DE2444676A1

DE2444676A1 - Digitaler phasenkomparator

Info

Publication number: DE2444676A1
Application number: DE19742444676
Authority: DE
Inventors: James David Dr Last; Emyr Wyn Dr Robersts
Original assignee: Bangor University
Current assignee: Bangor University
Priority date: 1973-09-19
Filing date: 1974-09-18
Publication date: 1975-03-27
Also published as: GB1439850A; JPS5078291A; DK493574A; SE7411739L; JPS5325798B2; NO743283L; US3968493A; SE403192B

Description

Digitaler Phasenkomparator

Die Erfindung betrifft digitale Phasenkomparatoren und Phasenvergleichs-Funknavigationssysteme mit digitalen Phasenkomparatoren.

Bei bestimmten Arten von Phasenvergleichs-Funknavigationssystemen treten die in der'Phase zu vergleichenden Signale gleichzeitig auf,und es ist somit möglich, ein Signal als Bezugssignal zur Messung der Phase des anderen Signals zu verwenden. Die Erfindung betrifft jedoch insbesondere die Messung der Phasenbeziehung zwischen Signalen, die nicht gleichzeitig auftreten. Solch eine Forderung tritt z.B. bei Phasenvergleichs-Funknavigationssystemen wie dem Decca Hi-Fix- und dem Sea-Fix-System auf, bei denen Signale gleicher Frequenz aufeinanderfolgend von entfernten Stationen abgestrahlt und ihre Phasenbeziehung an einem Empfänger bestimmt wird. In jedem dieser Systeme wird zuerst ein Signal von einer Hauptstation, dann von einer ersten Nebenstation und dann von einer' zweiten Nebenstation· abgestrahlt, Diese Signale werden in einer bestimmten Phasenbeziehung abgestrahlt und haben die gleiche Frequenz. An einem Empfänger wird die Phasenbeziehung zwischen diesen Signalen

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bestimmt, um eine Information zu liefern, die die Position des Empfängers bestimmt. Wenn die Hauptstation und die beiden Nebenstationen an festen Orten voneinander entfernt sind und der Empfänger sich auf einem Fahrzeug oder einem anderen beweglichen Körper befindet, bildet solch ein System ein Hyperbel-Navigationssystem. Bei den besonderen, oben beschriebenen Systemen können sich der Empfänger und die Hauptstation auf einem einzigen Fahrzeug befinden, das zwei Nebensender an festen, getrennten Orten verwendet. Solch ein System ist als ein Zwei-Bereichssystem bekannt, da jede der Phasenbeziehungen zwischen den Signalen der Haupt- und einer Nebenstation ein Maß für den Bereich zwischen dem Fahrzeug und der Nebenstation ist.

In dem Decca-Navigationssystem treten aufeinanderfolgende Übertragungen für Streifen- oder Zonenidentifizierungszwecke auf. Diese Übertragungen können unabhängig von den anderen Übertragungen zur Positionsfestlegung verwendet werden, und der Diskriminator der Erfindung kann ebenfalls zur Bestimmung der Phasenbeziehung zwischen solchen aufeinanderfolgenden Übertragungen verwendet werden.

In Systemen, in denen die Signale aufeinanderfolgend abgestrahlt werden, war es bisher üblich, in dem Empfänger einen Oszillator zu haben, der mit den empfangenen Signalen der Hauptstation phasenstarr ist. Signale von der Nebenstation werden, wenn sie empfangen werden, in der Phase mit den gleichzeitig verfügbaren Signalen des Oszillators verglichen, um die erforderlichen Phasenmessungen durchzuführen. Es ist zweckmäßig, Phasenbeziehungen in Dezimalziffern auf digitalen Anzeigevorrichtungen anzuzeigen. Dies kann im Falle gleichzeitig verfügbarer Signale durch Bestimmung des Zeitintervalls (unter Verwendung eines Taktimpulsgenerators und eines Zählers, der eine digitale Anzeigevorrichtung speist) zwischen einem Punkt der Periode des einen Signals und einem entsprechenden Punkt der Periode des

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anderen Signals leicht durchgeführt werden. Es ist zweckmäßig, die Nulldurchgangspunkte zu verwenden, da diese genau identifizierbar sind. Die Erfindung betrifft jedoch einen Phasendiskriminator, der die Phasenbeziehung zwischen Signalen bestimmen kann, die nicht gleichzeitig verfügbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Form eines digitalen Phasenvergleichssystems zu schaffen, bei dem es nicht notwendig ist, einen Oszillator zu haben, der mit einem der empfangenen Signale phasenstarr ist.

Durch die Erfindung wird ein digitaler Phasenkomparator zur Bestimmung der Phasenbeziehung zwischen einem ersten Signal und einem weiteren Signal der gleichen Frequenz, welche Signale aufeinanderfolgend in einer regelmäßigen zyklischen Folge verfügbar sind, geschaffen, der sich auszeichnet durch einen Bezugsoszillator einer Frequenz gleich der oder nahezu gleich der Frequenz der Signale, eine digitale Phasenbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Phasenbeziehung zwischen einem Signal des Bezugsoszlllators und jedem der ersten und weiteren Signale, die eine Subtraktionseinrichtung aufweist, um die Differenz zwischen den beiden Phasenbeziehungen zu bestimmen, eine Einrichtung zur Bestimmung der Phasenänderungsgeschwindigkeit zwischen dem ersten Signal und dem Bezugssignal, und eine Korrektureinrichtung, die die Geschwindigkeitsinformation als Maß der Phasenänderungsgeschwindigkeit des Bezugssignals verwendet, um die Phasendifferenzbestimmung zwischen den Bestimmungen der Phasenbeziehungen zwischen dem ersten Signal bezüglich des Bezugsssignals und dem weiteren Signal bezüglich des Bezugsssignals für jede Änderung der Phase des Bezugssignals gegenüber dem ersten Signal während dieser Zeitperiode zu korrigieren. Diese Anordnung verwendet einen kontinuierlich laufenden Bezugsoszillator, der jedoch nicht exakt in einer festen Phasenbeziehung zu dem ersten oder dem weiteren Signal gehalten werden muß. Die Korrektur wird auf der Annahme durchgeführt, daß die Phasenänderungsgeschwindigkeit des Bezugsoszillators linear ist. In der Praxis führt diese Annahme durch Verwendung eines Bezugs-

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Oszillators geeigneter Stabilität in Beziehung zu den Zeitintervallen zu einem vernachlässigbaren Fehler.

Es können mehr als ein weiteres Signal vorhanden sein, dessen Phase bezüglich des ersten Signals bestimmt werden muß und eine einzige Geschwindigkeitsbestimmungseinrichtung in Anwendung mit den geeigneten Zeitintervallen zur Bestimmung der Korrekturen für jede der Phasendifferenzen k*nn verwendet werden.

Die Anordnung findet vor allem auf ein Phasenvergleichs-Funknavigationssystem Anwendung, wie es in der GB-Patentanmeldung 6 059/71 beschrieben ist, bei dem die Phasenbeziehung von Signalen an einem Empfänger an einer entfernten Stelle zu bestimmen ist, und bei dem ein Frequenzwandler und eine Fernmeßeinrichtung verwendet werden, um die Signale, die an dem Empfänger empfangen werden, zu der entfernten Stelle zu übertragen, wobei der Wandler die Frequenz der Signale ändert, bevor sie von der Fernmeßeinrichtung übertragen werden. Bei solch einer Anordnung ist es an der entfernten Stelle nicht möglich, die Signale wieder exakt in die abgestrahlte Frequenz umzuwandlen. Es kann in den ftberlagerungsoszillatoren, die bei der Frequenzumwandlung in dem Frequenzwandler verwendet werden, eine Drift auftreten. Es können auch Doppler-Verschiebungen in der Fernmeßeinrichtung auftreten. Bei der oben beschriebenen Anordnung kann die Phasendifferenz an der entfernten Stelle bestimmt werden und die Korrektureinrichtung korrigiert nicht nur die Frequenzdifferenz zwischen dem Bezugsoszillator und den in der Phase zu vergleichenden Signalen, unter der Annahme, daß eine lineare Phasendrift über die kurzen Zeitintervalle auftritt, sondern auch alle linearen Phasenverschiebungen, die infolge von Fehlern und der Drift in den Überlagerungsfrequenzen auftreten, die für die Frequenzumwandlung verwendet werden, und auch alle anderen Frequenzfehler oder eine Doppler-Verschiebung in der Fernmeßeinrichtung.

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Ähnliche Probleme (außer dem der Drift in den Überlagerungsoszillatoren) treten auch in dem in der GB-Patentanmeldung 22 775/72 beschriebenen System auf, bei dem der Frequenzwandler statt Signale von einem überlagerungsoszillator zu verwenden, weitere Signale verwendet, die von einem oder mehreren Sendern des Navigationssystems abgestrahlt werden und das daher vor allem für die Verwendung der Übertragungen des Decca Navigationssystems geeignet ist, um Positionen einer Anzahl von beweglichen Stationen an einem einzigen Ort bestimmen zu können.

Der oben beschriebene Phasenkomparator kann nicht nur bei solchen Systemen verwendet werden, sondern auch allgemein an einem beweglichen Empfänger.

Die Erfindung umfaßt auch ein Phasenvergleichs-Funknavigationssystem, bei dem Signale der gleichen Frequenz aufeinanderfolgend von entfernten Stationen abgestrahlt werden, und bei dem ein digitaler Phasenkomparator, wie er oben beschrieben wurde, zur Bestimmung der Phasenbeziehungen zwischen den Signalen vorgesehen ist, die an einem Empfänger empfangen werden. Insbesondere umfaßt sie ein. System, bei dem eine Fernmeßeinrichtung zwischen dem Empfänger und dem digitalen Phasenkomparator verwendet wird.

Es ist zweckmäßig, in der folgenden Beschreibung die Terminologie eines Phaserivergleichs-Navigationssystems zu verwenden und auf ein Hauptsignal und Nebensignale Bezug zu nehmen. In solch einem System tritt in der zyklischen Folge das Hauptsignal zuerst auf, dem die Nebensignale nachfolgen. Zweckmäßigerweise werden bei einem Phasenkomparator für ein System mit zwei Nebenstationen drei digitale Zwei-Richtungszähler verwendet, und während der Hauptsignalabstrahlung werden Taktsignale in jedem der Zähler während einer Phasenzählperiode gezählt. Diese Periode kann das Zeitintervall zwischen einem Nulldurchgang

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des Bezugssignals und einem Nulldurchgang des Hauptsignals oder umgekehrt sein oder es kann eine bestimmte Anzahl solcher Zeitintervalle sein. Einrichtungen sind vorgesehen, um Signale in dem ersten Zähler während der Abstrahlung des ersten Nebensignals während einer Phasenzählperiode zurückzuzählen, die der Hauptphasenzählperiode entspricht, d.h., er enthält die gleiche Anzahl von Zeitintervallen zwischen Nulldurchgängen wie die Hauptzählperiode. In diesem Fall sind jedoch die beiden Signale das erste Nebensignal und das Bezugssignal. In gleicher Weise zählt der gleiche Zähler während der Abstrahlung des zweiten Nebensignals während einer Zeitperiode, die der Hauptphasenzählperiode entspricht, zurück, d.h., er enthält die gleiche Anzahl von Zeitintervallen zwischen Nulldurchgängen.

Der dritte Zähler zählt Signale während einer Hauptübertragungsperiode während eines Zeitintervalls zwischen Nulldurchgängen oder einer Gruppe solcher Zeitintervalle entsprechend der für die Hauptvorwärtszählung verwendeten zurück, wobei die Rückwärtszählung in dem dritten Zähler ein bestimmtes Zeitintervall nach der Vorwärtszählung erfolgt, so daß der sich ergebende Zählerstand in dem Zähler am Ende der Rückwärtszählung ein Maß der Phasendrift des Bezugssignals relativ zu dem Hauptsignal während der Zeitperiode zwischen der Vorwärtszählung und der Rückwärtszählung ist. Diese gemessene Phasenfehlergeschwindigkeit wird in der Korrektureinrichtung zur Korrektur der Zählerstände in dem ersten und zweiten Zähler entsprechend dem Endzählerstand in dem dritten Zähler verwendet. Die Korrekturen in dem ersten und zweiten Zähler werden entsprechend den Zeitintervallen zwischen der Vorwärtszählung und der Rückwärtszählung in diesen Zählern im Vergleich zu dem Zeitintervall zwischen der Vorwärtszählung und der Rückwärtszählung in dem dritten Zähler bemessen. Es ist ersichtlich, daß der dritte Zähler einen Zählerstand bildet,

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der für die Phasenänderungsgeschwindigkeit zwischen dem Bezugssignal und dem Hauptsignal charakteristisch ist. Dieser wird im Zusammenhang mit den bekannten Zeitintervallen verwendet, um die Korrekturen für den ersten und zweiten Zähler durchzuführen, so daß diese nun korrigierte Zählerstände der Phasenbeziehung zwischen dem Hauptsignal und jedem der beiden Nebensignale ergeben.

In einem Funknavigationssystem unter Verwendung eines Frequenzwandlers und einer Fernmeßeinrichtung wie in der zuvor erwähnten Anmeldung kann es zweckmäßig sein, zwei getrennte Fernmeßsender mit gering verschiedenen Frequenzen in einem bestimmten Frequenzband zu betreiben. Es ist zweckmäßig, eine gemeinsame Frequenz in dem Phasendiskriminatorsystem unabhängig von der übertragenen Frequenz zu verwenden, und dies kann leicht durch Verwendung eines tfberlagerungssystems geschehen, um die empfangenen Signalfrequenzen in eine Frequenz gleich oder nahezu gleich derjenigen des Bezugsoszillatörs umzuwandeln. Damit kann ein einziger kristallgesteuerter Bezugsoszillator in dem Phasendiskriminator zur Phasenbestimmung von Signalen unterschiedlicher Frequenzen verwendet werden.

In der digitalen Phasenmeßtechnik wird die Phasenbeziehung zwischen zwei Sinussignalen durch Bestimmung der Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen gemessen. Vorausgesetzt, daß die Richtungen der Nulldurchgänge, d.h., daß sie positiv oder negativ sind, übereinstimmend ist, ist es unwesentlich, welche Richtung in der Anordnung der Erfindung verwendet wird, da eine 18O°-Phasenverschiebung, wenn man die entgegengesetzte Richtung des Durchgangs für eines der Signale annimmt, für das Haupt- und das Nebensignal gemeinsam ist und daher bei der Phasendifferenzsubtraktion beseitigt wird. Der Phasendiskriminator in solch einer Anordnung kann leicht so ausgebildet werden, daß er einen Impuls mit einer Dauer entsprechend der Zeit zwischen diesen Durchgängen erzeugt. Die Daue'r dieses Impulses

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schwankt somit zwischen Null und einem Maximum, wobei das Maximum einer 360 -Phasenverschiebung entspricht. Die Impulse stellen zyklisch wiederkehrende Zeitperioden dar, und aus diesem Grund wird ein solcher Impuls im folgenden als der Phasenmarkierungszwischenraum bezeichnet. Bei der oben beschriebenen Anordnung kann der PhasenmarkierungsZwischenraum verwendet werden, um Impulse in die Zähler zu tasten. Es ist zweckmäßig, eine Taktfrequenz zu verwenden, die ein garizzahliges Vielfaches der Bezugsoszillatorfrequenz ist. Zur Mittelwertbildung ist es auch von Vorteil, eine Zählperiode zu verwenden, die eine geringe ganzzahlige Anzahl von Perioden umfaßt. Die Genauigkeit wird durch Mittelwertbildung über eine große Anzahl von Perioden erhöht, bei der Bestimmung der Position eines beweglichen Objekts jedoch hat die Zeit für die Mittelwertbildung derart zu sein, daß die Bewegung des Fahrzeugs vernachlässigt werden kann. In einem typischen Fall, wenn die Fernmessung angewandt wird, um eine Information von dem Empfänger zu einer entfernten Stelle zu übertragen, kann es zweckmäßig sein, daß der Bezugsoszillator und damit das Phasenvergleichs-Markierungszwischenraum-Ausgangssignal eine Frequenz von 10 KHz hat. Zweckmäßigerweise ist die Taktfrequenz lOOmal so groß, d.h., sie beträgt 1 MHz , und die Zählperiode beträgt 10 Perioden des Phasen-Markierungszwischenraums-Signals, d.h. eine Millisekunde. Dies ergibt einen maximalen Zählerstand von 1.000 für 360° und damit kann das Zähleraus.gangssignal direkt als prozentuale Phasendifferenz abgelesen werden. Es ist jedoch offensichtlich, daß durch geeignete Wahl der Taktfrequenz in Beziehung zu der Markierungszwischenraum-Ausgangssignalfrequns und der Anzahl von Zählperioden für die Mittelwertbildung es leicht möglich ist, die ZMhlerausgangssignalanzeige direkt in irgendwelchen erforderlichen Einheiten, z.B. in Grad der Phasenverschiebung darzustellen.

Um aus der Phasendifferenz genau die Phasenfehlergeschwindigkeit zwischen der Bezugssignalfrequenz und der Vergleichsfrequenz zu bestimmen, ist es notwendig, daß die Phasendiffe-

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renzen zwischen dem Hauptsignal und dem Bezugssignal in einem bekannten Zeitintervall in der Folge getrennt bestimmt wird. Um die Phasendifferenz zwischen dem Nebensignal und dem Bezugssignal genau zu korrigieren, müssen in gleicher Weise diese Phasendifferenzen zu bekannten, zweckmäßigerweise vorbestimmten Zeiten während der Folge bestimmt werden. In Phasenvergleichs-Funknavigationssystemen, bei denen Übertragungen in einer zyklischen Folge von Raumstationen durchgeführt werden, werden Signalisierungsmittel, allgemein eine identifizierbare übertragung von der Hauptstation aus zur Taktsteuerung der Nebenstationen verwendet. Der Phasenkomparator der Erfindung kann auf diese charakteristischen Signale ansprechende Einrichtungen haben, um die notwendige Taktgebung für die Phasendifferenzbestimmung und auch für weitere Vorgänge wie das Löschen, Laden und Sperren der Zähler zu steuern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 6 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 ein Blockschaltbild einer Decodereinheit zur Erzeu-. gung einer Anzeige der Informationsphasenbeziehung in einem Hi-Fix- oder einem Sea-Fix-System,

Figur 2 den Verlauf von Signalen an einem Phasendiskriminator in der Einheit der Fig. 1,

Figur 3 und 4 Diagramme, aus denen der Ablauf der Arbeitsweise von Sea-Fix- bzw. Hi-Fix-Empfängern hervorgeht,

Figur 5 ein Blockschaltbild, aus dem hervorgeht, wie die Vorrichtung der Fig. 1 zusammen mit einem Frequenzwandler und einer Fernmeßeinrichtung eines Empfängers in einem Funknavigationssystem verwendet werden kann, und

Figur 6 ein Blockschaltbild, aus dem hervorgeht, wie die Vorrichtung der Fig. 1 direkt in dem Empfänger eines Phasenvergleichs-Funknavigationssystems verwendet werden kann.

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Bezugnehmend auf Fig. l kommen die Signale, die in der Phase zu vergleichen sind, aufeinanderfolgend an einem Eingang an. Diese Signale haben bei dieser besonderen Ausführungsform eine Frequenz von 2 KHz. Sie werden auf einen Mischer 11 gegeben, wo sie mit einem 12 KHz-Signal einer 1:32-Teilerstufe 12 gemischt werden, die das Ausgangssignal eines Kristalloszillators 13 teilt, der auf 384 KHz arbeitet. Das Ausgangssignal des Mischers 11 wird durch ein passives Schmalbandfilter 14 mit einer Bandbreite von 50 Hz geleitet, um die 10 KHz-Differenzfrequenz auszuwählen. Das 10 KHz-Ausgangssignal des Filters wird auf einen Spannungskomparator 15 gegeben, um ein Rechteck-Ausgangssignal entsprechend dem ausgefilterten 10 KHz-Signal zu erzeugen. Dieses Rechteck-Ausgangssignal wird dann auf einen Phasendiskriminator 16 gegeben, der einen auf der negativen Flanke getriggerten monostabilen Multivibrator 17 und ein D-Typflankengesteuertes Flip-Flop 18 aufweist. Das Rechteck-Eingangssignal wird auf den negativflankengetriggerten monostabilen Multivibrator 17 gegeben, um einen Impuls kurzer Dauer einmal pro Periode des 10 KHz-Signals an dem Löscheingang des D-Flip-Flops 18 zu erzeugen. Ein 10 KHz-Bezugssignal, auf einer Leitung 19 wird auf den Takteingang des Flip-Flops gegeben. Dieses Bezugssignal wird von einem 1 MHz-Taktsignalgenerator 20 mit einer 100:1-Teilerstufe 21 abgegeben. Der Taktoszillator ist ebenfalls ein Kristalloszillator und somit sind die Frequenzen der beiden Signale, die auf das Flip-Flop gegeben werden, nahezu gleich, obwohl einer geringe Frequenzdifferenz bestehen kann, die eine Phasendrift verursachen kann, deren Korrektur später erläutert wird. Der D-Eingang des Flip-Flops ist mit der positiven Spannungsleitung 22 verbunden. Fig. 2 zeigt den Verlauf der Signale an dem Phasendiskriminator und dem Ausgang des Filters 14. In Fig. 2a ist das Sinussignal des Filters 14 gezeigt. Fig. 2b zeigt dieses Signal nach Rechteck-Umformung in dem Spannungskomparator 15, der als ein NuIldurchgangsdetdctorwirkt. Dieses Rechteck-Ausgangssignal wird auf den negativflankengetriggerten monostabilen Multivibrator

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17 gegeben, der die Impulse kurzer Dauer abgibt, die in Fig. 2c gezeigt sind. Das 10 Hz-Rechteck-Signal des Bezugsoszillatore 20 und des Teilers 21 ist in Fig. 2d gezeigt. Das Signal an dem Q-Ausgang des Flip-Flops ist in Fig. 2e gezeigt, und besteht, wie ersichtlich ist, aus einem Rechteck-Signal mit Impulsen, die bei der positiven Flanke des Bezugssignals beginnen und beim Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators enden. Die Dauer dieser Impulse ist der erforderliche PhasenmarkierungsZwischenraum zwischen dem Eingangssignal und dem Bezugssignal.

Es wird daran erinnert, daß das Signal an dem Eingang 10 aus einer Folge verschiedener Signale besteht, deren Phasenbeziehung zu bestimmen ist. Daher besteht das Phasendiskriminatorausgangssignal aus einem Signal der in Fig. 2e gezeigten Form, wobei die Impulsdauer der Rechteck-Ausgangssignale während der verschiedenen Zeitperioden den verschiedenen Phasenbeziehungen der Eingangssignale im Vergleich zu dem Bezugssignal entspricht. Das Phasenmarkierungszwischenraumsignal wird verwendet, um eine Folge von Tak-timpulsen für eine bestimmte Zeitdauer zu einem Zähler zu steuern. Bei dieser besonderen Ausführungsform hat das Phasendiskriminator-MarkiefungsZwischenraum-Ausgangssignal eine Frequenz von 10 KHz. Die Zähler verwenden eine Taktfrequenz von 1 MHz und die Zählperiode umfaßt zur MittelwertbildunglO Perioden des Phasen-Markierungszwischenraum-Signals d.h. eine Millisekunde, so daß eine maximale Zählung von 1.000 für 360° Phasenverschiebung bewirkt wird. Solch eine Zählung wird im folgenden als eine Markierungszwischenraum-Phasendifferenzzählung bezeichnet. Drei Zweirichtungszähler 30, 31 und 32 sind vorgesehen, von denen jeder ein binär codierter Dezimalzähler mit einer Kapazität bis zu 999 ist. Die Markierungszwischenraum-Signale des Phasendiskriminatorausgangs werden auf die Zähler über einen Zähleingangsleit- und Korrekturkreis 33 gegeben, dessen Betrieb von Folgezeitgeber-Torschaltungen 34 gesteuert wird, so daß die Signale

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den Zählern zugeführt werden, wie später beschrieben wird. Die Folgezeitgeber-Torschaltungen 34 werden von dem 1 MHz-Taktgeber 20 mit seinem Teiler 21 gesteuert, dessen 10 KHz-Ausgangssignal, das auf der Leitung 19 dem Diskriminator 16 zugeführt wird, von einem Teiler 35 durch 40 geteilt und auf zwei binäre 4-Bit-Zähler 36, 37 gegeben wird, die es ermöglichen, daß irgendeine 4 Millisekunden-Periode" innerhalb von insgesamt 256 Perioden unter Verwendung eines NAND-Glieds mit acht Eingängen innerhalb der Torschaltung 34 gewählt

wird. Die Zähler 36, 37 werden unter Verwendung eines Triggerimpulses gesetzt, der durch einen Triggerschalter

40 von den Signalen auf der Eingangsleitung 10 abgeleitet wird. Bei dieser besonderen Ausführungsform, die für den Betrieb zusammen mit dem Decca Hi-Fix- oder dem Sea-Fix-System bestimmt ist, spricht der Triggerschalter auf das Synchronisierungs-Burst-Signal bei einer Frequenz 60 Hz unterhalb den normalen abgestrahlten Frequenzen an; dieses Burst-Signal wird in diesen Systemen zur Synchronisierung der Nebensender und des Empfängers abgestrahlt. Der Triggerschalter 40 spricht auf dieses Burst-Signal kurzer Dauer an und gibt ein Ausgangssignal an einen Start/Stopp-Schalter

41 ab, der den Folgezeitgeber betätigt.

Um 1 Millisekunden-Perioden auszuwählen, die notwendig sind, um die Markierungszwischenraum-Phasendifferenzzählung zu steuern, wird der ausgewählte 4 Millisekunden-Impuls des Folgezeitgebers mit den 2 Millisekunden-Impulsen der 250 Hz-Impulsfolge auf der Leitung 38 des Zählers 35 und den 1 Millisekunden-Impulsen auf der Leitung 39 der 500 Hz-Impulsfolge des Teilers 35 kombiniert, wobei die Kombination in einem NAND-Glied in der Torschaltung 34 durchgeführt wird, um nur eine ausgewählte Millisekunde der 4 Millisekunden-Periode zu tasten. Die gewählte 1 Millisekunden-Periode enthält 20 Perioden des Phasen~Markierungszwischenraum»Ausgangssignals des Diskriminators.

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Um die Phasenbeziehungen zwischen den ',ankommenden Signalen zu bestimmen, sind die Zähler 30, 31 und 32 zuerst alle so angeordnet, daß sie während einer gewählten 1 Millisekunden-Periode in der Hauptübertragung vorwärts zählen, so daß sie eine Zählung haben, die zu dem Phasen-MarkierungsZwischenraum zwischen dem Hauptsignal -und dem Bezugssignal in Beziehung steht. Während der ersten Nebenübertragung wird der Phasen-Markierungszwischenraum des Diskriminators 16 verwendet, um Taktimpulse in den Rückwärtszähleingang des Zählers 30 zu tasten. Für 1 Millisekunde während der zweiten Nebenübertragung wird das Phasen-Markierungszwischenraum-Ausgangssignal des Diskriminators 16 verwendet, um Taktsignale in den Rückwärtszähleingang des Zählers 31 zu tasten. Der dritte Zähler 32 zählt unter Verwendung von Taktsignalen zurück, die von dem Phasen-MarkierungsZwischenraum für 1 Millisekunde während des Empfangs der Hauptsignale getastet werden. Diese Rückwärtszählung erfolgt zu einem von der Anfangsvorwärtszählung verschiedenen und nachfolgenden Zeitpunkt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils die Taktfolgen für das Sea-Fix- und daß Hi-Fix-System. In dem Sea-Fix-System, in dem der Taktintervall zwischen aufeinanderfolgenden Hauptübertragungen etwa 200 Millisekunden beträgt, ist es zweckmäßig, die Vorwärtszählung in einer übertragung von dem Hauptsender und die Rückwärtszählung während der nächsten übertragung durchzuführen. Da die Zeitdauer der beiden Zählungen die gleiche ist, wenn die Phasenbeziehung zwischen dem ankommenden Signal und dem Bezugssignal konstant geblieben ist, würde der Zähler exakt auf Null zurückzählen. In der Praxis jedoch tritt eine geringe Differenz zwischen der Frequenz des ankommenden Signals und der Bezugsfrequenz auf und damit hat der Zähler eine Restzählung, die positiv oder negativ ist und für die Änderung der relativen Phase dieser beiden Signale während dieser 200 Millisekunden-Periode charakteristisch ist.

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Für Korrekturzwecke wird angekommen, daß jede solche Phasenänderung über diese kurze Zeitperiode mit einer linearen Geschwindigkeit auftritt und daß daher Bruchteile dieser Änderung als Korrekturen auf die Zähler 30 und 31 entsprechend den Zeitintervallen zwischen der Vorwärts- und Rückwärtszählung gegeben werden können. Für das Sea-Fix-System kann die Rückwärtszählung für die erste Nebenstation zweckmäßigerweise 40 Millisekunden nach der Vorwärtszählung und die Rückwärtszählung für die zweite Nebenstation 80 Millisekunden nach der Vorwärtszählung stattfinden. Damit haben 1/5 und 2/5 der gesamten in dem Zähler 32 belassenen Zählung auf die Zähler 30 bzw. 31 als Korrektur gegeben zu werden.

Für das Hi-Fix-System ist, wie Fig. 4 zeigt, die Zeitdauer zwischen aufeinanderfolgenden Hauptübertragungen sehr viel größer als für das Sea-Fix-System und die Dauer einer jeden einzelnen übertragung beträgt etv/a 300 Millisekunden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, die beiden Messungen der Phasenbeziehung zwischen dem Hauptsignal und dem Bezugssignal während einer Hauptübertragung durchzuführen. Diese beiden Messungen sind schematisch bei Ml und M2 in Fig. 4 in Intervallen von 200 Millisekunden angegeben. Die aufeinanderfolgenden Nebenphasenvergleiche werden 200 und 400 Millisekunden nach dem zweiten Vergleich der Haupt- und Bezugssignale durchgeführt. Hierbei wird die Restzählung in dem Zähler 32 direkt als Korrektur im richtigen Sinn auf den Zähler 30 gegeben und die doppelte Zählung wird auf den Zähler 31 gegeben. Dies bedeutet, daß die Phasenänderungsgeschwindigkeit des Bezugssignals bezüglich des Hauptsignals über eine 200 Millisekunden-Periode festgestellt und als linear angenommen sowie extrapoliert wird, um während der Nebenbezugsphasenmessungen Korrekturen durchzuführen. Diese Korrekturen werden in den Zählern 30 und 31 dadurch bewirkt, daß der Rest in dem Zähler 32 bis auf Null gezählt wird und gleichzeitig den Zählern 30 und 31 in der geeigneten Richtung

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proportionale Zählungen zugeführt werden.

Für das Hi-Fix- und das Sea-Fix-System wird die Richtung der Korrektur durch den logischen Leitkreis bestimmt. Der notwendige Proportionalitätsfaktor wird im Falle des Sea-Fix-Systems von einem Decadenzähler in der Einheit 33 abgegeben, der in der Quinärbetriebsart, d.h. als Modulo-5-Zähler^arbeitet. Für das Hi-Fix-Systein wird der Proportionalitätsfaktor für die zweite Nebenstation dadurch erhalten, daß die Korrektur direkt auf den Zähler 31 gegeben und die Korrekturimpulsfolge, bevor sie auf die Zähler 30 und 32 gegeben wird, in der Einheit 33 durch 2 geteilt wird.

Die Polarität der Korrektur wird zweckmäßigerweise von einer Schalteinrichtung bestimmt, die auf ein Polaritätssignal anspricht,, das dadurch erhalten wird, daß man einen Nulldurchgangsdetektor hat, der auf den Nulldurchgang der Vorwärtszählung und der Rückwärtszählung in dem Zähler 32 während des Haupt- zu Bezugsphasenvergleichs anspricht. Ein Leitspeicher ist vorgesehen, der zunächst nach unten geschaltet wird, jedoch umgekehrt wird, wenn der Zähler Null durchläuft, so daß die Korrektur unten erfolgt, wenn der Zähler kurz vor Null anhält, und oben, wenn der Zähler über Null hinausläuft.

Die Ausgänge der Zähler 30 und 31 werden auf Speicher 50, 51 gegeben, die das binär codierte Dezimalausgangssignal der beiden höchstwertigen Dezimalziffern in den Zählungen speichern, und diese werden Decodern 52, 53 zugeführt, die dezimale Anzeigeeinrichtungen 54, 55 ansteuern, die typischerweise von lichtemittierenden Dioden gebildet sind.

Fig. 5 zeigt die Anwendung der Vorrichtung der Fig. 1 auf ein Funknavigationssystem, das den Frequenzwandler und die Fernmeßeinrichtung vereinigt, die in der GB-Patentanmeldung 6 059/71 beschrieben sind. In Fig. 5 ist ein Empfänger 60 für ein Decca Hi-Fix- bzw. Sea-Fix-System gezeigt, der einen

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Frequenzwandler zur Änderung der Signale in 2 KHz-Signale aufweist, wie in der zuvor erwähnten Patentanmeldung beschrieben ist, und diese Signale über eine Strecke zu einem entfernten Empfänger 62 überträgt. An dem Empfänger wird das 2 KHz-Ausgangssignal dem Mischer 11 und dann über das Filter dem restlichen Teil des Decoders und der Anzeigeinrichtung zugeführt, die schematisch mit 64 bezeichnet sind.

Fig. 6 zeigt, wie die Vorrichtung der Fig. 1 direkt in einem Funknavigationsempfänger, z.B. einem Empfänger für ein Decca Hi-Fix- oder Sea-Fix-System, verwendet werden kann. Fig. 6 zeigt den Empfänger, bestehend aus einer Empfangsantenne 70 mit einem abgestimmten Empfänger 71, der einen Mischer 72 speist, während die empfangenen Signale mit Signalen von einem Oszillator 73 überlagert werden, um ein ZF-Ausgangssignal mit 10 KHz zu erzeugen. Das geeignete Seitenband wird von einem Filter 74 ausgewählt, um Signale zu liefern, die über einen Begrenzer 75 bzw. einen AVR-Kreis einem Schmalbandfilter 76 entsprechend dem Filter 14 der Fig. 1 zugeführt werden. Das Ausgangssignal hiervon wird dann in eine Einheit 77 entsprechend dem restlichen Teil der Decoder- und Anzeigeeinheit der Fig. 1 zugeführt.

Bei der Beschreibung der Zähler wurde auch deren Einstellung auf Null erwähnt. In der Praxis werden die beiden Haupt/ Nebenzähler zunächst auf einen Zählerstand 005 geladen, so daß, wenn das Ausgangssignal der beiden höherwertigen Decadenzähler angezeigt wird, um die prozentuale Streifenposition anzugeben, der Wert auf die nächste kennzeichnende Ziffer richtig abgerundet wird. Es ist auch in dem M1/M2-Zähler zweckmäßig, mit einem Zählerstand von 500 zu begin nen, so daß die Null-Zählung 000 500 entspricht und die "Entleih"- und "übertrag"-Impulse, die von dem Nulldurchgang des höchstwertigen Zähler erzeugt werden, verwendet werden können, um die Richtung des Durchgangs durch den 500-Zählerstand anzugeben, was zur Bestimmung der Polarität der Korrektur erforderlich ist.

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In dem oben beschriebenen Sea-Fix-System, bei dem die proportionale Korrektur, die auf die Haupt-Nebenzähler angewand wird, ein Bruchteil des M -> M₂~Phasenfehlers ist, der über eine Folgezeitperiode gemessen wird, muß die Größe des M -> Mp-Fehlers weniger als eine halbe Periode sein, um eine richtige Korrektur zu erreichen, was den Korrekturbereich des Frequenzfehlers auf + 2,5 Hz begrenzt. Es ist leicht möglich, sicherzustellen, daß die Bezugsfrequenzstabilität und insbesondere die Überlagerungsoszillatorgenauigkeit und -Stabilität in jedem Frequenzwandler derart eingestellt wird, daß der M -> M„-Fehler weniger als eine halbe Periode beträgt.

Bei der Hi-Fix-Anordnung, bei der die Haupt-Nebenkorrekturen extrapoliert werden und ein ganzzahliges Vielfaches des M ->■ M„-Fehlers sind, ist der M -> M_-Fehler nicht mehr langer auf eine halbe Periode begrenzt und der Korrekturbereich wird extrem erhöht. Die Frequenzstabilitätsanforderungen sind in dieser Hinsicht sogar weniger schwierig.

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Claims

Ansprüche

Digitaler Phasenkomparator zur Bestimmung der Phasenbeziehung zwischen einem ersten Signal und einem weiteren Signal der gleichen Frequenz, welche Signale aufeinanderfolgend in einer regelmäßigen zyklischen Folge verfügbar sind, gekennzeichnet durch einen Bezugsoszillator (20) einer Frequenz gleich der oder nahezu gleich der Frequenz der Signale, eine digitale Phasenbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Phasenbeziehungen zwischen einem Signal des Bezugsoszillators (20) und jedem der ersten und weiteren Signale, die eine Subtraktionseinrichtung aufweist, um die Differenz zwischen den beiden Phasenbeziehungen zu bestimmen, eine Einrichtung zur Bestimmung der Phasenänderungsgeschwindigkeit zwischen dem ersten Signal und dem Bezugssignal, und eine Korrektureinrichtung (33), die die Geschwindigkeitsinformation als· Maß der Phasenänderungsgeschwindigkeit des Bezugssignals verwendet, um die Phasendifferenzbestimmung zwischen dem weiteren Signal und dem Bezugssignal entsprechend dieser Geschwindigkeit und der Zeitperiode zwischen den Bestimmungen der Phasenbeziehungen zwischen dem ersten Signal bezüglich des Bezugssignals und dem weiteren Signal bezüglich des Bezugssignals für jede Änderung der Phase des Bezugssignals gegenüber dem ersten Signal während dieser Zeitperiode zu korrigieren.

Phasenkomparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Phasenbestimmungseinrichtung eine Taktimpulsquelle (35), mehrere Zweirichtungszähler (30 - 32) entsprechend der Anzahl der abgestrahlten Signale, die in der Phase verglichen werden müssen, und eine Torschaltung (34) aufweist, um Impulse der Taktimpulsquelle in die Zähler zu tasten, wobei die Torschaltung von den empfangenen Signalen gesteuert wird, so daß jeder Zähler während

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eines Zeitintervalls in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen einem jeweiligen empfangenen Signal und dem Bezugsoszillatorausgangssignal in der einen Richtung zählt, und so daß alle Zähler während eines Zeitintervalls in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen einem besonderen empfangenen Signal, das im folgenden als das Hauptsignal bezeichnet wird, und dem Bezugsoszillatorausgangssignal in der entgegengesetzten Richtung zählen.

3. Phasenkomparator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zähler (30 - 32) während eines Zeitintervalls in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen dem Hauptsignal und dem Bezugsoszillatorausgangssignal vorwärts zählt und dann während des Zeitintervalls in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen dem jeweiligen empfangenen Signal und dem Bezugsoszillatorausgangssignal rückwärts zählt.

4. Phasenkomparator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (33) den Netto-

Zählerstand in dem Zähler verwendet, der dem Hauptsignal zugeordnet ist und der zu Zeitpunkten mit einer vorbestimmten Zeitdifferenz vor- und rückwärts zählt, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Netto-Zählerstände der anderen Zähler um Beträgenachzustellen, die mit dem Netto-Zählerstand des Zählers, der dem Hauptsignal zugeordnet ist, durch Faktoren in Beziehung stehen, die den jeweiligen Verhältnissen der Zeitintervalle zwischen der Vorwärtszählung und der Rückwärtszählung der jeweiligen Zähler und dem Zeitintervall zwischen der Vorwärtszählung und der Rückwärtszählung des Hauptzählers entsprechen.

5. Phasenkomparator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktimpulsquelle (35) eine Frequenz hat, die ein ganzzahliges Vielfaches der Bezugsoszillatorfrequenz ist.

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6. Phasenvergleichs-Funknavigationssystem, bei dem Signale der gleichen Frequenz von entfernten Stationen aufeinanderfolgend abgestrahlt werden, gekennzeichnet durch einen digitalen Phasenkomparator nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung der Phasenbeziehungen zwischen den an einem Empfänger empfangenen Signalen.

7. Funknavigationssystem nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Fernmeßeinrichtung zwischen dem Empfänger und dem digitalen Phasenkomparator.

8. Phasenvergleichs-Funknavigationssystem nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Hauptstation, die wenigstens ein Hauptsignal abstrahlt, und zwei Nebenstationen, die Nebensignale abstrahlen, wobei die Signale in einer zyklischen Folge abgestrahlt werden,in der dem Hauptsignal die Nebensignale aufeinanderfolgen, und dadurch, daß der Phasenkomparator drei digitale Zweirichtungszähler (3O 32) hat, die derart gesteuert werden, daß während der Abstrahlung des Hauptsignals Taktsignale in jedem der Zähler während einer bestimmten Phasenzählperiode derart gezählt werden, daß die Taktsignale in dem ersten Zähler während der Abstrahlung des ersten Nebensignals während einer Phasenzählperiode rückwärts gezählt werden, die der Hauptphasenzählperiode entspricht, d.h., er enthält die gleiche Anzahl von Zeitintervallen zwischen Nulldurchgängen wie die Hauptzählperiode und der zweite Zähler zählfßikts%naIe während derzweitenNebensignalabstrahlung während einer Zeitperlode rückwärts, die der Hauptphasenzählperiode entspricht, d.h. er enthält die gleiche Anzahl von Zeitintervallen zwischen Nulldurchgängen, und daß der dritte Zähler die Taktsignale während einer Hauptübertragungsperiode während eines Zeitintervalls zwischen Nulldurchgängen bzw. einer Gruppe solcher Nulldurchgänge rückwärts zählt, das bzw. die demjenigen entsprechen, das für die Hauptvorwärtszählung verwendet wird, wobei die Rückwärtszählung in dem dritten Zähler ein Seitintervall nach der

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Vorwärtszählung erfolgt, so daß die sich ergebende Zählung in dem Zähler am Ende der Rückwärtszählung ein Maß der Phasendrift des Bezugssignals relativ zu dem Hauptsignal während der Zeitperiode zwischen der Vorwärtszählung und der Rückwärtszählung ist, und daß diese gemessene Phasenfehlergeschwindigkeit in der Korrektureinrichtung zur Korrektur der Zählerstände in dem ersten und zweiten Zähler entsprechend dem Endzählerstand in dem dritten Zähler verwendet wird, wobei die Korrekturen in dem ersten und zweiten Zähler entsprechend den Zeitintervallen zwischen der Vorwärtszählung und der Rückwärtszählung in diesen Zählern im Vergleich zu dem Zeitintervall zwischen der Vorwärtszählung und der Rückwärtszählung in dem dritten Zähler bemessen werden.

9. Funknavigationssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Phasenzählperiode das Zeitintervall zwischen einem Nulldurchgang des Bezugssignals und einem Nulldurchgang des Hauptsignals ist.

10. Funknavigationssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Phasenzählperiode ein vorbestimmtes Vielfaches von Zeitintervallen zwischen einem Nulldurchgang des Bezugssignals und einem Nulldurchgang des Hauptsignals ist.

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