Частотно-фазовый детектор

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ 4635 СПУБЛИ 3 К 13/О ЗОБРЕТЕ ИС ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ е лить разностную частоту входных сигналов. При практическом использованииустройства в составе некоторой системы обработки сигналов последовательности импульсов с его выходов могутбыть поданы либо на входы реверсивного счетчика, либо на сумматор аналоговых сигналов, включенного последовательно с фильтром нижних частот.В материалах заявки рассмотрены 5режимов работы устройства, которыеобъединены в таблице. Устройствообеспечивает работу в условиях импульсных помех и аддитивного белогошума. 4 ил. 1 табл. с ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(71) Институт теплофизики СО АН СС(56) Авторское свидетельство СССРУ 841101, кл. Н 03 К 5/156, 1981.Авторское свидетельство СССРВ 1086552, кл. Н 03 К 5/156, 17.12(57) Изобретение относится к импулной технике и может быть использовно в дискретных и цифровых системав устройствах частотно-фазавой синхронизации. Цель изобретения - расрение функциональных возможностейповышение точности частотно-фазоводетектора. В устройство, содержаще0-триггеры 1, 2, 3, 4, генератор 7тактовых импульсов, сумматоры 8, 910 по модулю два, элементы 12, 13входные шины 5, 6, выходные шины 1 15, введены выходные шины 16, 17, четвертый сумматор 11. В случае различных частот входных сигналов выход ные сигналы устройства позволяют определить знак разностной частоты по соотношению вероятностей получения диниц на выходных шинах и по разнос ти частот выходных сигналов опредеИзобретение 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. 1 показана структурная функциональная схема детектора; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммй его работы; на фиг. 4 - выходная характеристика детектора.Устройство содержит 0-триггеры 1 и 2, своими выходами соединенные с информационными входами соответственно Э-триггеров 3 и 4. Информационные.входы первого и второго триггеров соединены соответственно с вход О ными шинами 5 и 6. Тактовые входы Э-триггеров 1 - 4 соединены с выходом генератора 7 тактовых импульсов. Выходы Р-триггеров 3 и 4 соединены с первыми входами соответственно сумма 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 0-триггеров 1 и 2 сое,цинены 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 четвертого4 г, сумматоров 10 и 11 соединены соответственно с вторыми и третьими входами элементов 12 и 13. Устройство работает следующим образом.50Входные сигналы с частотой г,поступающие на входную шину 5, запоминаются на Р-триггерах 1 и 3, авходные сигналы с частотой Г , поступающие на входную шину 6, - на Ртриггерах 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 и + 1, и, наоборот, сложение второго сигнала, определенного в момент и, с первым сигналом, определенным вмомент и + 1. Сумматор 11 производитсложение 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 (ихчастот, фазового сдвига) и решаемойзадачи (назначение устройства в конкретной схеме) могут нсти инФормациюо разности частот,знаке разностнойчастоты, знаке фазового сдвига и т.д.На временной диаграмме (фиг. 2 и3) изображено преобразование входныхсигналов х,(с) (фиг. 2 8 и ЗБ) и х(фиг. 2 и ЗВ), приводящее к формиро -ванию выходных последовательностейимпульсов, На 0-триггерах мгновенныезначения прямоугольных входных сигналов запоминаются в моменты времени,соответствующие последовательности . тактовых импульсов - сигналу у (и),при этом формируются сигналы х,(п)и х (и) . Фазовую ошибку при этой операции дискретизации можно ограничитьмалой величиной, увеличивая частоту тактовых импульсов. Суммирование по модулю цва разновременных и разноименных значений двух входных сигналов, фиксированных при их запоминании в моменты времени п, и + 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 Ь,(п) (фиг. 2 г и Зг) и Ь (и) (фиг, 2 а и Зо).Сигнал Ь (и) на выходе сумматора 11 (фиг. 2 д и Зд) представляет сумму входных сигналов по модулю два+ х (и) х(п) но 50 Значит Р = 0,5Е а 55 после их дискретизации. Сигнал Ь (и)з на выходе сумматора 10 (фиг. 2 еи Зе) равен сумме по модулю цва сигналов Ь (и) и 11 (и), Наконец, сигнал у (и) на выходе, элемента И 12 (фиг. 2и 5 3) равен произведению сигналов Ь(п), Ь (и) и Ь (и), а сигнал у, (и) на выходе элемента И 13 (фиг. 2 мси 3 ) равен произведенйю сигналов Ь (и),10Для анализа различных режимов работы устройства необходимо рассмотреть логические функции, выражающие зависимость выходных последователь ностей импульсов от входных сигналов 5 после их дискретизации. На основании фиг. 1 имеем ( О+ - знак суммирования по модулю два):(2) В выражениях (1) и (2) с целью упрощения анализа не учтен сигнал Ь (п), назначение которого - исклюз ф 30 чать в выходных сигналах у (и) и 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 чие или отсутствие этих единичных участков в выходных сигналах не имеет (цель исключения - разгрузка последующих блоков в системе с использованием устройства от ненужной информа ции).Преобразуя выражение (1) с помощью заменых (и) О+ х (и 1) х (и) . (и 1) + х(п)О+ х,(и) = х,(п) х (и) ++ х,(п) х (и)и производя упрощение, получаем для первой выходной последовательности импульсову(п)=х (и) х (и) х (и) + + х (п) х (п) х (и) и, вниду полной симметрии схемы, получаем путем перестановки индексовдля второй выходной последовательности импульсов у(п):=х (и) х,(п) х,(п) + Рассмотрим случай различных частот сигналов х, и х (с), которые в общем случае несинхронны. Выражение (3) позволяет определить вероятность единичных значений в выходном сигнале у"(и). Если выходные сигналы - меандры, то вероятность получения единичных значений сигнала х,7 п) х (и) равна вероятности единичных значений сигнала х (и) х(п) и при заданной частоте дискретизацииравна Доказать это соотношение можно следующим образом. Если период сигнала х (п) содержит о интервалов дискретизации, то число единичных значений х (п) (меандра) на его период равно ш = 2 . Видно, что в таком случаеЯя сигнал х (и) х п 1.) и сигнал х (и) х (и) должны иметь ш - 1 единичных значений на период. Поскольку реальной схеме частота сигнала х (г.) не кратна (в общем случае) частоте дискретизации, дискретиэованный сигнал х (и) следует рассматривать как леандр лишь в статическом смысле ипоэтому следует говорить о вероятности получения единичных значений в выходном сигнале у"(и). Полученные выше результаты позволяют найти эту вероятность, а именно для х (п)х (и):Ч- 1ш2 1Р -- 0,5 Ч Ч Ч Поскольку в выражении (3) есть дваслагаемых с множителями х(п) иа в выходном сигнел уф(п), что доказывается по аналогии путем перестановки индексов,Р- О 5йУ(б) 15 На основании выражений (3) - (б) можно сделать вывод, что, если Г,Г, то вероятность единичных значений в сигнале у"(п) будет больше вероятнос-гти единичных значений в сигнале у(и), и, наоборот, при Г Г, вероятность единичных значений в сигнале у(п) будет наибольшей, Действитель 25 ные вероятности Р, и Р получения единичных значений н сигналах у (и) и у (и) будут меньше приведенных в выражениях (5) и (б), так как из обоих сигналов следует исключить по равному количеству одновременных единич О ных 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 З 5 Р - Р = (Г - й ) . (7) 1 1Я 1 оТаким образом, 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 (н которых нет од новременно формируемых импульсон) определить разностную частоту входных сигналов. Пример на временной диаграмме (фиг, 2) соответствует рассмотренному случаю, когда Г ) 1 . На 5 О рассматриваемом интервале времени в один период разностной частоты в последовательности у. два импульса, а в последовательностй у один импульс, что соответствует представленному доказательству и подтверждается расчетомГ= - фг 12 ф х(п), это означает, что н момент и может произойти либо событие х (и) х (п) = 1, либо событие х (и) х (п) = 1, вероятности которых одинаковы. Следовательно, вероят ность получения единичных значений в выходном сигнале у(п)7.Р 0,5 (5)ь1 О 1 1 1Гв8 12 24( -)При практическом использованииустройства н составе некоторой системы обработки сигналов последовательности импульсов с его выходов могутбыть поданы либо на входы реверсивного счетчика, либо на сумматор аналоговых сигналов, включенный последовательно с Фильтром нижних частот.В случае равенства частот сигналовх (и) и х (п) при отсутствии Фазо 1ного сдвига этих сигналов выражения(3) и (4) становятся одинаковыми, апоскольку всегда х,(п) х,(п) = О, тоединичнь 1 е значения в выходных сигналах будут отсутствовать. Это условиеполной частотно-Фазовой синхронизациивходньгх сигналов. Следует отметить,что известное устройство не позволяетполучить условие полной частотно-фазоной синхронизации.Рассмотрим случай равенства частотсигналон х(п) и х (и), но при Фазовом сдвиге между ними, равно 11, чтосоответствует равенству х(п) =х (и) .Выражения (3) и (4) оказываются приэтом одинаковыми, т.е, единичные значения формируются в сигналах у"(и)1и у(п) одновременно а поэтому выФходные сигналы у(п) и у. (и) оказываются равными нулю, как и в предыдущем случае. Эти два случая различаются собой по сигналу Ь (и) на третьей выхоцной шине, соединенной с выходом сумматора 11. Очевидно, чтопри полной частотно-Фазовой синхронизации сигнал Ь (и) - сумма по модулюдна дискретизонанных по времени входных сигналов всегда равна нулю, а прифазовом сдвиге, равном М , всегдаравна единице, что и является признаком последнего рассматриваемого случая,При использовании устройства в системе частотно-фазовой автопод-стройки частоты фазовый сдвиг двух сравниваемых сигналов, равный Нсоответствует 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 Ь(п),(12) х, (и) О+ х, (и+1 с)1; (9) 41 Рассмотрим теперь случай равенства частот сигналов х,(п) и х (и) при фазовом сдвиге между ними ч Ф Е Легко видеть, что о величине фазового сдвига можно судить го количеству 5 единиц и нулей в сигнале Ь(п), т.е фазовый сдвиг может быть определен по формуле Ц - 1 Г 4 й,(8) аФормула (8) позволяет определить фазовый сдвиг входных сигналов с высокой точностью и в том случае, если их частота приближается к половине частоты .дискретизации Га, что осуществляется за счет несинхронности частот Е Г = ГСигналы у, (и) и у (и) определяют20 знак фазового сдвига. При практическом использовании выражения (8) сигнал Ь (и) стробируется импульсами у (и) от генератора 7, поступающими зна четвертую выходную шину, и таким25 образом определяется частота Г.Если устройство необходимо использовать в режиме частотно-Фазовой автоподстройки частоты, то при равенстве частот, как и в случае их неравенства, выходные сигналы у (п) иЗО у (и) обеспечивают уменьшение Фазовой 2расстройки вплоть до полной частотнофазовой синхронизации. Доказательство этого свойства детектора вытекает из анализа выражений (1) и (2). Дей- З 5 ствительно, предполагая сигналы в виде меандров, а величину Фазового сдвига считая равной 1 интервалам дискретизации, путем подстановки х (и) = х,(п+1 с) в (1) и (2) можно 4 О получить у (и) =х,(п) Ох, (и+к)1 ф у (п) =х (и+1 с) Ях, (и - 1 лх, (и) О+х, (и+1 с) . (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 сигналов (9) и (10), госле исключениядвух одновремекно получаемых единиц,остаются только в одной из последовательностей. Причем видно, что в рассматриваемом случае уменьшение фазового сдвига будет происходить за счетнекоторого увеличения частоты сигнала х (п), а это вполне согласуетсяс предыдущим рассмотрением процессачастотной подстройки частоты, когдавероятность единичных значений ву (п) получалась больше, чем в у (и).Установленные зависимости выходных сигналов у (и) и у (и) от разкости частот и Фазового сдвига вход.ных сигналов можно представить в видеследующих выходных характеристик:линейной(в статистическом смысле)частотной (Фиг, 4 а) 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 вначале координат (фиг, 4 Б ) . Это означает, что возможно состояние детектора, когда на трех его выходах длясигналов у,(п), у(п) и Ь(п) импульсы будут отсутствовать. Практически это означает существенноеуменьшение колебаний, т.е. повышениеточности при работе устройства в системе частотно-фазовой автоподстройкичастоты,Следует рассмотреть случай, когда входные сигналы не являются меандрами а, например, имеют произвольные скважности С, и С , В этом случаеможно 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,(п) с шумом при использоФазовая автоподстройка частоты или измерение фазового сдвига 1) Пс 11 Частотная автоподстройка частоты; Сигналы - меандры Г 1, =2 Г Г 1 Е ( Г Р( Р 2 Р . РЧастотная автоподстройка частоты; Сигналыпроизвольной скважности Р (Р,Формула изобретения при этом тактовые входы с первого по.четвертый Ю-триггеров соединены с выходом генератора тактовых импульсов,а .выходы третьего и четвертого Ю-триггеров соединены с первыми входами соответственно первого и второго сумматоров по модулю два, вторые входы которых соединены с выходами, соответственно второго и первого Ю-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,9 124 б 357 1 Овании устройства в режиме частотно- наличия шума. Это показано вьше, 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 1 О рого сигнала являются величиной слуне зависят в статистическом смысле чайной.от наличия белого шума во входныхсигналах. 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,12 124 б 357 8 Ью е и,ж у г и й а выходы - с первыми входами соответственно первого и второго элементовИ, выходы которых соединены соответственно с первой и второй выходнымишинами, а вторые входы - с выходомтретьего сумматора по модулю два,первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго сумматоров по модулюдва, о т л и ч а ю ш и й с я тем, 10что, с целью расширения функциональных воэможностей путем обеспечениявозможности измерения фазового сдвига при одновременном повышении точности работы, в него введены третьяи четвертая выходные шины и четвертый сумматор по модулю два, первый ивторой входы которого соединены с выходами соответственно второго ипервого 3 -триггеров, а выходс третьими входами первого ивторого элементов И и с третьейвыходной шиной, причем выход генератора тактовых импульсрв соединен с четвертой выходной шиной.-Уг Составитель С. БудовичТехред Л.Олейник Коррект дактор В. Петраш рдеии аказ 4021 одписное комитети открыт шская набПроектная, 4 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород/55 Тираж 816 ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Ра