Фазовый детектор или фазовый компаратор — это преобразователь частоты , аналоговый умножитель или логическая схема, которая генерирует сигнал, представляющий собой разность фаз между двумя входными сигналами.
Фазовый детектор является важнейшим элементом фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Обнаружение разности фаз важно и в других приложениях, таких как управление двигателем , радиолокационные и телекоммуникационные системы, сервомеханизмы и демодуляторы .
Фазовые детекторы для схем фазовой автоподстройки частоты можно разделить на два типа. [1] Детектор типа I предназначен для управления аналоговыми сигналами или цифровыми сигналами прямоугольной формы и выдает выходной импульс на разностной частоте. Детектор типа I всегда выдает выходной сигнал, который должен быть отфильтрован для управления генератором напряжения с фазовой автоподстройкой частоты (ГУН). Детектор типа II чувствителен только к относительной синхронизации фронтов входного и опорного импульсов и выдает постоянный выходной сигнал, пропорциональный разности фаз, когда оба сигнала находятся на одной частоте. Этот выходной сигнал не будет создавать пульсации в управляющем напряжении ГУН.
Фазовый детектор должен вычислить разность фаз двух своих входных сигналов. Пусть α будет фазой первого входа, а β — фазой второго. Однако фактические входные сигналы для фазового детектора — это не α и β, а скорее синусоиды, такие как sin(α) и cos(β). В общем случае вычисление разности фаз будет включать вычисление арксинуса и арккосинуса каждого нормализованного входа (чтобы получить постоянно увеличивающуюся фазу) и выполнение вычитания. Такое аналоговое вычисление сложно. К счастью, вычисление можно упростить, используя некоторые приближения.
Предположим, что разности фаз будут небольшими (например, намного меньше 1 радиана). Малоугловое приближение для синусоидальной функции и формула сложения синусоидальных углов дают:
Выражение предполагает, что квадратурный фазовый детектор может быть создан путем суммирования выходов двух умножителей. Квадратурные сигналы могут быть сформированы с помощью фазосдвигающих сетей. Две распространенные реализации для умножителей — это двойной балансный диодный смеситель, диодное кольцо и четырехквадрантный умножитель, ячейка Гилберта .
Вместо использования двух умножителей более распространенный фазовый детектор использует один умножитель и другое тригонометрическое тождество:
Первый член обеспечивает желаемую разность фаз. Второй член представляет собой синусоиду на удвоенной опорной частоте, поэтому ее можно отфильтровать. В случае общих форм волн выход фазового детектора описывается характеристикой фазового детектора .
Детектор на основе смесителя (например, двухбалансный смеситель на основе диода Шоттки ) обеспечивает «максимальные характеристики по уровню фазового шума» и «по чувствительности системы», поскольку он не создает конечных ширин импульсов на выходе фазового детектора. [2] Еще одним преимуществом PD на основе смесителя является его относительная простота. [2] Как квадратурные, так и простые фазовые детекторы с умножителем имеют выход, который зависит от входных амплитуд, а также от разности фаз. На практике входные амплитуды входных сигналов нормализуются до ввода в детектор, чтобы устранить зависимость от амплитуды.
Фазовый детектор, подходящий для сигналов прямоугольной волны , можно сделать из логического вентиля «исключающее ИЛИ» (XOR) . Когда два сравниваемых сигнала полностью совпадают по фазе, выход вентиля XOR будет иметь постоянный уровень нуля. Когда два сигнала отличаются по фазе на 1°, выход вентиля XOR будет высоким в течение 1/180 каждого цикла — доли цикла, в течение которого два сигнала различаются по значению. Когда сигналы отличаются на 180° — то есть один сигнал высокий, когда другой низкий, и наоборот — выход вентиля XOR остается высоким в течение каждого цикла. Этот фазовый детектор требует входов, которые являются симметричными прямоугольными волнами или почти таковыми.
Детектор XOR хорошо сопоставим с аналоговым смесителем в том, что он блокирует около 90° разности фаз и имеет выход импульсной волны на частоте, вдвое превышающей опорную. Выход изменяет рабочий цикл пропорционально разности фаз. Применение выхода вентиля XOR к фильтру нижних частот приводит к аналоговому напряжению, которое пропорционально разности фаз между двумя сигналами. Остальные его характеристики очень похожи на аналоговый смеситель по диапазону захвата, времени блокировки, опорным паразитным сигналам и требованиям к фильтру нижних частот.
Цифровые фазовые детекторы также могут быть основаны на схеме выборки и хранения , зарядовом насосе или логической схеме, состоящей из триггеров . Когда фазовый детектор на основе логических вентилей используется в ФАПЧ, он может быстро заставить VCO синхронизироваться с входным сигналом, даже если частота входного сигнала существенно отличается от начальной частоты VCO. Такие фазовые детекторы также обладают другими желательными свойствами, такими как лучшая точность, когда между двумя сравниваемыми сигналами имеются лишь небольшие фазовые различия, и превосходный диапазон подтягивания .
Фазочастотный детектор ( PFD ) — это асинхронная схема , изначально сделанная из четырех триггеров (т. е. фазочастотных детекторов, которые можно найти как в RCA CD4046, так и в Motorola MC4344 IC, представленных в 1970-х годах). Логика определяет, какой из двух сигналов имеет переход через ноль раньше или чаще. При использовании в приложении ФАПЧ синхронизация может быть достигнута даже при отсутствии частоты.
PFD улучшает диапазон подтягивания и время захвата по сравнению с более простыми конструкциями фазовых детекторов, такими как умножители или вентили XOR. Эти конструкции хорошо работают, когда две входные фазы уже близки к захвату или захвачены, но плохо работают, когда разность фаз слишком велика. Когда разность фаз слишком велика (что произойдет, когда мгновенная разность частот велика), то знак коэффициента усиления контура может измениться и начать отводить VCO от захвата. PFD имеет преимущество в создании выходного сигнала, даже когда два сравниваемых сигнала отличаются не только по фазе, но и по частоте. Детектор фазовой частоты предотвращает ложное состояние захвата в приложениях ФАПЧ, в которых ФАПЧ синхронизируется с неправильной фазой входного сигнала или с неправильной частотой (например, гармоникой входного сигнала). [3]
Фазочастотный детектор bang-bang charge pump подает импульсы тока с фиксированным общим зарядом, положительным или отрицательным, на конденсатор, действующий как интегратор . Фазовый детектор для bang-bang charge pump всегда должен иметь мертвую зону , где фазы входов достаточно близки, чтобы детектор запускал либо оба, либо ни один из зарядовых насосов, без общего эффекта. Фазочастотные детекторы bang-bang просты, но связаны со значительным минимальным джиттером от пика до пика из-за дрейфа в пределах мертвой зоны.
В 1976 году было показано, что при использовании конфигурации фазочастотного детектора с тремя состояниями (использующей только два триггера ) вместо исходной конфигурации RCA/Motorola с четырьмя триггерами эта проблема может быть элегантно преодолена. [ требуется ссылка ] Для других типов фазочастотных детекторов существуют другие, хотя, возможно, менее элегантные, решения для феномена мертвой зоны. [3] Другие решения необходимы, поскольку фазочастотный детектор с тремя состояниями не работает для определенных приложений, включающих рандомизированную деградацию сигнала, которая может быть обнаружена на входах некоторых систем регенерации сигнала (например, конструкции восстановления тактовой частоты ). [4]
Пропорциональный фазовый детектор использует зарядовый насос, который подает заряды пропорционально обнаруженной фазовой ошибке. Некоторые имеют мертвые зоны, а некоторые нет. В частности, некоторые конструкции производят как восходящие, так и нисходящие управляющие импульсы , даже когда разность фаз равна нулю. Эти импульсы малы, номинально имеют одинаковую длительность и заставляют зарядовый насос производить равные по заряду положительные и отрицательные импульсы тока, когда фаза идеально согласована. Фазовые детекторы с такой системой управления не демонстрируют мертвую зону и обычно имеют более низкий минимальный размах джиттера при использовании в ФАПЧ.
В приложениях PLL часто требуется знать, когда контур выходит из синхронизации. Более сложные цифровые фазочастотные детекторы обычно имеют выход, который позволяет надежно указывать на состояние выхода из синхронизации.
Некоторые методы обработки сигналов, такие как те, которые используются в радарах, могут требовать как амплитуду, так и фазу сигнала, чтобы восстановить всю информацию, закодированную в этом сигнале. Один из методов заключается в подаче сигнала с ограниченной амплитудой в один порт детектора продукта и опорного сигнала в другой порт; выход детектора будет представлять собой разность фаз между сигналами.
В оптике фазовые детекторы также известны как интерферометры . Для импульсного ( амплитудно-модулированного ) света говорят, что он измеряет фазу между носителями. Также можно измерить задержку между огибающими двух коротких оптических импульсов с помощью кросс-корреляции в нелинейном кристалле . И можно измерить фазу между огибающей и носителем оптического импульса , послав импульс в нелинейный кристалл. Там спектр становится шире, а на краях форма существенно зависит от фазы.
