Частотно-фазовый детектор Советский патент 1986 года по МПК H03M1/66 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использова- но в дискретных и цифровых системах, в частности в устройствах частотно- фазовой синхронизации.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повьше- ние точности частотно-фазовото детектора.

На фиг. 1 показана структурная функциональная схема детектора; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммй его работы; на фиг. 4 - выходная характеристика детектора.

Устройство содержит D-триггеры 1 и -2, своими выходами соединенные с информационными входами соответственно D-триггеров 3 и 4. Информационные .входы первого и второго триггеров соединены соответственно с вход- ными шинами 5 и 6. Тактовые входы D-триггеров 1 - 4 соединены с выходом генератора 7 тактовых импульсов. ВыСигналы с выходов сумматоров 8, 10 и 11, действующие на входы элемента И 12, и сигналы с выходов сумматоров 9 11, действующие на входы элемента И 13, обеспечивают формирование на выходах элементов 12 и 13 последовательностей импульсов, в зависимости от вида входных сигналов (их

ходы D-триггеров 3 и 4 соединены с первыми входами соответственно сумма-. 25 частот, фазового сдвига) и решаемой торов,8 и 9 по модулю два, выходы ко- задачи (назначение устройства в конкретной схеме) МОГУТ НРГТИ информацию о разности частот, знаке разностной частоты, знаке фазового сдвига и т.д.

На временной диаграмме (фиг. 2 и 3) изображено преобразование входных сигналов X/t) ,(фиг, 25 и 3S) и х (t) (фиг. 2g и Зй), приводящее к формированию выходных последовательностей импульсов. На D-триггерах мгновенные

торых соединены соответственно с первым и вторь м входами третьего сумматора 10 по модулю два. Выходы первого и второго D-триггеров 1 и 2 соединены соответствен но с вторым и первым входами сумматора -11 по модулю два. Выходы первого и второго сумматоров 8 и 9 соединены с первьми входами соответственно первого и второго элементов И 12 и 13, выходы кото- , рых со,единены соответственно,с выходными шинами 14 и 15, Выход четвертого сумматора 11 соединен с выходной шиной 16, а выход генератора 7 - с выходной шиной 17. Кроме того, выходы первого и второго триггеров 1 и 2 соединены с вторыми входами соответственно второго и первого сумматоров 9 и 8. Выходы третьего и четвертого сумматоров 10 и 11 соединены соответственно с вторыми и третьими входами элементов 12 и 13.

Устройство работает следующим образом.

Входные сигналы с частотой f , поступающие на входную шину 5, запоминаются на D-триггерах 1 и 3, а входные сигналы с частотой f, поступающие на входную шину 6, - на D- триггерах 2 и 4 в моменты времени, соответствующие приходу тактовых импульсов на тактовые входы триггеров.

30

35

40

45

50

55

значения прямоугольных входных сигналов запоминаются в моменты времени, соответствующие последовательности тактовых импульсов - сигналу у (п), при этом формируются сигналы х(п) и X (.п) . Фазовую ошибку при этой операции дискретизации можно ограничить малой величиной, увеличивая частоту тактовых импульсов. Суммирование по модулю два разновременных и разноименных значений двух входных сигналов, фиксированных при их запоминании в моменты времени п, п + 1, пояснено на фиг. 2 и 3 стрелками: суммируются значения сигналов 1 или О, определенные в моменты времени, соответствующие началу и концу стрелки, которая соединяет точки на графиках сигналов. Получаем при этом последовательности импульсов h,(n) (фиг. 2i и Зг) и h(n) (фиг. 2а и За).

Сигнал h (п) на выходе сумматора 11 (фиг. 2А и ЗА) представляет сумму входных сигналов по модулю два

Каждьп триггер запоминает значение сигнала на йериод тактовых импульсов.

Сумматоры 8 и 9 осуществляют сложение по модулю два первого входного сигнала, определенного в момент запоминания и, с вторым входным сигналом, определенным в момент запоминания п + 1, и, наоборот, сложение второго сигнала, определенного в момент п, с первым сигналом, определенным в момент п + 1. Сумматор 11 производит сложение по модулю два первого и второго входных сигналов, определенных в момент запоминания п + 1, а сумматор 10,- сложение по модулю два сигналов с выходов сумматоров 8 и 9.

Сигналы с выходов сумматоров 8, 10 и 11, действующие на входы элемента И 12, и сигналы с выходов сумматоров 9 11, действующие на входы элемента И 13, обеспечивают формирование на выходах элементов 12 и 13 последовательностей импульсов, в зависимости от вида входных сигналов (их

частот, фазового сдвига) и решаемой задачи (назначение устройства в конкретной схеме) МОГУТ НРГТИ информацию о разности частот, знаке разностной частоты, знаке фазового сдвига и т.д.

На временной диаграмме (фиг. 2 и 3) изображено преобразование входных сигналов X/t) ,(фиг, 25 и 3S) и х (t) (фиг. 2g и Зй), приводящее к формированию выходных последовательностей импульсов. На D-триггерах мгновенные

0

5

0

5

значения прямоугольных входных сигналов запоминаются в моменты времени, соответствующие последовательности тактовых импульсов - сигналу у (п), при этом формируются сигналы х(п) и X (.п) . Фазовую ошибку при этой операции дискретизации можно ограничить малой величиной, увеличивая частоту тактовых импульсов. Суммирование по модулю два разновременных и разноименных значений двух входных сигналов, фиксированных при их запоминании в моменты времени п, п + 1, пояснено на фиг. 2 и 3 стрелками: суммируются значения сигналов 1 или О, определенные в моменты времени, соответствующие началу и концу стрелки, которая соединяет точки на графиках сигналов. Получаем при этом последовательности импульсов h,(n) (фиг. 2i и Зг) и h(n) (фиг. 2а и За).

Сигнал h (п) на выходе сумматора 11 (фиг. 2А и ЗА) представляет сумму входных сигналов по модулю два

Сигнал h,j(n)

после их дискретизации, на выходе сумматора 10 (фиг. 2еиЗе) равен сумме по модулю два сигналов h(n) и hj(п) . Наконец, сигнал у (п) на выходе, элемента И 12 (фиг. 2з и 5 3j) равен произведению сигналов h.,(n), h.j(n) и h (n), а сигнал у (п) на выходе элемента И 13 (фиг. Зж) равен произведению сигналов Ь,(п), hj(n) и hjn).10

Для анализа различных режимов работы устройства необходимо рассмотреть логические функции, выражающие зависимость выходных последовательностей импульсов от входных сигналов 5 после их дискретизации. На основании фиг. 1 имеем ( ® - знак суммирования по модулю два):

,.-. х(п-1) ничных значений сигнала х(п)х(п-1)

у(п) х (п)0 х(п-1)1 х(п) ©x(n)Ji 20 и при заданной частоте дискретизации

у(п) х(п)©х,. (п-1) x(n)®Xj(n),

(2)

30

В выражениях (1) и (2) с целью упрощения анализа не учтен сигнал hj(n), назначение которого - исключать в выходных сигналах у (п) и у(п) те участки со значениями 1, которые могли- бы появиться при одновременных значениях 1 на выходах сумматоров 8 и 9. Принципиального значения для работы устройства Нали- 35 чие или отсутствие этих единичных участков в выходных сигналах не имеет (цель исключения - разгрузка последующих блоков в системе с использованием устройства от ненужной информа- 40 ции) .

Преобразуя выражение (1) с помощью замены

х (п)@х,(п-1)х (п) х,(п-1) +

+ х(п)

х,(п-1)

X., (n)g) x,j(n) x(n) x.(n)

+ X

,(п)

x,j(n)

и производя упрощение, получаем для первой выходной последовательности импульсов

у(п)

х/п)

XjCn)

Х2(п-1)

X (п)

х)

х,(п-1)

и, ввиду полной симметрии схемы, получаем путем перестановки индексов для второй выходной последоватсльрюс- ти импульсов

у(п)х(п) х.,(п) X, (п-1) + х,(п-1).

(А)

Рассмотрим случай различных частот сигналов x.t) и x(t)., которые в общем случае несинхронны. Выражение (3) позволяет определить вероятность единичных значений в выходном сигнале у (п). Если выходные сигналы - меандры, то вероятность получения единичных значений сигнала х(п) х„(п-1) равна вероятности еди,.-. х(п-1) ничных значений сигнала х(п)х(п-1)

и при заданной частоте дискретизации

(1)

равна

Р 0,5

Доказать это соотношение можно следующим образом. Если период сигнала X (п) содержит q интервалов дискретизации, то число единичных значений х,(п) (меандра) на его период равно

m -9Видно, что в таком случае

и сигнал Xj(n) x,j(n-1.), и сигнал х,(п) x(n-l) должны иметь m - 1 единичных значений на период. Поскольку реальной схеме частота сигнала х (t) не кратна (в общем случае) частоте дискретизации, дискретизованный сигнал X (п) следует рассматривать как 1еандр лишь в статическом смысле и /поэтому следует говорить о вероятности получения единичных значений в выходном сигнале у(п). Полученные Bbmie результаты позволяют найти эту

вероятность, m - 1

а именно для х (п)х (п-1):

- 1

Р

0,51

но

50

Значит

55

р. 0,5 - -4

(3)

Поскольку в выражении (3) есть два слагаемых с множителями х,(п) и

5

), это означает, что иояеет произойти либо Х

(п-1) 1,

либо

(п-1) 1, вероятрых одинаковы. Следовател ность получения единичных в выходном сигнале у(п)

Р 0,5 (5)

а в выходном сигнел у(п), что доказывается по аналогии путем перестановки индексов,

Р 0,5

{.я

(6)

В случае равенства частот сигналов х(п) и х (п) при отсутствии фазового сдвига этих сигналов выражения (3) и (4) становятся одинаковыми, а поскольку йсегда хДп) х(п) О, то единичные значения в выходных сигналах будут отсутствовать. Это условие полной частотно-фазовой синхронизадии

На основании выражений (3) - (6) можно сделать вывод, что, если f f , то вероятность единичных значений в

сигнале у(п) будет больше вероятное- входньк сигналов. Следует отметить, ти единичных значений в сигнале у(п), -что известное устройство не позволяет

получить условие полной частотно-фазовой синхронизации.

Рассмотрим случай равенства частот сигналов х(п)

и, наоборот, при f f вероятность единичных значений в сигнале у(п) будет наибольшей. Действительные вероятности Р и Р получения единичных значений в сигна.пах у (п) и у (п) будут меньше приведенных в вьфажениях (5) и (6), так как из обоих сигналов следует исключить по рав25

и X (п), но при фазочто

вом сдвиге между ними, равно соответствует равенству х(п)Х2(п), Выражения (3) и (4) оказываются при этом одинаковыми, т.е. единичные знавом сдвиге между ним соответствует равен Выражения (3) и (4) этом одинаковыми, т

количеству одновременных единич- чения фор:мируются в участков, что выполняется сигнасумматора 9. Однако, при этом сошение между двумя вероятностями

и у(п) одновременн ходные сигналы у ( ваются равньми нулю щем случае. Эти два 35 ются собой по сигна тьей выходной шине, ходом сумматора 11. при полной частотно

и

Р не нарушится.

как не нарушитразность между ними, равная 1

Р, - Р,

f. (7)

(f

1 12

24

5

0

5

При практическом использовании устройства в составе некоторой системы обработки сигналов последовательности импульсов с его выходов могут быть поданы либо на входы реверсивного счетчика, либо на сумматор аналоговых сигналов, включенный последовательно с фильтром нижних частот.

В случае равенства частот сигналов х(п) и х (п) при отсутствии фазового сдвига этих сигналов выражения (3) и (4) становятся одинаковыми, а поскольку йсегда хДп) х(п) О, то единичные значения в выходных сигналах будут отсутствовать. Это условие полной частотно-фазовой синхронизадии

входньк сигналов. Следует отметить, -что известное устройство не позволяет

Рассмотрим случай равенства частот сигналов х(п)

25

и X (п), но при фазочто

вом сдвиге между ними, равно соответствует равенству х(п)Х2(п), Выражения (3) и (4) оказываются при этом одинаковыми, т.е. единичные зна чения фор:мируются в

сигналах )

и у(п) одновременно, а поэтому выходные сигналы у (п) и yvj,(n) оказываются равньми нулю, как и в предьщу- щем случае. Эти два случая различа- 5 ются собой по сигналу ) на третьей выходной шине, соединенной с выходом сумматора 11. Очевидно, что при полной частотно-фазовой синхрониТаким образом, в случае различньгх частот входных сигналов выходные сиг налы устройства позволяют определить знак разностной частоты по соотношению вероятностей получения единиц на выходны х шинах и по разности частот выходных сигналов (в которых нет од- новременно формируемых импульсов) определить разностную частоту вход ных (сигналов. Пример на временной диаграмме (фиг. 2) соответствует рассмотренному случаю, когда f f . На рассматриваемом интервале времени в один период разностной частоты в последовательности V. два импульса, а в

у. два импульса, последовательности у один импульс, что соответствует представленному доказательству и подтверждается расчетом,;,:

J;J.. f ЕД..

8 12

зации сигнал Ь(п) - сумма по модулю два дискретизованных по времени входных сигналов всегда равна нулю, а при фазовом сдвиге, равном п , всегда равна единице, что и является признаком последнего рассматриваемого случая .

При использовании устройства в системе частотно-фазоврй автопод- стройки частоты фазовый сдвиг двух сравниваемых сигналов, равный if , соответствует неустойчивому состоянию системы, а поэтому не мешает переходу системы из режима частотной подстройки в режим фазовой подстройки ,до полной частотно-фазрвой синхронизации. При использовании устройства в системе без обратной связи информацию об этом режиме дает сигнал Ь(п).

Рассмотрим теперь случай равенства частот сигналов х Дп) и х(п) при фазовом сдвиге между ними ч - ТГ Легко видеть, что о величине фазового сдвига можно судить по количеству единиц и нулей в сигнале h(n), т,е ,, фазовый сдвиг может быть определен по формуле

4

г

f,

Формула (8) позволяет определить фазовый сдвиг входных сигналов с высокой точностью и в том случае, если их частота приближается к половине частоты .дискретизации f, что осуществляется за счет несинхронности частот f , f f .

Сигналы у (п) и у (п) определяют знак фазового сдвига. При практическом использовании выражения (8) си1- нал h i,(n) стробируется импульсами у (п) от генератора 7, поступающими на четвертую выходную шину, и таким образом определяется частота f.

Если устройство необходимо использовать в режиме частотно-фазовой автоподстройки частоты, то при равенстве частот, как и в случае их неравенства, выходные сигналы у(п) и у (п) обеспечивают уменьшение фазовой расстройки вплоть до полной частотно- фазовой синхронизации. Доказательство этого свойства детектора вытекает из анализа выражений (1) и (2). Действительно, предполагая сигналы в виде меандров, а величину фазового сдвига считая равной k интервалам дискретизации, путем подстановки х(п) X|(n+k) в (1) и (2) можно получить

у(п) х ,(п) ©x/(n+k-1)

4х:,(п)0х, (n+k) ; (9) 45

у (п) x(n+k))

;.(х,(п)©х, (n+k) . (10)

50

Рассмотрим вероятности получения единичных значений в этих сигналах. Наиболее просто проанализировать выражения (9) и (10) с помощью временной диаграммы на фиг. 3, построение которой аналогично фиг. 2. Из диаграммы видно, что при заданном фазовом сдвиге единичные значения сигнаа,

10

15

20

25

30

35

4Q

лов (9) и (10), после исключения двух одновременно получаемых единиц, остаются только в одной из последовательностей. Причем видно, что в рас- 5 сматриваемом случае уменьшение фазо - вого сдвига будет происходить за счет некоторого увеличения частоты сигнала X 2)S это вполне согласуется с предыдущим рассмотрением процесса частотной подстройки частоты, когда вероятность единичных значеций в у,(п) получалась больше, чем в у (п) .

Установленные зависимос и выходных сигналов у (п) и у (п) от разности частот и фазового сдвига вход- .ных сигналов можно представить в виде следующих выходных характеристик: ли {ейной(в статистическом смысле) частотной (фиг. 4а) и релейной фазовой (фиг. 4 Ь ) . Следует отметить, что получение условий полной частотно-фазовой синхронизации входных сигналов равносильно добавлению к релейной фазовой характеристике точки А в начале координат (фиг. 4й ). Это означает, что возможно состояние детектора, когда на трех его выходах для сигналов у , (п), у (п) и h (п) импульсы будут отсутствовать. Практически это означает существенное уменьшение колебаний, т.е. повышение точности при работе устройства в сис- частотно-фазовой автоподстройки частоты.

Следует рассмотреть случай, когда входные сигналы не являются меандрами, а, например, имеют произвольные скважности С , и С. В этом случае можно получить формулы для вероятностей Р и Р, обобщающие (5) и (6)

С,+ С, -2f.

Г г ., 1

с,+ с, с, с „

-2

ii

f.J

fa

(11)

(12)

Из выражений (11) и (12) следует, что формула (7) справедлива и в рассмотренном случае произвольных скваж- ностей, а следовательно, частотная характеристика по-прежнему будет линейной.

Устройство обеспечивает работу в условиях импульсных помех и аддитивного белого шума, так как, пользуясь свойствами линейности и аддитивности, нетрудно обобщить приведенные выше доказательства на случай сигналов хДп) и ) с шумом при использо912

вании .устройства в режиме частотно- фазовой автоподстройки частоты. В данном случае под свойством линейности подразумевается то, что все операции над сигналами в устройстве, за исключением завершающей операции И, выполняемой элементами 12 и 13, являются линейными операциями - сдвиг, суммирование по модулю два, т.е. такими операциями, результаты которых не зависят в статистическом смысле от наличия белого шума во входных сигналах. Что касается нелинейной операции И, то ее результат тоже, в статистическом смысле, не зависит от

Режим работы

Полная частотно-фазовая синхронизация сигналов

Фазовый сдвиг, равный п

Фазовая автоподстройка частоты или измерение фазового сдвига

Частотная автоподстройка частоты; Сигналы - меандры

f. f. f f

Частотная автоподстройка частоты; Сигналы произвольной скважности

fi г

f. г

Формула изобретени

Частотно-фазовый детектор, содержащий первый и второй D-триггеры, информационные входы которых соединены соответственно с первой и В1Торой входными шинами, а выходы - соответственно с информационными входами третьего и четвертого D-триггеров,

5710

наличия шума. Это показано , пос- .кольку вывод соотношений (11) и (12), определяющих выходную характеристику устройства, сделан на основе вероятностных предпосылок - несинхронности входных сигналов и сигнала генератора тактовых импульсов, когда мгновенные значения одного сигнала по отношению к одновременным значениям второго сигнала являются величиной случайной.

Рассмотренные случаи работы устройства можно объединить в таблице следуюишн образом. „

Выходные сигналы;: ,() J

h,. (п)

О

о

а -i) О 1

f.

fJ, 2f , о f U 2f,

(Р:, 0,5 - Р. i Р

Р

(Р

ч „ С , + Сг- 2 fj

1,г

с,с

Р, Р

Р. ,

при этом тактовые входы с первого по четвертый D-триггеров соединены с выходом генератора тактовых импульсов, а .выходы третьего и четвертого D-триггеров соединены с первыми входами соответственно первого И второго сумматоров по модулю два, вторые входы которых соединены с выходами, соответственно второго и первого D-триггеров,

а выходы - с первыми входами соответственно первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с первой и второй выходными шинами, а вторые входы - с выходом третьего сумматора по модулю два, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго сумматоров по модулю два, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения возможности измерения фазового сдви

га при одновременном повышении точности работы, в него введены третья и четвертая выходные шины и четвертый сумматор по модулю два, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно второго и первого и-триггеров, а выход с третьими входами первого и второго элементов И и с третьей выходной шиной, причем выход генератора тактовых импульсов соединен с четвертой выходной шиной.

г h

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в дискретных и цифровых системах, в устройствах-частотно-фазовой синхронизации. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повьшение точности частотно-фазового детектора. В устройство, содержащее D-триггеры 1, 2, 3, 4, генератор 7 тактовых импульсов, сумматоры 8, 9, 10 по модулю два, элементы 12, 13 И, входные шины 5, 6, выходные шины 14. 15, введены выходные шины 16, 17, четвертый сумматор 11. В случае различных частот входных сигналов выходные сигналы устройства позволяют определить знак разностной частоты по соотношению вероятностей получения единиц на выходных шинах и по разности частот выходных сигналов определить разностную частоту входных сигналов . При практическом использовании устройства в составе некоторой системы обработки сигналов последовательности импульсов с его выходов могут быть поданы либо на входы реверсивного счетчика, либо на сумматор аналоговых сигналов, включенного последовательно с фильтром нижних частот. В материалах заявки рассмотрены 5 режимов работы устройства, которые объединены в таблице. Устройство обеспечивает работу в условиях импульсных помех и аддитивного белого шума. 4 ил. 1 табл. to (Л ND 4 Од СО сд

е h

,3 -JTJUT

Уг 3 f

JTTLn

rLTLT

ЛП

л

д /7,

е /7,

jiJHJijnJiJTJiJ JTjajTJijnj

Уг 3 У

Фиг.3

)Ja

ft(f, 0l

/,-tt

г.Л.,

frP3)fa

Редактор В. Петраш

Составитель С. Будович

Техред Л.Олейник Корректор И. Эрдейи.

Заказ 4021/55Тираж 816 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

fiUt O)