JP3532490B2 - ロック検出器及びそれを用いた位相同期回路 - Google Patents

ロック検出器及びそれを用いた位相同期回路

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JP3532490B2 JP2000066374A JP2000066374A JP3532490B2 JP 3532490 B2 JP3532490 B2 JP 3532490B2 JP 2000066374 A JP2000066374 A JP 2000066374A JP 2000066374 A JP2000066374 A JP 2000066374A JP 3532490 B2 JP3532490 B2 JP 3532490B2
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裕之 福山
秀樹 上綱
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロック検出用の電
子回路及び位相同期用電子回路に関わり、特にプルイン
レンジが狭くロック外れが問題となりやすいクロックデ
ータ再生(CDR)回路、位相周波数比較器が使用でき
ない高周波の位相同期回路において確実にロックをさせ
るための電子回路に関わる。
【0002】
【従来の技術】図10に従来の第1の引込回路を備えた
位相同期回路を示す(参考文献:特開平8−13046
8)。図において、位相比較器1f、ループフィルタ2
f、電圧制御発振器4fは位相同期部15fを構成して
おり、信号入力端子13fから入力される信号に位相同
期した信号が信号出力端子14fから出力される。
【0003】この位相同期部15fの同期引込のために
引込回路12fが設けられ、さらにこの引込回路12f
のオンオフを制御するためにロック検出器11fが設け
られている。
【0004】引込回路12fは、位相同期部15fがア
ンロック状態の場合に加算器3fを介して位相同期部1
5fに掃引信号を送出し、位相同期回路をロック状態に
させる働きを持つ。この掃引信号は、パルス発生器8f
の出力信号を計数器9fで計数しD/A変換器10fで
電圧に変換することにより発生される。
【0005】位相同期部15fの同期状態(ロック状態
にあるか、アンロック状態にあるか)の判定はロック検
出器11fにて行われる。発振器20は位相比較器1f
によりオンオフ制御され、位相同期部15fがロック状
態の時に発振を停止、アンロック状態の時に発振するよ
うに動作する。発振器20の出力は直流検波器6fによ
り検波され、この検波電圧は電圧比較器7fにて特に図
示しないが電圧比較器7fに内蔵または接続された基準
電圧と比較される。電圧比較器7fの出力によりパルス
発生器8fのオンオフが制御される。
【0006】上記のような従来の引込回路を備えた位相
同期回路において、入力信号13fのS/Nが良好な場
合には正常に引込動作を行うが、S/Nが悪い場合には
発振器6がノイズの影響を受けて正確な同期判定が出来
ず、安定な同期引き込みが出来ないという問題がある。
【0007】この問題を改善するために考案された従来
の第2の引込回路を備えた位相同期回路を図11に示
す。(参考文献:特開平8−130468)。図におい
て、位相比較器1g、ループフィルタ2g、電圧制御発
振器4gは位相同期部15fを構成しており、信号入力
端子13gから入力される信号に位相同期した信号が信
号出力端子14gから出力される。
【0008】この位相同期回路の同期引込のために引込
回路12gが設けられ、さらにこの引込回路12gのオ
ンオフを制御するためにロック検出器11gが設けられ
ている。
【0009】ロック検出器11gは入力信号13gのS
/Nが悪い場合でも正確な同期判定を行えるように工夫
されている。すなわち、周波数可変発振器21は、位相
同期回路の同期状態に応じてオンオフ制御するのではな
く、同期状態に応じて発振周波数が変化するようにして
いる。周波数可変発振器21の出力周波数は周波数弁別
器6gにて周波数弁別され直流電圧に変換された後、電
圧比較器7gにて基準電圧と比較されるので、同期状態
に応じて発振周波数が5〜6倍変化するよう選んでおけ
ば、S/Nが悪い場合でも同期状態の検出をより正確に
行うことができる。
【0010】参考文献(特開平8−130468)によ
れば、周波数可変発振器21としては例えばアステーブ
ルマルチバイブレータが使用でき、この時定数を位相比
較器1gの出力により可変調整することで同期状態の検
出を行うことができる。ここで、具体的な制御方法とし
ては、例えば位相比較器1gの出力パルス幅により周波
数可変発振器21の発振周波数を制御するようにすれば
よい。アンロック状態の場合には、入力信号13fと電
圧制御発振器4gの位相関係が出鱈目になるので、位相
比較器1f出力にはロック状態の時よりも太いパルス幅
のパルスが現れ、これに対応した周波数可変発振器21
の発振周波数を弁別することによりアンロック状態を判
別することができる。
【0011】一方で、位相比較器1gに入力される周波
数が高い場合(例えば1GHz以上)には、位相比較器
1gの出力パルス幅を検出することが困難となるため、
入力信号端子13gに印加される入力信号と電圧制御発
振器4gの周波数差に相当するビート信号を検出し、ビ
ート信号が検出された場合にアンロック状態と判断する
方法が知られている(参考文献:Microwave
Journal Vol.42,No.9,1999,
p.22)。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】このように位相比較器
1gに入力される周波数が高い場合、従来の第2の引込
回路を備えた位相同期部15fにおける周波数可変発振
器21の時定数の制御にはビート信号を使用せざるを得
ないが、ビート信号を使用する場合、従来の第1の引込
回路を備えた位相同期回路と比較して、S/Nが悪い時
の同期判定の優位性があるとは言えなくなる。なぜなら
ば、ビート信号はアンロック時にしか発生しないので、
S/Nが悪い時の同期判定の正確さは、アンロック時に
のみ発振を起こすように制御される従来の第1の引込回
路を備えた位相同期回路と同じと考察されるためであ
る。すなわち、ビート信号を同期状態の判別に使用する
場合においては、従来の第2の引込回路を備えた位相同
期回路においても、S/N低下時の同期判定精度の悪化
の問題は解決されていない。
【0013】本発明は、ビート信号の検出により同期状
態を判別する場合においても、かつS/Nが悪い時であ
っても、同期判定を正確に行うことを目的としてなされ
たものであり、S/Nが悪い時であっても確実に引き込
みを行う位相同期回路を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、位相比較器の出力信号の振幅を広帯域
増幅器等の振幅調整手段により調整することにより、位
相比較器出力にビート信号と雑音が混在するアンロック
状態と、位相比較器出力に雑音のみが含まれるロック状
態とで検波出力レベルに判別可能な差を生じさせること
を最も主要な特徴とする
【0015】振幅調整手段を挿入する本発明のロック検
出器においては、ビート信号成分と雑音成分とを同じ利
得で振幅調整することにより両成分の振幅差を拡大して
同期状態の判別の確度を高めることができる。ここで振
幅調整手段はビート信号が取りうる周波数範囲にわたっ
て利得が平坦であれば最も大きな効果が得られる。利得
が平坦でない場合でも効果は得られるが、利得が大きい
周波数帯域における雑音レベルが大きく調整され、利得
が小さい周波数帯域に生じたビート信号が小さく調整さ
れる場合に、検波出力における両者の差が減少し、電圧
比較器における判別可能な基準電圧範囲の減少を招く。
【0016】
【0017】
【0018】
【発明の実施の形態】図1は本発明の位相同期回路の第
1の実施の形態を示す図である。図1において、数字符
号1aは位相比較器、2aはループフィルタ、3aは加
算器、4aは電圧制御発振器、5aは振幅調整器、6a
は直流検波器、7aは電圧比較器、8aはパルス発生
器、9aは計数器、10aはD/A変換器、11aはロ
ック検出器、12aは引込回路、13aは信号入力端
子、14aは信号出力端子を表している。
【0019】図2に本発明第1の実施の形態におけるタ
イムチャートを示す。ロック検出器11aは、位相比較
器1a、ループフィルタ2a、電圧制御発振器4aから
構成される位相同期部15aの同期状態(ロック状態に
あるかアンロック状態にあるか)を検出して出力する。
【0020】アンロック状態ではロック検出器11aは
ハイを出力し、この時にパルス発生器8aは所定の周期
のパルスを発生する。計数器9aは入力されるパルスを
計数し、デジタルデータとして出力する。このデジタル
データはD/A変換器10aに入力され、デジタルデー
タに従ったアナログ直流電圧を出力する。D/A変換器
10aの出力はループフィルタ2aの出力電圧に加算さ
れた後、電圧制御発振器4aに入力される。従って電圧
制御発振器4aの入力電圧はD/A変換器10a出力に
より掃引されることになる。電圧制御発振器4aの出力
周波数が位相同期部15aのロック周波数に近付くと、
位相同期回路特有のフィードバック制御が働き位相同期
部15aはロックされる。
【0021】位相同期部15aがロックされると、ロッ
ク検出器11a出力はローとなり、パルス発生器8aは
パルスの発生を停止する。これにより計数器9aはその
時点でのデジタルデータを保持し続けるので、D/A変
換器10aは一定電圧を出力(すなわち保持)すること
になる。
【0022】ロック時にD/A変換器10aが一定電圧
を出力することは、電圧制御発振器4aにオフセット電
圧を与えることに相当し、位相比較器1aとループフィ
ルタ2aが発生できる電圧範囲を超える範囲の電圧を電
圧制御発振器4aに与えることが可能であることを意味
する。従って本発明の第1の実施の形態における位相同
期回路は、位相比較器の性能で決定されるロックレンジ
を遥かに超える、広いプルインレンジを得ることができ
る。
【0023】ロック検出器11aは、振幅調整器5a、
直流検波器6a、電圧比較器7aから構成される。位相
比較器1aの出力には、ロック時には入力信号端子13
aから混入する雑音が含まれ、アンロック時には前記雑
音に加えて位相比較器1aに入力される2信号の周波数
差に相当する周波数のビート信号が合まれる。振幅調整
器5aは、位相比較器1aの出力に含まれるビート信号
成分と雑音成分とを同じ利得で振幅調整する。ここで
は、振幅調整器5aはビート信号が取り得る周波数範囲
にわたって利得が平坦である広帯域増幅器として説明す
る(図3)。直流検波器6aはこの振幅調整された雑音
成分を含むビート信号を検波し、電圧比較器7aはこの
検波された電圧レベルを特に図示しないが電圧比較器7
aに内蔵または接続された基準電圧と比較し同期状態を
判別する。ビート信号成分と雑音成分とを同じ利得で振
幅調整することにより両成分の振幅差を拡大して同期状
態の判別の確度を高めることができる。利得が平坦でな
い場合でも効果は得られるが、利得が大きい周波数帯域
における雑音レベルが大きく調整され、利得が小さい周
波数帯域に生じたビート信号は小さく調整されるので、
検波出力における両者の差が減少し、電圧比較器7aに
おける判別可能な基準電圧範囲の減少を招く。
【0024】なお、直流検波器6aはダイオードと積分
器の組み合わせで実現することができる。その場合、ダ
イオードの順方向電圧よりも小さい振幅、すなわち図4
における出力電圧の立上り点の電圧以下の入力信号は検
出することが出来ない。図4はダイオードと積分器の組
み合わせで直流検波器を実現した場合の入力振幅−出力
電圧特性を示した図である。ダイオードの順方向電圧に
対応する不感振幅Vuが存在する。このような直流検波
器を直流検波器6aとして使用する場合には、ビート信
号成分の振幅Vb(図5(a))は直流検波器6aの不
感振幅Vuよりも大きく(Vb>Vu)なければなら
ず、これを満たすように振幅調整器5aの利得を決定す
る。
【0025】一方、図5(b)に雑音成分の典型的な波
形とその平均的な振幅Vnを示す。雑音成分の平均的な
振幅Vnが直流検波器6aの不感振幅Vuよりも小さく
(Vu>Vn)なると、直流検波器6aの検波感度は雑
音成分に対して著しく小さくなる。すなわち、Vn<V
u<Vbの関係が満たされるように振幅調整器5aの利
得を決定することにより、同期状態の判別の確度をさら
に高めることができる。
【0026】図6は、図1におけるロック検出器11a
の振幅調整器5aの部分に入力電圧に対してヒステリシ
ス特性を有する履歴回路を適用した例で、第1の参考例
として示す。図6において、数字符号1cは位相比較
器、2cはループフィルタ、3cは加算器、4cは電圧
制御発振器、50は履歴回路、6cは直流検波器、7c
は電圧比較器、8cはパルス発生器、9cは計数器、1
0cはD/A変換器、11cはロック検出器、12cは
引込回路、13cは信号入力端子、14cは信号出力端
子を表している。
【0027】上記第1の参考例は第1の実施の形態と比
較してロック検出器11cの構成が異なる。第1の参考
におけるロック検出器11cは、履歴回路50、直流
検波器6c、電圧比較器7cから構成される。履歴回路
50は、入力電圧と出力電圧の間にヒステリシスが存在
する回路であり、ヒステリシスコンパレータ、シュミッ
ト回路、シュミットトリガタイプのデジタルゲートを等
がこの範疇に入る。増幅器に適当な帰還をかけることに
より実現することもできるし、あるいはトンネル効果な
どの物理現象を利用してヒステリシスを発生させる素子
を利用することもできる。ここでは履歴回路50はヒス
テリシスコンパレータであるとして説明する。
【0028】履歴回路50に入力される信号の振幅が履
歴回路50のヒステリシス幅よりも大きい場合には、そ
の信号は履歴回路50を通過することができる。一方
で、ヒステリシス幅よりも小さい振幅の信号は阻止され
る。すなわち履歴回路50のヒステリシス幅は、一定の
振幅以上の信号を通すか通さないかの振幅閾値の意味を
持つ。この振幅閾値をビート信号成分の振幅よりも小さ
く、かつ雑音成分の振幅よりも大きく選ぶことにより、
雑音成分を阻止することにより、両成分の振幅差を拡大
して同期状態の判別の確度を高めることができる。
【0029】図7は、図1におけるロック検出器11a
の振幅調整器5aの部分に周波数弁別回路16を適用し
た例で、第2の参考例として示す。 図7において、符
号1dは位相比較器、2dはループフィルタ、3dは加
算器、4dは電圧制御発振器、16は周波数弁別回路、
6dは直流検波器、7dは電圧比較器、8dはパルス発
生器、9dは計数器、10dはD/A変換器、11dは
ロック検出器、12dは引込回路、13dは信号入力端
子、14dは信号出力端子を表している。
【0030】第2の参考例においては第1の実施の形態
および第1の参考例と比較してロック検出器11dの構
成が異なる。第2の参考例におけるロック検出器11d
は、周波数弁別回路16、直流検波器6d、電圧比較器
7dから構成される。周波数弁別回路16は透過周波数
範囲をビート信号が取り得る周波数範囲に制限する。こ
のような周波数弁別回路16は、ビート信号成分のスペ
クトルを保ったまま雑音成分の周波数範囲を減少させる
ので、直流検波後の両信号成分の電圧差を拡大し、同期
状態の判別の確度を高めることができる。これはビート
信号が限られた周波数範囲(位相比較器に入力される2
信号の差周波数程度)にしか現れないのに対して雑音は
これよりも広い周波数スペクトルを持つ事実を利用して
いる。
【0031】透過周波数範囲をビート信号が取り得る周
波数範囲よりも大きく選んでも同様の効果は得られる。
例えば、ビート信号が取り得る最低周波数よりも低いカ
ットオフ周波数を持つハイパスフィルタや、ビート信号
が取りうる最高周波数よりも高いカットオフ周波数を持
つローパスフィルタ等を周波数弁別回路16として使用
してもよい。しかしながら透過周波数範囲を広げると同
期状態の判別の確度を高める効果は減少する。
【0032】図8は本発明の第の実施の形態を示す回
路構成図である。図8において、数字符号1eは位相比
較器、2eはループフィルタ、3eは加算器、4eは電
圧制御発振器、5eは振幅調整回路、6eは直流検波
器、7eは電圧比較器、8eはパルス発生器、9eは計
数器、1eはD/A変換器、11eはロック検出器、
12eは引込回路、13eは信号入力端子、14eは信
号出力端子、17はデータ発生器、18はスイッチ、1
9は加算器を表している。
【0033】第の実施の形態は、第1の実施の形態に
データ発生器17、スイッチ18、加算器19が付加さ
れた構成である。第1の実施の形態における位相同期部
15aでは、図2に示したようにアンロック状態からロ
ック状態へ遷移した時点での掃引電圧(D/A変換器1
0aの出力電圧)が保持され、その後のロック状態の期
間にわたって電圧制御発振器4aにオフセット電圧とし
て与え続けられる。しかしながらこのオフセット電圧
は、アンロック状態とロック状態との境界に当たるの
で、ロック状態を継続する上で最適なオフセット電圧と
は言えない。ロック状態は掃引電圧のある電圧範囲で実
現するが、この電圧範囲の中程にオフセット電圧を設定
すれば、各部品の経年変化、温度変化など環境変化に対
して安定してロック状態が継続されると考えられる。
【0034】このような、ロック状態を継続する上で最
適なオフセット電圧は、アンロック状態からロック状態
へ遷移した時点での掃引電圧に、ロック状態が実現する
掃引電圧範囲の約半分に相当する電圧を加算し(下駄を
履かせる)、十分にロックされた状態になる電圧に設定
することで発生することができる。図8に示す本発明の
位相同期回路の第の実施の形態においては、データ発
生器17はアナログ直流電圧である下駄電圧に相当する
ディジタル下駄データを発生し、スイッチ18はロック
時にのみ下駄データを計数器9eの出力データにディジ
タル加算する仕組みになっている。図9に第の実施の
形態の位相同期回路のタイムチャートを示す。アンロッ
ク状態からロック状態に遷移した時点で、データ発生器
17は下駄データを出力し、D/A変換器10eには下
駄電圧分の飛びが現れる。
【0035】第の実施の形態の位相同期回路は、引込
回路12eにデータ発生器17を付加することにより、
ロック状態を安定して継続させることができる利点があ
る。
【0036】
【発明の効果】振幅調整手段を挿入する本発明のロック
検出器は、ビート信号成分と雑音成分とを同じ利得で振
幅調整することにより両成分の振幅差を拡大して同期状
態の判別の確度を高めることができる。
【0037】
【0038】
【0039】データ発生器を挿入する本発明の位相同期
回路は、環境変化に対してロック状態を安定して継続さ
せることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明第1の実施の形態を示すブロック図。
【図2】本発明第1の実施の形態の動作を表すタイミン
グチャート図。
【図3】振幅調整器5aの利得の周波数特性図。
【図4】直流検波器6aの入力振幅−出力電圧特性図。
【図5】ビート信号成分及び雑音成分の波形図。
【図6】第1の参考例を示すブロック図。
【図7】第2の参考例を示すブロック図。
【図8】本発明第の実施の形態を示すブロック図。
【図9】本発明第2の実施形態の動作を表すタイミング
チャート図。
【図10】従来の引き込み回路を備えた位相同期回路の
ブロック図。
【図11】従来の別の引き込み回路を備えた位相同期回
路のブロック図。
【符号の説明】
1a、1c、1d、1e、1f、1g:位相比較器 2a、2c、2d、2e、2f、2g:ループフィルタ 3a、3c、3d、3e、3f、3g:加算器 4a、4c、4d、4e、4f、4g:電圧制御発振器 5a:振幅調整器 6a、6c、6d、6e、6f、6g:直流検波器 7a、7c、7d、7e、7f、7g:電圧比較器 8a、8c、8d、8e、8f、8g:パルス発生器 9a、9c、9d、9e、9f、9g:計数器 10a、10c、10d、10e、10f、10g:D
/A変換器 11a、11c、11d、11e、11f、11g:ロ
ック検出器 12a、12c、12d、12e、12f、12g:引
込回路 13a、13c、13d、13e、13f、13g:入
力信号端子 14a、14c、14d、14e、14f、14g:出
力信号端子 15a、15f、15g:位相同期部 16:周波数弁別回路 17:データ発
生器 18:スイッチ 20:発振器 21:周波数可変発振器 50:履歴回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上綱 秀樹 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 村口 正弘 東京都渋谷区桜丘町20番1号 エヌ・テ ィ・ティ エレクトロニクス株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−97821(JP,A) 特開 平8−130468(JP,A) 特開 平2−128521(JP,A) 特開 昭49−68647(JP,A) 実開 昭59−9647(JP,U) 実開 平2−138930(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03L 7/06 - 7/14

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電圧制御発振器と、 この電圧制御発振器の出力と外部から入力される入力信
    号の位相を比較する位相比較器と、 この位相比較器の出力を積分し、この積分出力を前記電
    圧制御発振器に送出するループフィルタと、 を備える位相同期部がロック状態にあるかアンロック状
    態にあるかを判別するロック検出器であって、 前記位相比較器の出力振幅を調整する振幅調整手段と、 この振幅調整手段の出力振幅を直流電圧に変換する直流
    検波手段と、 この直流検波手段の出力電圧を所定の電圧と比較する電
    圧比較手段と、 を備えることを特徴とするロック検出器
  2. 【請求項2】前記振幅調整手段は、 前記位相比較器の出力に含まれるビート信号が取り得る
    周波数範囲にわたって平坦な利得を持つ広帯域増幅器で
    あること、 を特徴とする請求項1に記載のロック検出器。
  3. 【請求項3】前記広帯域増幅器の出力に含まれるビート
    信号成分の振幅をVbとし、 前記直流検波手段の不感振幅をVuとすると、 Vu<Vbの関係が成り立つように前記広帯域増幅器の
    利得を設定することを特徴とする請求項2に記載のロッ
    ク検出器。
  4. 【請求項4】前記広帯域増幅器の出力に含まれるビート
    信号成分の振幅をVbとし、 前記広帯域増幅器の出力に含まれる雑音成分の最大振幅
    をVnとし、 前記直流検波手段の不感振幅をVuとすると、Vn<V
    u<Vbの関係が成り立つように前記広帯域増幅器の利
    得を設定することを特徴とする請求項2記載のロック検
    出器。
  5. 【請求項5】電圧制御発振器と、 この電圧制御発振器の出力と外部から入力される入力信
    号の位相を比較する位相比較器と、 この位相比較器の出力を積分し出力を前記電圧制御発振
    器に送出するループフィルタと、 請求項1乃至4の何れかに記載のロック検出器と、 前記ロック検出器がアンロックを検出する場合に掃引信
    号を発生する引込回路とから構成されていることを特徴
    とする位相同期回路。
  6. 【請求項6】前記引込回路は、 前記ロック検出器がアンロックを検出する場合に継続し
    て所定の周期のパルスを発生するパルス発生手段と、 前記パルス発生手段が発生するパルス数を計数する計数
    手段と、 前記計数手段の計数結果を電圧に変換するD/A変換手
    と、 備えていることを特徴とする請求項に記載の位相同
    期回路。
  7. 【請求項7】前記引込回路は、 前記ロック検出器がロックを検出する場合とアンロック
    を検出する場合とで異なるオフセット電圧を持つことを
    特徴とする請求項5または6に記載の位相同期回路。
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