Устройство фазовой автоподстройки частоты
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР (1092 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 (21) 4805134/09 (22) 21.03.90 (46) 15.07.92. Бюл. М 26 (71) Новосибирский институт связи им Н.Д.Псурцева (72) А.M. Штанюк (53) 621.396.662(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР Ф 1626382, кл. Н 03 L 7/00, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение относится к технике электросвязи и может быть использовано в устройствах когерентной обработки фазоманипулированных сигналов с углом 2 фазовой манипуляции 180, в частности в аппаратуре каналов передачи дискретной информации. Цель изобретения — увеличение допустимого времени пропадания входного фазома1,ипулированного сигнала и повышение бьь1стродействия. Устройство содержит усилитель-ограничитель 1, 0-триггер 2, реверсивный счетчик 4, управляемый делитель частоты 5, делитель частоты на два 7, опорный генератор 6. Цель достигается путем введения в устройство nepeoro блока выделения фронтов 3 и второго блока выделения фронтов 8, вход которого подключен к выходу управляемого делителя частоты 5, а выход соединен с тактовым входом D-триггера 2, 5 ил, 7748249 По фаэоманипулированному сигналу 5 восстановить несущую можно только с неопределенностью в 180О. В соответствии с этим под расстройкой фаз между несущей Изобретение относится к технике связи и может быть испольэдвано в устройствах когерентной обработки фазоманипулированных сигналов с углом фазовой манипуляции 180, Цель изобретения — упрощение схемы построения устройства, увеличение допустимого времени пропадания входного фазоманипулированного сигнала, достижение независимости скорости подстройки фазы выходного колебания от знака расстройки фаз и, следовательно, получение симметрии полосы удержания, На фиг. 1 приведена структурная схема устройства фазовой автоподстройки частоты; на фиг, 2 и 3 — два варианта схемы построения первой схемы выделения фронтов; на фиг. 4 — схема построения второй схемы выделения фронтов; на фиг. 5- эпюры напряжений в различных точках схемы устройства фазовой автоподстройки частоты, поясняющие его работу. Устройство фазовой автоподстройки частоты содержит последовательно установленные усилитель-ограничитель 1, D-триггер 2, первую схему 3 выделения фронтов, реверсивный счетчик 4, управляемый делитель 5 частоты с подключенным к его счетйому входу опорным генератором 6 и делитель 7 частоты на два, а также вторую схему 8 выделения фронтов, вход которой соединен с выходом управляемого делителя 5 частоты, а выход подключен к тактовому входу D-триггера 2, При этом вход управления "Направление счета" реверсивного счетчика 4 вместе с вторым входом управления управляемого делителя 5 частоты подключен к выходу управляемого делителя частоты 5. Первый вариант построения первой схемы выделения фронтов 3, представленный на фиг, 2, содержит первый 9 и второй 10 одновибраторы, а также элемент ИЛ И 11, подключенный к выходам одновибраторов 9. 10. Второй вариант построения первой схемы выделения фронтов 3, представленный на фиг, 3, включает в себя первый 12, второй . 13 элементы задержки и объединяющие их выходы элемент ИСКЛ1ОЧА!ОЩЕЕ ИЛИ 14, Вторая схема выделения фронтов 8 может быть реализована по различным схемам. Один из вариантов, представленный на фиг. 4, содержит инвертор 15, элемент 16 задержки и объединяющий их выходы элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17. фазоманипулированного сигнала и восстановленной несущей понимается рассогласование моментов перехода через нулевой уровень гармонического заполнения посы- 5 лок фазоманипулированного сигнала (или несущей) с фронтами и срезами колебаний на выходе устройства. При этом не принимается во внимание в каком направлении происходит переход: из отрицательной об10 ласти в положительную или наоборот, В предлагаемом устрдйстве ФАПЧ реализован принцип определения знака расстройки фаэ между несущей и выходными колебаниями и подстройки фазы выходного колебания, заключающийся в следующем. 15 Интервалы времени между моментами появления фронтов и срезов выходного колебания, которые соответствуют фазе 0 или 180О, разделены на области ргсстройки фаз: области опережения и запаздывания, Области, расположенные слева от моментов по20 явления фронтов и срезов являются областями опережения. а справа — запаздывания. Выходное колебание и области опережения и запаздывания жестко связаны между собой. Моменты появления фронтов 25 и срезов выходного колебания соответствуют по времени границам опережение-запаздывание между областями, Сформированные области опережения и запаздывания контролируются на наличие 30 переходов напряжения входного сигнала через нулевой уровень, т.е. моменты перехода через нуль соотносятся с областями опережения и запаздывания. При обнаружении перехода в какой-либо области фор35 мируется импульс, сигнализирующий о наличии перехода. Попадение переходов через нуль в области опережения указывает на то, что несущая входного сигнала опережает по фазе 40 выходное колебание, а попадение в область запаздывания указывает на то, что несущая отстает по фазе и необходима соответствующая подстройка фазы выходного сигнала. Обнаружение перехода в соответствую45 щей области производится по смене знака напряжения входного сигнала на границах области. При несовпадении знаков напряжения считается, что внутри области существует переход через нуль: при совпадении 50 — выносится решение об отсутствии перехода, Подстройка фазы выходного колебания выполняется после усреднения импульсов, сигнализирующих об обнаружении перехо5 дов через нуль в областях запаздывания и опережения, Синфазность выходного колебания с несущей входного сигнала считается до1748249 стигнутой в том случае, когда в схеме установится режим динамического равновесия, В этом режиме среднее число переходов через нуль, обнаруженных в областях опережения, совпадает со средним числом переходов, обнаруженных в областях запаздывания, и среднее положение фронтов и срезов выходного колебания совпадает с моментами переходов через нулевой уровень несущей входного фаэоманипули10 рованного сигнала В соответствии с представленным алгоритмом работы в предлагаемом устройстве смена знаков напряжения контролируется как на границах областей запаздывания, так 15 и на границах областей опережения. Это обеспечивает определение знака расстройки фаэ, требуемое направление подстройки фазы выходного колебания и вместе с тем предотвращает появление ошибочных им20 пульсов. Тем самым устраняется зависимасть скорости подстройки фазы выходного колебания от знака расстройки фаз.. В условиях пропадания сигнала, .когда усилитель-ограничитель выдает постоян25 ный уровень и перепады напряжения на его выходе отсутствуют, на счетный вход реверсивного счетчика импульсы не поступают и перестройка фазы выходного колебания не производится. Это увеличивает допустимое 30 время пропадания входного сигнала до времени, определяемого стабильностью частот несущей входного сигнала и опорного генератора В случае, когда усилитель-ограничитель 35 при отсутствии сигнала выдает случайное бинарное колебание со средней частотой переключение ниже номинальной частоты пересечений несущей нулевого уровня, ный счетчик снижается. Соответственно снижается скорость блуждания фазы выход.ного колебания и увеличивается допустимое время пропадания. входного сигнала., Область опережения и область запаздывания. в совокупности равны половине периода несущей фазоманипулированного сигнала. На этом интервале времени возможен только один переход несущей через 50 нуль и он обнаруживается только в одной из смежных областей, Случай, когда сигнал отсутствует и усилитель-ограничитель выдает бинарное колебание с высокой частотой переключений характерен тем, что результат анализа этого интервала времени на нали-. 55 чие перехода по признаку разности знаков напряжения на границах областей может привести к четырем равновероятным исходам: темп поступления импульсов на реверсив- 40 1) переход обнаружен в области опережения и не обнаружен в области запаздывания; 2) переход не обнаружен в области опережения и обнаружен в области запаздывания; 3) переход обнаружен как в области опережения, так и в области запаздывания; . 4) переход не обнаружен ни в области опережения, ни в области запаздывания. Последние два исхода не приводят к изменению состояния реверсивного счетчика и далее к изменению фазы выходного колебания, так как в третьем случае на реверсивный счетчик поступают два импульса, которые при усреднении суммируются с противоположными знаками и взаимно компенсируются, а в четвертом случае на реверсивный счетчик не поступает ни одного импульса. Случайные блуждания фазы выходного колебания возникают под воздействием импульсов, поступающих на реверсивный счетчик в соответствии с первыми двумя исходами. Поскольку они охватывают только половину от всех возможных исходов, то средний темп счета реверсивного счетчика и, соответственно, средняя скорость блуждания фазы на выходе устройств в два раза ниже, чем скорость блуждания фазы в известном устройстве, а допустимое время про. падания входного фазоманипулированного сигнала в два раза больше, . Рассмотрим работу устройства фазовой автоподстройки частоты, реализующего представленный алгоритм. Работа устройства поясняется эпюрами напряжения вточках схемы "а" - "ж" (фиг. 5). На эпюрах моменты t>-t>p соответствуют моментам переходов несущей входного сигнала, через нулевой уровень. Опережение и отставание по фазе несущей показано как время опережения топ и запаздывания т„п моментов переходов несущей через нуль относительно фронтов и срезов выходного колебания (фиг. 5ж). Эпюры напряжения, представленные на фиг. 5, соответствуют случаю, когда на начальном отрезке времени до момета т4 несущая фазоманипулированного сигнала опережает по фазе выходное колебание, За- тем на интервале t4-t происходит подстройка фазы выходного колебания, На последующем интервале времени несущая . отстает по фазе от выходного колебания. Узлы и элементы устройства выполняют следующие функции. На вход усилителя-ограничителя 1 поступает фазоманипулированный сигнал 1748249 (фиг, 5а), Усилитель-ограничитель 1 преобразует аналоговый сигнал в бинарный (фиг. 5б). Уровни выходного сигнала согласованы с логическими уровнями используемых в устройстве микросхем, Ограниченный фаэоманипулированный сигнал подается на информационный вход 0-триггера 2. На его тактовый вход поступают импульсы (фиг. 5в), передние фронты которых соответствуют границам областей запаздывания и опережения. Области опережения и запаздывания задаются колебаниями (фиг. 5е), снимаемыми с выхода управляемого делителя частоты 5, Импульсы, поступающие на тактовый вход 0-триггера 5, формируются с помощью схемы выделения фронтов 8, Передние фронты импульсов совпадают с моментами перепадов напряжения колебания, поступающего на его вход. Схема выделения фронтов 8 может быть реализована по схеме, представленной на фиг, 4. В этом, случае длительность импульсов равна задержке тэ, вносимой элементом задержки 16. О-триггер 2 выполняет операции стробирования ограниченного входного фазоманипулированного сигнала и хранение результата до следующего стробирования. Стробирование осуществляется в моменты появления передних фронтов импульсов (фиг. 5в), поступающих на тактовый вход, т.е. на границах областей запаздывания и опережения. Если к моменту очередного стробирования знак напряжения входного фазоманипулированного сигнала не изменился, то стробирование не изменяет состояние триггера и напряжение на его выходах не изменяется. И наоборот при изменении знака напряжения входного сигнала стробирование приводит к появлению перепада напряжения на выходе триггера. Таким образом, перепады напряжения в выходном сигнале (фиг. 5г) 0-триггер 2 сигнализирует о наличии перехода через нуль во входном фазоманипулированном сигнале на интервале между последним и предпоследним стробированием. Перепады напряжения на выходе 0триггера 2 обнаруживаются схемой выделения фронтов 3. При появлении перепадов напряжения схема выделения фронтов 3 выдает импульс (фиг. 5д). Схема выделения фронтов 3 может быть реализована различным образом, например, на основе одновибраторов (см. фиг, 2). При реализации по схеме, представленной на фиг. 3; длительность импульса на выходе равна абсолютной разности задержек р и, вносимых элеметами 12 и 13 задержки, 10 30 50 Реверсивный счетчик 4 ведет подсчет импульсов, выдаваемых схемой выделения фронтов 3. Режим счета реверсивного счетчика — сложение или вычитание — согласо5 ван с областями расстройки, в которых обнаружены переходы входного сигнала через нуль, Это согласование обеспечивается тем, что на его вход управления подается сигнал с выхода управляемого делителя частоты 5, т,е. то же самое колебание, которое задает области расстройки фаз. Иэ приведенных на фиг. 5 эпюр напряжения видно, что при опережающей по фазе несущей импульсы (фиг. 5д) на счетном вхо5 де реверсивного счетчика 4 появляются при высоком уровне напряжения (фиг. 5е) на входе управления; Реверсивный счетчик 4 суммирует поступающие импульсы. Емкость реверсивного счетчика ограничена и 0 через некоторое время он переполняется. Сигнал переполнения подается на управляемый дели.ель частоты 5. Появление сигнала переполнения сигнализирует о необходимости подстройки фазы выходного колебания и соответствующего изменения коэффициента деления управляемого делителя частоты 5, но не указывает на требуемое направление изменения фазы выходного колебания. Это направление связано с областями расстройки, в частности, с областью расстройки, в которой обнаружен переход через нуль и выработан импульс, переполнивший реверсивный счетчик 4. Направление подстройки фазы и соот5 ветствующее изменение коэффициента деления управляемого делителя частоты 5 задается подачеи на второй вход управляемого сигнала, определяющего области расстройки фаэ, т,е. тем же сигналом, который подается на вход управления реверсивного счетчика 4, На эпюрах напряжения отражена ситуация, в которой импульс; переполняющий реверсивный счетчик, появляется на интервале t<-t5 (фиг. 5д). В это время на второй вход управления управляемого делителя частоты подается высокий уровень (фиг. Бе), В соответствии с ним и по сигналу переполнения управляемый делитель частоты 5 на один цикл деления уменьшает коэффициент деления. Колебание на его выходе (фиг, 5е) и, соответственно, колебание (фиг. 5ж) на выходе стоящего за ним делителя частоты на два 7 на один шаг подстройки изменяю-: фазы. Для наглядности шаг подстройки вы- бран достаточно большим и таким, что после подстройки несущая входного фазоманипулированного сигнала становится запаздывающей (отстает по фазе) относительно выходного колебания. Изменение знака 1748249 10 расстройки фаз приводит к изменению временных соотношений между моментами перехода через нуль несущей входного сигнала и областями расстройки, Так до подстройки переходы несущей через нуль 5 происходили при низком уровне сигнала на выходе управляемого делителя частоты (фиг, 5е), то после подстройки, начиная с момента tg переходы несущей через нуль осуществляются при высоким уровне сигна- 10 ла. В соответствии с этим изменением знака расстройки фаз изменилось на противоположное и направление счета реверсивного счетчика 4, а при очередном его переполнении подстройка фазы выходного колебания 15 произойдет в противоположном направле- нии. Таким образом, в схеме устанавливается режим динамического равновесия, при котором среднее положение фронтов и срезов выходного колебания совпадает с мо- 20 ментами переходов через нуль несущей входного фазоманипулированного сигнала, т.е. обеспечивается синфазность несущей и выходного колебания, .Формула изобретения 25 Устройство фазовой автоподстройки частоты, содержащее входной усилитель-ограничитель, 0-триггер, информационный вход которого подключен к выходу усилителя-ограничителя, последовательно включенные управляемый делитель частоты и выходной делитель частоты на два, реверсивный счетчик, выход которого подключен к входу разрешения счета управляемого делителя частоты, опорный генератор, выход которого подключен к счетному входууправляемого делителя частоты; о т л и ч а ю ще е с я тем, что, с целью увеличения:допустимого времени пропадания входного сигнала и повышения быстродействия при работе по фазоманипулированному сигналу, в него введены первый блок выделения фронтов, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к прямому и инверсному выходам 0-триггера, а выход соединен со счетным входом реверсивного счетчика, второй блок выделения фронтов, выход которого подключен к тактовому входу 0-триггера, вход управления добавлениемвычитанием импульсов управляемого делителя частоты, вход второго блока выделения фронтов и вход управления направлением счета реверсивного счетчика подключены к выходу управляемого делителя частоты. 1748249 ==) 1 Составитель А.Штанюк Редактор Л;Пчолинская Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор A,Îñàóëåíêo Заказ 2510 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент". г, Ужгород. ул,Гагарина, 101
