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Verfahren zum Synchronisieren eines Referenzsignals mit einem Ein-
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gangssignal und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Verfahrens zum Synchronisieren eines von einem regelbaren Oszillator abgegebenen
Referenzsignals mit einem Eingangssignal, wobei in einem Phasenregelkreis mit zwei
Phasendetektoren zwei um 900 gegeneinander phasenverschobene Steuersignale mit einer
Frequenz gleich der Differenz der Schwingungszahlen des Referenz- und des Eingangssignals
erzeugt werden, aus denen ein zur Regelung des Oszillators benutztes Signal gebildet
wird, dessen Amplitude dieser Differenzfrequenz proportional ist.
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In der Elektronik besteht häufig die Aufgabe, einen Oszillator in
Frequenz und Phase mit einem Eingangssignal zu synchronisieren. Ein dazu'geeignetes
Regelsystem ist ein mit PLL (Phase-locked-loop) bezeichneter Phasenregelkreis, in
dessen synchronisiertem Zustand ein Sollwert der Phasenverschiebung zwischen Eingangssignal
und Oszillatorsignal erreicht oder wenigstens nahezu erreicht wird.
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Sobald eine Abweichung von diesem Sollwert auftritt, wird der Oszillator
so lange nachgeregelt, bis die Abweichung null oder minimal wird.
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Die in allen PLL-Typen vorhandenen drei grundsätzlichen Funktionsblöcke
- Oszillator - Phasendetektor und - Filter lassen eine Unterscheidung und Klassifizierung
zu. Allein bezüglich der verwendbaren Filter lassen sich zwei Hauptgruppen unterscheiden:
- Passive Filter, die im Bereich niedriger Frequenzen nicht als Integrator fungieren,
- Aktive Filter, die im Bereich niedriger Frequenzen integrierend arbeiten.
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Mit diesen Filtertypen aufgebaute Phasenregelkreise unterscheiden
sich in wesentlichen Punkten: Bei Verwendung nicht integrierender Filter - ist bei
abgeschaltetem Eingangssignal der Arbeitspunkt stabil, - tritt ein Regelungsfehler
auf, der eine Funktion der Ruhefrequenzablage des spannungsgesteuerten Oszillators
von der Sollfrequenz, der Dimensionierung der Schleife sowie bei PCM-Signalen der
Signalflankendichte ist.
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- besteht ein Fangbereich (maximale Frequenzabweichung der Ruhefrequenz
des Oszillators, bei der die Schleife bei Anlegen des Signals automatisch synchronisiert),
der stets erheblich kleiner als der Ziehbereich des Oszillators ist und der ebenfalls
von der Dimensionierung der Schleife und von der Signalflankendichte abhängt.
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Während der erstgenannte Punkt als Vorteil anzusehen ist, ist der
zweite Punkt eine Quelle störenden systematischen Jitters; der reduzierte Fangbereich
bedingt - bei vorgegebener Bandbreite der Schleife - höhere Anforderungen an die
Stabilität des Oszillators.
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Bei Verwendung von Integratoren als Filter gibt es - bei abgeschaltetem
Eingangssignal, bedingt durch Drifteffekte, keinen stabilen Arbeitspunkt, - theoretisch
keinen Regelungsfehler, - theoretisch einen Fangbereich, der dem Ziehbereich des
Oszillators entspricht.
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Hier ist der zweite Punkt als Vorteil anzusehen, während der erste
Punkt insofern nachteilig wirkt, als der theoretisch große Fangbereich in der Praxis
durch Drifteffekte so erheblich eingeschränkt wird, daß ein abgedrifteter Oszillator
häufig nicht mehr durch Einschalten des Signals gefangen werden kann.
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Aus "Proceedings of the I-R-E Januar 1954, Seiten 106 bis 133, insbesondere
Seiten 116 bis 118, ist eine Schaltungsanordnung - ein sogenannter Quadrikorrelator
für Synchronisationszwecke beim NTSC-Farbfernsehsystem bekannt, bei der zwei um
900 phasenverschoben angesteuerte Phasendetektoren zwei gleichfalls um 900 phasenverschobene
Ausgangsspannungen (Beatnotes) erzeugen. Die Frequenz dieser Signale entspricht
dabei der Differenz der Eingangsfrequenzen, liegt also im Bereich niedriger Frequenzen,
bezogen auf die Arbeitsfrequenz des Systems. Bei diesem bekannten Quadrikorrelator
wird eines der Beatnote-Signale
differenziert und dann auf einen
weiteren Phasendetektor gegeben, an dessen zweitem Eingang das andere, unveränderte
Beatnote-Signal liegt. Am Ausgang dieses Phasendetektors entsteht nach Filterung
eine Spannung, die proportional der Differenzfrequenz der hochfrequenten Signale
ist und zur Frequenzregelung benutzt werden kann.
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Das der Erfindung zugrundeliegende Synchronisationsproblem hängt mit
der Taktrückgewinnung bei der Obertragung digitalisierter Nachrichten mit einer
Mehrfachausnutzung der übertragungswege im Zeitbereich bei hohen Obertragungsgeschwindigkeiten
(GHz-Bereich) zusammen. Hierbei ist es erforderlich, daß ein abgedrifteter Oszillator
schnell und zuverlässig synchronisiert wird. Der Regelvorgang soll dabei außer einer
Phasenabweichung auch auf eine Frequenzabweichung ansprechen, damit der Fangbereich
der Schleife bis an die Grenzen der maximalen Verstimmbarkeit des Oszillators erweitert
wird.
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Gemäß der Erfindung werden mit dem einen - von einem de beiden Phasendetektoren
abgegebenen - Steuersignal bei jedem zweiten Nulldurchgang Impulse erzeugt und abhängig
von der Häufigkeit dieser Impulse dem anderen Steuersignal - das vom anderen Phasendetektor
abgegeben wird. -entsprechende Amplitudenwerte zeitlich gemittelt und diese sodann
dem Oszillator als zusätzliche, in ihrem Vorzeichen dem Vorzeichen der Differenzfrequenz
entsprechende und in ihrer Amplitude dem Betrag der Differenzfrequenz proportionale
Regelgröße zugeführt.
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Einzelheiten und vorteilhafte Eigenschaften des erfindungsgemäßen
Verfahrens gehen aus der Erläuterung des Ausführungsbeispiels noch detailliert hervor.
Im Vergleich zum oben erwähnten bekannten Quadrikorrelator ist jedoch darauf hinzuweisen,
daß dieser für die Taktrückgewinnung aus z.B. PCM-Signalen nicht geeignet ist, da
wegen der dabei auftretenden Amplitudenmodulation der Beatnote- Signale aufgrund
zeitlich veränderlicher Flankendichte der PCM-Signale sehr "rauhe" Signalformen
entstünden. Diese Rauheit würde durch den Differenziervorgang noch erheblich verstärkt,
so daß - speziell auch für periodische änderungen der Flankendichte - eine definierte
Ableitung einer frequenzabhängigen Regelspannung nicht möglich wäre. Außerdem würde
im synchronisierten Zustand des Phasenregelkreises durch die variable Flankendichte
und den Differenziervorgang der erwünschte Abschalteffekt
der Frequenzregelung
verhindert werden. Bei der Erfindung werden diese Nachteile vermieden, da flankendichteunabhängige
Nulldurchgänge des betreffenden Steuersignals ausgewertet werden, im synchronisierten
Zustand, auch beim Anliegen von PCM-Signalen, die Frequenzregelung mit Sicherheit
abschaltet.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
für die zeitliche Mittelung der Amplitudenwerte das betreffende Steuersignal nicht
unmittelbar herangezogen, sondern in ein Rechtecksignal umgewandelt, das damit von
der Amplitude des Steuersignals unabhängig ist und eine konstante Amplitude aufweist.
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Bezüglich der auf eine Schaltungsanordnung gerichteten Ansprüche wird
hier auf deren Wortlaut verwiesen.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung schematisch
als Blockschaltbild dargestellt. Im gestrichelt eingerahmten Bereich sind die drei
-Grund-Funktions-Blöcke - der Oszillator VCO, ein Phasendetektor PD 1 und ein Filter
LF - enthalten. Das Filter LF arbeitet i ntegri erend.
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An den Oszillator VCO ist ein 900-Phasenschieber PS angeschlossen,
der zu einem zweiten Phasendetektor PD 2 führt. Damit ergeben sich zwei Kanäle für
die beiden um 900 gegeneinander phasenverschobenen Steuersignale.
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Im ausgerasteten Zustand entstehen am Ausgang der beiden Tiefpässe
TP 1 und TP 2 die Steuersignale, die sich in erster Näherung wie folgt beschreiben
lassen: U1 = U . sinacn t U2 = u . cos Hierbei ist U der Spitzenwert der Steuersignale
und a X die jeweilige Frequenzdifferenz zwischen Eingangssignal und Referenzsignal
des Oszillators VCO. (Bei Verwendung eines Phasendetektors mit dreieckförmiger Kennlinie
sind entsprechende Formeln aufstellbar.)
Das in dem an den Phasendetektor
PD 1 angeschlossenen Kanal entstehende Steuersignal kann in einem Begrenzer-Verstärker
LA so umgeformt werden, daß sich für positive Werte von U1 ein fester positiver
Ausgangswert und für negative Werte von U1 ein fester negativer Wert gleicher Größe
ergibt.
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Das in dem an den Phasendetektor PD 2 angeschlossenen Kanal entstandene
Steuersignal erzeugt mit Hilfe eines Null-Spannungs-Komparators (ZCD) und einer
nachgeschalteten monostabilen Kippstufe (MF) immer dann einen Impuls, wenn das Vorzeichen
des Steuersignals von Plus nach Minus wechselt.
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Der entstehende Impuls soll kürzer als 1/4 der Periodendauer des Steuersignals
mit der höchsten zu verarbeitenden Differenzfrequenz sein.
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Mit Hilfe des so entstandenen Impulses wird ein Analogschalter AS
geschlossen, mit dem die das Vorzeichen der Frequenzdifferenz angebende Spannung
U1 auf einen Tiefpass TP 3 geschaltet wird. Da dieser Tiefpass TP 3-über die Anzahl
der je Zeiteinheit durchgeschalteten Werte mittelt, stellt seine Ausgangsspannung
eine der Frequenzdifferenz proportionale, vorzeichenrichtige Meßgröße dar, die zur
zusätzlichen, frequenzsensitiven Regelung dem Oszillator VCO zugeführt wird.
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Bemerkenswert ist, daß im eingerasteten Fall U1 bei Null liegt (bedingt
durch das Regelverhalten), während U2 dann den Maximalwert hat, also keine weiteren
Impulse zur Betätigung des Analogschalters AS entstehen. Dies bedeutet ein automatisches,
sicheres Abschalten der Frequenzregelschleife im eingerasteten Zustand.