NL8620366A

NL8620366A - Vergrendeldetectieschakeling voor een fasecomparator en synthesiser, die daarvan gebruik maakt.

Info

Publication number: NL8620366A
Application number: NL8620366A
Authority: NL
Original assignee: Plessey Overseas
Priority date: 1985-09-18
Filing date: 1986-09-18
Publication date: 1987-08-03
Also published as: GB8622456D0; GB2180708A; GB2180708B; DE3690492T; GB8522998D0; WO1987001885A1; DE3690492C2; NL192966C; NL192966B; US4806878A

Description

E 2011-255 Ned. 8 6 2 0 36 6 1 ( P & c

Korte aanduiding: ' Vèrgrendeldetectieschakeling voor een fasecomparator en synthesiser, die daarvan gebruik maakt.

De uitvinding heeft betrekking op een vergrendeldetectieschakeling voor een fasecomparator, alsmede op een synthesiser, die daarvan gebruik maakt. Meer in het bijzonder heeft zij betrekking op een in-fase vergrendeldetectieschakeling geschikt voor gebruik in een digitale fase-vergren-5 del-lus synthesiser van het type bevattende - een fasecomparator, die reageert op een referentiefrequentie en op een frequentie ontleend via een variabele deler,, aan een variabele frequentie-oscillator (VFO) voor het verschaffen van een frequentie 'hoogden een frequentie 'laag'-foutsignaal, en 10 - een lusversterker, die reageert op deze foutsignalen en door welke mid delen een stuursignaal wordt toegevoerd aan de VFO om de frequentie ervan te sturen.

De uitvinding is van toepassing op een ontwerp voor een frequentie-syntheseschakeling in het algemeen en op UHF/VHF heterodyne afstemschake-15 lingen in het bijzonder.

Bij televisie-ontvangers en dergelijke is het gewone;; praktijk een digitale fase-vergrendel-lus (PLL) frequentie-synthesiser toe te passen als deel van het afstemcircuit aan het front-einde. Het is een probleem bij deze ontvangers, dat het afstemmen relatief grof kan zijn, in het 20 bijzonder wanneer het de realisatie is van een goedkope, eenvoudige constructie.

Ook als gevolg van componentóndrift bij veroudering kan de vergelij-kingsreferentiefrequentie drift vertonen of geruis produceren, waardoor fouten ontstaan in de synthese van de lokale oscillator-frequentie.

25 Een verder probleem treedt op bij deze systemen, wanneer zij worden gebruikt voor het demoduleren van h.f. signalen uit een bron van lage kwaliteit, waarin de actuele frequentie tijdafhankelijk kan zijn.

Een bekende verbetering op het hiervoor genoemde omvat een combinatie van digitale en analoge stuurschakelingen, toegepast in de vorm van 30 een tandem. In deze opstëLlihgwordt op lokale oscillator-frequentie gestuurd door een digitale PLL totdat deze komt binnen het vangbereik van de analoge schakeling. Vervolgens wordt de variabele frequentie-oscil-lator gestuurd door laatstgenoemde schakeling. Een vergrendeldetectieschakeling heeft men toendertijd gebruikt om het gedrag van de digitale 35 PLL te controleren (monitoren) en om regelsignalen over te brengen naar de analoge-schakeling, wanneer eenmaal 'in-lock' verkregen is.

Tot dusverre zijn zulke vergrendel-detectieschakelingen niet zonder 8120368 - 2 - tekortkomingen geweest. In het bijzonder kunnen zulke vergrendel-detec-tieschakelingen, gebruikt in fase-comparators, inherent slechte indicatoren zijn van de vergrendeling, die bereikt is, aangezien zij in het 5 algemeen: 1) niet nauwkeurig het vergrendelvenster definiëren; ¢620360 1 , ....... ...... ............. i

I O

I -3- j j i | 2) in systemen met variabele referentie-frequentie (f^^) de actuele j vergrendeling varieert met f j ; i 3) zij vatbaar zijn voor het produceren van valse 'in-lock' signai I i I 5 i len, wanneer het systeem in feite "buiten vergrendeling" is j ' tenzij uitwendige schakelingen (dus extra inrichting-pennen) | j worden gebruikt om dit gebrek te corrigeren; j | 4) analoge vergrendel-detectie-schakelingen zijn inherent complex! | in werking en vereisen eveneens uitwendige componenten; en 10 i 5) bij sommige digitale systemen is het vergrendel-venster zeer proces afhankelijk.

De onderhavige uitvinding is bedoeld om de hierboven genoemde i itekortkomingen op te heffen. Zij zal van voordeel blijken doordat 15 | 1) zij een nauwkeurig gedefinieerd vergrendelvenster bezit; J 2) het vergrendelvenster zodanig ontworpen kan worden, dat het j i onafhankelijk is van f ! 3) zij onder normale werkomstandigheden zodanig ontworpen kan S zijn, dat zij geen valse 'in-lock' signalen produceert; | 20 i 4) zij geen uitwendige schakeling nodig zal hebben; en 5) het vergrendel-venster proces onafhankelijk is.

I ;

Men kan waarnemen, dat in de digitale fase-vergrendel-lus synthesizer van het hiervoor genoemde type, wanneer de fase-vergrendel-conditie verkre-25|gen is, enkel frequentie 'laag' signalen worden geproduceerd om compensatie te bieden voor lekstroom in de lusversterker en deze zullen van bekende grootte zijn om compensatie te bieden voor lekstroom in de lus versterker.: Zoals hierin besproken worden de frequentie 'hoog' en de frequentie 'laag'' j : !signalen dus gecontroleerd door een logische schakeling teneinde deze bij-30zondere conditie te detecteren en een 'in-lock' indicatie-signaal te ver- ’ schaffen. ;

In overeenstemming hiermede verschaft de onderhavige uitvinding ;aldus een vergrendel-detectie-schakeling voor een fase-comparator ten ge- j ibruike in een digitale synthesizer van het hiervoor genoemde type, omvattende i 35!logische poortschakelingen, die reageren op het frequentie 'hoog' en het frequentie 'laag' signaal gedurende een voorafbepaalde periode ontleend, afhankelijk van het aan de fase-comparator toegevoerde signaal, aan de !variabele deler, waarbij de poorten ingericht zijn voor het opwekken van j I i een 'in-lock' indicatie-signaal, wanneer de frequentie 'hoog' of frequentie 4Ö1 'laag' signalen exclusief gedurende deze voorafbepaalde periode worden | p £) Λ ί» s;> 4* i? ί,, %) %

S09409LC

! -4- lgedetecteerd.

i De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de figuren, die ideze beschrijving vergezellen.

i l Fig. 1 is een blokschema van een digitale fase-vergrendel-lus 5 lfrequentie-synthesizer van bekende uitvoering; J 1 Fig. 2 is een schakelschema van een actief lusfilter dat gebruikt | wordt in de bovengenoemde synthesizer, eveneens van bekende uitvoering; j j Fig. 3 is een schakelschema van een fase-comparator lock detectie- ; jschakeling, zijnde een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding; en i 10 Fig. 4 (a) - (e) zijn puls-golfvormen van signalen toegepast bij ! len/of ontleend aan de hierboven weergegeven schakelingen.

| 1 Opdat de onderhavige uitvinding beter begrepen kan worden, zullen

ί I

I 'Uitvoeringsvormen daarvan nu worden beschreven onder verwijzing naar de s i | jbijgaande tekeningen. De beschrijving, die volgt, wordt enkel gegeven bij i 1 . j 15 wijze van voorbeeld.

Een conventionele, enkele lus, digitale fasevergrendellus synthe-j 1 j isizer is weergegeven in fig. 1. De lus bestaat uit een variabele frequentie- ; oscillator (VFO) 1, een programmeerbare variabele verhoudingsdeler 3, een ! :fasecomparator 5 en een lusfilter 7. De verhouding N van de deler 3 wordt j ! 20 vooraf ingesteld door middel van een afstembare selectie-stuureenheid 9.

j l ; ! 'Het VFO uitgangssignaal, bij frequentie f , wordt omlaag gedeeld en het i ;uitgangssignaal van de deler 3 bij gereduceerde frequentie f^ wordt verge-; ;leken met een signaal van stabiele referentie-frequentie f Deze laatste |wordt ontleend aan een kristal gestuurde oscillator 11, een vaste verhou-

25;ding—deler 13 en een bufferversterker 15. Een fout-spannings-signaal V

Iontleend aan de fasecomparator 5, handhaaft de VFO op zijn frequentie.

Het actieve lusfilter 7 van de synthesizer wordt uitvoerig weer- ; : i i j !gegeven in fig. 2. Het bevat een paar stroombronnen, namelijk frequentie- : i i ; I jlaag en frequentie-hoog stroombronnen 21 resp. 23, verbonden met de ingang- ! 30ivan een lusversterker 25. De uitvoer van deze versterker 25 wordt afgenomen J over een belastingsimpedantie 27 (R^) en wordt teruggekoppeld naar de ver-! [sterker-ingang via een filter 20, die gekenmerkt wordt door zijn overdrachts- jfunctie (H(s)). Het uitgangssignaal V^ van de versterker 25 wordt gebruikt; [als foutsignaal voor het regelen van de variabele frequentie-oscillator l i 35|1. Laatstgenoemde kan zijn van het spanningsgestuurde type (VCO), waarvan i ide varactor wordt gestuurd door de foutspanning V^. De stroombronnen 23 len 21 worden, zoals weergegeven, gestuurd door frequentie-hoog en frequentie-i ; laag signalen, resp. C^, die elk geleverd worden aan corresponderende i 40[uitgangen van de fase-comparator 5. j © fi n A T .f’! A ............. .....

ö ti £, u q o

60S40SLC

! -5- ί ι ί Wanneer fase-vergrendeling bereikt is, zal de fase-comparator | :5 normaal bezig zijn pulsen CQ uit te voeren van de frequentie-laag uitgang ! lom te corrigeren voor lekstroom iR in de volgende lusversterker 25. Het 5 'Verkrijgen van vergrendeling wordt dan ook aangegeven, wanneer frequentie-laag pulsen exclusief aanwezig zijn.

Deze conditie bestaat echter eveneens over een groot aantal cycli, wanneer de varactor afstemt van een hoge naar een lage spanning; daardoor jmoet de duur van elke frequentie-laag puls vergeleken worden met de tijd-10 periode van een vergrendelvenster, en mocht één der gekoppelde pulsen een .langere duur hebben dan de genoemde periode van het vergrendelvenster, idan wordt de lus geacht buiten vergrendeling te zijn.

j De onderhavige vergrendeldetectieschakeling (figuur 3) is gebaseerd jop de digitale bewerking van de frequentie-hoog en frequentie-laag uit-15jgangssignalen C , van de fase-comparator 5, gecombineerd met de in-jgangssignalen van de fase-comparator.

I De in- en uitgangssignalen van de pulscomparator bij vergrendeling worden weergegeven in figuren 4 (a)-(e). De golfvormen zoals weergegeven izijn die gekend voor: 20 a) het omlaag gedeelde signaal f' ; b) een afgeleid signaal f' ', overeenkomend met het over een periode' D vertraagde signaal f ; ; ι c) het omlaag gedeelde referentie-signaal f ; 1 Γ6Γ j d) het frequentie-laag gepulseerde signaal C , waarin X gerele- ] I D E ι

25 Iteerd is aan i ; en B

e) het frequentie-hoog gepulseerde signaal C .

Zoals men kan zien, treden over de weergegeven twee referentie- i

icycli twee frequentie-laag pulsen, elk met breedte X', op gedurende deze ! E

periode, terwijl het frequentie-hoog pulssignaal C statisch is.

I 30' Het omlaag gedeelde f^. wordt geleid door een vertragingseenheid 31 I :(figuur 3), waardoor het afgeleide signaal f verkregen wordt. Na inversie ]33, wordt het afgeleide signaal f gepresenteerd aan een EN-poort 35 te- jzamen met het frequentie-laag signaal C . Dit verschaft een foutsignaal |fE - f'N· CD voor daaropvolgende correlatie. j 351 Nu indien X_ = X_ en, over twee f , cycli, f' .CL = 0, dan kan

DE ref ND

de lus empirisch gezien worden als te zijn 1 in-lock'.

Nu indien X^ = V, en, over (K+l)f _ cycli, f .'C = 0, dan kan de lus worden gededuceerd als te zijn 'in-lock' en heeft het gedefinieerde vergrendelvenster de waarde .

40 j Een positieve venstervergrendel-detectieschakeling voor het verrich- 8.i J 0 3 6 6 - 6 - ten van de vergelijking en frequentie-hoog signaal C , en voor het opwekken van een 1in-lock'-indicatiesignaal Sf wordt weergegeven in figuur 3. Deze schakeling bevat een cascade van (K+l) in serie geschakelde 5 flip-flops 37 van het D-type, waarvan er drie zijn weergegeven in de figuur. Deze flip-flops 37 voeren een correlatie uit over (K+l)f ref cycli, en worden alle synchroon geklokt door middel van een klokinvoer met gemeenschappelijke leiding, die de frequentie-laag uitvoersignalen verschaft door de fase-comparator 5 ontvangt. Een gemeenschappelijk 10 foutsignaal f' wordt aangelegd aan de terugstelpoorten R van elk der flip-flops 37 en een signaal op een niveau van de logische "1" wordt aangelegd aan de ingangspoort D van de eerste ter flip-flops 37. Dit foutsignaal f'E wordt ontleend aan het frequentie-hoog signaal en het logische afgeleide foutsignaal f =f' .C door middel van een OF-poort

Ej ND

15 39:

f' f'N.CD + CU E

Het uitgangssignaal van de uitgangspoort Q van elke flip-flop 37 wordt gereferreerd aan een gemeenschappelijke EN-poort 41 voor het afleiden van een 'in-lock' indicatie-signaal S aan de uitgang van deze 20 poortschakeling 41.

Het zal duidelijk zijn aan een deskundige op dit vakgebied dan andere opstellingen van logische componenten kunnen worden toegepast voor het afleiden van de hierboven beschreven logische functies. Er wordt derhalve niet beoogd, dat de uitvinding zoals hier gedefinieerd, zo kan worden 25 uitgelegd, dat zij slechts die schakeling dekt, die hier enkel bij wijze van voorbeeld gegeven wordt.

Voor elk praktisch systeem kan het maximum in het ergste geval i en dus Ύ worden berekend. Daarom, indien de lus kritisch is of over-

B E

gedempt, en indien de vertraging Y zo gekozen is dat zij een geheel 30 getal is, dat gerelateerd is aan Ύ , d.w.z. Y = K Ύ en bemonstering

Ei D E

plaatsvindt over (Κ+1)ί^^ cycli, dan kan men zien, dat de vergrendel- detectieschakeling alleen een 'in-lock' zal aanwijzen, wanneer de conditie van permanente toestand bereikt is. Beschouw dus een schakeling, die vijf flip-flops 37 (K=4) gebruikt en een vertraging digitaal gedefinieerd 35 als 4 Ύ. Het aldus verkregen foutvenster is dan Ύ .

E ^ E

In vele toepassingen echter kan de lus onder-gedempt zijn. In die situatie kan de ingelaste vertraging zodanig gewijzigd worden dat een

foutvenster van n gegeven wordt, waarin n een geheel getal is met een E

koppeling over K+ 1 f cycli. De uitgang S van figuur 3 wordt dan ge- ΎΙ re··- 40 bruikt om een gesperde, vergrendelde venterindicator te stellen, waarbij & P, 9 β a β $ t? uj? tt u y u - 7 - het sperorgaan ('latch') 43 teruggesteld wordt door een stuurorgaan wanneer een nieuwe frequentie vereist is of signaal-verlies wordt afgetast. Beschouw dus dezelfde schakeling, waarbij vijf flip-flops 37 (^=4) gebruikt wordt, 5 maar waarbij de vertraging X nu digitaal gedefinieerd wordt als 8 V ·

D E

Het nu verkregen foutenvenster is 2 Ύ (K=8, n=2).

Ir £

De beschreven schakeling (figuur 3) zou eveneens zodanig gewijzigd kunnen worden dan het 'in-lock' sperorgaan ('latch') wordt gestouwd door de pulsen te vergelijken met een vooraf bepaalde vergrendelvenster 10 periode over een vooraf bepaald aantal cycli op een wijze met die waarin de CQ pulsen worden bewerkt - d.i. teneinde in plaats daarvan een negatief vergrendelvenster te definiëren. Aldus zullen in figuur 3 de signalen Cp, in plaats daarvan worden toegevoerd aan ingangen met het label C , C .

U' D

15 De positeive en negatieve venterschakelingen kunnen dus dan in de vorm van een tandem worden gecombineerd - bijv. met een OF-poort aan hun uitgang.

20 25 30

Si 35 40 1620366

Claims

1. Vergrendeldetectieschakeling voor een fasecomparator ten gebruike in een digitale fase-vergrendel-lus synthesiser van het type bevattende 5. een fasecomparator, die reageert op een referentiefrequentie-deler aan een variabele frequentie-oscillator voor het verschaffen van een frequentie 'hoog'- en een frequentie 'laag'-foutsignaal, en - een lusversterker, die reageert op deze foutsignalen en door welke middelen een stuursignaal wordt toegevoerd aan de oscillator om de fre- 10 quentie ervan te sturen, welke vergrenderdetectieschakeling is gekenmerkt door - een aantal logische poortschakelingen, die reageren op frequentie 'hoog'- en frequentie 'laag'-signalen tijdens een vooraf bepaalde periode, die afhankelijk van aan de fase-comparator toegevoerde signalen wordt 15 ontleend aan de variabele deler, waarbij - de poortschakelingen zijn ingericht voor het opwekken van een 'in-lock'-aanwijssignaal, wanneer frequentie 'hoog'- of frequentie 'laag'-signalen exclusief gedetecteerd worden gedurende deze vooraf bepaalde periode.

2. Schakeling volgens conclusie 1, bevattende: 20. een eerste logische schakeling voor het afleiden van een vergelijkings- signaal uit de afgeleide frequentie en uit de twee foutsignalen, waarbij dit vergelijkingssignaal de vorm heeft, gegeven door: f’E = VC1 + C2' 25 waarin f het afgeleide frequentiesignaal voorstelt, C^ correspondeert met het ene foutsignaal en correspondeert met het andere foutsignaal, en - een tweede logische schakeling, die reageert op de eerste logische 30 schakeling en op het genoemde eerste foutsignaal teneinde een aantal in de tijd opvolgende monsters ervan te vergelijken teneinde daardoor een 'in-lock' indicatiesignaal af te leiden, wanneer frequentie 'hoog'- of frequentie 'laag'-signalen exclusief aanwezig zijn.

3. Schakeling volgens conclusie 2, bevattende vertragings- en in-35 vertermiddelen voor het inverteren en aanleggen van een geselecteerde tijdsvertraging aan het afgeleide frequentiesignaal; een eerste ENrpoort verbonden met de uitgang van de vertragings- en invertermiddelen; een OF-poort verbonden met de uitgang van deze eerste EN-poort; een aantal in serie geschakelde flip-flops, waarbij de ingangen van de 40 klok over een gemeenschappelijke leiding met elkaar verbonden zijn, terwijl 1¾ O T ƒ”· Λ ^ dj ij f~j y - 9 - de teruggestelde ingangen ervan verbonden zijn met de uitgang van de 0F-poort, en - een tweede EN-poort verbonden met de uitgang van elke flip-flop teneinde aan de uitgang ervan het 'in-lock' indicatiesignaal te verschaffen.

4. Schakeling volgens een der voorgaande conclusies, tezamen met een sperorgaan ('latch') verbonden met de uitgang van de schakeling.

5. Combinatie van twee schakelingen, elk bevattende een schakeling volgens conclusie 3, waarbij de betreffende OF-poortschakeling van elke schakeling aan hun ingang verbonden is met de betreffende eerste EN-poor- 10 ten en klok-ingangen van de flip-flops van de andere schakeling, welke combinatie aldus dienst doet om zowel positieve als negatieve venster-detectie te verschaffen.

6. Digitale fase-vergrendel-lus synthesizer bevattende: een bron van een referentiefrequentie; 15 een variabele deler,·die reageert op deze oscillator; een comparator, verbonden met de bron en met de deler ter verschaffing van frequentie 'hoog'- en frequentie 'laag'-foutsignalen als reactie op het referentie-frequentiesignaal en het afgeleide frequentiesignaal; en een lusversterker, die reageert op de foutsignalen en door welke middelen 20 een stuursignaal wordt toegevoerd aan de oscillator teneinde de frequentie ervan te regelen; welke synthesizer gekenmerkt wordt door: een vergrendeldetectieschakeling bevattende: een aantal logische poortschakelingen, die reageren op de frequentie 'hoog'-en frequentie 1 laag'-signalen gedurende een voorafbepaalde periode, die 25 afhankelijk van het aan de fasecomparator toegevoerde signaal wordt afgeleid van de variabele deler, waarbij de poortschakelingen ingericht zijn voor het opwekken van een 'in-lock' indicatiesignaal, wanneer frequentie 'hoog'-of frequentie 'laag'-signalen exclusief gedurende deze voorafbepaalde periode worden gedetecteerd.

7. Synthesizer volgens conclusie 6, waarbij de vergrendel-detectie- schakeling bevat: een eerste logische schakeling voor het afleiden van een vergelijkingssignaal uit het afgeleide frequentiesignaal en uit de twee foutsignalen, waarbij dit vergelijkingssignaal de vorm heeft, gegeven door: 35 £'e = £N' C1 + C2’ waarin fN het afgeleide frequentiesignaal voorstelt, correspondeert met het ene foutsignaal, en correspondeert met het andere foutsignaal, en een tweede logische schakeling, die reageert op de eerste logische schakeling en op de monsters van het genoemde ene foutsignaal teneinde daardoor een 86 2 6 3 66 -10- > j'in-lock' indicatiesignaal af te leiden, wanneer de frequentie 'hoog*- of frequentie 'laag'-signalen exclusief aanwezig zijn.

8. Synthesizer volgens conclusie 7, waarin C. correspondeert met i 1 5lhet frequentie 'laag'-foutsignaal en C0 correspondeert met het frequentie i z I'hoog'-foutsignaal, waarbij de comparator, de eerste logische schakeling Jen de tweede logische schakeling dienovereenkomstig onderling verbonden Jzijn.

9. Synthesizer volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de vergrendel- 10jdetectie-schakeling bevat: ! 'vertraging- en invertermiddelen voor het inverteren en toepassen van een j 'geselecteerde tijdsvertraging :.op het afgeleide frequentiesignaal; waarbij1 i leen eerste N-poort verbonden is met de uitgang van de vertragings- en inversie-i ! imiddelen; terwijl een OF-poort verbonden is met de uitgang van deze eerstej ! | 15JN-poort; j jeen aantal in serie geschakelde flip-flops, waarbij de klok-ingangen van j jdeze gemeenschappelijk verbonden zijn, terwijl de terugstelingangen van j [deze verbonden zijn met de uitgang van OF-poort; en j ieen tweede N-poort verbonden met de uitgang van elke flip-flop teneinde j 20iaan de uitgang ervan een 'in-lock'-indicatiesignaal te verschaffen; Γ waarbij de comparator met deze twee schakelingen verbonden is teneinde Ihet frequentie 'laag'-foutsignaal aan te leggen aan de eerste N-poort, | jen klok-ingangen van de flip-flops van de eerste schakeling en aan de OF- j poort van de tweede schakeling, en om het frequentie 'hoog'-foutsignaal j 25jaan te leggen aan de OF-poort van de eerste schakeling en aan de eerste ! N-poort en klok-ingangen van de flip-flops van de tweede schakeling.

12. Synthesizer volgens een der conclusies 6-11 tezamen met een analoge frequentiestuurschakeling; en !schakelmiddelen voor het overbrengen van regelsignalen vanuit de digitale 30!fase-vergrendelde-lus naar de analoge schakeling als reactie op een 'in-loick'-jindicatiesignaal verschaft door de of elke vergrendel-detectieschakeling. : i ! ] i 351 ! s | #V .Γ< Γ5 "V (f. >"·> h ü £ 1.1 ?} D GO&'IQSLC 40 ;