DE2905023A1

DE2905023A1 - Digitalphasendetektor und verfahren zur detektion einer phasendifferenz

Info

Publication number: DE2905023A1
Application number: DE19792905023
Authority: DE
Inventors: Jun Robert L Nelson
Original assignee: Tracor Inc
Current assignee: Tracor Inc
Priority date: 1978-02-13
Filing date: 1979-02-09
Publication date: 1979-08-16
Also published as: FI73547C; DK51479A; SE441474B; US4178631A; JPS54116893A; FI73547B; CA1130382A; GB2014386B; GB2014386A; NO148235B; NO790372L; NO148235C; FR2417116A1; JPH0146835B2; FI790454A7; SE7901029L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion der Phase eines Signals einer bekannten Frequenz und insbesondere auf einen Digitalphasendetektor zur Verwendung in einem Omega-Navigationssystem.

Das Omega-Navigationssystem wurde dazu entwickelt, um den Nautikern oder Seefahrern ein Kittel an die Hand zu geben, mit dem sie an jedem Punkt der Erde ihre Position genau bestimmen können. Das Omega-System verwendet beim Betrieb acht Übertragungsstationen, die an acht, über die gesamte Erde verstreuten Punkten angeordnet sind. Jede dieser Übertragungs-

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Stationen sendet Signale mit einer sehr niedrigen Frequenz (VLF, Längstwellenfrequenz) in der Größenordnung von 10 kHz aus. Damit haben diese Signale einen Wirkungsbereich von fünf- bis achttausend Meilen. Bei einem derartigen Bereich sollten die Signale von einigen der acht Omega-Übertragungsstationen an jedem Ort der Erde empfangbar sein.

Jede Omega-Station überträgt ein DauerStrichsignal einer bekannten Frequenz innerhalb eines diskreten bzw. definierten Zeitintervalls. Jedes Stationssignal ist mit ähnlichen Signalen von den anderen Omega-Stationen synchronisiert, so daß jedes der Signale an einem eindeutigen Zeitpunkt in einem wiederkehrenden Muster auftritt. Ausgerüstet mit einem geeigneten Empfangs- und Interpretationsgerät, kann ein Seefahrer die getrennte Quelle von jedem empfangenen Signal innerhalb des Musters identifizieren und die relative Phasenbeziehung zwischen jedem Paar von derart empfangenen Signalen bestimmen. Punkte von konstanter Phasendifferenz zwischen diesen Signalpaaren treten geographisch entlang von hyperbolischen Linien auf. Es wurden bereits Omega-Navigationskarten mit derartigen hyperbolischen Linien hergestellt, auf denen die Position eingetragen ist. Unter Verwendung dieser Karten und der von den Omega-Signalen empfangenen Phaseninformation kann ein Seefahrer seine gegenwärtige Position sehr genau bestimmen.

Da die übertragenen Omega-Signale keine Synchronisation oder Phasenbezugsinformation liefern, muß die Phasenberech-

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'liming im Empfänger bezüglich einer Ortsnorm durchgeführt werden. Damit ist ein Omega-Empfänger derart aufgebaut, daß er sein eigenes Bezugssignal mit der gleichen Frequenz wie das ankommende Omega-Signal erzeugt. Das geeignete Bezugssignal wird dann mit jedem ankommenden Omega-Signal verglichen und die Phasendifferenz zwischen dem Bezugssignal und dem ankommenden Signal gemessen. Aus diesen vorausgehenden Phasenmessungen kann die Phasendifferenz zwischen jedem Paar von ankommenden Omega-Signalen berechnet werden.

Durch Umwandeln der Phaseninformation im ankommenden Omega-Signal in Binärform kann die Phasenberechnung in einfacher Weise mit logischen Digitalgeräten durchgeführt werden. Eine bekannte Technik zum digitalen Berechnen der gewünschten Phasendifferenz beginnt mit dem Filtern des ankommenden Omega-Signals, wodurch das Signal auf eine Zwischenfrequenz (ZF-Frequenz) reduziert wird und das ZF-Signal dann einer sogenannten harten Begrenzung unterzogen wird. Das sich ergebende Rechtecksignal wird mit einem Rechteckbezugssignal verglichen, das vom Omega-Empfänger mit der gleichen ZF-Frequenz erzeugt wird.

Um die Phase des Omega-Signals und des Bezugssignals miteinander zu vergleichen, werden die beiden Signale an die Eingänge eines Exklusiv-ODER-Glieds angelegt. Aufgrund dieser Eingangssignale erzeugt das Exklusiv-ODER-Glied ein erstes binäres Ausgangssignal, wenn beide Eingangssignale denselben Binärwert haben, und ein zweites binäres Ausgangssignal, wenn die Ein-

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gangssignale verschiedene Binärwerte haben. Damit erhält man mit dem Exklusiv-ODER-Glied das Produkt der Multiplikation des Omega-Signals mit dem Bezugssignal.

Das ProduktausgangsSignal des Exklusiv-ODER-Glieds steuert die Zählrichtung eines Aufwärts-Abwärts-Zählers. Der Zählwert, der in einem gegebenen Zeitintervall aufläuft, bezieht sich damit auf die Phasendifferenz zwischen dem ankommenden Signal und dem Bezugssignal, wobei der niedrigste Zählwert dann auftritt, wenn die Signale in Phase sind, während der höchste Zählwert auftritt, wenn die Phasen sich um 180 unterscheiden. Der registrierte Zählwert wird dann als Fehlersignal in einem Phasenregelkreis (PLL) verwendet, das dem ßezugssignalgenerator zugeführt wird, um die Phase des Bezugssignals so zu verschieben, daß sie sich um annähernd 90° von der Phase des nächsten ankommenden Omega-Signals unterscheidet.

Diese Digitalphasendetektionstechnik arbeitet sehr zufriedenstellend bei Signalen, die am Eingang des harten Begrenzers störungsfrei sind. Bei geräuschbehafteteren Signalen nimmt jedoch die Empfindlichkeit eines derartigen Phasendetektors immer mehr ab, und der Nachlauffehler in dem Phasenregelkreis wird sich schließlich bis zu einem Viertel eines Zyklus auflaufen, wenn die Phase des Omega-Signals verändert wird. Wenn der Nachlauffehler den vierten Teil eines Zyklus erreicht hat, so hört die Schleifenkennlinie auf linear zu sein und die

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Schleife wird ausrasten, was zu einem Verlust der Heßzuverlässigkeit führt.

Um einen derartigen PLL-Fehler zu vermeiden, kann die Technik der Quadratursignalverarbeitung (d.h. die 9O°-Phasenver-Schiebung) auf die Phasenmessung eines Omega-Signals angewendet werden. Bei der Quadraturtechnik werden zwei Phasendetektorschaltkreise verwendet, die jeweils eine Phasenmessung in einer ähnlichen Weise wie der PLL-Detektor durchführen. Wie beim PLL-Detektor werden beim Quadraturdetektor ein Bezugssignal und das ZF-Omega-Signal den Eingängen eines Exklusiv-ODER-Glieds zugeführt.

Bei der Quadraturtechnik werden jedoch zwei Bezugssignale erzeugt, wobei das eine der Bezugssignale gegenüber dem anderen um 90° phasenverschoben ist, d.h. es werden Bezugssignale in Quadratur erzeugt. Das Omega-Signal und das erste Bezugssignal werden den Eingängen eines ersten Exklusiv-ODER-Glieds zugeführt, während das Omega-Signal und das um 90° phasenverschobene Bezugssignal den Eingängen eines zweiten Exklusiv-ODER-Glieds zugeführt werden. Bei dieser Anordnung berechnet ein Aufwärts-Abwärts-Zähler eine Summe, die annähernd gleich dem Sinus der Phasendifferenz ist, während der zweite Aufwärts-Abwärts-Zähler einen Zählwert aufweist, der dem Kosinus der Phasendifferenz entspricht. Der-Phasendifferenzwert wird dann durch Berechnung des Arcustangens des Verhältnisses dieser beiden Summen berechnet.

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Tatsächlich sind die gemessenen Summen nur bei geringem Rauschabstand sinusförmig als Funktion der Phasendifferenz, und sie erreichen Dreiecksfunktionen bei hohem Rauschabstand. Damit können so erhaltene Heßwerte genauer als Pseudo-Sinus und Pseudo-Kosinus bezeichnet werden. Eine ausreichend gute Annäherung an die genauen Phasenmessungen kann jedoch bei Verwendung einer geeigneten Pseudo-Arcustangens-Funktion oder selbst einer richtigen Arcustangens-Funktion erhalten werden. Darüber hinaus nimmt bei diesem Verfahren der digitalen Phasendetektion die Empfindlichkeit nicht ab, wenn der Rauschabstand abnimmt, wie es bei der oben beschriebenen PLL-Technik der Fall ist.

Das Quadraturverfahren der Phasendetektion führt zu ausreichend genauen Ergebnissen, wenn es für Kavxgationszwecke verwendet wird, um eine genaue Anzeige der Position des Omega-Empfängers zu erhalten. Es hat sichjedoch gezeigt, daß die im Omega-Navigationssystem übertragenen Signale auch für zusätzliche wichtige Messungen nützlich sind. Ein Gebiet, bei dem die Omega-Signale möglicherweise von signifikantem Wert sind, ist die Meteorologie. Bei der Untersuchung des Wetters ist es oft wünschenswert, die Geschwindigkeit und Richtung des Windes über eine Zeitdauer hinweg an verschiedenen Stellen der Erde aufzuzeigen, ebenso wie an verschiedenen Höhen über diesen Stellen. Diese Messungen können in einfacher Weise unter Verwendung des Omega-Systems durchgeführt werden.

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Um derartige Windsuchmessungen durchzuführen, werden an verschiedenen Stellen mit Instrumenten versehene Wetterballone freigegeben, die durch die Atmosphäre hochsteigen können. Nach seiner Freigabe wandert der Ballon mit einer horizontalen Bewegungskomponente, die im wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit wie der Wind an der Stelle des Ballons hat. Die Instrumente an Bord des Ballons übertragen seine Höhe als Funktion der Zeit. Unter Verwendung der Omega-Signale kann auch eine Information bezüglich der horizontalen Stellung des Ballons in Funktion der Zeit ebenso wie die Wandergeschwindigkeit und -richtung des Ballons erhalten werden.

Ein auf dem Ballon befestigter Omega-Empfänger kann dazu bestimmt sein, die empfangenen Signale zur Erdstation zurückzusenden» Das Erdgerät stellt dann die Phasendifferenzinformation in ähnlicher Weise wie beim oben beschriebenen Navigieren fest. Damit kann die Stelle des Ballons bestimmt und als Funktion der Zeit aufgetragen werden. Darüber hinaus kann durch Feststellen der Änderungsgeschwindigkeit der Phasendifferenz zwischen den von dem Ballon empfangenen Omega-Signalen die Wandergeschwindigkeit und -richtung des Ballons berechnet werden, von denen angenommen wird, daß sie der Windgeschwindigkeit und -richtung an der Ballonstelle entsprechen. Obwohl die oben beschriebene Quadraturphasendetektionstechnik ein Arcustangens-Ergebnis liefert, das nur um wenige Grade von der Phase des Originalsignals abweicht, und obwohl diese Differenz

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nur bei großem Rauschabstand auftritt, kann dieser Fehler dann fatal sein, wenn ein hochgenauer Meßwert erforderlich ist, wie etwa dann, wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Phasendifferenz bei der Windsuchtechnik berechnet wird. Damit besteht ein Bedürfnis zur Entwicklung eines Verfahrens in der Phasendetektionstechnik, das eine Phasendifferenzmessung mit sehr hoher Genauigkeit ermöglicht.

Demnach besteht eine wesentliche Aufgabe der Erfindung darin, einen verbesserten Phasendetektor zu schaffen, der eine sehr genaue Messung der Phasendifferenz durchführen kann.

Eine weitere wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Phasendetektor zu schaffen, der eine ausreichend genaue Messung der Änderungsgeschwindigkeit der Phasendifferenz ermöglicht.

Ein derartiger verbesserter Phasendetektor soll auch programmierbar sein, um Digitalkorrekturfaktoren in den Quadraturphasendetektionsschaltkreis einführen zu können. Außerdem soll der verbesserte Phasendetektor im Omega-Navigationssystem verwendbar sein, um Windsuchmessungen durchführen zu können.

Eine weitere wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur genaueren Detektion einer Phasendifferenz zu schaffen.

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Ein erfindungs£eiaäßer Digitalphasendetektor weist einen sogenannten harten Begrenzer auf, der ein ankommendes Signal der bekannten Frequenz in ein Rechtecksignal umwandelt. Ein Bezugssignalgenerator erzeugt ein Rechteckbezugssignal und ein um 90 phasenverschobenes Rechteckbezugssignal, die jeweils die Frequenz des ankommenden Signals aufweisen. Das Rechtecksignal wird im ersten logischen Glied mit dem Rechteckbezugs signal und im zweiten logischen Glied mit dem um 90° phasenverschobenen Rechteckbezugssignal kombiniert. Ein phasenmodulierter Taktgeber treibt zwei Zähler an, die durch die Ausgangssignale des ersten bzw. zweiten logischen Glieds gesteuert werden, wobei der erste Zähler durch das erste Ausgangssignal und der zweite Zähler durch das zweite Ausgangssignal gesteuert werden. Ein Digitalprozessor berechnet einen Schätzwert der Signalphase unter Verwendung der Zähleranzeigen, die im ersten und zweiten Zähler registriert sind»

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der phasenmodulierte Taktgeber einen Hochgeschwindigkeits-Digitaltaktgeber auf, der ein programmierbares Dividierwerk antreibt. Hit dem programmierbaren Dividierwerk ist ein Nur-Lese-Speicher verbunden, der dessen Teilungsverhältnis steuert, während ein Zähler das Ausgangssignal des programmierbaren Dividierwerks empfängt und den Nur-Lese-Speicher adressiert.

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Demnach weist der erfindungsgemäße Digitalphasendetektor eine Begrenzerstufe mit harter Begrenzung auf, die ein ankommendes Signal bekannter Frequenz in ein Binärsignal der gleichen Frequenz umwandelt. Ein Bezugssignalgenerator erzeugt zwei Binärbezugssignale mit der Signalfrequenz, wobei das eine Bezugssignal um 90° bezüglich dem anderen phasenverschoben ist. Das Binärsignal wird mit jedem Bezugssignal einer Exklusiv-ODJ-iR-üperation unterzogen, und die von den Exklusiv-ODEK-Gliedern erhaltenen Ausgangssignale steuern zwei Zähler, die damit die Zählwerte analog zu trigonometrischen Funktionen des Signalphasenwinkels aufnehmen. Ein phasenmodulierter Taktgeber treibt die Zähler an, wodurch das l^hasenmodulationsmerkmal die Einfügung eines Korrekturfaktors ermöglicht, um den durch die Quantisierungsnatur der verwendeten digitalen Berechnungen auftretenden Fehler zu eliminieren.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des Omega-Navigationssystems-Signalformats;

2ü Fig. 2 eine Darstellung eines Blockschaltdiagramms eines typischen Omega-Empfängers;

Fig. 3 ein Blockschaltdiagramm eines erfindungsgemäßen Digitalphasendetektors;

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Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der tatsächlichen Signal phase und dem Phasenwert, wie er durch einen Digitalphasendetektor gemessen wird, und

Fig« 5 ein Blockschaltdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des in dem Digitalphasendetektor nach Fig. 3 verwendeten phasenmodulierten Taktgebers.

Obwohl der Phasendetektor und das entsprechende Verfahren, wie es im nachfolgenden beschrieben wird, auf alle Systeme anwendbar sind, bei denen die Phase eines diskreten Signals mit einer bekannten Frequenz gemessen werden muß, wird die Technik im nachfolgenden lediglich bezüglich des Omega-Navigationssystems beschrieben.

Das Omega-Hyperbelnavigationssystem verwendet die sequentielle Übertragung von drei Navigationsfrequenzen (bei 10,2, 11 1/3 und 13?6 kHz), die von jedem der acht über die Erde verstreuten Übertrager ausgesendet werden« Die Mehrfachfrequenzen werden dazu verwendet, daß im Zusammenhang mit der Phasenmessung eines im wesentlichen kontinuierlichen Phasensignals auftretende Problem der Grundlinienmehrdeutigkeit zu vermindern«

In Fig« 1 ist das grundsätzliche Omega-Signalformat dargestellt., wobei die acht Übertragungsstationen auf der Ordinate

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der Darstellung und die Zeitfolge sowie die Dauer der Übertragungen auf der Abszisse dargestellt sind. Die Frequenz P^ (10,2 kHz im Omega-System) wird durch die Station A zum Zeitpunkt T gleich Null gesendet. Dieses Signal wird 0,9 Sekunden gesendet, gefolgt von einer 0,2 Sekunden dauernden Verzögerung, wobei eine derartige Verzögerung zwischen jedem Paar von übertragenen Signalen vorgesehen ist. Zum Zeitpunkt T gleich 1,1 Sekunden überträgt die Station A die Frequenz F₂ von 13,6 kHz und zum Zeitpunkt T gleich 2,3 Sekunden die Frequenz F^, die entsprechend dem Omega-System gleich 11 1/3 kHz ist. Die Station B beginnt mit der Übertragung der Frequenz F^ zum Zeitpunkt T gleich 1,1 Sekunden, sendet die Frequenz Fp zum Zeitpunkt T gleich 2,3 Sekunden und beginnt mit der Übertragung der Frequenz F* zum Zeitpunkt T gleich 3,6 Sekunden. Die Frequenz F^ wird von der Station A während einer Gesamtzeit von 0,9 Sekunden gesendet, während die Station B die Frequenz F^ während einer Gesamtzeit von 1 Sekunde und die Frequenz Fg während einer Gesamtzeit von 1,1 Sekunden sendet. Bei Kenntnis der Folge der zu übertragenden Frequenzen sowie der Zeitdauer von jedem der drei diskreten Signale kann damit eine bestimmte Station bestimmt werden. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, weist das System acht Segmente im 10 Sekunden-Signalformat auf, wobei volle 10 Sekunden zwischen dem Beginn der Übertragung einer jeden diskreten Frequenz bei jeder Station verstreichen.

Die nachfolgende Beschreibung der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung erfolgt lediglich im Hinblick auf

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eine Folge von Signalen, die bei einer Frequenz von einem Sender gesendet werden, obwohl leicht einzusehen ist, daß die Vorrichtung und das Verfahren in gleicher Weise auf jede Station und auf jede Frequenz anwendbar sind.

Fig., 2 zeigt ein Blockschaltdiagramm eines Teils eines typischen Ornega-Empfängers zum Empfang des Omega-Signals, das mit einer der drei diskreten Frequenzen übertragen wird. Das Signal wird zuerst von einer Antenne 10 empfangen und gelangt dann von der Antenne über einen Antennenkoppler 12 zu einer geeigneten elektronischen Verarbeitungsvorrichtung. Ein Vorverstärker 14 verstärkt das Signal und gibt es einem HF-Filter 16 weiter, von dem aus das gefilterte Signal zum Frequenzwandler 1ö weiterläuft. Im Frequenzwandler 18 wird das Signal in eine niedrigere Frequenz umgewandelt, wie etwa 200 Hz, und es gelangt dann zu einem Verstärker 20. Das Zwischenfrequenz (ZF)-Signal wird verstärkt und in einem ZF-Filter 22 gefiltert. Eine Begrenzerstufe 24 mit harter Begrenzung ist ein Begrenzungsverstärker j, der das ZF-SignaL in ein Rechtecksignal mit gleicher Frequenz umwandelt. Das Signal vom harten Begrenzer wird dann in Digitalform vom Phasendetektor 26 verarbeitet, der einen Schätzwert der Phasen der Eingangssignale erzeugt.

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In Fig. 3 ist der erfindungsgemäße, die Quadraturtechnik verwendende Digitalphasendetektor in Form eines Blockschaltdiagramms dargestellt. Ein ankommendes verarbeitetes Omega-Signal 28 kommt in eine ZF-Filterendstufe 22, nachdem es zuerst durch einen Omega-Empfänger verarbeitet wurde, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Nach der ZF-Filterung wird das Signal ι 28 durch den harten Begrenzer 24 in eine Rechteckwelle umgewandelt. An diesem Punkt kann das Omega-Signal als ein Binärsi^nai behandelt und durch logische Digitalglieder verarbeitet werden.

Ein Bezugssignalgenerator 30 erzeugt zwei Rechteckbezugssignale, jeweils mit der Frequenz des Omega-Signals 28. Das erste Rechteckbezugssignal wird als Eingangssignal einem Exklusiv-ODER-Glied 32 zugeführt, dem auch das Omega-Signal zugeführt wird. Das zweite Rechteckbezugssignal, das von dem Bezugssignalgenerator 30 mit einer Phasenverzögerung von 90 gegenüber dem ersten Rechteckbezugssignal erzeugt wird, wird einem Exklusiv-ODER-Glied 34 zugeführt, dem auch das Omega-Signal als Eingangssignal zugeführt wird.

Die Exklusiv-ODER-Glieder 32 und 34 stellen eine Multiplikationsfunktion dar. Ein Exklusiv-ODER-Glied erzeugt an seinem Ausgang eine binäre "0", wenn an beiden Eingängen eine binäre "1" oder ebenfalls an beiden Eingängen eine binäre "0" anliegt. Das Exklusiv-ODER-Glied erzeugt an seinem Ausgang eine binäre

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^M1ⁿ, wenn seine Eingänge verschiedene Binärwerte aufweisen, d.h. eine binäre "1" und eine /binäre "O" oder eine binäre "0" und eine binäre "1". Das Ausgangsprodukt des Exklusiv-ODER-Glieds 32 wird einem Zähler 42 zugeführt, während das Ausgangsprodukt des Exklusiv-ODER-Glieds 34 dem Zähler 44 zugeführt wird« Die Tiefpaßfilterung der Ausgangssignale der Exklusiv-ODER-Glieder wird dadurch erreicht, daß diese Ausgangssignale dazu verwendet werden, die Richtung zu steuern, in der die Aufwärts-Abwärts-Zähler 42 und 44 zählen» wenn sie durch ein Taktsignal vom phasenmodulierten Taktgeber 40 angetrieben werden»

Obwohl die Phasenfunktion, mit der der Phasendetektor arbeitet, tatsächlich nicht sinusförmig, sondern dreieckig ist, sind die in den Zählern 42 und 44 registrierten Zählwerte analog zum Kosinus bzw» Sinus der Phasendifferenz. Diese Meßwerte können damit einfach als Pseudo-Kosinus und Pseudo-Sinus bezeichnet werden« Indem das Verhältnis dieser Meßwerte vorgenommen und das Verhältnis einer Arcustangens-Funktion unterzogen wird, kann ein Schätzwert der Phasendifferenz zwischen dem Omega-Signal und dem Bezugssignal berechnet werden. Diese Berechnung wird im Digitalprozessor 46 durchgeführt.

Die Zähler 42 und 44 müssen jedoch nicht Aufwärts-Abwärts-Zähler sein. Ein äquivalentes Ergebnis kann auf wirtschaftlichere Weise dadurch erreicht werden, daß in eine Richtung

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wirkende Zähler verwendet werden. Bei der oben "beschriebenen Ausführungsform zählt jeder Aufwärts-Abwärts-Zähler jeden Taktimpuls, wobei die Richtung des Zählwerts durch das entsprechende Exklusiv-ODER-Glied bestimmt wird. D.h. ein derartiger Zähler zählt entweder +1 oder -1 bei jedem Impuls. Wenn in eine Richtung wirkende Zähler verwendet werden, so sind derartige Zähler derart geschaltet, daß jeder Zähler bei jedem Impuls entweder zählt oder nicht zählt, je nach dem Ausgangssignal des entsprechenden Exklusiv-ODER-Glieds. Damit zählt ein in eine Richtung wirkender Zähler entweder +1 oder Diese Werte können als Zählwerte von +1/2 bzw. -1/2 angesehen werden, die gleichzeitig bei einem Zählwert von +1/2 auftreten.

Wenn damit die Dauer des Zählintervalls bekannt ist, so können die äquivalenten Zählwerte für einen Aufwärts-Abwärts-Zähler in einem Digitalprozessor 46 durch Verdopplung des jeweiligen Ergebnisses und anschließendes Abziehen einer Regelabweichung erhalten werden, die gleich der bekannten Zahl von Taktimpulsen ist, die gezählt hätte werden können. Obwohl damit sowohl die Aufwärts-Abwärts- oder die in eine Richtung wirkenden Zähler das gleiche Ergebnis erzielen, wird in der nachfolgenden Beschreibung der Einfachheit halber lediglich Bezug auf Aufwärts-Abwärts-Zähler genommen.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt in der Verwendung eines phasenmodulierten Taktge-

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bers 40 zum Antreiben der Zähler 42 und 44. Die Notwendigkeit eines Korrekturfaktors in einem Digitalphasendetektor ist graphisch in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4 ist ein Kurvendiagranm, das die Beziehung der tatsächlichen Signalphase zur Phase des Signals darstellt, wie es von einem Digitalphasendetektor gemessen wird. Bei einem idealen Detektor würde diese Beziehung durch eine gerade Linie gekennzeichnet werden. Aufgrund der •Quantisierung der Zähler, die die vektorielle Ablesung bildet, werden jedoch nur bestimmte Phasenwerte durch einen Digitaldetektor gemessen. Die gemessenen Werte sind auf der vertikalen Achse in Einheiten von 1,024 MHz Taktperioden gekennzeichnet. Uu den Fehler im gemessenen Phasenwert zu minimisieren, sol3.te die Phasendetektor schaltung so gestaltet werden, daß ein Übergang vom einen quantisiert gemessenen Phasenwert zum nächsten bei jedem geeigneten Punkt bewirkt wird, un die Diskrepanz zwischen der gemessenen und der tatsächlichen Phase für die nächste Taktperiode zu mininiisieren. Ein Losungsweg, mit dem ein derartiger korrigierter übergang erreicht wird, bildet die Modulation der Phase des Taktgebers 40, wodurch die Signale in dem nach der Quadraturtechnik arbeitenden Digitalphasendetektor getort werden. Eine derartige Technik ist genauer in Fig„ 5 dargestellt.

Fig. 5 zeigt in Form eines Blockschaltdiagramms den phasenmodulierten Taktgeber 40 nach Fig. 3. Der Hochgeschwindigkeitstaktgeber 48 wird zum Antreiben eines programmierbaren Dividier-

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werks 50 verwendet. Der Nur-Lese-Speiclier 52 steuert das Verhältnis, mit dem das programmierbare Dividierwerk 50 den Hochgeschwindigkeitstaktgeber 48 teilt, um ein pliasenmoduliertes Taktsignal 54 zu erzeugen. Bei einer derartigen Steuerung des Dividierwerks zählt das modulierte Taktsignal 54, das am Ausgang des programmierbaren Dividierwerks 50 erhalten wird, tatsächlich mit einer sich ändernden Rate, die genau durch die Inhalte bestimmt werden kann, die in dem Nur-Lese-Speicher 52 gespeichert sind. Wenn das modulierte Taktsignal 54 zur Steuerung der Zähler 42 und 44 nach Fig. 3 verwendet wird, können die Zähler in gewünschter Weise zur Fluktuation gebracht werden, so daß der registrierte Zählwert den genauesten Schätzwert der gemessenen Signalphase für jeden tatsächlichen Phasenwert erreicht. Das Ausgangssignal von programmierbaren Dividierwerk 50 wird einem Festdividierwerk 56 zugeführt. Das Festdividierwerk 56 wird dann auf den nächsthöheren Binärwert hochzählen, und dieser Binärwert wird dazu verwendet, die entsprechende Stelle im Nur-Lese-Speicher 52 zu adressieren. Die Inhalte kennzeichnen dann das nächste Teilungsverhältnis, das von dem programmierbaren Dividierwerk 50 verwendet wird.

Die Funktion eines programmierbaren Dividierwerks 50 kann auch durch einen voreinstellbaren Zähler erfüllt werden, der jedesmal dann von einem Nur-Lese-Speicher 52 geladen wird, •wenn er seinen Endzählwert erreicht. Wenn ein derartiger Zähler verwendet wird, so enthält der Nur-Lese-Speicher 52 die

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Werte, die den Zähler zu den gleichen Zeitpunkten zum Erreichen seiner Endzählwerte veranlassen, an denen das programmierbare Dividierwerk 50 seine Ausgangsimpulse erzeugen würde, besser gesagt, die Teilungsverhältnisse selbst. Beide Ausführungsformen erbringen das gleiche Ergebnis, wobei jedoch der Klarheit wegen in der restlichen Beschreibung lediglich Bezug auf ein programmierbares Dividierwerk genommen wird.

Um die geeigneten Fehlerkorrekturwerte für den Phasendetektor zu liefern, wird ein Korrekturfaktor für den Fehler berechnet, der bei jedem Impuls des Taktgebers auftritt. Diese Berechnung wird dadurch vorgenommen„ daß die Arcustangens-Funktion berechnet und der Wert bestimmt wird_s der durch diese Funktion bei jedem möglichen Wert der Phasendifferenz erzeugt wird» Danach wird die Zahl der Taktimpulse, die erforderlich ist, rna die Summen in den Zählern 42 und 44 entsprechend dem Ausgangswert der Phase vom Digitalprozessor 46 zu erhalten, berechnet und ein geeigneter Binärwert in die geeignete Adresse des Nur-Lese-Speichers 52 geladen bzw. gespeichert. Tatsächlich wurde herausgefunden, daß der auftretende Fehler sich bei einer Phase von jeweils 90° wiederholt. Daher ist es lediglich erforderlich, die Korrekturfaktoren über einen Phasendifferenzbereich von 0 bis 90° zu berechnen und die geeigneten BinärZeitwerte in den Nur-Lese-Speicher 52 zu speichern. Der Nur-Lese-Speicher 52 kann dann für seinen gesamten Inhalt viermal für eine Phase von jeweils 560° adressiert werden.

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Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Hochgeschwindigkeitstaktgeber 48 verwendet, der mit einer Zählrate von 1,024 MHz zählt. Die durchschnittliche Zählrate des modulierten Taktausgangssignals beträgt 409,6 kHz. Damit teilen die ROM-Speicherwerte die Hochfrequenztaktrate um den Faktor 2,5. Die einzelnen Taktimpulse werden jedoch mit dem Paktor 1, 2, 3 oder 4 geteilt, je nach der erforderlichen Korrektur für jeden Phasenwert. Eine komplette Liste der Inhalte des Nur-Lese-Speichers, der diese Korrektur erfüllt, ist in Tabelle I dargestellt. Tabelle I enthält jede Adresse des Nur-Lese-Speichers und das entsprechende Teilungsverhältnis, das an dieser Adresse abgespeichert ist.

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Adresse Inhalt Adresse Inhalt Adresse Inhalt

0	2	56	2	112	3
1	1	57	2	113	2
2	2	58	2	114	3
3	2	59	2	115	2
4	1	60	2	116	2
5	2	61	2	117	3
6	1	62	2	118	2
7	■> 2	63	2	119	3
8	2	64	2	120	2
9	1	65	2	121	3
10	2	66	2	122	2
11	2	67	2	123	3
12	1	68	2	124	2
13	2	69	2	125	3
14	2	70	2	12Γ>	2
15	1	- -	2	127	3
16	2	72	2	128	2
17	2	73	2	129	3
18	2	74	2	130	3
19	1	75	3	131	2
20	2	76	2	132	3
21	2	77	2	133	2
22	1	78	2	134	3
23	2	79	2	135	3
24	2	80	2	136	2
25	2	81	2	137	3
26	1	82	3	133	2
27	2	83	2	139	3
28	2	84	2	140	3
29	2	85	2	141	2
«30	2	86	2	142	3
31	1	87	3	143	3
32	2	88	2	144	2
33	2	89	2	145	3
34	2	90	2	146	3
35	2	91	3	147	2
36	1	92	2	14R	3
37	2	93	2	149	3
38	2	94	2	150	2
39	2	95	3	151	3
40	2	96	2	152	3
41	2	97	2	153	3
42	2	98	3	154	2
43	1	99	2	155	3
44	2	100	2	156	3
45	2	101	3	157	3
46	2	102	2	158	2
47	2	103	2	159	3
48	2	104	3	160	3
49	2	105	2	161	3
50	2	106	2	162	.3
51	2	107	3	163	2
52	2	108	2	164	3
53	2	109	2	165	3
54	2	110	3	166	3
55	2	111	2	167	3

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Adresse	Inhalt	Adresse	Inhalt	Adress-s
168	3	225	3	261
169	2	226	4	282
170	3	227	3	283
171	3	228	3	284
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178	2	235·	3	291
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180	.. 3	237	3	29 3
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Inhalt

3 3 3 3 4 3 3 3 3 3 3 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

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	Inhalt	M	Iniaalt	5 2	Adiesue	Inhalt
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376	3	432 ■	2	489	2
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391	2	447	2	504	2
392	. 448
	909833/07

	- 23

2305023

Adresse Inhalt

50^Γι	2
506	1
507	2
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509	2
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511	1

909833/0752 - 24 -

iiei der in Fi.j. 5 dargestellten AusführO^sfor;;; ist üas Festdividierwei*!: 5C ein- S-Bit-liinllrsUlilLer, der da^iit die Frequenz ö.3S i:":oo.u.lierten Taktci^nals 54 tiiircL 512 teilt. Durc-i die Kombination dec Ooppelhalbiers.'-'.l'ilers 5-- -it Oc₁..: Festdividierverli 5^:- vrerden die Betii^3aus,javx csignale -.SO "„ei einer Frequenz von 200 Ξζ; erhalten. Auf diese Tei-se l;ar,n der phaser>riodulierte Tal:tgeacr 40 nach Fi.j, Z als yezu^GEijjial^eneratur 3)0 verwendet werden ΐΛηα die erforderlicheri Be^u^ssi^nale erzev.jen.

Aus ?i^. 5 ist auci. zn ersehen, daß (lev Speicher 52 iait 512 3peiclierpltlt-.:en pro^ra.-aiiert ist, da das Festdividierivo:!;^i:i 5"-· den i'-lur--jjese-3ijeiciiir 52. adressiert.

lindeni.njen und Aus.^estaltimjen der bescarieLenen Ausfülii"ui\:sforr.; sowie dos "beschriebenen Verfahrens sind für den Fachnann ohne weiteres -uöjlich und fallen in den Ralr;.ien der Erfindung·. So ist beispielsweise der erfinaun^s^eiüü-Ge Di^italjliasendetelrtor in seiner Anwendung nickt auf das Oüie^a-ITayi- ^at ions syst e.a beschränkt, sondern kann aucL für andere 7m ecke verwendet v/erden. Vie "bereits oben erwähnt v.nirde, können sowohl Aufwärts-Abwärts-Zähler als aucli in eine Ricli.tun_tJ virkende Zähler in dem Digitalphasendetektor verviendet werden. In gleicher gleise kann das programmierbare Dividierwerk durch einen voreinstellbaren Zähler ersetzt werden..

909-833/0752

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Leerseite

Claims

GLAWE, DELFS, MOLL & PARTNER TiIACOR, IHC. Austin, Texas, V.St.v.Amerika Dijitalpl; as eisdetektor und. Verfahren zur 7jete.-.rfcion einer Piiasendiff erea:: ÜS023 PATENTANWÄLTE DR.-ING. RICHARD GLAWE, MÖNCHEN DIPL.-ING. KLAUS DELFS, HAMBURG DIPL.-PHYS. DR. WALTER MOLL, MÖNCHEN* DlPL-CHEM. DR. ULRICH MENGDEHL, HAMBURG ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT • ZUGL. OFF. BEST. U. VEREID. DOLMETSCHER 8000 MÖNCHEN 26 POSTFACH 37 LIEBHERRSTR. 20 TEL. (089) 22 65 48 TELEX 52 25 05 spez MÜNCHEN A Ό ( 2000 HAMBURG POSTFACH 2570 ROTHENBAUM-CHAUSSEE TEL. (040)41020 TELEX 21 29 21 spez Patentans ρ r ü c h e

1. :Ji_L italphasendetektor, gekennzeichnet durch:

eine .¹Je^r en;; er stufe (24) nit harter J.ie^rensunj, der betriebsmäßig ein ankommendes Si_;~nal "bekannter Frequenz zugeführt v/ird und ciie ein Rechteckci^;iial iüt der bekannten Frequenz erzeugt,

einen Bezu^ssißnalgenerator (30), der ein Rechteckbezugssi^nal und ein uri 90 rihasenverschonenes Recuteckbeau^ssignal jeweils zait der bekannten Frequenz erzeugt,

— 1 —

BANK: DRESDNER BANK, HAMBURG, 4 030 448 (BLZ 200800 00) - POSTSCHECK: HAMBURG 147607-200 ■ TELEGRAMM: SPECHTZIES

RAD

ein erstes logisches Glied (32), das eine Multiplikation des Rechtecksignals und des rlechtecisbezugs signals durchführt,

ein zweites logisches Glied (34), das eine Iiultiplikation des Rechtecksignals und des um 90° phasenverschobenen Rechteckbezugssignals durchführt,

einen phasenmodulierten Taktgeber (40),

einen ersten Zähler (42), der die Taktsignale des phasenmodulierten Taktgebers (40) unter Steuerung der Ausgangssignale des ersten logischen Glieds (32) zählt,

Iu einen zweiten Zähler (44), der die Taktsignale des phasenmodulierten Taktgebers (40) unter Steuerung der Ausgangssignale des zweiten logischen Glieds (34) zählt, und

einen Digitalprozessor (46), der einen Phasenschätzwert aus den vom ersten und zweiten Zähler (32, 34) registrierten Werten berechnet.

2. Phasendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das erste und zweite logische Element jeweils ein Exklusiv-ODER-Glied ist.

3. Phasendetektor nach Anspruch 1, dadurch g e -

kennzeichnet, daß das erste und zweite logische Element jeweils ein Exklusiv-NOR-Glied aufweist.

909833/076?

— 2 —

4. Phasendetektor nach Anspruch 1_} dadurch gekennzeichnet , daß der erste und zi^eite Zähler jeweils einen Vor-Rückwärtszähler aufweist, deren Zählrichtung durch die Ausgangssignale des ersten bzw. zweiten logischen Glieds gesteuert wird.

5» Phasendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der erste und zweite Zähler jeweils einen in einer Richtung arbeitenden Zähler aufweist, dessen Zählvorgang der Ausgangssignale des phasenmodulierten Taktgebers durch die Ausgangssignale des ersten bzw. zweiten logischen Glieds ein- und ausgeschaltet wird.

6. Phasendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zähleranzeige des ersten Zählers gleich dem Pseudo-Sinus des Phasenwinkels des Signals und die Zähleranzeige des zweiten Zählers gleich dein PseudoKosinus des Phasenwinkels des Signals ist und daß der Digitalprozessor eine Arcustangensfunktion verwendet, um den Phasenschätzwert vom Verhältnis der Zähleranzeigen zu berechnen.

7» Phasendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der phasenmodulierte Taktgeber aufweist:

_ -z

«μ

einen Hochgeschwindigkeits-Digitaltaktgeber,

ein programmierbares Dividierwerk, das durch den Hochgeschwindigkeitstaktgeber angetrieben wird und das modulierte Taktsignale zum Antreiben des ersten und zweiten Zählers ausgibt,

einen Nur-Lese-Speicher (ROH), mit dem das Teilungsverhältnis des programmierbaren Dividierwerks mit phasenmodulierten Werten gesteuert wird, und

ein Festdividierwerk, das nach Empfang eines Ausgangssignals vom programmierbaren Dividierwerk zählt und die nächste Stelle im Nur-Lese-Speicher adressiert.

8. Phasendetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Nur-Lese-Speicher mit derartigen Werten geladen wird, daß die Zähler mit sich ändernden Zählraten zählen.

9. Phasendetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Nur-Lese-Speicher mit
Binärwerten geladen wird, die im wesentlichen in Tabelle I
angegeben sind.

909833/0782

10. Phasendetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Vierte so angeordnet sind, daß die Diskrepanz zwischen der durch den Phasendetektor gemessenen Phasendifferenz und der tatsächlichen Phasendifferenz minimisiert wird.

11. Phasendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Bezugssignalgenerator einen Bezugssignalzähler aufweist, der mit dem Ausgang des Festdividierwerks verbunden ist, um das Ausgangssignal zu teilen

und damit das Bezugsrechtecksignal und das um 90° phasenverschobene Bezugsrechtecksignal zu erzeugen.

12. Phasenmodulierter Taktgeber zur Verwendung in einem Digitalphasendetektor, dadurch gekennzeichnet , daß der Taktgeber aufweist:

einen Nur-Lese-Speicher, der mit den Taktrate-Korrekturfaktoren geladen ist,

einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber und

ein programmierbares Dividierwerk, das mit dem Nur-Lese-Speicher und dem Hochgeschwindigkeitstaktgeber verbunden ist, um mit veränderlicher Zählrate entsprechend den Taktrate-Korrekturfaktoren zu zählen.

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13. Taktgeber nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß er ein Festdividierwerk aufweist, das mit dem programmierbaren Dividierwerk und dem Nur-Lese-Speicher verbunden ist und die richtige Stelle im Nur-Lese-Speieher bei jedem Ausgangsimpuls des programmierbaren Dividierwerks adressiert.

14. Taktgeber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß er einen Bezugssignalzähler aufweist, der mit dem Ausgang des Festdividierwerks verbunden ist und das AusgangsSignal dividiert, wodurch ein Bezugsrechtecksignal und ein um 90° phasenverschobenes Bezugsrechtecksignal erhalten wird.

15. Verfahren zur Detektion einer Phasendifferenz, dadurch gekennzeichnet , daß es die Verfahrensschritte aufweist:

Hartes Begrenzen eines ankommenden Signals bekannter Frequenz ,

Kombination des Signals mit einem Rechteckbezugssignal mit der gleichen Frequenz, um ein erstes multiplikatives Ausgangssignal zu erzeugen,

Kombination des Signals mit einem um 90° phasenversohobenen Rechteckbezugssignal mit der gleichen Frequenz, um ein

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zweites multiplikatives Ausgangssignal zu erzeugen,

Toren des ersten und zweiten multiplikativen Ausgangssignals mit phasenmodulierten Taktimpulsen,

getrenntes Zählen des ersten und zweiten getorten multiplikativen Ausgangssignals und

Anwenden einer Arcustangensfunktion auf das Verhältnis der Zählwerte«

16, Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die phasenmodulierten Taktimpulse durch die folgenden Verfahrensschritte erzeugt werden:

Zählen einer Hochgeschwindigkeitstaktrate,

Auswählen eines gespeicherten Taktrate-Korrekturfaktors und

Teilen der Hochgeschwindigkeitstaktrate durch den Korrekturfaktor , um einen phasenmodulierten Taktimpuls zu erzeugen*

17« Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das erste multiplikative Ausgangssignal ein Exklusiv-ODER-Ausgangssignal und das zweite multiplikative Ausgangssignal ein Exklusiv-ODER-Ausgangssignal ist.

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— 7 —

18. Verfahren nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet , daß das erste raultiplikative Ausgangssignal ein Exklusiv-NOR-Ausgangssignal und das zweite multiplikative Aus gang s signal ein Exlclusiv-NOR-Ausgangssignal ist.

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