DE69512571T2 - Vorrichtung und Verfahren zur digitalen Phasenverschiebung - Google Patents

Description

Allgemeiner Stand der Technik
• Die vorliegende Erfindung betrifft die Phasenverschiebung eines Signals, und im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung eine digitale Phasenverschiebungseinrichtung zur Verschiebung der Phase eines Taktsignals um eine programmierbare Anzahl von Graden.
• Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Verschiebung der Phase eines Signals handelt es sich um die Verwendung einer Phasenregelschleife bzw. eines Phasenregelkreises (PLL) mit einer variablen Phasenverschiebungseinrichtung. Das Signal, wie zum Beispiel ein Taktsignal, wird in einen Phasendetektor eingegeben, wo das Signal mit der Ausgabe eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) verglichen wird. Die Phasendifferenz wird in eine Steuerspannung umgesetzt, die für die Steuerung der Phase des spannungsgesteuerten Oszillators verwendet wird. Die variable Phasenverschiebungseinrichtung wird wieder in den Regelkreis bzw. in die Rückkopplungsschleife eingeführt, und zwar zwischen dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators und dem Eingang in den Phasendetektor, so daß die Signalausgabe von dem spannungsgesteuerten Oszillator die gewünschte Phasenbeziehung zu der Signaleingabe in den Phasenregelkreis aufweist. Bei anderen analogen Techniken werden angezapfte Verzögerungsleitungen eingesetzt, wobei die Anzapfungen mit einem Multiplexer gekoppelt sind, um die entsprechende Anzapfung für die Ausgabe als phasenverschobenes Signal auszuwählen.
• Bei einem früheren digitalen Verfahren zur Verschiebung der Phase eines Signals wird ein Heterodyn- bzw. Überlagerungskonzept eingesetzt, wie dies in dem U. S. Patent US-A-4.677.395 mit dem Titel "Digital Phase Sijifter" offenbart wird, das am 30. Juni 1987 an Daniel G. Baker erteilt worden ist. Ein Dauerschwingungssignal (cw) wird mit einem Signal eines spannungsgesteuerten Oszillators gemischt, das ein ganzzahliges Vielfaches einer Differenzfrequenz darstellt. Die Differenzfrequenz wird phasengeregelt und das Signal des spannungsgesteuerten Oszillators wird durch einen Zähler in N Inkremente unterteilt. Der Zählwert wird mit einem gewünschten Phasenverschiebungswert verglichen, der zu der Differenzfrequenz addiert wird. Die phasenverschobene Differenzfrequenz wird danach aufwärts umgesetzt, so daß das phasenverschobene Signal cw erzeugt wird.
• In Electronics International, Band 52, Nr. 4, Februar 1980, New York, USA, Seite 135, offenbart J. W. V. Storey in "Digital phase shifter covers 0 degrees to 360 degrees range" eine Phasenverschiebungseinrichtung, die aus einem Eingangstakt vier Taktsignale in Quadratur zueinander an den Ausgängen eines Flip-flop-Paares erzeugt. Die Phasenverschiebung wird dadurch erreicht, daß zuerst eines der Taktsignale ausgewählt wird, und wobei zweitens eine Verzögerung von weniger als 90 Grad als Ergebnis des Vergleichs eines gewünschten Phasenwinkels mit einer Zählerausgabe hinzugefügt und ein Ausgangs-Flip-flop dementsprechend ausgelöst wird.
• In dem U. S. Patent US-A-4.638.190 wird eine digitale Phasenverschiebungseinrichtung offenbart, die zwei Anordnungen komplementärer Taktsignale erzeugt, wobei sich eine Anordnung in Quadratur mit den Signalen der anderen Anordnung befindet, wobei die Einrichtung eines der Quadraturpaare auswählt und das ausgewählte Quadraturpaar mischt, so daß ein phasenverschobenes Taktsignal als eine Funktion einer gewünschten Phasenausgabe erzeugt wird, um dadurch ein phasenverschobenes Taktsignal zu erzeugen.
• Wünschenswert ist eine digitale Phasenverschiebungseinrichtung, die genauer arbeitet als dem Stand der Technik entsprechende Phasenverschiebungseinrichtungen, wobei gleichzeitig die Komplexität der digitalen Heterodyn-Technik vermieden werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
• Vorgesehen ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine digitale Phasenverschiebungseinrichtung gemäß dem gegenständlichen Anspruch 1.
• Vorgesehen ist gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur digitalen Phasenverschiebung gemäß dem gegenständlichen Anspruch 6.
• Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine digitale Phasenverschiebungseinrichtung, die aus einem Eingangstaktsignal Quadratur-Komponenten erzeugt und die Quadratur-Komponenten selektiv so kombiniert, daß ein phasenverschobenes Ausgangstaktsignal erzeugt wird, das eine gewünschte Phasenverschiebung im Verhältnis zu dem Eingangstaktsignal aufweist. Das Eingangstaktsignal wird in einen Phasenregelkreis oder eine Multipliziereinrichtung eingegeben, um ein Taktsignal mit dem Vierfachen der gewünschten Frequenz zu erzeugen. Das Taktsignal wird in einen Zähler eingegeben, der zwei Quadratur-Taktsignale mit der gewünschten Frequenz erzeugt. Die Quadratur-Taktsignale und deren invertierte Ausführungen werden in einen ersten Multiplexer eingegeben, um ein Paar von Ausgangssignalen zu erzeugen, wobei die Ausgangssignale durch ein grobes Steuersignal ausgewählt werden, das bestimmt, in welchem Quadranten zwischen 0 und 360 Grad sich die gewünschte Phasenverschiebung befindet. Die verbleibenden werthöchsten Bits aus dem Zähler werden mit einem feinen Steuerwinkelwert verglichen, um ein Feinsteuersignal für einen zweiten Multiplexer zu erzeugen, dem das Paar der Ausgangssignale zugeführt wird. Der zweite Multiplexer und das Feinsteuersignal funktionieren als Mischer für das Paar der Ausgangssignale, so daß das phasenverschobene Ausgangstaktsignal erzeugt wird.
• Die Aufgaben, Vorteile und andere neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung deutlich, wenn diese in Verbindung mit den anhängigen Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Es zeigen:
• Fig. 1 ein Blockdiagrammansicht bzw. eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen digitalen Phasenverschiebungseinrichtung; und
• Fig. 2 ein Steuerungsdiagramm für die digitale Phasenverschiebungseinrichtung aus Fig. 1.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
• In Bezug auf die Abbildung aus Fig. 1 wird darin ein Eingangstaktsignal CLK in einen Phasenregelkreis (PLL) oder eine Multipliziereinrichtung 12 eingegeben, so daß ein Taktsignal 4*CLK erzeugt wird, das eine Frequenz aufweist, die dem Vierfachen der Frequenz des Eingangstaktsignals entspricht. Das Signal 4*CLK wird in einen Endloszähler 14 mit einem N-Bit-Ausgang eingegeben. Die Ausgabe Q1 des Zählers 14 des Bits nach dem wertniedrigsten Bit (lsb+1) sieht ein Taktausgangssignal 1*CLK vor, das die gleiche Frequenz wie das Eingangstaktsignal aufweist. Das Signal 1*CLK wird in ein erstes Single-ended-Komplementär-Ausgabegatter 16 und in ein D-Flip-flop 18 eingegeben, das durch 4*CLK getaktet wird. Die Ausgabe des Flip-flops 18 wird ein zweites Single-ended- Komplementär-Ausgabegatter 20 eingegeben. Bei den Ausgaben der Gatter 16, 20 handelt es sich um Paare komplementärer Signale, die in Quadratur zueinander stehen, d. h., das Flip-flop 18 verzögert das eine Signalpaar um ein Viertel eines Eingangstaktzykluses (90 Grad Phasenverschiebung). Diese Ausgaben werden in zwei Eingänge eines ersten Multiplexers 22 als vier Eingangssignale eingegeben, wobei die vier Signale für einen Eingang um eine Position im Verhältnis zu den vier Signalen für den anderen Eingang verschoben werden. Bei dem ersten Multiplexer 22 handelt es sich um einen dualen 4 : 1 Multiplexer. Ein grobes Steuersignal Cangle mit zwei Bits wird als Auswahlsignal für den ersten Multiplexer 22 eingegeben. Wenn Cangle zum Beispiel gleich Null ist, dann werden die beiden nicht-invertierten 1*CLK Signale als Quadratursignale I,Q ausgegeben, das heißt als ein Quadratursignalpaar; wenn Cangle gleich Eins ist, so werden das nicht-invertierte 1*CLK Signal von dem zweiten Gatter 20 und das invertierte 1*CLK Signal von dem ersten Gatter 16 als das Quadratursignalpaar ausgegeben, usw. Somit wählt der erste Multiplexer 22 einen Quadranten von neunzig Grad zwischen 0 und 360 Grad, in dem die gewünschte Phasenverschiebung auftritt.
• Das Quadratursignalpaar von dem ersten Multiplexer 22 wird in einen zweiten Multiplexer 24 eingegeben, der als ein 2 : 1 Multiplexer funktioniert. Die werthöchsten Bits des Zählers 14, d. h. die Bits lsb+2(Q2) bis zu dem werthöchsten Bit (msb) (QN-1), werden in eine digitale Vergleichseinrichtung 26 bzw. einen Komparator eingegeben. In den digitalen Komparator 26 wird ferner ein feines Steuersignal Fangle eingegeben. Wenn die werthöchsten Bits des Zählers 14 größer oder gleich Fangle sind, so weist ein Auswahlsignal I/Q_SEL an dem Ausgang einen von zwei Zuständen auf, wobei das Auswahlsignal ansonsten den anderen Zustand aufweist. Das Auswahlsignal wird dem zweiten Multiplexer 24 zugeführt, um an dem Ausgang einen von zwei I,Q-Eingängen vorzusehen. Da der Zähler 14 ununterbrochen die 4*CLK Zyklen zählt, wechselt das Signal I/Q_SEL mit einem durch Fangle bestimmten Arbeitszyklus zwischen den Zuständen, ausgenommen dann, wenn Fangle auf Null oder den maximalen Wert gesetzt ist, wobei in diesem Fall der eine oder der andere Zustand dauerhaft ausgewählt wird. Auf diese Weise wird das Quadratursignalpaar "gemischt und summiert", so daß ein Ausgangssignal OUT gebildet wird, das die gewünschte Phasenverschiebung zwischen Null und 360 Grad darstellt. Das Signal OUT wird in ein Ausgangs-D-Flip-flop 28 eingegeben, das durch 4*CLK getaktet wird, um Multiplexer-Schaltübergänge zu beseitigen, so daß ein sauberes bzw. reines Signal vorgesehen wird, und wobei die Ausgabe des Flip-flops in einen Bandpaßfilter 30 mit einer nominalen Mittenfrequenz auf der Höhe der Frequenz des Eingangstaktsignals eingegeben wird. Das gefilterte Taktsignal von dem Filter 30 wird in einen Begrenzer-/Übersetzerkreis 32 eingegeben, um das Taktsignal auf den entsprechenden Logikwerten vorzusehen und um Schwankungen der Höhe des Ausgabewertes zu beseitigen. Zur Erleichterung des Filterns der Ausgabe des Flip-flops 28 werden die N-2 werthöchsten Bits des Zählers 14 verwürfelt, bevor sie der Vergleichseinrichtung 26 zugeführt werden. Bei der Verwürfelung handelt es sich um eine Neuordnung der N-2 Bits von "wertniedrigst zu werthöchst" in "werthöchst zu wertniedrigst", d. h., das werthöchste Bit des Zählers 14 wird in den Eingang des wertniedrigsten Bits des Komparators 26 eingegeben. Diese Verwürfelung erweitert das Spektrum der Ausgabe des Flip-flops 28, wodurch das Filtern dadurch erleichtert wird, daß die eingrenzenden Seitenbänder um ungefähr 20 · log(N-2) Dezibel verringert werden.
• Die Gesamtphasenverschiebung des Eingangstaktsignals kann wie folgt definiert werden:
• Phasenverschiebung(in Grad) = 90 · Cangle + Arctan {Fangle/2^(N-2)-Fangle)}
• Oder annähernd durch:
• = 90 · Cangle + Fangle · 90/2^(N-2)
• Die Schwankungen der Höhe des Schwingungsverlaufs an dem Ausgang des Filters 30 werden durch die Summierung der I/Q Signale bewirkt, was wie folgt gegeben ist:
• RelAmp = (1/2^(N-2)) · SQRT{2^(2 N-3)-2^(N-1) · Fangle + 2 · Fangle^2}
• Im Einsatz gemäß der Abbildung aus Fig. 2 erzeugt 4*CLK, das von dem Eingangstaktsignal durch den Phasenregelkreis bzw. die Multipliziereinrichtung 12 abgeleitet worden ist, über den Zähler 14 das Signal 1*CLK aus der lsb+1 (Q1) Ausgabe. Bei dem gegebenen Beispiel mit Cangle gleich Null und Fangle gleich 2^(N-3), repräsentieren die I,Q Ausgaben des ersten Multiplexers 22 den ersten Quadranten zwischen Null und 90 Grad, das heißt, I ist ein Vektor bei Null Grad und Q ist ein Vektor bei 90 Grad. Die N-2 werthöchsten Bits von dem Zähler 14 werden in die Vergleichseinrichtung 26 eingegeben und mit 2^(N-3) verglichen, wobei dies dem werthöchsten Bit für Fangle entspricht, d. h. das wertniedrigste Bit des Zählers CLK/2 wird aufgrund der Verwürfelung mit dem werthöchsten Bit für Fangle verglichen, so daß das Signal I/Q_SEL für einen Phasenzyklus von I niedrig ist und für den nächsten Zyklus hoch ist. Das resultierende Signal OUT stellt Q dar, wenn I/Q SEL niedrig ist und stellt I dar, wenn I/Q_SEL hoch ist. Bei gleichen Werten von I und Q entspricht der gewünschte Winkel
• 90 · 0 + 90 · 2^(N-3)/2^(N-2) = 0 + 90/2 = 45 Grad.
• Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung somit eine digitale Phasenverschiebungseinrichtung für ein Taktsignal, die eine Genauigkeit von 360/2^N Grad vorsieht, und zwar durch die Erzeugung von Quadraturkomponenten aus dem Taktsignal sowie durch Mischen der Quadraturkomponenten gemäß einer gewünschten Phasenverschiebung, so daß ein phasenverschobenes Taktsignal erzeugt wird.

Claims (10)

1. Digitale Phasenverschiebungseinrichtung, die folgendes umfaßt:

eine Einrichtung (12-20) zur digitalen Erzeugung von vier Taktsignalen in Form von zwei Anordnungen komplementärer Taktsignale aus einem Eingangstaktsignal (CLK), wobei die Taktsignale einer Anordnung im Verhältnis zu den Taktsignalen der anderen Anordnung um 90º phasenverschoben sind, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (22) zum Multiplexen eines ausgewählten Paares (I, Q) der vier Taktsignale gemäß eines groben Steuersignals (CANGLE), das einen speziellen Quadranten von Phasenwinkeln definiert, wobei die Taktsignale des ausgewählten Paares um 90º phasenverschoben sind, mit einer Einrichtung (24-26) zur wechselweisen Auswahl zwischen den Taktsignalen des ausgewählten Paares von Taktsignalen (I, Q) als eine Funktion eines Auswahlsignals (I/Q SELECT), das durch ein feines Winkelsteuersignal (FANGLE) bestimmt wird, wobei ein spezieller Winkel in dem speziellen Quadranten definiert wird, um ein phasenverschobenes Taktsignal (CLK') zu erzeugen, das eine gewünschte Phasenverschiebung von dem Eingangstaktsignal aufweist, wobei das Verhältnis jedes der ausgewählten Taktsignale von dem feinen Steuersignal (FANGLE) abhängig ist.

2. Digitale Phasenverschiebungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die digitale Erzeugungseinrichtung folgendes umfaßt:

eine Einrichtung (12) zur Multiplikation der Frequenz des Eingangstaktsignals zur Erzeugung eines Mehrfach-Taktsignals; und

eine Einrichtung (14-20) zur Erzeugung von zwei Anordnungen komplementärer Taktsignale aus dem Mehrfach- Taktsignal.

3. Digitale Phasenverschiebungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Erzeugungseinrichtung folgendes umfaßt:

eine Einrichtung (14) zum zyklischen Zählen von Zyklen des Mehrfach-Taktsignals, wobei die Zähleinrichtung n Ausgänge aufweist, wobei einer dieser Ausgänge ein Einfach-Taktsignal mit der Frequenz des Eingangs-Taktsignals vorsieht;

eine Einrichtung (18) zur Ableitung eines Quadratur- Einfach-Taktsignals von dem Einfach-Taktsignal; und

eine Einrichtung (16, 20) zur Erzeugung der beiden Anordnungen komplementärer Signale aus dem Einfach-Taktsignal und dem Quadratur-Einfach-Taktsignal.

4. Digitale Phasenverschiebungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Erzeugungseinrichtung eine Einrichtung (16, 20) zur Umwandlung des Einfach-Taktsignals und des Quadratur-Einfach- Taktsignals in die beiden Anordnungen komplementärer Taktsignale umfaßt.

5. Digitale Phasenverschiebungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die wechselweise Auswahleinrichtung folgendes umfaßt:

eine Einrichtung (26) zum Vergleichen der Ausgaben der Zähleinrichtung mit niedrigeren Frequenzen als der Frequenz des Einfach-Taktsignals mit dem feinen Winkelsteuersignal zur Erzeugung des genannten Auswahlsignals (I/Q SELECT); und

eine Einrichtung (24) zur Erzeugung des phasenverschobenen Taktsignals aus dem ausgewählten Paar der Quadratur-Paare als Reaktion auf das Auswahlsignal.

6. Verfahren zur digitalen Phasenverschiebung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

digitale Erzeugung (12-20) von vier Taktsignalen in Form von zwei Anordnungen komplementärer Taktsignale aus einem Eingangstaktsignal (CLK), wobei die Taktsignale einer Anordnung zu den Taktsignalen der anderen Anordnung um 90º phasenverschoben sind, gekennzeichnet durch: Multiplexen (22) eines ausgewählten Paares (I, Q) der vier Taktsignale gemäß der Bestimmung durch ein grobes Steuersignal (CANGLE), das einen speziellen Quadranten von Phasenwinkeln definiert, wobei die Taktsignale des ausgewählten Paares um 90º phasenverschoben sind, wobei als eine Funktion eines Auswahlsignals (I/Q SELECT), das durch ein feines Winkelsteuersignal (FANGLE) bestimmt wird, wechselweise zwischen den Taktsignalen des ausgewählten Paares von Taktsignalen (I, Q) ausgewählt (24, 26) wird, wobei ein spezieller Winkel in dem speziellen Quadranten definiert wird, so daß aus dem Eingangstaktsignal ein verschobenes Taktsignal (CLK') mit einer gewünschten Phasenverschiebung erzeugt wird, wobei das Verhältnis jedes der ausgewählten Taktsignale von dem feinen Steuersignal (FANGLE) abhängig ist.

7. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt der digitalen Erzeugung die folgenden Schritte umfaßt:

Multiplizieren (12) der Frequenz des Eingangstaktsignals, so daß ein Mehrfach-Taktsignal erzeugt wird; und

Erzeugen (14-20) der beiden Anordnungen komplementärer Taktsignale aus dem Mehrfach-Taktsignal.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Erzeugens die folgenden Schritte umfaßt:

zyklisches (14) Zählen von Zyklen des Mehrfach- Taktsignals, wobei der Zählschritt n Ausgänge aufweist, wobei einer der Ausgänge ein Einfach-Taktsignal mit der Frequenz des Eingangs-Taktsignals vorsieht;

Ableiten (18) eines Quadratur-Einfach-Taktsignals von dem Einfach-Taktsignal; und

Erzeugen (16, 20) der beiden Anordnungen komplementärer Taktsignale aus dem Einfach-Taktsignal und dem Quadratur- Einfach-Taktsignal.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Erzeugungsschritt den Schritt des Umwandelns (16, 20) des Einfach-Taktsignals und des Quadratur-Einfach-Taktsignals in die beiden Anordnungen komplementärer Taktsignale umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Schritt der wechselweisen Auswahl die folgenden Schritte umfaßt:

Vergleichen der Ausgaben des Zählschritts mit niedrigeren Frequenzen als der Frequenz des Einfach-Taktsignals mit dem feinen Winkelsteuersignal, so daß das Auswahlsignal erzeugt wird; und

Erzeugen des phasenverschobenen Taktsignals aus dem ausgewählten Paar der Quadratur-Paare als Reaktion auf das Auswahlsignal.