ∫, wobei ∫ : 0 und ein positiver oder negativer Fehlerwert sein kann. Es folgt, daß, um A und B derart zu erhalten, daß sie Komponenten einer Sinuswelle mit einer Eins-Amplitude sind: A2 + B2 = 1 A = A'·1/√1 + ε B = B'·1/√1 + ε
Um die numerische Berechnung des Normalisierungsfaktors 1/√1 + ε zu vereinfachen, wird der Normalisierungsfaktor durch den ersten Koeffizienten einer Taylorreihenentwicklung hiervon dargestellt. Die Fachleute sollten realisieren, daß zusätzliche Koeffizienten verwendet werden können und daß ebenso andere Reihenentwicklungen ebenso geeignet sind. Darüber hinaus wurde in Betracht gezogen, daß eine nicht lineare Funktion verwendet werden könnte. um den Normalisierungsfaktor zu erzeugen.
Durch Multiplizieren der abgeschätzten Komponentenwerte der Sinus- und Kosinuswellenformen mit dem Normalisierungsfaktor wird sichergestellt, daß die Komponentenwerte die Ausgangswellenform auf dem Einheitskreis halten. Im Grunde genommen bleiben die Ausgangswellenformen stabil.
Genauer gesagt, wird das abgeschätzte Sinussignal quadriert (d. h. mit sich selbst in dem Multiplikator 228 multipliziert) und die abgeschätzte Kosinuswellenform wird quadriert (zum Beispiel mit sich selbst in dem Multiplikator 230 multipliziert). Die quadrierten Signale werden miteinander im Summierer 232 addiert, um einen augenblicklichen komplexen Leistungswert zu erzeugen. Der Summiererausgang wird in dem Addierer 234 von einer Konstanten 3 abgezogen und dann in dem Teiler 236 durch eine Konstante 2 geteilt. Im Grunde genommen wird der momentane komplexe Leistungswert (zur Einfachheit X, der durch den Summierer 232 erzeugt wird) von 3 abgezogen und durch 2 oder (3 – X)/2 geteilt. Dies stellt den ersten Koeffizienten der Taylorreihenentwicklung der Funktion 1/√X dar. Dieser Wert bildet den Normalisierungsfaktor, der in den entsprechenden Multiplikatoren 238 und 240 mit den abgeschätzten Sinus- und Kosinussignalen multipliziert wird. Dieser Normalisierungsfaktor veranlaßt, daß sich der numerische VCO selbst reguliert und stabil ist. Die Ausgangssignale von dem VCO sind die Kosinus- und Sinussignalwellenformen, die in der Phase und der Frequenz in Antwort auf die Amplitude des Eingangssignals, zum Beispiel einem Fehlersignal von einer Trägerwiederherstellungsschleife, einstellbar sind.
Der numerische VCO der Ausführungsform der Erfindung erzeugt sowohl eine Sinus- als auch eine Kosinuswellenform. Manche Anwendungen des VCO können nur eine Sinuswellenform erfordern oder umgekehrt. Im Grunde genommen wird die Kosinuswellenform für die interne Verwendung durch den VCO erzeugt, während das Ausgangssignal nur die Sinuswellenform ist.
Die vorhergehende Ausführungsform der Erfindung wurde als Vielzahl von Komponenten, im allgemeinen ein Teil eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) erörtert: Der Fachmann sollte realisieren, daß die Ausführungsform als ein Softwareverfahren sowie auch als die gezeigte Hardware implementiert werden kann. In solch einer Implementierung wird die Funktion von jedem Block in 2 eine ausführbare Routine für ein Computersystem oder eine andere Verarbeitungseinheit.
Obgleich eine Ausführungsform, die die Lehren der Erfindung beinhaltet, gezeigt und im Detail hier beschrieben wurde, kann der Fachmann leicht viele andere variierte Ausführungsformen entwickeln, die immer noch diese Lehren beinhalten.

Claims

Numerischer spannungsgesteuerter Oszillator für das Synthetisieren einer Sinuswellenform in Antwort auf ein variables Steuersignal, wobei die Frequenz- und Phasenwerte der Sinuswellenform durch das variable Steuersignal gesteuert werden, wobei der numerische spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) aufweist: einen Integrator (206) für das Erzeugen einer abgeschätzten Sinuswellenform und einer abgeschätzten Kosinuswellenform aus dem variablen Steuersignal, ein Normalisierer (208), der mit dem Integrator verbunden ist, für das Erzeugen eines Normalisierungsfaktors durch Verwendung einer Funktionsnäherung, um einen Fehler in der abgeschätzten Sinuswellenform und der abgeschätzten Kosinuswellenform vorherzusagen und einen Multiplikator (226), der mit dem Normalisierer verbunden ist, für das Multiplizieren des Normalisierungsfaktors mit der abgeschätzten Sinuswellenform und der abgeschätzten Kosinuswellenform, wobei die Multiplikation der abgeschätzten Sinuswellenform und des Normalisierungsfaktors die Sinuswellenform erzeugt.
VCO nach Anspruch 1, wobei die Funktionsnäherung, die von dem Normalisierer (208) verwendet wird, eine Reihenentwicklung ist.
VCO nach Anspruch 1, wobei die Funktionsnäherung, die von dem Normalisierer (208) verwendet wird, eine nichtlineare Funktion ist.
VCO nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Multiplikation der abgeschätzten Kosinuswellenform mit dem Normalisierungsfaktor eine Kosinuswellenform erzeugt.
VCO nach Anspruch 2, wobei der Integrator (206) weiterhin aufweist: eine erste Verzögerungseinrichtung (218) für das Verzögern der Sinuswellenform, eine zweite Verzögerungseinrichtung (220) für das Verzögern der Kosinuswellenform, eine erste Addiereinrichtung (224), die mit der ersten Verzögerungseinrichtung verbunden ist, für das Addieren der verzögerten Sinuswellenform zu einem ersten Integratoreingangssignal, um die abgeschätzte Kosinuswellenform zu erzeugen und eine zweite Addiereinrichtung (222), die mit der zweiten Verzögerungseinrichtung verbunden ist, für das Addieren der verzögerten Kosinuswellenform zu einem zweiten Integratoreingangssignal, um die abgeschätzte Sinuswellenform zu erzeugen.
VCO nach Anspruch 5, der weiterhin aufweist: eine Negiereinrichtung (204) für das Multiplizieren der verzögerten Sinuswellenform mit einer negativen Eins, um eine negierte verzögerte Sinuswellenform zu erzeugen, einen ersten Eingangsmultiplizierer (212), der mit der Negiereinrichtung verbunden ist, für das Multiplizieren des variablen Steuersignals mit einer negierten, verzögerten Sinuswellenform, um das erste Integratoreingangssignal zu erzeugen, und einen zweiten Eingangsmultiplizierer (214), der mit der zweiten Verzögerungseinrichtung verbunden ist, für das Multiplizieren des variablen Steuersignals mit einer verzögerten Kosinuswellenform, um das zweite Integratoreingangssignal zu erzeugen.
VCO nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Normalisierer weiterhin aufweist: eine Momentleistungseinrichtung (228, 230, 232), die mit dem Integrator verbunden ist, für das Erzeugen eines Momentleistungswertes aus der geschätzten Sinus- und Kosinuswellenform und eine Normalisierungsfaktoreinrichtung (234, 236), die mit der Momentleistungseinrichtung verbunden ist, für das Erzeugen des Normalisierungsfaktors in Antwort auf den Momentleistungswert.
VCO nach Anspruch 7, wobei die Normalisierungsfaktoreinrichtung (234, 236) einen ersten Koeffizienten einer Taylor-Reihenentwicklung als Normalisierungsfaktor erzeugt.
Verfahren zum Synthetisieren einer Sinuswellenform, das die Schritte aufweist: Zurverfügungstellen eines variablen Steuersignals, Erzeugen einer geschätzten Sinuswellenform und einer geschätzten Kosinuswellenform aus dem variablen Steuersignal, Erzeugen eines Normalisierungsfaktors durch Verwendung einer Funktionsnäherung, um einen Fehler in der geschätzten Sinuswellenform und der geschätzten Kosinuswellenform vorherzusagen, und Multiplizieren des Normalisierungsfaktors mit der geschätzten Sinuswellenform und der geschätzten Kosinuswellenform, wobei die Multiplikation der geschätzten Sinuswellenform und des Normalisierungsfaktors die Sinuswellenform erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Funktionsnäherung eine Reihenentwicklung ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Funktionsnäherung eine nichtlineare Funktion ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Multiplikation der geschätzten Kosinuswellenform mit dem Normalisierungsfaktor eine Kosinuswellenform erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Schritt des Erzeugens der geschätzten Sinuswellenform und der geschätzten Kosinuswellenform weiterhin die Schritte aufweist: Verzögern der Sinuswellenform, Verzögern der Kosinuswellenform, Addieren der verzögerten Sinuswellenform zu einem ersten Integratoreingangssignal, um die geschätzte Kosinuswellenform zu erzeugen, und Addieren der verzögerten Kosinuswellenform zu einem zweiten Integratoreingangssignal, um die geschätzte Sinuswellenform zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 13, das weiterhin die Schritte aufweist: Multiplizieren der verzögerten Sinuswellenform mit einer negativen Eins, um eine negierte, verzögerte Sinuswellenform zu erzeugen, Multiplizieren des variablen Steuersignals mit einer negierten, verzögerten Sinuswellenform, um das erste Integratoreingangssignal zu erzeugen, und Multiplizieren des variablen Steuersignals mit einer verzögerten Kosinuswellenform, um das zweite Integratoreingangssignal zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Schritt des Erzeugens des Normalisierungsfaktors weiterhin die Schritte aufweist: Erzeugen eines Momentleistungswertes aus den geschätzten Sinus- und Kosinuswellenformen und Erzeugen eines Normalisierungsfaktors in Antwort auf den Momentleistungswert.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Normalisierungsfaktor erzeugende Schritt einen ersten Koeffizienten einer Taylor-Reihenentwicklung als den Normalisierungsfaktor erzeugt.