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Dokumentenidentifikation DE69400916T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0690582
Titel Phasenregelkreisschaltung mit Fuzzy-Steuerung
Anmelder SGS-Thomson Microelectronics S.r.l., Agrate Brianza, Mailand/Milano, IT;
Consorzio per la Ricerca Sulla Microelettronica nel Mezzogiorno, Catania, IT
Erfinder Travaglia, Frederico, I-20154 Milano, IT;
La Rosa, Maria Grazia, I-95121 Catania, IT;
Giarrizzo, Guido, I-95125 Catania, IT
Vertreter Eisenführ, Speiser & Partner, 28195 Bremen
DE-Aktenzeichen 69400916
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 01.07.1994
EP-Aktenzeichen 948303268
EP-Offenlegungsdatum 03.01.1996
EP date of grant 13.11.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse H03L 7/10

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Phasenregelkreisschaltung (PLL) mit einer Fuzzy-Steuerung.

Wie bekannt ist, ist der Phasenregelkreis (PLL) das elektronische System, das es erlaubt, die Phase eines Eingangssignals mit der Phase eines lokal erzeugten Signals in Übereinstimmung zu bringen und dieser zu folgen.

Normalerweise werden einfache Schaltungen verwendet, um diese Funktion bereitzustellen, wie ein Phasenkomparator, ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) und ein Tiefpaßfilter, die in einer besonderen, negativen Rückkopplungsanordnung verbunden sind, die sich Phasenveränderungen des Eingangssignals anpaßt und somit seinen Frequenzveränderungen.

Die Anordnung eines konventionellen PLL ist in Fig. 8 gezeigt. Der konventionelle PLL ist im wesentlichen aufgebaut aus einem Phasenkomparator 2, einem spannungsgesteuerten Oszillator 4 und einem Tiefpaßfilter 3.

Der Zweck des Phasenkomparators 2 ist es, eine Information über die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal x und dem in der PLL durch den spannungsgesteuerten Oszillator 4 erzeugten Signal y bereitzustellen.

Ein typisches Beispiel einer Übertragungskennlinie des Phasenkomparators 2 ist in Fig. 9 gezeigt. Das erste grundlegende Merkmal des Phasenkomparators ist die periodische Natur des Kriteriums h, das das Eingangssignal und das Ausgangssignal verbindet, d.h.:

z = h(Δ )

wobei z das Ausgangssignal des Komparators 2 und Δ die Phasendifferenz zwischen den zwei Eingangssignalen x und y ist.

Das zweite grundlegende Merkmal des Phasenkomparators 2 ist die Nichtlinearlität von h innerhalb jeder Periode.

Der spannungsgesteuerte Oszillator 4 hat den Zweck, ein Ausgangssignal y(t) zu erzeugen, welches dem Eingangssignal des Phasenkomparators 2 zugeordnet ist. Die Frequenz des Oszillators 4 wird gesteuert durch einen einzelnen Spannungseingang. Es ist anzumerken, daß die Beziehung zwischen dem Wert der Eingangsspannung, die von dem Filter 3 stammt und der Ausgangsfrequenz des Oszillators 4 ein nichtlineares Verhältnis aufweisen kann.

Das Tiefpaßfilter 3 hat die grundlegende Aufgabe, die Rückkopplungsschleife zu schließen und permanent die statischen und dynamischen Merkmale des PLL einzustellen. Die Wirkungsweise des PLL wird tatsächlich hauptsächlich durch die Ordnung und die Art des verwendeten Filters bestimmt.

Eine vereinfachte Darstellung des konventionellen Regelkreises, der durch das Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, ist in Fig. 7 gezeigt. Die typische Wellenform am Eingang des PLL 1 ist gegeben durch die Funktion:

x(t) = gT(wgt + g)

wobei die typische Form des periodischen Signals am Ausgang ist:

y(t) = fT(wft + f).

Die Aufgabe der konventionellen PLL-Schaltung ist es, die Phase und/oder die Frequenz der zwei Signale anzugleichen.

Verschiedene Situationen können entsprechend der Anfangsfrequenzdifferenz der zwei Signale auftreten.

Wenn wf-wg > Δ wL ist, wobei Δ wL der Verriegelungsbereich der PLL ist, neigt die Schaltung zum teilweisen Verriegeln und überspringt Zyklen. Dieser Zustand hat allgemein den Nachteil, daß er außerordentlich lange andauert; wenn der Kreis nicht konvergiert, wird er unendlich lang. Diese Situation muß daher unter normalen Betriebsbedingungen unbedingt vermieden werden.

Wenn statt dessen wf-wg < Δ wL ist, folgt das Ausgangssignal der PLL- Schaltung den Phasen- und/oder Frequenz-Veränderungen des Eingangssignals korrekt und dies ist der optimale Betriebszustand.

Ein besonderer Faktor solcher Phasenregelschaltungen ist der Verriegelungsbereich, d.h., der stets begrenzte Frequenzbereich, der eine korrekte Arbeitsweise des Systems zuläßt, d.h. die Möglichkeit für den PLL, jeder Phasenund/oder Frequenz-Veränderung zu folgen, solange sie innerhalb dieses Bereiches liegt, welcher der größtmögliche ist.

Unter diesem Gesichtspunkt ist das Bedürfnis, diesen Bereich so groß wie möglich zu halten, evident. Die Erfüllung dessen kann jedoch Probleme für andere wesentliche Faktoren des PLL mit sich bringen; der kritischste ist das Rauschverhalten.

Aus Electronics & Communications in Japan, Teil 1 - Communications, Band 76, Nr.9, 1993, New York, US, Seite 44-54, ist ein Phasenregel kreis bekannt mit einer Fuzzy-Steuerung, wie im Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 1 beschrieben.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Phasenregelkreis mit einer Fuzzy-Steuerung anzugeben, dessen Verriegelungsbereich, bezogen auf bekannte Schaltungen, beträchtlich erweitert ist.

Innerhalb des Umfangs dieses Zieles ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung anzugeben, die eine Steuerung unabhängig von der Art des verwendeten Phasenkomparators erlaubt.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung anzugeben, die, bezogen auf bekannte Schaltungen, Regelzeiten verringern kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung anzugeben, die sehr zuverlässig und relativ einfach und bei niedrigen Kosten herstellbar ist.

Dieses Ziel, diese Aufgaben und andere, die nachfolgend erkennbar werden, werden verwirklicht durch eine Phasenregelschaltung mit einer Fuzzy-Steuerung, wie in Anspruch 1 beschrieben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung einer bevorzugten aber nicht ausschließlichen Ausführungsform erkennbar, die lediglich als nicht beschränkendes Beispiel durch die beigefügten Zeichnungen illustriert ist. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel eines Fuzzy-Satzes und Grade von Mitgliedsfunktionen;

Fig. 2 ein Beispiel einer MAX/MIN-Fuzzy-Inferenz;

Fig. 3 ein Beispiel einer MAX/DOT-Fuzzy-Inferenz;

Fig. 4 ein Beispiel einer eindeutigen Mitgliedsfunktion;

Fig. 5 ein Beispiel einer Fuzzy-Berechnung mit eindeutigen Werten;

Fig. 6 ein Beispiel eines Fuzzy-Berechnungsmodells;

Fig. 7 eine vereinfachte Darstellung einer bekannten Phasenregelkreisschaltung;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer bekannten Phasenregelkreisschaltung;

Fig. 9 die Übertragungskennlinie des Phasenkomparators;

Fig. 10 ein vereinfachtes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung;

Fig. 11 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung;

Fig. 12 Vergleiche von Frequenzspektren einer bekannten Phasenregelkreisschaltung und der erfindungsgemäßen Schaltung; und

Fig. 13 Fuzzy-Mitgliedsfunktionen der erfindungsgemäßen Schaltung.

Um den erfinderischen Gedanken der vorliegenden Erfindung besser erläutern zu können, ist es erforderlich, eine einleitende Vorbemerkung zur Fuzzy-Logik- Steuerungstechnik zu machen, welche in der Schaltung verwendet wird, und der erfindungsgemäßen Verarbeitung.

Fuzzy-Logik versucht, abweichend von Systemen, die auf klassischer Logik basieren, die Schlußfolgerungsverfahren zu modellieren, die für den menschlichen Geist typisch sind und ermöglichen, rationale Entscheidungen in unbestimmten und ungenauen Umfeldern zu treffen.

Fuzzy-Logik bietet einen Regelsatz, welcher nicht exakte Tatsachen behandeln kann, die durch die Semantik eines linguistischen Verfahrens ausgedrückt sind.

Die grundlegenden Konzepte von Fuzzy-Logik sind linguistische Variablen und Fuzzy-Sätze; letztere sind gekennzeichnet durch Mitgliedsfunktionen.

Fuzzy-Logik erlaubt es, mit linguistischen Beschreibungen der Realität zu arbeiten; dies bedeutet, daß ein Problem nicht exakt (wie ein mathematisches Modell) gekennzeichnet ist, sondern als linguistische Darstellung der Algorithmen vorliegt. Eine besondere Klasse von Variablen, als linguistische Variablen bekannt, wird verwendet, um die Information darzustellen, die während des linguistischen Beschreibungsschrittes verfügbar wird. Linguistische Variablen sind gekennzeichnet durch die Art von Werten, die ihnen zugeordnet werden können. Diese Art von Worten beinhaltet Worte oder Sätze in jeder natürlichen oder künstlichen Sprache.

Dementsprechend enthalten linguistische Variablen die semantische Bedeutung der beim Modellieren des Problems verwendeten Sätze. Syntaktisch ausgedrückt kann ein Satz von Werten, die von der gewählten Variablen abhängen, in jeder linguistischen Variable gefunden werden. Dieser Satz kann unterschiedliche Bedeutungen entsprechend dem Zusammenhang, in welchem er verwendet wird, annehmen.

Für jede linguistische Variable ist es möglich, eine Tabelle anzugeben, die alle Werte zusammenfaßt, welche die Variable annehmen kann. Diese Werte können allgemein erhalten werden durch Anwenden geeigneter Modifizierer auf einen primären Begriff, welcher die Variable darstellt, oder sein Gegenteil. Die folgende Tabelle gibt einen Eindruck davon.

Fuzzy-Sätze und die zugeordneten Mitgliedsfunktionen sind durch die oben beschriebenen linguistischen Variablen eng verknüpft. Jeder einer linguistischen Variablen zugeordnete Wert wird tatsächlich durch einen Fuzzy-Satz dargestellt.

Ein Fuzzy-Satz kann betrachtet werden als eine Verteilung von Möglichkeiten, die einen bestimmten Wert einer linguistischen Variablen mit einem Definitionsbereich (dem Informationsbereich) verknüpfen. Wenn ein Fuzzy-Satz in einem Diagramm gezeichnet wird, werden die Mitgliedsgrade (oder Wahrheiten) auf der Koordinate gezeichnet, während der Informationsbereich, d.h. der Festlegungsbereich der Fuzzy-Variablen (in diesem Fall die Temperatur und der zugehörige Fuzzy-Satz) auf der Abszisse gezeichnet wird.

Dieser Bereich kann ein kontinuierlicher Raum {x} oder eine diskretisierte Darstellung {x1....x2} sein. Wenn z.B. X eine Temperatur ist, repräsentiert {x} ihren Veränderungsbereich, während {x1....x2} die diskreten Werte darstellt, die sie kennzeichnen.

Mitgliedsfunktionen µ(x) sind Funktionen, die einen Fuzzy-Satz in dem Informationsbereich bezeichnen, der kennzeichnend für eine linguistische Variable ist, ordnen einen Grad der Mitgliedschaft eines gegebenen Wertes zu dem Fuzzy- Satz für jeden Punkt des Definitionsbereichs (Informationsbereich) zu und teilen den Informationsbereich in dem Intervall [0,1] entsprechend auf.

Ein Mitgliedswert µ(x) = 0 zeigt an, daß der Punkt x nicht ein Mitglied des betrachteten Fuzzy-Satzes ist, welcher durch die Funktion µ gekennzeichnet ist, wohingegen ein Wert µ(x) = 1 anzeigt, daß der Wert x ein bestimmtes Mitglied des Fuzzy-Satzes ist.

Mitgliedsfunktionen sind Entitäten, mit welchen Fuzzy-Berechnungen ausgeführt werden; diese Berechnungen werden ausgeführt durch geeignete Funktionen mit den durch die Mitgliedsfunktionen dargestellten Sätzen.

Die Zusammenfassung aller Fuzzy-Sätze einer linguistischen Variablen ist bekannt als "Begriffs-Satz". Fig. 1 faßt die früher gegebenen Definitionen zusammen. Fig. 1 zeigt zum Zweck der grafischen Vereinfachung dreieckige Mitgliedsfunktionen µkalt, µmittel und µwarm, welche allgemein durch jede lineare oder nichtlineare Funktion darstellbar sind.

Die Annahme eines bestimmten Berechnungsmodells ist einer der Faktoren, der die Leistungsfähigkeit des Gerätes beeinflußt. Der Fuzzy-Steuerungsprozeß für erfindungsgemäße Phasenregelkreisschaltungen kann jedoch mit jedem Fuzzy- Berechnungsmodell implementiert werden.

Beispiele dieser Berechnungsmodelle werden nachfolgend beschrieben.

Auf der hohen Ebene ist ein Fuzzy-Programm ein Satz von Regeln des IF-THEN- Typs. Das folgende Beispiel zeigt einen Satz von drei Regeln mit zwei Eingaben (A und B) und zwei Ausgaben (C und D). Die verschiedenen Begriffe A1, A2 .... D3 stellen das von technischen Experten oder auf anderen Wegen erhaltene Wissen des Systems in der Form von Mitgliedsfunktionen dar:

Regel 1: IF [(A is A1) AND (B is B1)] THEN ((C1 is C&sub1;) AND (D1 is D&sub1;)]

Regel 2: IF ((A is A2) AND (B is B2)J THEN [(C2 is C&sub2;) AND (D2 is D&sub2;)]

Regel 3: IF [(A is A3) AND (B is B3)] THEN [(C3 is C&sub3;) AND (D3 is D&sub3;)]

Der Teil jeder Regel, der THEN voransteht, wird allgemein bezeichnet als "linker Teil" oder "Vorderglied", während der Teil, der "THEN" folgt als "Hinterglied" oder "rechter Teil" bezeichnet wird.

Die Eingänge A und B werden, nachdem sie geeignet fuzzyfiziert, d.h. in Mitgliedsfunktionen umgewandelt sind, zu den Regeln gesendet, um mit den Vorgaben in dem Speicher des Steuergerätes (den IF-Teilen) verglichen zu werden. Viele Regeln werden einfach durch einen Fuzzy-Vereinigungsvorgang der Mitgliedsfunktionen gebildet, die das Ergebnis jeder Regel sind.

Je besser die Angleichung der Eingaben an die Mitgliedsfunktion einer gespeicherten Regel ist, um so höher ist konzeptionell der Einfluß der Regel auf die gesamte Berechnung.

Um diese Angleichung zu bestimmen, sind gewichtete Funktionen, welche einige besondere anzeigende Werte bezeichnen, festgelegt. Eine dieser Gewichtungsfunktionen ist die Funktion α, welche den Umfang anzeigt, bis zu welchem die eingegebenen Aussagen (A1, B1) mit den gespeicherten Vorbemerkungen (A, B) übereinstimmen. In dem obigen Beispiel von Regeln ist die Funktion α gegeben als:

aiA = max( min(A1, Ai))

aiB = max( min(B1, Bi))

für i = 1, 2, 3 (Anzahl der Regeln).

Die zweite gewichtete Funktion ist welche den Umfang der "allgemeinen Ähnlichkeit" des IF-Teiles einer Regel anzeigt. Für das obige Beispiel wird die Funktion Ωi berechnet als:

Ωi= min( aiA, αiB, ...)

für i gleich der Anzahl der Regeln und mit so vielen Elementen innerhalb der Klammern, wie Aussagen (der IF-Teil) jeder Regel vorhanden sind. Als Alternative zu der obigen Mitgliedsfunktion wird gewöhnlich eine Gewichtungsfunktion verwendet, die gleich dem Produkt der einzelnen Mitgliedswerte ist:

Ωi = αiA x aiB

Diese Werte, welche praktisch den Aktivierungswert des linken Teils der Fuzzy- Inferenz bilden, werden nachfolgend verwendet, um den Aktivierungswert des Hintergliedes (d.h. des rechten Teiles) zu berechnen.

Soweit dieses Objekt betroffen ist, werden grundsätzlich zwei verschiedene Inferenz-Verfahren betrachtet: MAX/DOT und MAX/MIN. Grundsätzlich wirken beide Verfahren durch Modifizieren der Mitgliedsfunktionen des rechten Teils mit einem Schweiwert, der durch den linken Teil geliefert wird.

Das MAX/MIN-Verfahren wirkt durch Trennen der Mitgliedsfunktionen, die zu dem rechten Teil gehören, in der in Fig. 2 gezeigten Weise. Die Regel der Fuzzy- Inferenz in Fig. 2 lautet wie folgt:

IF alpha IS low AND delta IS high THEN gamma IS medium

Soweit die Werte "alpha" und "delta" im Eingang betroffen sind, verwendet einer den zugehörigen niedrigeren (Schwellwert) Mitgliedswert, mit welchem die Mitgliedsfunktion des Ausgangs "gamma" aufgeteilt wird. Die Mitgliedsfunktion im Ausgang wird praktisch keinen höheren Wert als den Schwellwert aufweisen. Das MAX/DOT-Verfahren wirkt statt dessen durch Modifizieren der Mitgliedsfunktionen des rechten Teils (des Hintergedes), so daß die Mitgliedsfunktion des Ausgangs "komprimiert" ist, während sie jedoch versucht, ihre Ursprungsform weitestmöglich beizubehalten. Das MAX/DOT-Verfahren für die gleiche Regel wie oben, ist in Fig. 3 gezeigt.

Im Fall der Fuzzy-Steuerung ist es möglich, die Berechnung der Gewichtungen α zu vereinfachen. Es ist tatsächlich möglich, die Berechnungsmenge beträchtlich zu verringern durch Annehmen, daß sich jemand mit einem entarteten Fall von Fuzzy-Berechnungen befaßt, in welchem die Eingangsvariablen nicht Fuzzy-Sätze (mehrdeutige Werte), sondern Variablen sind, welche allgemein von Sensoren stammen und daher bestimmte numerische Werte sind. Die eingegebenen Daten sind keine Fuzzy-Sätze, sondern eindeutige Werte.

Um diese Werte innerhalb eines Fuzzy-Systems darzustellen, müssen sie in eindeutige Mitgliedsfunktionen umgewandelt werden, d.h. in bestimmte Mitgliedsfunktionen, welche einen Aktivierungswert von 1 ("WAHR") an dem Punkt aufweisen, welcher dem am Eingang vorgesehenen Wert entspricht. Ebenso haben diese eindeutigen Werte einen Wert 0 ("FALSCH") in dem verbleibenden Teil des Definitionsbereiches. Dieses Konzept ist in Fig. 4 gezeigt.

Um einen physikalischen Wert, der z.B. durch einen externen Sensor bereitgestellt wird, in einen Fuzzy-Wert umzuwandeln, ist es somit ausreichend, den maximalen Wahrheitswert, der kennzeichnend für das System an dem Punkt des Definitionsbereiches ist, der durch den gemessenen Wert bezeichnet wird, zuzuordnen. Bezogen auf die Berechnung bedeutet dies, daß stets der in Fig. 5 gezeigte Fall auftritt.

Die Berechnung der Gewichtungen α in dem besonderen Fall von Fig. 5, wo eindeutige Werte, wie sie im Fall von Geräten, die physikalische Werte steuern, auftreten, wird eher eine Angelegenheit des Findens des Schnittpunktes αB und αA der eingegebenen Variablen mit den durch die Begriffs-Sätze A und B eingeführten Mitgliedsfunktionen.

Die somit berechneten Gewichtungen werden dann zur Berechnung des rechten Teils der Fuzzy-Inferenz (d.h. der Fuzzy-Regeln) verwendet.

Es ist anzumerken, daß bei Steuerungssystem wie im Fall der vorliegenden Erfindung das Ausgangssignal des Fuzzy-Reglers ein definierter physikalischer Wert des Steuerungskriteriums sein muß. Sobald die Inferenz auf den rechten Teil der Fuzzy-Regeln angewendet wurde, wird allge, mein ein Fuzzy-Satz erhalten; daher ist es erforderlich, zu defuzzyfizieren, d.h., einen bestimmten numerischen Wert aus dem berechneten Fuzzy-Satz zu extrahieren. Es gibt verschiedene Defuzzyfizierungs-Verfahren, wie z.B. das Flächenmittelpunktsverfahren, das Maximahöhenverfahren etc. Aus Gründen der numerischen Genauigkeit ist praktisch das am weitesten verbreitete Verfahren das Flächenmittelpunktsverfahren, gemäß welchem:

wobei n die Anzahl der Regeln ist und C die Flächenmittelpunkte (Schwerpunkte) der Mitgliedsfunktionen der rechten Teile jeder Regel darstellt, die durch Verwenden der MAX/MIN- oder MAX/DOT-Verfahren geeignet modifiziert werden. Die Funktionen Ω werden festgelegt, wie bereits beschrieben, unter Verwendung entweder des Minimums aus den Funktionen α oder deren Produkt. Dieses Berechnungsmodell wird bezeichnet als das MAMDANI-Berechnungsmodell. Als eine Alternative ist es ebenfalls möglich, ein anderes, alternatives Fuzzy-Berechnungsmodell anzuwenden, das als SUGENO-Modeli bezeichnet wird, in welchem die Defuzzyfizierung einfach durch die folgende Regel ausgeführt wird:

In der obigen Gleichung ist Ω&sub0; stets gleich 1. Praktisch wird der defuzzyfizierte Wert bestimmt durch eine lineare Kombination der Aktivierungswerte jeder individuellen Regel.

In Fig. 6 sind im Fall einer Fuzzy-Steuerung die Eingangswerte Numerische Werte (Eingang 1-n), welche von Sensoren stammen. In diesem Fall ist es erforderlich, diese Werte zu fuzzyfizieren, um Fuzzy-Werte α zu erhalten, die Fuzzy-Inferenz (die Regeln) anzuwenden, um die gewichteten Funktionen Ω der Fuzzy-Werte zu erhalten und schließlich diese gewichteten Funktionen Ω zu defuzzyfizieren, um einen bestimmten numerischen Wert y am Ausgang zu erhalten.

Das vereinfachte Blockschaltbild der Phasenregelkreisschaltung ist in Fig. 10 gezeigt. Eine Fuzzy-Steuerung 5 wird zu dem Aufbau des konventionellen PLL 1 hinzugefügt und empfängt den Phasenfehler z.

Das Ausgangssignal der Fuzzy-Steuerung 5 ist ein Signal, welches als Injektionssignal Vinj bezeichnet wird.

Die detaillierte Anordnung der erfindungsgemäßen Schaltung ist in Fig. 11 gezeigt. Die Schaltung umfaßt die konventionellen Elemente eines PLL, d.h., den Phasenkomparator 2, das Tiefpaßfilter 3 und den spannungsgesteuerten Oszillator 4.

Der Eingang der Fuzzy-Steuerung 5 ist mit dem Ausgang des Komparators 2 verbunden, um am Eingang das Phasenfehersignal z zu erhalten. Der Ausgang der Fuzzy-Steuerung 5 ist statt dessen an einen Addiererknoten 6 angeschlossen, welcher zwischen dem Tiefpaßfilter 3 und dem spannungsgesteuerten Oszillator 4 eingefügt ist. Auf diese Weise wird das Ausgangssignal der Fuzzy- Steuerung 5 zu dem Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 3 addiert.

Auf diese Weise erhält der Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators 4 ein Signal, das die Summe der durch die Fuzzy-Steuerung 5 erzeugten Injektionsspannung und der Spannung am Ausgang des Tiefpaßfilters 3 ist.

Durch Annehmen der Spannung z, welche proportional zu der durch den Phasenkomparator 2 erzeugten Phasendifferenz ist, als Eingangssignal, erzeugt die Fuzzy-Steuerung 5 ein Injektionssignal Vinj, welches zu dem Signal addiert wird, das von dem Filter 3 stammt. Die Summe der zwei Signale steuert den spannungsgesteuerten Oszillator 4 an, der so wirkt, daß er große und damit gefährliche Veränderungen in dem Phasenfehler z kompensiert, der dementsprechend dazu neigt, ein Entriegeln der PLL auszulösen.

Die Fuzzy-Steuerung 5, deren Relation Vinj-z typisch nichtlinear ist, wirkt unter Verwendung einer Signaverarbeitung basierend auf Fuzzy-Regeln entsprechend dem bereits beschriebenen Verfahren.

Da ein einzelnes Eingangssignal der Fuzzy-Steuerung, d.h. der Phasenfehler z, vorhanden ist, und ein einzelnes Ausgangssignal durch die Injektionsspannung Vinj gebildet wird, welche zu der von dem Tiefpaßfilter 3 ausgegebenen Spannung addiert wird, werden zwei Fuzzy-Variablen eingeführt.

Beispiele von Mitgliedsfunktionen sind in Fig. 13 gezeigt. Für das Eingangssignal z sind drei trapezoide Mitgliedsfunktionen: NORMAL, UNNORMAL und KRITISCH vorhanden, welche die verschiedenen Zustände der Phasendifferenz z darstellen.

Drei dreieckige Mitgliedsfunktionen, NIEDRIG, MITTEL und HOCH wurden statt dessen entwickelt für das Spannungsinjektionssignal Vinj.

Die Mitgliedsfunktionen sind in der Fuzzyfizierungseinrichtung der Fuzzy-Steuerung 5 gespeichert.

Eine Reihe von Fuzzy-Regeln, die kennzeichnend für das Verhalten der zu erhaltenden Schaltung sind, werden dann entwickelt.

Ein Beispiel dieser Regeln ist das folgende:

Regel 1: IF Phasenfehler IS NORMAL THEN Spannungsinjektion IS NIEDRIG

Regel 2: IF Phasenfehler IS UNNORMAL THEN Spannungsinjektion IS MITTEL

Regel 3: IF Phasenfehler IS KRITISCH THEN Spannungsiniektion IS HOCH

Diese Regeln sind in der Fuzzy-Inferenzeinrichtung der Fuzzy-Steuerung 5 gespeichert.

Die Inferenzeinrichtung wird auf die Fuzzy-Regeln in der oben beschriebenen Weise, die gemessenen Werte der Phasendifferenz z und die entsprechenden Mitgliedsfunktionen angewendet, um so einen rechten Teil der Fuzzy-Regeln zu erhalten.

Die gewichteten Ω der linken Teile werden in der oben beschriebenen Weise durch die Gewichtungs-Berechnungseinrichtung der Fuzzy-Steuerung 5 berechnet.

Die Defuzzyfizierungseinrichtung der Fuzzy-Steuerung 5 extrahiert eindeutige Werte des Spannungsinjektionssignals Vinj auf der Basis der berechneten gewichteten Ω und der Ergebnisse der Regeln.

Das Defuzzyfizierungsverfahren kann eines aus den vorher beschriebenen sein (MAX/MIN, MAX/DOT).

Die eindeutigen Werte können durch das bereits beschriebene Flächenmittelpunktsverfahren berechnet werden.

Die erfindungsgemäß ausgeführte Schaltung verbessert den Verriegelungsbereich Δ wL beträchtlich. Praktische Tests, die ausgeführt wurden, haben weiterhin gezeigt, daß Verriegelungszeiten kürzer als solche von vorher beschriebenen konventionellen Anordnungen sind.

Um das Arbeitsprinzip der neuen Anordnung besser zu verstehen wird Bezug genommen auf Fig. 12, welche die Frequenzspektren einer konventionellen PLL und einer erfindungsgemäßen PLL zeigt.

Die Fig. 12a, 12b und 12c gehören zu einer konventionellen PLL-Anordnung, während die Fig. 12d, 12e und 12f zu einer erfindungsgemäßen Schaltung gehören.

Während die in den Fig. 12a und 12b gezeigten Verriegelungssituationen in beiden Fällen miteinander übereinstimmen, da sie tatsächlich der optimalen Verriegelungssituation entsprechen, ist in Fig. 12e offensichtlich, daß eine Veränderung in der Eingangsfrequenz wg eine Verschiebung des Verriegelungsbereiches Δ wL im Fall der erfindungsgemäßen Schaltung mit sich bringt. Dies ergibt sich, da die Eingangsfrequenz innerhalb des Verriegelungsbereiches bleibt. Dies tritt in einer konventionellen PLL nicht auf, wo der Verriegelungsbereich in der Ursprungsposition verankert bleibt, wie in Fig. 12b gezeigt.

Die wesentliche Verbesserung wird durch Vergleichen der Fig. 12c und 12f offenkundig. Im Fall von Fig. 12c liegt die Eingangsfrequenz wg außerhalb des Verriegelungsbereiches Δ wL; dementsprechend tritt das nachfolgende Verriegeln (wenn es möglich ist) mit Zyklus-Sprüngen in einer relativ langen Zeit auf. In dem Fall von Fig. 12f tritt durch Verwenden der erfindungsgemäßen Schaltung ein Verriegeln jederzeit und sehr schnell auf, da die Eingangsfrequenz stets innerhalb des vorgeschlagenen Verriegelungsbereiches liegt.

Die vorliegende Erfindung verwirklicht daher vollständig die vorgesehenen Ziele und Aufgaben.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist in der Lage, eine beträchtliche Steigerung des Verriegelungsbereiches zu erzeugen, insbesondere bei sehr hohen Werten, bezogen auf eine konventionelle PLL.

Die Einführung von Fuzzy-Logik erlaubt nicht nur eine leichte Hardware-Implementation der Steuerungsoberfläche, sondern ebenfalls die Möglichkeit, die Steuerung entsprechend dem Typ des verwendeten Phasenkomparators zu optimieren. Diese Anordnung ist ebenfalls gleich wirksam, auch bei dem Vorhandensein von Rauschen.

Die leichte Implementation ist verknüpft mit der Berücksichtigung, daß das Vorsehen nichtlinearer Kurven, die zum Erzeugen bestimmter Steuerungsoberflächen geeignet sind, die Schwierigkeit des Implementierens gewünschter Kurven mit sich bringt. Dies tritt auf, da es, wenn die Kurven mit analogen Verfahren erhalten werden, schwierig ist, Komponenten zu finden, welche die gewünschte Funktion in einem ausreichend breiten Bereich ausführen; wenn statt dessen der digitale Ansatz verwendet wird, treffen die Schaltungskomplexität mit der erforderlichen A/D- und D/A-Wandlung und die daraus folgende Verringerung der Eingriffsgeschwindigkeit aufeinander, welche für sehr schnelle Anwendungen, in welchen die meisten PLLs wirken müssen (Telekommunikation) nicht ausreichend sein können. Diese Probleme werden mit der Schaltung und der zugehörigen Fuzzy-Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung vermieden.

Diese erhaltene Erfindung ist vielfältigen Modifikationen und Variationen zugängliche die alle innerhalb des Umfanges des Erfindungsgedankens liegen.

Schließlich können alle Einzelheiten durch andere technische Äquivalente ersetzt werden.

Praktisch können die verwendeten Materialien ebenso wie die Formen und Abmessungen entsprechend den Anforderungen beliebig sein, ohne dadurch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Wo in einem Anspruch technische Merkmale von Bezugszeichen gefolgt sind, sind diese Bezugszeichen lediglich zum Zweck des Verbesserns der Verständlichkeit der Ansprüche enthalten und daher haben solche Bezugszeichen keine begrenzende Wirkung auf den Umfang jedes beispielhaft durch solche Bezugszeichen bezeichneten Elementes.


Anspruch[de]

1. Phasenregekreis mit einer Fuzzy-Steuerung, welche einen Phasenkomparator (2) umfaßt, dessen Ausgang an ein Tiefpaßfilter (3) angeschlossen ist, wobei das Tiefpaßfilter (3) geeignet ist, einen spannungsgesteuerten Oszilator (4) anzusteuern, wobei der Phasenkomparator (2) geeignet ist, ein Signal (z) zu erzeugen, das die Phasendifferenz zwischen einem Eingangssignal (x) und einem von dem Oszilator erzeugten Signal (y) darstellt, wobei der Oszillator (4) durch eine Fuzzy-Steuerungseinrichtung (5) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsignal der Fuzzy-Steuerungseinrichtung (5) das Signal (z) ist, das die Phasendifferenz darstellt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Additionsknoten (6) aufweist, welcher zwischen dem Filter (3) und dem Oszillator (4) eingefügt ist, wobei der Additionsknoten (6) geeignet ist, ein durch die Fuzzy-Steuerungseinrichtung (5) erzeugtes erstes Steuerungssignal (Vinj) und ein durch das Filter erzeugtes zweites Steuerungssignal zu addieren.

3. Schaltung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzy-Steuerungseinrichtung (5) eine Fuzzyfizierungseinrichtung aufweist, welche geeignet ist, Mitgliedsfunktionen für das Signal (z) zu erzeugen, das die Phasendifferenz darstellt.

4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzy-Steuerungseinrichtung (5) eine Fuzzyfizierungseinrichtung umfaßt, welche geeignet ist, Mitgliedsfunktionen für das erste Steuerungssignal (Vinj) zu erzeugen.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzy-Steuerungseinrichtung (5) eine Fuzzy- Ableitungseinrichtung umfaßt, welche geeignet ist, Fuzzy-Ableitungsregeln zu speichern und diese Fuzzy-Ableitungsregeln auf die Mitgliedsfunktionen und Werte des Signals (z) anzuwenden, das die Phasendifferenz zu den Fuzzy- Ableitungsregeln darstellt.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzy-Steuerungseinrichtung (5) eine De- Fuzzyfizierungseinrichtung aufweist, welche geeignet ist, Reawerte des ersten Steuerungssignals (Vinj) aus den Ergebnissen zu extrahieren, die von der Fuzzy- Ableitungseinrichtung erhalten werden.

7. Steuerungsverfahren für Phasenregelkreisschaltungen, welche einen Phasenkomparator (2) umfassen, ein Tiefpaßfilter (3) und einen spannungsgesteuerten Oszilator (4), wobei der Phasenkomparator (2) in der Lage ist, ein Signal (z) zu erzeugen, das die Phasendifferenz eines Eingangssignals (x) und eines durch den Oszillator (4) erzeugten Signals (y) darstellt, wobei das Filter (3) das Phasendifferenzsignal (z) am Eingang empfängt und geeignet ist, den Oszilator (4) mit einem ersten Steuerungssignal anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, daß er die folgenden Schritte umfaßt:

- Messen des Signals (z), das die Phasendifferenz darstellt;

- Anwenden der Fuzzy-Steuerung auf das Signal (z), das die Phasendifferenz darstellt, um ein zweites Steuerungssignal (Vinj) zu erzeugen, welches zu dem ersten Steuerungssignal addiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Anwendung der Fuzzy-Steuerung den Schritt beinhaltet, Mitgliedsfunktionen für das Signal (z), das die Phasendifferenz darstellt, und für das zweite Steuerungssignal (Vinj) zu erzeugen.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Anwendung der Fuzzy-Steuerung den Fuzzy-Ableitungsschritt beinhaltet, in welchem auf Werte des Signals (z), das die Phasendifferenz darstellt, und die Mitgliedsfunktionen Fuzzy-Ableitungsregeln angewendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt für die Anwendung der Fuzzy-Steuerung den De-Fuzzyfizierungsschritt beinhaltet, welcher geeignet ist, Realwerte des zweiten Steuerungssignals (Vinj) aus den Ergebnissen zu extrahieren, die durch den Fuzzy-Ableitungsschritt erhalten werden.







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