Частотно-фазовый детектор

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5в 4 Н 03 К 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOIVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3850848/24-21 (22) 20.01.85 (46) 23.07.86. Бюл. № 27 (71) Институт теплофизики СО AH СССР (72) Э.К. Скворцов (53) 621.376.55(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 841101, кл. H 03 К 5/156, 1981.

Авторское свидетельство СССР № .1086552, кл. Н 03 К 5/156, 17.12.81. (54) ЧАСТОТНО-ФАЗОВЫИ ДЕТЕКТОР (57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в дискретных и цифровых системах, в устройствах. частотно-фазавой синхронизации. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей и повышение 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.

Ä;SUÄÄ I246357 А1

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.

1246357

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

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей и повышение точности частотно-фазового детектора.

На фиг. I 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- go ными шинами 5 и 6. Тактовые входы

D-триггеров 1 — 4 соединены с выходом генератора 7 тактовых импульсов. Выходы D-триггеров 3 и 4 соединены с первыми входами соответственно сумма- 2S торов 8 и 9 по модулю два, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами третьего сумматора 10 по модулю два. Выходы первого и второго D-триггеров 1 и 2 соединены соответственно с вторым и первым входами сумматора 11 по модулю два. Выходы первого и второго сумматоров 8 и 9 соединены с первыми входами соответственно первого и второго элементов И 12 и 13, выходы которых соединены 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 г, сумматоров 10 и 11 соединены соответственно с вторыми и третьими входами элементов 12 и 13.

Устройство работает следующим образом.

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

Каждый триггер запоминает значение сигнала на период тактовых импульсов.

Сумматоры 8 и 9 осуществляют сложение по модулю два первого входного сигнала, определенного в момент запоминания п, с вторым входным сигналом, определенным в момент запоминания n + 1, и, наоборот, сложение второго сигнала, определенного в момент и, с первым сигналом, определенным в момент n + 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 — l1, действующие на входы элемента И t3, 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 » и информацию о разности частот, знаке разностной частоты, знаке фазового сдвига и т.д.

На временной диаграмме (фиг. ? и

3) изображено преобразование входных сигналов x,(t) (фиг ° 2 8 и ЗБ) и х () (фиг. 25 и 38), приводящее к формиро— ванию выходных последовательностей импульсов. Ha D-триггерах мгновенные значения прямоугольных входных сигналов запоминаются в моменты времени, соответствующие последовательноститактовых импульсов — сигналу у (n), при этом формируются сигналы х,(п) и х (и). Фазовую ошибку при этой операции дискретизации можно ограничить малой величиной, увеличивая частоту тактовых импульсов. Суммирование по модулю цва разновременных и разноименных значений двух входных сигналов, фиксированных при их запоминании в моменты времени п, n + 1, пояснеко на фиг. 2 и 3 стрелками: суммируются значения сигналов "1" или "0", определенные в моменты времени, соответствующие началу ч концу стрелки, которая соединяет точки на графиках сигналов. Получаем при этом последовательности импульсов h,(n) (фиг. 2> и Зг) и h (п) (фиг. 2а и 3a) .

Сигнал h <(n) на выходе сумматора

11 (фиг. 2* и Зд) представляет сумму входных сигналов по модулю два

1246357

+ х 7г п) к,(п- I). (4) Р=0,5 2

45

+ х .(и) х (и-1) но

<а

f2 т т

Значит

P = 0,5

55 после их дискретизации. Сигнал h (n) з на выходе сумматора 10 (фиг. 2е и Зе) равен сумме по модулю цва сигналов

h „(и) и h (n) . Наконец, сигнал у (и) на выходе, элемента И 12 (фиг. 2 и 5

3 ) равен произведению сигналов h„(n), h (n) и h (п), а сигнал у, (и) на выходе элемента И 13 (фиг. 2 и 3 ) равен произведенйю сигналов h (и}, h (n) и h„(n) .

Для анализа различных режимов работы устройства необходимо рассмотреть логические функции, выражающие зависимость выходных последователь ностей импульсов от входных сигналов после их .дискретизации. На основании фиг. 1 имеем (О+ — знак суммирования по модулю два):, у*(п) =(х, (n) O x (n-1)l (х„(п) 6) х2(пИ1 20 (1) у*(п) =Ex (n) 0 x; (n-1)) L х,(п) О+ х (n) (2) В выражениях (1) и (2} с целью упрощения анализа не учтен сигнал

h (и), назначение которого — исклю3 30 чать в выходных сигналах у (n) и

1 у (и) 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- Ç5 чие или отсутствие этих единичных участков в выходных сигналах не имеет (цель исключения — разгрузка последующих блоков в системе с использовани-. ем устройства от ненужной информа- 40 ции).

Преобразуя выражение (1) с помощью замены х (n) Q+ x (n 1) x„ (n) (и 1) + х„(п)О+ х,(n) = х,(n) х (и) + !

+ х,(n) х (и) и производя упрощение, получаем для первой выходной последовательности импульсов y*(n) =х „(n) x (n) х (n-1) +

+ х „(и) х (n) х (n-1) и, вниду полной симметрии схемы, получаем путем перестановки индексов для второй выходной последовательности импульсов у*(п)--x (и) х,(п) х,(п-1 +

Рассмотрим случай различных частот сигналов х,(t) и х (t), которые в общем случае несинхронны. Выражение (3) позволяет определить вероятность единичных значений в выходном сигнале у"(n). Если выходные сигналы — меандры, то вероятность получения единичных значений сигнала х27пп) х (и-1) равна вероятности единичных значений сигнала х (и) х (и-1) и при заданной частоте дискретизации равна

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

m = 2 . Видно, что в таком случае

Я

H сигнал х (n) х п 1) и сигнал х (n) х (n-1) должны иметь m — 1 единичных значений на период. Поскольку реальной схеме частота сигнала х (г.) не кратна (в общем случае) частоте дискретизации, дискретиэованный сигнал х 2(n) следует рассматривать как меандр лишь в статическом смысле и

r поэтому следует говорить о вероятности получения единичных значений в выходном сигнале у"(и). Полученные выше результаты позволяют найти эту вероятность, а именно для х (n)х (n-1):

Ч 2 — 1 ш-1 2 1

P — — 0 5Ч Ч Ч

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

3 1246357 Ь а в выходном сигнел y (n), что доказывается по аналогии путем перестановки индексов, Р,"= 0,5

1; (6) 15

На основании выражений (3) — (б) можно сделать вывод, что, если f, > f, то вероятность единичных значений в сигнале у <(и) будет больше вероятнос- И т ти единичных значений в сигнале у"(и), и, наоборот, при f )f, вероятность единичных значений в сигнале у*(и) будет наибольшей. Действитель<

25 ные вероятности Р, и P получения единичных значений н сигналах у (n) и у (и) будут меньше приведенных в выражениях (5) и (б), так как из обоих сигналов следует исключить по равному количеству одновременных единич- 30 ньтх участков, что выполняется сигналом сумматора 9. Однако, при этом соотношение между двумя вероятностями

Р„ и Р не нарушится, как не нарушится разность между ними, равная . 3S

Р— Р= (f — f ). (7)

2 о

Таким образом, в случае различных частот входных сигналов выходные сиг-40 налы устройства позволяют определить знак разностной частоты по соотношению вероятностей получения единиц на выходных шинах и по разности частот выходных сигналов (в которых нет од- 45 новременно формируемых импульсон) определить разностную частоту входных сигналов. Пример на временной диаграмме (фиг. 2) соответствует рассмотренному случаю, когда f„> f . На ъ рассматриваемом интервале времени в один период разностной частоты в чоследовательности у. два импульса, а в последовательностй у один импульс, что соответствует представленному доказательству и подтверждается расчетом

f f - ° = — °

8 < 12 х< (и), это означает, что н момент и может произойти либо событие х (и) х (и-1) = 1, либо событие х (n) х (n-1) = 1, вероятности которых одинаковы. Следовательно, вероят- 5 ность получения единичных значений в выходном сигнале у (и)

7.

P* =0,5

f (5) ь

1 1 1 1

f 8 12 24 — (f .е- f )

При практическом использовании устройства н 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 (n) и х (и) при отсутствии фазо1 < ного сдвига этих сигналов выражения (3) и (4) становятся одинаковыми, а поскольку всегда х,(n) х,(и) = О, то единичнь1е значения в выходных сигналах будут отсутствовать. Это условие полной частотно-фазовой синхронизации входньгх сигналов. Следует отметить, что известное устройство не позволяет получить условие полной частотно-фазовой синхронизации.

Рассмотрим случай равенства частот сигналон:х„(и) и х (n) но при фазовом сдвиге между ними, равно 11, что соответствует равенству х„(и) =х (n) .

Выражения (3) и (4) оказываются при этом одинаковыми, т.е. единичные значения формируются в сигналах у"(n)

1 и у <(и) одновременно а поэтому выЯ

У ходные сигналы у„(и) и у. (n) оказываются равными нулю, как и в предыдущем случае. Эти два случая различаются собой по сигналу h (n) на тре<< тьей выхоцной шине, соединенной с выходом сумматора 11. Очевидно, что при полной частотно-фазовой синхрони— зации сигнал h „(n) — сумма по модулю два дискретизонанных по времени входных сигналов всегда равна нулю, а при фазовом сдвиге, равном Tl, всегда равна единице, что и является признаком последнего рассматриваемого случая .

При использовании устройства в системе частотно-фазовой автопод стройки частоты фазовый сдвиг двух сравниваемых сигналов, равный 1 соответствует неустойчивому состоянию системы, а поэтому не мешает переходу системы из режима частотной подстройки в режим фазовой подстройки .до полной частотно-фазовой синхронизации. При использовании устройства н системе без обратной связи информацию об этом режиме дает сигнал h<(n), 1246357

С,С

С С (11) и (12) а

Рассмотрим теперь случай рав ства частот сигналов х (n) и х (n) при фазовом сдвиге между ними 1

Легко видеть, что о величине фазового сдвига можно судить ro количеству единиц и нулей в сигнале h„(n), т.е., фазовый сдвиг может быть определен по формуле

Ц = )Г 4

f, (8) а

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„

Сигналы у, (n) и у (и) определяют

1 20 знак фазового сдвига. При практическом использовании выражения (8) сигнал Ь „(и) стробируется импульсами у (n) от генератора 7, поступающими з на четвертую выходную шину, и таким

25 образом определяется частота

Если устройство необходимо ис.пользовать в режиме частотно-фазовой автоподстройки частоты, то при равенстве частот, как и в случае их неравенства, выходные сигналы у (и) и

ЗО у (n) обеспечивают уменьшение фазовой

2 расстройки вплоть до полной частотнофазовой синхронизации. Доказательство этого свойства детектора вытекает из анализа выражений (1) и (2). Дей- З5 ствительно, предполагая сигналы в виде меандров, а величину фазового сдвига считая равной k интервалам дискретизации, путем подстановки х (и) = х,(n+k) в (1) и (2) можно 4О получить у (n) =(х,(n) Оi х (n+k-1))х (х, (n) 0+ x, (n+k)); (9) 45 у (и) =(х (n+k) Я х, (и — 1)) к(х, (n) Qx, (n+k)) . (10)

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 сигналов (9) и (10), госле исключения двух одновремекно получаемых единиц, остаются только в одной из последовательностей. Причем видно, что в рассматриваемом случае уменьшение фазо вого сдвига будет происходить за счет некоторого увеличения частоты сигнала х (и), а это вполне согласуется с предыдущим рассмотрением процесса частотной подстройки частоты, когда вероятность единичных значений в у (п) получалаcü больше, чем в у„ (п).

Установленные зависимости выходных сигналов у (и) и у (n) от раз"1 7 кости частот и фазового сдвига входных сигналов можно представить в виде следующих выходных характеристик: линейной(в статистическом смысле) частотной (фиг. 4а) и релейной фазовой (фиг. 4 Ы ) . Следует отметить, что получение условий полной частотно-фазовой синхронизации входных сигналов равносильно добавлению к релейной фазовой характеристике точки А в начале координат (фиг. 4 8 ) . Это означает, что возможно состояние детектора, когда на трех его выходах для сигналов у,(п), y„(n) и h„(n) импульсы будут отсутствовать. Практически это означает существенное уменьшение колебаний, т.е. повьппение точности при работе устройства в системе 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) Из выражений (11) и (12) следует, что формула (7) справедлива и в рассмотренном случае произвольных скважностей, 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 х (и,) и х, Q) с шумом nDH использо1

Выходные сигналы.:

Режим работы у (n) h, (n) у (») Полная частотно-фазовая синхронизация сигналов 0

Фазовый сдвиг, равный н 0 г «)

4 (v=

=2f

"а

Фазовая автоподстройка частоты или измерение фазового сдвига f )П

fop

Частотная автоподстройка частоты; Сигналы— меандры

=2й„

4 (Р =-О, 5 ,2

f„> f, f c т l

Р„а P

Р P

Частотная автоподстройка частоты; Сигналы произвольной скважности

P а Р, Р, о P

Формула изoбретения5О при этом тактовые входы с первого по .четвертый Ю-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, Частотно-фазовый детектор, содержащий первый и второй Ю-триггеры, информационные входы которых соединены соответственно с гервой и второй входными шинами, а выходы - соответственно с информационными входами третьего и четвертого Ю-триггеров, 9 12463 57 10 вании,устройства в режиме частотно- наличия шума. Это показано вьш е, посфазовой автоподстройки частоты. В ;кольку вывод соотношений (11) и (12), данном случае под свойством линейнос- определяющих выходную характеристику ти подразумевается то, что все опе- устройства, сделан на основе вероятрации над сигналами в устройстве, за > ностных предпосыпок — несинхронности исключением завершающей операции И, входных сигналов и сигнала генератовыполняемой элементами 12 и 13, явля- ра тактовых импульсов, когда мгновенются линейными операциями — сдвиг, ные значения одного сигнала по относуммирование по модулю два, т.е. та- шению к одновременным значениям втокими операциями, результаты которых 1О рого сигнала являются величиной слуне зависят в статистическом смысле чайной. от наличия белого шума во входных сигналах. Что касается нелинейной Рассмотренные случаи работы устоперации И, то ее результат тоже, в ройства можно объединить н таблице статистическом смысле, не зависит от 15 следующим образом. „

1246357 а 6

8 Ью е и, 8 У в х 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, 10 что, с целью расширения функциональных воэможностей путем обеспечения возможности измерения фазового сдвига 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 З -триггеров, а выход с третьими входами первого и второго элементов И и с третьей выходной шиной, причем выход генератора тактовых импульсрв соединен с четвертой выходной шиной.

1246357

ФиаЧ

Составитель С. Будович

Техред Л.Олейник Корректор И. Эрдейи

Редактор В. Петраш

Заказ 4021/55

Тираж 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