CH617804A5

CH617804A5 - Method and arrangement for phase-exact synchronisation of base generators in carrier frequency systems

Info

Publication number: CH617804A5
Application number: CH796277A
Authority: CH
Inventors: Erhard Dr Steiner
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1976-08-11
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1980-06-13
Also published as: ATA579077A; DE2636150C2; FR2361769B1; LU77942A1; BE857697A; NL7708803A; AT365022B; SE7709061L; DE2636150B1; FR2361769A1; GB1591045A; JPS5821966B2; IT1085727B; JPS5321558A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur phasengenauen Synchronisation von Grundgeneratoren in trägerfrequenten Nachrichtenübertragungssystemen auf eine in Weitverkehrsnetzen übertragene Normalfrequenz. The invention relates to a method and a circuit arrangement for the phase-precise synchronization of basic generators in carrier-frequency communication systems to a normal frequency transmitted in wide area networks.

Die hohen Anforderungen an die Frequenzgenauigkeit der Grundgeneratoren in TF-Breitbandsystemen gaben den Anstoss, im Weitverkehrsnetz der Deutschen Bundespost Einrichtungen zur automatischen Frequenzkontrolle einzuführen, mit dem Ziel, die nach CCITT vorgeschriebene Genauigkeit der Trägerfrequenzen mit erhöhter Zuverlässigkeit möglichst wartungsfrei sicherzustellen. Zu diesem Zweck wurde bereits für 12-MHz-Grundgeneratoren in den Steuerfrequenzversor-gungen eine digitale Frequenznachsteuereinrichtung entwik-kelt, wie sie in der deutschen Patentschrift 1591465 beschrieben ist. Durch die Digitalisierung der Frequenzkorrektur bleibt bei dieser Anordnung, bei der ein zweikanaliger Phasendiskri-minator verwendet wird, stets ein Restfehler übrig, der ein Pendeln der Frequenz um den Sollwert bewirkt. The high demands on the frequency accuracy of the basic generators in TF broadband systems prompted the introduction of facilities for automatic frequency control in the wide area network of the Deutsche Bundespost, with the aim of ensuring the accuracy of the carrier frequencies prescribed by CCITT with increased reliability and with as little maintenance as possible. For this purpose, a digital frequency readjustment device has already been developed in the control frequency supplies for 12 MHz basic generators, as described in German patent 1591465. Due to the digitization of the frequency correction, a residual error always remains in this arrangement, in which a two-channel phase discriminator is used, which causes the frequency to oscillate around the setpoint.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur phasengenauen Synchronisation von Grundgeneratoren mit Hilfe einer Normalfrequenz anzugeben und eine Frequenznachsteuereinrichtung zur phasengenauen Frequenznachsteuerung hierfür zu schaffen. The object of the present invention is to specify a method for the phase-precise synchronization of basic generators with the aid of a normal frequency and to create a frequency readjustment device for this purpose.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäss der Erfindung derart verfahren, dass eine digitale phasengenaue Frequenznachstellung zur Grobeinstellung mit einer analogen Frequenznachstellung zur Feineinstellung kombiniert wird. To achieve this object, the method according to the invention is such that a digital phase-precise frequency adjustment for rough adjustment is combined with an analog frequency adjustment for fine adjustment.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Grobeinstellung eine digitale Phasenregelschleife benützt, die pro Schwebungsperiode zwischen Normalfrequenz und Referenzfrequenz des mitzuziehenden Oszillators einen digitalen Stellschritt zur Frequenzkorrektur abgibt, und dass zusätzlich eine analoge Phasenregelschleife benützt wird, deren Ziehbereich etwa dem doppelten Regelschritt des digitalen Regelkreises entspricht und dass die Mitte des analogen Regelbereichs in der Mitte zwischen den beiden, einer Schwebungsperiode zugehörigen Ansprechpunkten des digitalen Regelkreises liegt und dass bei Überschreiten des analogen Regelbereichs ein weiterer Regelschritt durch den digitalen Regelkreis ausgelöst wird, der ein Zurückkehren der Phase der Referenzfrequenz des mitzuziehenden Oszillators etwa in die Mitte des Stellbereichs der analogen Phasenregelung bewirkt und dass die so gebildete Regelgrösse gespeichert wird. In a further embodiment of the method, a digital phase-locked loop is used for the rough adjustment, which emits a digital actuating step for frequency correction per beat period between the normal frequency and the reference frequency of the oscillator to be pulled, and that an analog phase-locked loop is also used, the pulling range of which corresponds approximately to twice the control step of the digital control loop and that the middle of the analog control range lies in the middle between the two response points of the digital control loop that belong to a beat period, and that if the analog control range is exceeded, a further control step is triggered by the digital control loop, which approximately returns the phase of the reference frequency of the oscillator to be pulled causes the middle of the adjustment range of the analog phase control and that the control variable thus formed is saved.

Ausserdem wird noch so verfahren, dass zusätzlich zur digitalen Speicherung eine Speicherung der analogen Regelgrösse vorgenommen wird, die den Mittelwert der analogen Regelgrösse innerhalb eines vorgesehenen Zeitraums vor Ausfall der Normalfrequenz speichert. In addition, the procedure is such that, in addition to digital storage, the analog control variable is stored, which stores the mean value of the analog control variable within a specified period before the normal frequency fails.

Die erfindungsgemässe Frequenznachsteuereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist derart ausgebildet, dass die Normalfrequenz beiden Kanälen eines zweikanaligen Phasendiskriminators direkt und die vom nachzuziehenden Oszillator abgeleitete Vergleichsfrequenz dem einen Kanal des Phasendiskriminators ebenfalls direkt und dem anderen Kanal um 90° phasenverschoben zugeführt ist, dass die Ausgänge der beiden Kanäle des Phasendiskriminators über Schwellwertdetektoren an einen Vor-Rückwärts-Zähler geführt sind, dass der Zähler ausgangsseitig über einen Digital-Analogwandler und eine Addierstufe auf eine Zieheinrichtung des Oszillators einwirkt, dass am Ausgang des anderen Kanals des Phasendiskriminators ein Spannungsbegrenzer liegt, der ausgangsseitig über einen Tiefpass mit der Addierstufe verbunden ist. The frequency readjustment device according to the invention for carrying out the method according to the invention is designed such that the normal frequency is fed directly to both channels of a two-channel phase discriminator and the comparison frequency derived from the oscillator to be traced is also fed directly to one channel of the phase discriminator and the other channel is phase-shifted so that the outputs of the Both channels of the phase discriminator are routed to a up-down counter via threshold value detectors, that the counter acts on the output side via a digital-analog converter and an adder on a pulling device of the oscillator, that a voltage limiter is located at the output of the other channel of the phase discriminator, which is on the output side a low pass is connected to the adder.

Ein Vorteil des neuen Nachsteuerverfahrens liegt darin, dass ein Pendeln der Phase zwischen den Schaltpunkten und damit ein andauernder Frequenzfehler in der Grössenordnung eines Stellschrittes vermieden wird und dass bei geeigneter Dimensionierung Schlupfverluste nicht mehr auftreten. Dadurch ergibt sich grundsätzlich die Möglichkeit, auch Netz2 An advantage of the new readjustment method is that the phase fluctuates between the switching points and thus a persistent frequency error in the order of magnitude of an actuating step and that slip losses no longer occur with suitable dimensioning. This basically gives you the option of using Netz2

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

Î5 Î5

40 40

45 45

50 50

55 55

Mi b5 Wed b5

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knoten des noch aufzubauenden digitalen Datennetzes und des PCM-Fernsprechnetzes über das Trägerfrequenznetz zu synchronisieren. to synchronize nodes of the digital data network still to be set up and the PCM telephone network via the carrier frequency network.

Der Zusatzaufwand zu dem einfachen digitalen Regelkreis ist äusserst gering. 5 The additional effort for the simple digital control loop is extremely low. 5

Ein weiterer Vorteil für das Nachsteuerverfahren ist, dass der Frequenzkorrekturwert gespeichert werden kann, so dass bei Ausfall des die Normalfrequenz übertragenden Frequenz-vergleichspilotes die zuletzt am Grundgenerator eingestellte Frequenz erhalten bleibt, ohne dass aufwendige Speicher und 10 Digital-Analog-Wandler mit hoher Bit-Zahl verwendet werden müssen. Die erzielbare Regelzeitkonstante kann sehr gross sein, wodurch eine extreme Unempfindlichkeit des nachgesteuerten Grundgenerators gegenüber Amplituden- und Phasenstörungen des Frequenzvergleichspilotes erreicht wird. Die 15 grosse Kurzzeitstabilität der Grundgeneratorfrequenz und der von ihr abgeleiteten Trägerfrequenzen kann daher auch im nachgesteuerten Betrieb weitgehend erhalten bleiben. A further advantage for the readjustment method is that the frequency correction value can be saved, so that if the frequency comparison pilot transmitting the normal frequency fails, the frequency last set on the basic generator is retained without the need for expensive memories and 10 digital-to-analog converters with high bit Number must be used. The achievable control time constant can be very large, as a result of which the readjusted basic generator is extremely insensitive to amplitude and phase disturbances of the frequency comparison pilot. The 15 large short-term stability of the basic generator frequency and the carrier frequencies derived from it can therefore largely be retained even in the controlled operation.

Als Schwellwertdetektoren lassen sich vorteilhaft Schmitt-Trigger verwenden. 20 Schmitt triggers can advantageously be used as threshold value detectors. 20th

Schaltet man in den einen Kanal des Phasendiskriminators für das Betragskriterium einen Frequenzteiler ein, so lässt sich die Zeitkonstante der Regelung um den Teilungsfaktor erhöhen. If a frequency divider is switched on in one channel of the phase discriminator for the amount criterion, the time constant of the control can be increased by the division factor.

Als Tiefpass kann man vorteilhaft einen RC-Tiefpass ver- ^ wenden, der als Kondensatorspeicher ausgebildet ist. An RC low pass, which is designed as a capacitor store, can advantageously be used as the low pass.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn bei Ausfall der Normalfrequenz der Kondensatorspeicher vom analogen Regelteil abgetrennt ist. It is also advantageous if, in the event of a failure of the normal frequency, the capacitor store is disconnected from the analog control part.

Ferner kann es von Vorteil sein, wenn die Diskriminator-kennlinie des analogen Regelteils trapezförmig ist. It can also be advantageous if the discriminator characteristic of the analog control section is trapezoidal.

Anhand des Blockschaltbildes nach Fig. 1 und der Diagramme nach den Fig. 2 bis 4 wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. On the basis of the block diagram of FIG. 1 and the diagrams of FIGS. 2 to 4, the invention is explained in more detail, for example.

Das Prinzip des Nachsteuer Verfahrens veranschaulicht der 35 Blockstromlauf nach Fig. 1. Von dem nachzusteuernden Oszillator 11 wird über einen synchronen Frequenzwandler 14 eine interne Referenzfrequenz fR abgeleitet. Ihre Phase wird in einem digitalen Phasendiskriminator 1 mit der Phase der Normalfrequenz fN verglichen. In den Nachsteuereinrichtungen für 40 die TF-Grundgeneratoren erfolgt der Phasenvergleich bei fR = fN = 300 kHz. The principle of the readjustment process is illustrated in the block current flow according to FIG. 1. An internal reference frequency fR is derived from the oscillator 11 to be readjusted via a synchronous frequency converter 14. Their phase is compared in a digital phase discriminator 1 with the phase of the normal frequency fN. In the readjustment devices for the 40 basic TF generators, the phase comparison takes place at fR = fN = 300 kHz.

Der digitale Phasendiskriminator 1 hat zwei Kanäle 2,3. In jedem dieser Kanäle wird eine Schwebung von fR und fN gebildet. Dreht man die Phase z. B. von fR in einem der beiden 45 Kanäle um 90° gegenüber dem anderen, dann sind auch die Schwebungen A und B in den beiden Kanälen um 90° phasenverschoben. Das Vorzeichen der Phasenverschiebung kehrt sich bei Wechsel des Vorzeichens der Frequenzdifferenz von fR und fN ebenfalls um. Man kann daher einen der beiden Kanäle so dazu benützen, den Betrag der Phasendifferenz von fR und fN zu messen und aus dem anderen das zugehörige Vorzeichen gewinnen. The digital phase discriminator 1 has two channels 2, 3. A beat of fR and fN is formed in each of these channels. If you turn the phase z. B. of fR in one of the two 45 channels by 90 ° relative to the other, then the beats A and B in the two channels are also 90 ° out of phase. The sign of the phase shift is also reversed when the sign of the frequency difference of fR and fN changes. One can therefore use one of the two channels to measure the magnitude of the phase difference between fR and fN and to obtain the associated sign from the other.

Für jede n-te Schwebungsperiode liefert der Betrag-Kanal einen Impuls. Dieser Impuls schaltet einen elektronischen Zäh- 55 1er 8 vorzeichenrichtig um einen Schritt auf- oder abwärts. Ein Digital-Analog-Wandler 9 erzeugt eine dem Zählerstand entsprechende Gleichspannung (Gleichstrom), die einer als Frequenzstellglied vorgesehenen Varaktordiode im Oszillator zugeführt wird. Der Zählerstand ist daher ein Mass für die t>o erfolgte Frequenzkorrektur. Er bleibt bei einem Ausfall der Normalfrequenz beliebig lange erhalten. Unterbrechungen in der Normalfrequenzübertragung haben also keinen Einfluss auf die Kurzzeitfrequenzstabilität des Oszillators 11. Hierin liegt der wesentliche Vorteil des digitalen Verfahrens. « The magnitude channel provides a pulse for every nth beat period. This pulse switches an electronic counter 8 with the correct sign by one step up or down. A digital-to-analog converter 9 generates a direct voltage (direct current) corresponding to the counter reading, which is supplied to a varactor diode provided as a frequency actuator in the oscillator. The counter reading is therefore a measure of the frequency correction that has occurred. It remains as long as the normal frequency fails. Interruptions in the normal frequency transmission therefore have no influence on the short-term frequency stability of the oscillator 11. This is the main advantage of the digital method. «

Liegt eine Frequenzdifferenz zwischen fR und fN vor, dann werden in den Zähler so lange Impulse in einer Richtung eingezählt, bis die Frequenzkorrekur am Oszillator den Frequenzfehler ausgeregelt hat. Als Folge der Digitalisierung der Frequenzkorrektur mus s jedoch im allgemeinen ein Restfehler ^ 1 Schritt verbleiben. Er führt dazu, dass im eingeschwungenen Zustand die Frequenz des Oszillators um ihren Sollwert pendelt. Die Häufigkeit der dann abwechselnd positiven und negativen Korrekturschritte hängt ab von der Zeitkonstante der Regelung und beträgt im Mittel einen Schritt in 2T Sekunden, wenn T die Regelzeitkonstante bedeutet. If there is a frequency difference between fR and fN, pulses in one direction are counted into the counter until the frequency correction on the oscillator has corrected the frequency error. As a result of the digitization of the frequency correction, however, a residual error ^ 1 step must generally remain. It causes the frequency of the oscillator to oscillate around its setpoint in the steady state. The frequency of the then alternating positive and negative correction steps depends on the time constant of the control and is on average one step in 2T seconds if T means the control time constant.

Dem Pendeln der Frequenz entspricht auch ein Pendeln der Phase bzw. der Phasenlaufzeit zwischen dem Normalfrequenz fN und der Vergleichsfrequenz fR. Es beträgt etwa 1 Periode der Vergleichsfrequenz. Schaltet man in den Betrag-Kanal des Phasendiskriminators einen Frequenzteiler 6, dann erhöht sich die Zeitkonstante der Regelung um den Teilungsfaktor und die Phasenschwankung entsprechend. Ein derartiger Frequenzteiler 6 bietet die Möglichkeit, die Häufigkeit der Korrekturschritte an die Frequenzinstabilität des Oszillators anzupassen, da man bestrebt sein wird, die Kurzzeitfrequenzstabilität des Oszillators durch zu häufige Pendelschritte nicht unnötig zu verschlechtern. The oscillation of the frequency also corresponds to an oscillation of the phase or the phase delay between the normal frequency fN and the comparison frequency fR. It is about 1 period of the comparison frequency. If you switch a frequency divider 6 into the magnitude channel of the phase discriminator, the time constant of the control increases accordingly by the division factor and the phase fluctuation. Such a frequency divider 6 offers the possibility of adapting the frequency of the correction steps to the frequency instability of the oscillator, since efforts will be made not to unnecessarily worsen the short-term frequency stability of the oscillator due to frequent oscillation steps.

Für die Nachsteuerung von Präzisionsoszillatoren liegt hierin der Nachteil, dass die Zeitkonstante des digitalen Regelkreises an die schlechtesten Oszillatoren der Serie angepasst werden muss, und somit die besten Oszillatoren häufiger geschaltet werden als notwendig. Wie später gezeigt wird, werden die Korrekturschritte im digitalen Regelkreis mit einer bestimmten Häufigkeit auch zu einem Phasenschlupf führen, so dass der Restfehler der Frequenz des nachgesteuerten Generators auch über lange Zeiträume nicht zu null wird. Bei der Nachsteuereinrichtung für die 12-MHz-Grundgeneratoren liegt dieser mittlere Frequenzfehler bei etwa 2 • 10~10, also etwa eine Grössenordnung unter der Schrittgrösse. For the readjustment of precision oscillators, the disadvantage here is that the time constant of the digital control loop has to be adapted to the worst oscillators in the series, and therefore the best oscillators are switched more frequently than necessary. As will be shown later, the correction steps in the digital control loop will also lead to a phase slip with a certain frequency, so that the residual error of the frequency of the controlled generator does not become zero even over long periods of time. In the readjustment device for the 12 MHz basic generators, this mean frequency error is approximately 2 • 10 ~ 10, that is approximately one order of magnitude below the step size.

Durch Weglassen des in diesen Regelkreis eingefügten Frequenzteilers 1:16 könnte der mittlere Frequenzfehler auf etwa 1,2 • 10~ureduziert werden. Allerdings erhöht sich dann die mittlere Häufigkeit der (Pendel-)Schritte von 1 Schritt in 11 Stunden auf 1 Schritt in 0,7 Stunden. By omitting the frequency divider 1:16 inserted in this control loop, the average frequency error could be reduced to approximately 1.2 • 10 ~. However, the average frequency of the (pendulum) steps increases from 1 step in 11 hours to 1 step in 0.7 hours.

Die hier geschilderten Nachteile des digitalen Regelkreises lassen sich vermeiden, wenn man zusätzlich einen analogen Regelkreis einführt, dessen Ziehbereich etwa ± 1 Schritt des digitalen Regelkreises entspricht. Durch den ausserordentlich kleinen Ziehbereich des analogen Regelkreises ist die Verkopp-lung des Grundgenerators 11 mit der zugeführten Normalfrequenz sehr gering. Die hohe Kurzzeit-Frequenzstabilität des Grundgenerators 11 bleibt daher erhalten. The disadvantages of the digital control loop described here can be avoided by additionally introducing an analog control loop whose pulling range corresponds to approximately ± 1 step of the digital control loop. Due to the extremely small pulling range of the analog control circuit, the coupling of the basic generator 11 to the supplied normal frequency is very low. The high short-term frequency stability of the basic generator 11 is therefore retained.

Der analoge Regelkreis ist in Fig. 1 ebenfalls eingezeichnet. Die dreieckförmige Schwebungsspannung am Punkt B des Vorzeichen-Zweiges im digitalen Phasendiskriminator 1 wird trapezförmig begrenzt und über einen RC-Tiefpass 13 der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 9 hinzuaddiert. Die analoge Regelgrösse bewirkt, dass der im digitalen Regelkreis verbleibende Restfehler bis auf null ausgeregelt wird. Bei Ausfall der Normalfrequenz nimmt die analoge Regelspannung ihren Mittelwert ein. Der Frequenzfehler kann also maximal einen Stellschritt betragen. The analog control loop is also shown in FIG. 1. The triangular beat voltage at point B of the sign branch in the digital phase discriminator 1 is trapezoidally limited and added to the output voltage of the digital-to-analog converter 9 via an RC low-pass filter 13. The analog control variable causes the residual error remaining in the digital control loop to be corrected to zero. If the normal frequency fails, the analog control voltage takes its average value. The frequency error can therefore be a maximum of one control step.

Dieser Restfehler lässt sich in einfacher Weise verkleinern, wenn man die analoge Regelspannung bei Ausfall der Normalfrequenz in einem Analogspeicher festhält. Am einfachsten gelingt die Realisierung mit einem Kondensatorspeicher. Die Anforderungen an diesen Speicher sind nicht hoch, da ein Fehler ja nur bezogen auf den kleinen analogen Regelbereich, also bezogen auf zwei Stellschritte eingeht. This residual error can be reduced in a simple manner if the analog control voltage is retained in an analog memory if the normal frequency fails. The easiest way to achieve this is with a capacitor store. The requirements for this memory are not high, since an error only occurs in relation to the small analog control range, i.e. in relation to two adjustment steps.

Bei der Nachsteuereinrichtung für die 60-MHz-Grundgene-ratoren beträgt der analoge Regelbereich maximal ± 10~9. Im Versuch Hessen sich Speicherverluste 0,5% pro Stunde unschwer realisieren. Das entspricht einer Frequenzdrift von maximal 5 • 10-'2 pro Stunde. With the readjustment device for the 60 MHz basic generators, the analog control range is a maximum of ± 10 ~ 9. In the Hessen test, memory losses of 0.5% per hour can be easily achieved. This corresponds to a frequency drift of a maximum of 5 • 10-'2 per hour.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Schwebungen im Phasendiskri- 2 shows the course of the beats in the phase discrimination

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minator und ihre relative Phasenlage dargestellt. Im Betrag-Kanal 2 des digitalen Phasendiskriminators 1 wird die dreieck-förmige Schwebung A gebildet, im Vorzeichen-Kanal die um 90° verschobene Schwebung B. Auf der Abszisse ist die Schwe-bungsphase <p = 2 n (fR-f}>j)t aufgetragen. fR > fN bedeutet daher in Fig. 2 ein Fortschreiten auf der Abszisse von links nach rechts, fR< fN ein Fortschreiten von rechts nach links. Die Schwebungsspannung A steuert einen Schmitt-Trigger 5, der pro Schwebungsperiode einen Korrekturimpuls an den digitalen Zähler abgibt (n = 1). Ist fR > fN, wird dieser Schmitt-Trigger 5 in den Schaltpunkten V (i = ... -2, -1,0,1,2...) in die «Vorbereitungslage» gekippt und in den zugehörigen Schaltpunkten S,- wieder in die «Ruhelage» zurückkehren und dabei jeweils einen Korrekturimpuls in den Zähler einzählenJst fR < fN, dann erfolgt die Vorbereitung in den Punkten V; und das Schalten in den Punkten S,. _ minator and their relative phase position. In the magnitude channel 2 of the digital phase discriminator 1, the triangular beat A is formed, in the sign channel the beat B shifted by 90 °. The beat phase is on the abscissa <p = 2 n (fR-f}> j ) t plotted. In FIG. 2, fR> fN therefore means a progression from left to right on the abscissa, fR <fN a progression from right to left. The beat voltage A controls a Schmitt trigger 5, which emits a correction pulse to the digital counter per beat period (n = 1). If fR> fN, this Schmitt trigger 5 is tipped in the switching points V (i = ... -2, -1,0,1,2 ...) into the «preparation position» and in the associated switching points S, - Return to the "rest position" and count a correction pulse into the counter each time Jst fR <fN, then the preparation is carried out in points V; and switching in points S ,. _

Da die Punkte Sj jeweils mit negativen und die Punkte Si jeweils mit positiven Halbwellen der Schwebung B zusammenfallen, kann diese benützt werden, um den Zählvorgang jeweils «abwärts» oder «aufwärts» zu steuern. Since the points Sj coincide with negative and the points Si with positive half-waves of beat B, this can be used to control the counting process “downwards” or “upwards”.

Ausgehend von einem bestimmten Anfangsfehler der Frequenz werden in einer Richtung so viele Schwebungsperioden durchlaufen, als Korrekturschritte erforderlich sind, um den Frequenzfehler auszuregeln. Nehmen wir an, der letzte Korrekturschritt sei im Punkt So erfolgt und habe den vorher noch positiven Restfehler der Frequenz überkompensiert, so dass nunmehr ein negativer Restfehler vorhanden sei. Die Phase der Schwebung wird dann von Punkt So über Vo nach So wandern. Dort erfolgt wieder eine Korrektur in positiver Richtung usw. Die Phase pendelt also zwischen den Punkten So und So hin und her. Starting from a certain initial error of the frequency, as many beat periods are run through in one direction as correction steps are required in order to correct the frequency error. Let us assume that the last correction step was made in point So and overcompensated the previously positive residual error of the frequency, so that there is now a negative residual error. The phase of the beat will then move from point So through Vo to So. There is a correction in the positive direction again, etc. The phase oscillates between the points So and So.

Die Pendelschritte werden so lange andauern, bis beispielsweise durch positive Frequenzdrift des Oszillators 11 der Frequenzfehler am Punkt So so gross geworden ist, dass er gerade noch korrigiert werden kann. Der sehr geringe negative Frequenzfehler nach der Korrektur wird nun durch die anhaltende positive Drift der Oszillatorfrequenz kompensiert, noch bevor der Schaltpunkt §o erreicht wird. Die Schwebungsrichtung kehrt um. _ _ The oscillation steps will continue until, for example, due to positive frequency drift of the oscillator 11, the frequency error at the point has become so large that it can just about be corrected. The very low negative frequency error after the correction is now compensated by the sustained positive drift of the oscillator frequency, even before the switching point §o is reached. The beat direction reverses. _ _

Erfolgt die Richtungsumkehr im Bereich (Vo, So), ist der Schmitt-Trigger 5 bereits wieder in die Vorbereitungslage gekippt und im Punkt So erfolgt ein erneuter Korrekturschritt. Erfolgt die Richtungsumkehr im Bereich (So, Vo) so kann der Schmitt-Trigger 5 erst wieder im Punkt Vi in die Vorbereitungslage kippen und die Frequenzkorrektur kann erst im Punkt Si geschehen. Es tritt ein Schlupfverlust von einer Periode der Normalfrequenz auf. Ist in den Betrag-Kanal des Phasendiskriminators ein Frequenzteiler 1 :n eingeschaltet, pendelt die Phase innerhalb n Perioden der Schwebung und ein Phasenschlupf kann bis zu n Perioden betragen. If the direction is reversed in the area (Vo, So), the Schmitt trigger 5 has already tilted back into the preparation position and another correction step is carried out in the So point. If the direction is reversed in the area (So, Vo), the Schmitt trigger 5 can only tip back into the preparation position at point Vi and the frequency correction can only take place at point Si. Slip loss occurs from one period of normal frequency. If a frequency divider 1: n is switched on in the magnitude channel of the phase discriminator, the phase oscillates within n periods of the beat and a phase slip can amount to up to n periods.

Der Zusammenhang zwischen der Phasendifferenz Acp und der Phasenlaufzeitdifferenz Ax von fR und fN ergibt sich zu The relationship between the phase difference Acp and the phase delay difference Ax of fR and fN results in

AT = AT =

Acp Acp

WT. WT.

fR~fN fR ~ fN

~*r~ ~ * r ~

«1 ). "1 ).

Um zu verhindern, dass Phasenjitter auf der Normalfrequenz zur Auslösung falscher Korrekturschritte führt, muss zwischen den Schaltpotentialen V und S eine Hystérésis vorgesehen werden. Man wird bestrebt sein, diese Hystérésis so gross wie möglich zu machen, um maximale Störunterdrük-kung zu erreichen. In order to prevent phase jitter on the normal frequency from triggering incorrect correction steps, a hysteresis must be provided between the switching potentials V and S. One will endeavor to make this hysteresis as large as possible in order to achieve maximum interference suppression.

In Fig. 2 entspricht die Hystérésis ein Drittelnder Schwebungsperiode, d. h. 120° (Abstand Vo, So bzw. Vo, So). Phasenjitter der Normalfrequenz mit einem Hub kleiner ± 60° kann daher den Abstand von Vorbereitungs- und Schaltpunkt nicht mehr überstreichen und demnach auch nicht zu fälschlicher Auslösung von Korrekturschritten führen. Schnelles Phasenjitter wird durch ein Tiefpassfilter am Ausgang des Phasendiskri-5 minators unterdrückt und kann auch über den Wert ± 60° hinausgehen, ohne den Nachsteuervorgang zu stören. In Fig. 2, the hysteresis corresponds to one third of the beat period, i.e. H. 120 ° (distance Vo, So or Vo, So). Phase jitter of the normal frequency with a stroke of less than ± 60 ° can therefore no longer cover the distance between the preparation and switching points and therefore cannot lead to incorrect triggering of correction steps. Fast phase jitter is suppressed by a low-pass filter at the output of the phase discriminator and can also exceed the value ± 60 ° without disturbing the readjustment process.

Aus der Schwebungsspannung B des Vorzeichenkanals gewinnt man durch Begrenzen die Regelspannung C. Die 10 Begrenzung ist so eingestellt, dass der steile Verlauf innerhalb der Vorbereitungspunkte (Vj, V;) liegt. Es ist darauf zu achten, dass das Vorzeichen der Neigung dem stabilen Ast der analogen Regelkennlinie entspricht, ansonsten muss die Phase der Schwebung C um 180° gedreht werden. The control voltage C is obtained from the beat voltage B of the sign channel by limiting. The limitation is set so that the steep course lies within the preparation points (Vj, V;). It must be ensured that the sign of the inclination corresponds to the stable branch of the analog control characteristic, otherwise the phase of beat C must be rotated by 180 °.

15 Am Ende eines Einschwingvorganges der digitalen Regelung verursacht der letzte Korrekturschritt z. B. im Punkt So eine Umkehr der Schwebungsrichtung, bei einem maximalen Restfehler der Frequenz von 1 Schritt Da der analoge Regelbereich zwei Korrekturschritte beträgt, wirdder Oszillator im 20 linearen Teil der Schwebung C (Bereich Vo, Vo) gefangen. 15 At the end of a transient process of the digital control, the last correction step z. B. in point So a reversal of the beat direction, with a maximum residual error of the frequency of 1 step. Since the analog control range is two correction steps, the oscillator is caught in the 20 linear part of beat C (range Vo, Vo).

Durch Frequenzdrift des Oszillators wandert nunmehr der Arbeitspunkt bis zu einem Endpunkt des analogen Regelbereiches (Vo bzw. Vo). Erst bei Fortbestehen der Frequenzdrift entsteht ein kleiner Frequenzfehler, der die Phase bis zum Punkt So 25 bzw. So driften lässt. Unter der Voraussetzung, dass die Kurzzeitstabilität des Oszillators und der Normalfrequenz bei einer Phasendrift von Vo nach So (bzw. Vo nach So) einen Frequenzfehler A f/f 11 Schritt garantiert, muss der Korrekturschritt im Punkt So (bzw. So) immer ausreichen, die Phase in den Ziehbe-» reich der analogen Regelung zurückzuführen. Phasenschlupf kann demnach nicht auftreten. Due to frequency drift of the oscillator, the operating point now moves to an end point of the analog control range (Vo or Vo). Only when the frequency drift persists does a small frequency error occur, which causes the phase to drift to So 25 or So. Provided that the short-term stability of the oscillator and the normal frequency guarantees a frequency error A f / f 11 step with a phase drift from Vo to So (or Vo to So), the correction step in the So (or So) point must always be sufficient, the phase in the pulling range of the »analog control. Accordingly, phase slip cannot occur.

In Fig. 3 ist das Einschwingverhalten einer rein digitalen Nachsteuereinrichtung (strichlierte Kurve) und der neuen Nachsteuereinrichtung mit digitalem und analogem Regelkreis i3 (durchgezogene Kurve) dargestellt. A f/f / er bezeichnet die auf die Schrittgrösse bezogene Frequenzablage, t/T die auf die Zeitkonstante des digitalen Regelkreises bezogene Zeit. Als stetige Näherung ergibt sich jeweils ein exponentieller Kurvenverlauf, der die Zeitkonstante wie folgt definiert: 3 shows the transient response of a purely digital readjustment device (dashed curve) and the new readjustment device with digital and analog control circuit i3 (solid curve). A f / f / er denotes the frequency offset related to the step size, t / T the time related to the time constant of the digital control loop. An exponential curve, which defines the time constant as follows, results as a constant approximation:

40 40

Digitale Regelung: T = To/ a Digital-Analoge-Regelung:TDA = (1 + a)To/a t0: Phasenlaufzeit pro Schwebungsperiode (3,33 jis bei Phasen-45 vergleich auf der 300-kHz-Ebene und ohne Frequenzteiler im Betrag-Kanal) Digital control: T = To / a Digital-analog control: TDA = (1 + a) To / a t0: phase runtime per beat period (3.33 jis for phase 45 comparison on the 300 kHz level and without frequency divider in Amount channel)

er: Schrittgrösse a: Bereich des linearen Astes der Schwebung im analogen Phasendiskriminator, bezogen auf die Schwebungsperiode (1/6 in m Fig. 2). er: Step size a: Area of the linear branch of the beat in the analog phase discriminator, based on the beat period (1/6 in m Fig. 2).

In der gewählten Darstellung wird die Sollfrequenz zum Zeitpunkt null erreicht. Wenn man die Frequenzinstabilität des nachgesteuerten Generators ausser Betracht lässt, wird ab diesem Zeitpunkt bei nur digitaler Regelung die Frequenz um den 55 Sollwert pendeln. In the selected display, the target frequency is reached at zero time. If one ignores the frequency instability of the post-controlled generator, the frequency will oscillate around the 55 setpoint from this point in time with only digital control.

Beim kombinierten Regelkreis erfolgt nach dem Fangen des Oszillators etwa zum Zeitpunkt 1 die vollständige Ausregelung des Frequenzfehlers. Obwohl die Zeitkonstante des digital-analogen Regelkreises grösser ist als die des rein digitalen, wird die Sollfrequenz schneller erreicht. Dem Regelvorgang ist eine trapezförmige Schwebung überlagert, die auf das Durchpumpen des analogen Regelkreises im nicht gefangenen Zustand zurückzuführen ist. In the case of the combined control loop, after the oscillator has been caught, the frequency error is completely compensated for at about time 1. Although the time constant of the digital-analog control loop is greater than that of the purely digital one, the target frequency is reached more quickly. A trapezoidal beat is superimposed on the control process, which is due to the pumping through of the analog control circuit in the non-trapped state.

Die Eigenschaften des nachgesteuerten Grundgenerators 65 lassen sich durch den Frequenz- und den Phasenlaufzeitfehler in Abhängigkeit von der Messzeit beschreiben. Die erreichbare Genauigkeit hängt ab von der Frequenzstabilität der Normalfrequenz und des Oszillators. The properties of the readjusted basic generator 65 can be described by the frequency and phase delay errors as a function of the measurement time. The accuracy that can be achieved depends on the frequency stability of the normal frequency and the oscillator.

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In Fig. 4 ist der Zusammenhang zwischen Frequenzinstabili- tors ohne Schlupf korrigiert wird. Geht man mit der Schritt-tät und Phasenlaufzeitfehler für den 60-MHz-Grundgenerator. grosse unter die durch die A f/f-Kurve bestimmte Grenze, so in den Kurven A TOsz und A f/f Osz dargestellt. Die wannenför- muss mit Schlupf gerechnet werden. In Fig. 4 the relationship between frequency stabilizer without slip is corrected. If you go with the step and phase delay errors for the 60 MHz basic generator. large below the limit determined by the A f / f curve, as shown in the curves A TOsz and A f / f Osz. The tub support must be expected to slip.

mige Kurve der relativen Frequenzabweichung des Oszillators Die untere Grenze für den Phasenlaufzeitfehler zwischen wird links durch einen mit der Messzeit proportional fallenden 5 Frequenzvergleichspilot (fN) und Oszillatorfrequenz ist durch Ast begrenzt, der im wesentlichen auf additives weisses Rau- das Jitter des Frequenzvergleichspilots (A x-Pilot) bestimmt. Es sehen zurückzuführen ist. Der mittlere, etwa horizontal verlau- muss kleiner sein, als der Abstand zwischen Vi, Si bzw. Vj, S;, im fende Teil ist vorwiegend auf multiplikatives Rauschen und vorgenannten Fall also kleiner als 1,1 jis, damit es nicht zur stö-Temperatureinflüsse zurückzuführen und der rechte, mit der renden Auslösung von Regelschritten führt. The curve of the relative frequency deviation of the oscillator The lower limit for the phase delay error between is limited on the left by a frequency comparison pilot (fN) that falls proportionally with the measurement time and the oscillator frequency is limited by Ast, which essentially consists of additive white noise - the jitter of the frequency comparison pilot (A x -Pilot). See it is due. The middle, approximately horizontally, must be smaller than the distance between Vi, Si or Vj, S ;, in the end part is mainly due to multiplicative noise and the aforementioned case is smaller than 1.1 jis so that it does not Temperature influences and the right one, with the current triggering of control steps.

Messzeit proportional steigende Ast entspricht dem Alterungs-10 Im Netz der DBP ist z. B. das maximale Phasenlaufzeitjitter verlauf. Aus der Kurve für die Frequenzinstabilität gewinnt durch Wahltonstörungen am Frequenzvergleichspilot 60 kHz man die Kurve für die Phasenlaufzeit durch Multiplikation mit bedingt. Es kann nach Pflichtenheft maximal 0,6 jxs Spitze -der Messzeit, entsprechend der Beziehung Spitze betragen. Diese Phasenlaufzeitschwankung ist als Measuring time proportionally increasing branch corresponds to the aging 10 In the network of the DBP is z. B. the maximum phase delay jitter. From the curve for frequency instability, the curve for the phase delay is obtained by multiplication with conditional tone disturbances on the frequency comparison pilot 60 kHz. According to the specification, it can be a maximum of 0.6 jxs peak - the measuring time, according to the peak relationship. This phase delay fluctuation is as

A t-Pilot in Fig. 4 ebenfalls eingetragen und bestimmt die schraf-15 fierte Grenze a für den Arbeitspunkt S der Regelung. Sie ent-n~ _ Af % . spricht der Dimensionierung mit minimaler Phasenlaufzeitdif- A t-pilot also entered in FIG. 4 and determines the hatched limit a for the working point S of the control. You ent-n ~ _ Af%. speaks of dimensioning with minimal phase difference

^ £ * ferenz zwischen Oszillator und Frequenzvergleichspilot bzw. ^ £ * reference between oscillator and frequency comparison pilot or

kürzester Regelzeitkonstante. shortest control time constant.

Die untere, schraffierte Grenze b bestimmt die kleinstmög-Für einen Phasenvergleich bei 300 kHz beträgt die Phasen- 20 liehe Schrittgrösse und der rechte, ansteigende Ast c die maxi-laufzeit zwischen den Endpunkten des linearen Regelbereiches mal zulässige Zeitkonstante, entsprechend der grösstmögli-(V;, V() und den Schaltpunkten (Si, 3j) etwa ein Drittel der chen Unterdrückung von Kurzzeitstörungen des Frequenzver- The lower, hatched limit b determines the smallest possible. For a phase comparison at 300 kHz, the phase step size is 20 and the right, increasing branch c is the maximum running time between the end points of the linear control range times the permissible time constant, corresponding to the largest possible (V ;, V () and the switching points (Si, 3j) about a third of the suppression of short-term disturbances of the frequency

Schwebungsperiode, also 1,1 (xs; (siehe Fig. 2). Wenn also der gleichspilotes. Beat period, so 1.1 (xs; (see Fig. 2). So if the same pilot.

Oszillator den linearen Regelbereich verlässt, muss er bis zum Um'möglichst hohe Kurzzeitfrequenzstabilität im Weitver- Oscillator leaves the linear control range, it must remain in the wide range up to the highest possible short-term frequency stability.

Erreichen des nächstgelegenen Schaltpunktes 1,1 p,s Phasen- 25 kehrsnetz zu verwirklichen, ist anzustreben, die Normalfre-laufzeit überwinden. Das ist nur möglich, wenn in dieser Zeit quenz möglichst nicht mehr mit dem Frequenzvergleichspilot ein gewisser Frequenzfehler vorhanden ist. Aus dem Dia- 60 kHz, sondern mit den Piloten 300 kHz ( 12-MHz-System) To achieve the closest switching point 1.1 p, s phase-25 network, the aim should be to overcome the normal freewheeling time. This is only possible if a certain frequency error is no longer possible with the frequency comparison pilot during this time. From the slide 60 kHz, but with the pilots 300 kHz (12 MHz system)

gramm nach Fig. 4 ist zu ersehen, dass 1,1 jis Phasenlaufzeitdif- bzw. 4200 kHz (60-MHz-System) zu übertragen. Dadurch wird ferenz einem mittleren Frequenzfehler < 10-10 entsprechen. sich der Sicherheitsabstand zur linken Grenze a des zulässigen Wählt man die Schrittgrösse 8 = 5- 10-10 (Punkt S), so hat man 30 Arbeitspunktbereiches der Regelung entsprechend vergrös-genügend Sicherheit, dass spontane Frequenzdrift des Oszilla- sern. 4 can be seen that 1.1 jis to transmit phase difference or 4200 kHz (60 MHz system). This means that reference will correspond to an average frequency error <10-10. The safety distance to the left limit a of the permissible If you select step size 8 = 5- 10-10 (point S), you have 30 working point ranges of the control system which are sufficiently large and sufficient to ensure that the oscillator's spontaneous frequency drift.

G G

4 Blatt Zeichnungen 4 sheets of drawings

Claims

617804 PATENT CLAIMS

1. A method for phase-precise synchronization of basic generators in carrier-frequency communication systems to a normal frequency transmitted in wide area networks, characterized in that a digital phase-exact frequency adjustment for coarse adjustment is combined with an analog frequency adjustment for fine adjustment.

2. The method according to claim 1, characterized in that a digital phase-locked loop is used for the rough adjustment, which emits a digital actuating step for frequency correction per beat period between the normal frequency and the reference frequency of the oscillator to be pulled, and in addition that an analog phase-locked loop is used, the pulling range of which is approximately double Control step of the digital control loop corresponds, and that the center of the analog control range lies in the middle between the two response points of the digital control loop associated with a beat period, and that if the analog control range is exceeded, a further control step is triggered by the digital control loop, which returns the Phase of the reference frequency of the oscillator to be dragged causes approximately in the middle of the range of the analog phase control, and that the control variable thus formed is stored.

3. The method according to claim 1, characterized in that in addition to the digital storage, a storage of the analog control variable is carried out, which stores the mean value of the analog control variable within a planned period of time before failure of the normal frequency.

4. frequency control device for performing the method according to claim 1, characterized in that the normal frequency (fN) in the channels (2,3) of a two-channel phase discriminator (1) directly and the comparison frequency derived from the oscillator to be traced (fR) the one channel (2 ) of the phase discriminator (1) is also fed directly and the other channel (3) out of phase by 90 °, that the outputs of the two channels (2, 3) of the phase discriminator (1) via threshold value detectors (5,7) to a forward / reverse - Counters (8) are guided so that the counter (8) acts on the output side via a digital-to-analog converter (9) and an adder (10) on a pulling device of the oscillator (11) that acts on the output of the other channel (3) of the phase discriminator there is a voltage limiter (12) which is connected on the output side to the adding stage via a low-pass filter (13).

5. Frequency control device according to claim 4, characterized in that the threshold value detectors (5,7) are Schmitt triggers.

6. Frequency control device according to claim 4, characterized in that the threshold detector (5) in the one channel (2) of the digital phase discriminator (1) is followed by a frequency divider (6).

7. Frequency control device according to claim 6, characterized in that the low pass (13) is an RC low pass, which is designed as a capacitor memory.

8. frequency control device according to claim 7, characterized in that in the event of failure of the normal frequency, the capacitor store is separated from the analog control part.

9. frequency control device according to claim 8, characterized in that the discriminator characteristic of the analog control part is trapezoidal.