Het is misschien wel grappig te weten dat het Costas zelf en zijn technicus William Jones eerst óók niet lukte de lus te laten locken. Ze hadden over het hoofd gezien dat de VCO zich, wat de fase betreft, zélf ook als integrator gedraagt en dus een extra 6 dB per octaaf geeft, wat een 'garantie' is voor een instabiele lus.
Ook de fasedetectors komen in het verhaal voor.
Jones schrijft:
We hebben wat tijd besteed aan het oscillatorcircuit. John [Costas] deed een complete analyse van elk circuit dat we overwogen. De Colpitts was volgens hem de beste oscillator.
De moeilijkste schakeling was de fasedetector. John had de fasedetector oorspronkelijk behandeld als een eenvoudig niet-lineair apparaat, en als zodanig verschenen de ingangsaudiosignalen van elk kanaal samen met de fase-informatie aan de uitgang van de fasedetector. Het scheiden van de audio- en fase-informatie gebeurde met een laagdoorlaatfilter. Het bleek dat we te veel audio-informatie bij de fase-informatie kregen, uiteraard als een kwestie van signaal/ruis. Er was een zware laagdoorlaatfiltering nodig om de audio van de fase-informatie te verwijderen.
Ik ontwierp een enkelgebalanceerde fasedetector die de in-fase audio gebruikte voor de gebalanceerde ingang en dat leverde een veel mooiere fasedetectoruitgang op. Het systeem vergrendelde nog steeds niet. Het maakte echter wel duidelijk dat we een dubbelgebalanceerde fasedetector nodig hadden en een nieuw chassis moesten bouwen. De dubbelgebalanceerde fasedetector gaf een mooi uitziend fasesignaal en vereiste veel minder filtering op de fasedetectoruitgang. Dit gaf ons natuurlijk een grotere bandbreedte voor de fasevergrendelingslus, maar opnieuw werkte het systeem niet.
John liet me vrijwel alleen met het werk aan de fasedetector - ik geloof dat hij het druk had met het schrijven van zijn gebruikelijke maandelijkse rapport. Sommige van zijn rapporten waren vrij lang, en hadden zonder veiligheidsoverwegingen een publicatiestuk kunnen zijn. Zijn contract met de luchtmacht was geheim.
We hadden erg mooie testapparatuur - een geweldige Marconi signaalgenerator en de nieuwste Tektronix scopes. De scoop had een X- en Y-ingang en die gebruikte ik voor de in-fase en kwadratuur audiosignalen. Dit gaf een scoopweergave van een roterende rechte lijn. Als je de frequentie van het inkomende signaal aanpaste, was het mogelijk de rotatie van de rechte lijn te vertragen en de lijn bijna te laten stoppen als de stabiliteit van de oscillatoren goed was. Het systeem vergrendelde dan nog steeds niet.
Om een of andere reden zette ik een potentiometer op de uitgang van de fasedetector en gebruikte de loper als ingang voor de reactantiebuis. Dit was eigenlijk een regeling voor de systeemversterking. Ik probeerde het systeem te vergrendelen met de regelaar in verschillende standen, te beginnen met volledige versterking en dan geleidelijk de versterking te verlagen. Ik kreeg de versterking bijna op nul en het systeem vergrendelde! Het Q geluid was nul en het in-fase geluid maximaal. Een rechte lijn zonder rotatie, maar vanwege de oscillatorstabiliteit zou dat niet lang duren met zo'n lage lusversterking.
De lusversterking was het probleem. Wij behandelden het systeem als een eerste orde servosysteem, wat een systeem is met slechts een daling van zes dB per octaaf in de lusversterking. We namen aan dat het systeem was zoals een automatische versterkingsregeling op gewone radio's.
Ik was nogal opgewonden toen ik zag dat het systeem vergrendelde, en rende naar binnen om John te halen! Ik liet John zien wat ik deed, en dat het systeem zou vergrendelen als de lusversterking erg laag was. John was dolblij en wist natuurlijk meteen wat het probleem was: een instabiele servo. Hij begreep niet meteen waarom de servo instabiel was, maar ik denk dat hij een sterk vermoeden had van wat er mis zou kunnen zijn.
John had een vriend bij TV-engineering die zijn proefschrift over phase lock loops had gedaan. Hij belde zijn vriend en we gingen naar de TV-afdeling om met hem te praten en zijn proefschrift te lezen. We kwamen terug in het laboratorium en John ging met mij zitten, en nam de grondprincipes van elke fasevergrendelingslus erbij, en leidde de voorwaarden voor vergrendeling af. Dit duurde ongeveer een uur doordat hij me uitlegde wat hij deed. Het blijkt dat een oscillator met frequentieregeling eigenlijk een integrator is, en dus een zes dB per octaaf 'gain drop' heeft.
Het concept van een oscillator met reactantregeling met zo'n respons leek John een probleem te geven, en hij overdacht de integrator een dag of wat voordat hij zich op zijn gemak voelde met het concept. Ik deed er veel langer over om met het concept vertrouwd te raken.
Wiskundig is het vrij eenvoudig en voor de hand liggend. Het is wat moeilijker om het fysiek uit te leggen. Het betekent natuurlijk gewoon dat wanneer je een sinusvormige input toepast op een frequentiegeregelde oscillator, de totale frequentie- (fase)afwijking steeds groter wordt naarmate je de frequentie verlaagt. Bij een lage frequentie heeft hij meer tijd om te veranderen. Bij een hoge frequentie heeft hij minder tijd om te veranderen. Als je de frequentie verhoogt, daalt de totale faseafwijking, en wel met zes dB per octaaf.
De manier waarop we de lus behandelden gaf ons een versterkingsafval van twaalf dB per octaaf totaal, en dit zou een instabiele lus garanderen. De enige manier om de lus te sluiten was met de lusversterking in de buurt van één.
John had de versterking van de lus berekend en zo ingesteld dat de fasefout slechts enkele graden zou bedragen. John was enigszins bekend met servo's, en gebruikte het Bode-model voor lusstabiliteit. Het was alleen nodig een lead-lag netwerk in te bouwen om een stabiele lus te krijgen. We bleven bij de dubbelgebalanceerde fasedetector die een grotere bandbreedte van de lus mogelijk maakte.
Ik was verbaasd toen het tot me doordrong dat ik de eerste persoon was die een synchroon ontvangersysteem zag vergrendelen. Ik realiseerde me dat pas bij het schrijven van dit artikel. Hoewel Dr. Costas het systeem uitvond, was hij pas de tweede die het zag vergrendelen. Ik geloof niet dat het ooit bij een van ons is opgekomen. Pas jaren na mijn pensionering besefte ik dat ik de eerste was die zo'n systeem zag werken.
toedeledokie,ik kap ermee zegt die dan...