DE4011572C2 - Frequenzsyntheseschaltung - Google Patents
FrequenzsyntheseschaltungInfo
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- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
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Description
Die Erfindung betrifft eine Frequenzsyntheseschaltung, d. h.
eine Schaltung zur Erzeugung eines Signals vorbestimmter
Frequenz, die innerhalb eines bestimmten Änderungsbereiches
unter mehreren diskreten Frequenzwerten ausgewählt ist, wel
che voneinander einen bestimmten Abstand haben.
Die Leistungsfähigkeit von Vorrichtungen, in welchen diese
Frequenzsyntheseschaltungen enthalten sind, hängen stark von
den Eigenschaften dieser Schaltungen ab, nämlich insbeson
dere:
- - Die Stabilität der erzeugten Frequenz, sowohl kurzzeitig (Phasenstabilität) als auch langzeitig (geringe Schwankun gen ΔF/F); bei den Frequenzsyntheseschaltungen sind die Ursachen für Instabilität insbesondere das Eigenrauschen der verschiedenen Stufen der Schaltung und die Erzeugung von Störfrequenzen, die von der gewünschten Frequenz ver schieden sind, da es nämlich bei Erzeugung der Frequenzen durch Synthese niemals möglich ist, die Basisfrequenzen (und ihre Harmonischen) vollständig zu unterdrücken, die miteinander kombiniert wurden, um die Endfrequenz zu er zeugen.
- - Die schnelle Umschaltung zwischen verschiedenen Frequenz werten: Es wird angestrebt, einen kürzestmöglichen Verzug zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Steuersignal (im all gemeinen ein digitales Steuerwort), welches einer neuen gewünschten Frequenz entspricht, an die Frequenzsynthese schaltung angelegt wird, und dem Zeitpunkt, zu dem diese Schaltung die gewünschte Frequenz tatsächlich abgibt.
- - Ein möglichst weites Frequenzband.
- - Eine große Anzahl von diskreten Frequenzwerten, die er zeugt werden können. Diese Eigenschaft steht im allgemei nen im Widerspruch zu der vorgenannten: Frequenzsynthese schaltungen mit sehr kleinen Frequenzabständen arbeiten im allgemeinen nur schmalbandig.
- - Die spektrale Reinheit des erzeugten Signals, entsprechend einem geringen Pegel der Störlinien (unharmonische Linien) in bezug auf die Linie des erzeugten Signals.
Die bekannten Frequenzsyntheseschaltungen beruhen im wesent
lichen auf zwei grundsätzlich verschiedenen Techniken: Die
direkte und die indirekte Synthese.
Die direkte Synthese besteht darin, Frequenzen zu erzeugen,
die einen konstanten Abstand haben, entweder durch Umschal
tung von verschiedenen Quellen (direkte nichtkohärente Syn
these) oder ausgehend von einer einzigen Eichfrequenzquelle,
deren Frequenz, die gleich dem zu verwirklichenden Abstand
ist, an den Eingang einer Frequenzmultiplizierkette mit
variabler Ordnung angelegt wird (direkte kohärente Synthese);
die Frequenzmultiplikationskette besteht im allgemeinen aus
einem Rammgenerator, der eine Energie erzeugt, welche über
die Harmonischen der Basisfrequenz verteilt ist, an dessen
Ausgang die gewünschten Frequenzen durch Umschalten von har
monischen Filtern ausgewählt werden.
Die Anzahl von Frequenzen, die mit einer solchen Basisschal
tung erzeugt werden können, ist begrenzt, so daß man - wenn
eine große Anzahl von Frequenzen gewünschten wird - in auf
einanderfolgenden Mischvorgängen Signale mischt, die von
Zwischenstufen zur direkten Frequenzsynthese erzeugt werden,
z. B. drei solche Zwischenstufen, von denen die eine l Fre
quenzen mit kleinem Teilungsschritt, die zweite m Frequenzen
mit mittlerem Teilungsschritt und die dritte n Frequenzen
mit großem Abstand erzeugt: Am Ausgang des Mischers verfügt
man so über l. m. n. Frequenzen mit kleinem Teilungsabstand.
Diese Technik ermöglicht es, ausgezeichnete Eigenschaften
hinsichtlich der Phasenstabilität und der Schnelligkeit der
Frequenzumschaltung zu erzielen (die Umschaltung hängt nur
von der Schaltgeschwindigkeit an den harmonischen Filtern
ab, die im Falle von digital gesteuerten Filtern sehr groß
sein kann).
Hingegen ist es relativ schwierig, einen geringen Pegel der
Störlinien zu erreichen, denn dies erfordert eine sorgfälti
ge Trennung der verschiedenen Umschalter für die Frequenz
quellen (im Falle einer nichtkohärenten Synthese) bzw. eine
wirksame Unterdrückung der unerwünschten Frequenzlinien
durch die harmonischen Filter (im Falle einer kohärenten
Synthese); diese Störlinien beruhen im allgemeinen auf den
Intermodulationsprodukten, die durch die aufeinanderfolgen
den Mischvorgänge erzeugt werden.
In der Praxis kann man eine ausreichende spektrale Reinheit
nur innerhalb von relativ kleinen Änderungsbereichen erzie
len (in der Größenordnung von höchstens 10 bis 12% um die
Mittenfrequenz), was eine Anwendung dieser Technik in den
zahlreichen Fällen ausschließt, in welchen diese Werte unzu
reichend sind.
Die Notwendigkeit der Verwendung von variablen Umschaltfil
tern großer Qualität, die folglich sehr komplex sind, führt
ferner zu einer hohen Steigerung des Aufwandes für die Fre
quenzsynthese.
Die zweite Technik zur Frequenzsynthese besteht in der in
direkten Synthese, bei welcher eine phasengeregelte Schleife
verwendet wird, um gleichfalls aus einer einzigen Eichfre
quenz Frequenzen mit konstantem Teilungsabstand zu erzeugen.
Die herkömmliche Ausführung einer solchen Schaltung, mit der
sich die Erfindung befaßt, besteht in einer Regelschleife,
in der mit Überlagerung zur Frequenzänderung und programmier
baren Frequenzteilung gearbeitet wird, wie schematisch in
Fig. 1 der beigefügten Zeichnung dargestellt.
Diese Schaltung umfaßt im wesentlichen einen variablen Oszil
lator 1, im allgemeinen einen spannungsgesteuerten Oszilla
tor (VCO), der eine Ausgangsfrequenz FS abgibt, die von einem
Steuersignal (analoge Spannung) abhängt, die an seinen Ein
gang angelegt wird.
Diese Ausgangsfrequenz FS wird an einen ersten Eingang eines
Mischers 2 angelegt, der an seinem anderen Eingang eine Re
ferenzfrequenz FR empfängt. Der Ausgang des Mischers 2 ist
an einen programmierbaren Frequenzteiler angelegt (d. h.
einen Teiler, dessen Divisionsordnung N durch eine digitale
Steuerung ausgewählt wird, z. B. ein digitales Steuerwort CF,
das an die Schaltung angelegt wird).
Der Ausgang des Frequenzteilers 5 ist an einen der Eingänge
einer Phasenkomparatorschaltung 6 angelegt, die an ihrem
anderen Eingang ein Signal empfängt, dessen Frequenz gleich
dem Frequenzänderungsabstand p ist. Die Ausgangsspannung des
Phasenkomparators 6 ist an ein Tiefpaßfilter 6 angelegt,
dessen Ausgang die Steuerspannung für den spannungsgesteuer
ten Oszillator 1 abgibt.
Die Referenzfrequenz FR und der Frequenzabstand p werden
mittels einer Eichquelle 3 erzeugt (fester Quarzoszillator),
der eine Frequenz FQ abgibt. Diese Frequenz FQ wird einer
seits durch einen Frequenzmultiplizierer 4 fester Ordnung M
erhöht, welcher die Referenzfrequenz FR abgibt, die gleich
M . FQ ist, und wird andererseits durch einen Frequenzteiler
7, der gleichfalls von festem Rang P ist, abgesenkt, um die
Frequenz FQ/P zu erzeugen, die gleich dem Frequenzabstand p
ist.
Man stellt fest, daß der Oszillator 1, der Mischer 2, der
Teiler 5, der Phasenkomparator 6 und das Tiefpaßfilter 8
eine phasenverriegelte Schleife bilden, deren Abgleich durch
den Phasenkomparator f gesteuert wird, dessen Gleichgewicht
(und folglich die Frequenz FS) durch den programmierbaren
Teilungsrang N des Teilers 5 gesteuert wird.
Im Gleichgewicht sind die beiden Frequenzen am Eingang des
Phasenkomparators 6 streng gleich, und die Gleichung für den
Abgleich des Systems ist:
FS = [M ± (N/P)].FQ
Man sieht also, daß durch Verändern der Ordnung N des Tei
lers mit veränderlicher Ordnung die Ausgangsfrequenz FS des
Oszillators um die Größe FQ/P verändert werden kann, die
gleich dem zu verwirklichenden Frequenzabstand p ist (dieser
Abstand wird durch die Ordnung des Teilers 7 mit fester Ord
nung bestimmt).
Ein solcher Generator, der mit indirekter Synthese arbeitet,
ist nicht mit den Einschränkungen hinsichtlich der Bandbrei
te behaftet, die bei Generatoren mit direkter Synthese fest
zustellen sind.
Für einen solchen Generator mit indirekter Synthese besteht
nämlich die einzige theoretische Grenze hinsichtlich der
Bandbreitet in der des variablen Oszillators 1, die aber
beliebig weit gewählt werden kann.
Die Wahl eines Oszillators mit breitem Arbeitsbereich zieht
aber notwendigerweise eine hohe Empfindlichkeit der Frequenz
änderung nach sich (je größer der Bereich ist, desto größer
ist für dieselbe Änderung der Steuerspannung die entsprechen
de Frequenzänderung), woraus eine recht große Empfindlich
keit gegenüber thermischem Rauschen und eine mittelmäßige
Frequenzstabilität resultieren.
Eine weitere Einschränkung bei solchen Schaltungen besteht
darin, daß die Parameter des Tiefpaß-Korrekturnetzwerks 8 in
Abhängigkeit von der Grenzfrequenz der Schleife optimiert
werden müssen, was einen Kompromiß zwischen der Frequenzum
schaltgeschwindigkeit (die Umschaltfrequenz kann nicht klei
ner sein als die Konvergenzzeit der Schleife) und der Phasen
stabilität erzwingt (eine gute Phasenstabilität der Schleife
erfordert eine relativ große Zeitkonstante).
Der Hauptmangel einer solchen Frequenzsyntheseschaltung re
sultiert aber aus dem Vorhandensein des programmierbaren
Teilers (Schaltung 5), wobei es sich um eine Schaltung han
delt, die naturgemäß ein hohes Phasenrauschen erzeugt.
Da dieser Teiler eines der Elemente der Schleife ist, findet
sich jede Phasenschwankung, die er erzeugt und die an seinem
Ausgang festgestellt wird, an seinem Eingang wieder, jedoch
mit N multipliziert. Wenn man die Leistung betrachtet, so
stellt man fest, daß das Phasenrauschen am Ausgang der Fre
quenzsyntheseschaltung mit N2 multipliziert ist.
Hierdurch wird in hohem Maße der Bereich der möglichen Werte
von N eingeschränkt. Für bestimmte Werte von N überwiegt
sogar das Rauschen, so daß es notwendig wird, das Frequenz
änderungsband in weitaus größerem Maße einzuschränken, als
den Eigenschaften des variablen Oszillators entsprechen wür
de.
Der maximale Wert, den diese Ordnungszahl N annehmen kann,
bestimmt also die Leistungsfähigkeit der Syntheseschaltung,
und eine annehmbare Phasenstabilität kann nur erreicht wer
den, wenn mehrere Regelschleifen hintereinandergeschaltet
werden (z. B. eine Schleife mit feinem Teilungsabstand, eine
Schleife mit mittlerem Abstand und eine Schleife mit großem
Abstand), wodurch die Vorrichtung sehr aufwendig wird; man
verliert somit gegenüber der direkten Synthese den Vorteil,
der in der Einfachheit des Grundschemas besteht.
Für die vergleichbare Leistungsfähigkeit erweist sich aus
diesen Gründen die direkte Synthese trotz der oben erwähnten
Realisierungsschwierigkeiten als der indirekten Synthese
überlegen.
In beiden Fällen gelangt man jedoch zu komplexen Schal
tungen, deren Realisierung schwierig ist, was sich in hohem
Maße auf die Herstellungskosten auswirkt.
Um diesen Mängeln wenigstens teilweise abzuhelfen, wurde
vorgeschlagen, die Vorzüge der direkten und der indirekten
Synthese in einer Frequenzsyntheseschaltung zu vereinigen.
Eine solche Syntheseschaltung ist beispielsweise in der US-
Patentschrift Nr. 4 673 891 beschrieben. Es wird von dem
herkömmlichen Schema einer Frequenzsyntheseschaltung mit
Phasenverriegelungsschleife nach dem Stand der Technik aus
gegangen, wie sie oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrie
ben wurde, d. h. einer Frequenzsyntheseschaltung, die eine
einzige Phasenverriegelungsschleife aufweist, welche hinter
einander umfaßt: einen variablen Oszillator, der an seinem
Ausgang ein Signal abgibt, dessen Frequenz von einem an sei
nen Eingang angelegten Steuersignal abhängt; einen Mischer,
der an seinem ersten Eingang das von diesem variablen Oszil
lator erzeugte Signal und an seinem zweiten Eingang eine
Basis-Referenzfrequenz empfängt; eine Frequenzherabsetzungs
schaltung, die das vom Ausgang des Mischers abgegebene Sig
nal empfängt; und eine Phasenkomparatorschaltung, die an
ihrem ersten Eingang das von dieser Schaltung zur Frequenz
herabsetzung abgegebene Signal und an ihrem zweiten Eingang
wenigstens eine vorbestimmte Frequenz empfängt, die den Än
derungsschritt definiert, mit welchem die genannte Ausgangs
frequenz variieren soll.
Die Schaltung zur Frequenzherabsetzung weist in Kaskaden
schaltung zwischen dem variablen Oszillator und der Phasen
komparatorschaltung mehrere Frequenzänderungsstufen auf, die
jeweils eine Mischerschaltung umfassen, wobei diese Mischer
schaltung mit Überlagerung arbeitet: Sie empfängt an ihrem
ersten Eingang das Signal, das am Ausgang der vorausgehenden
Frequenzänderungsstufe abgegeben wird, bzw. im Falle der
ersten Stufe die Ausgangsfrequenz des variablen Oszillators;
an ihrem zweiten Eingang empfängt sie eine programmierbare
Referenzfrequenz oder im Falle der ersten Stufe die genannte
Basis-Referenzfrequenz; am Ausgang gibt sie über ein Tief
paßfilter das Signal ab, welches an die darauffolgende Fre
quenzänderungsstufe angelegt wird, oder im Falle der letzten
Stufe an den ersten Eingang der Phasenkomparatorschaltung.
Der Frequenzänderungsbereich am Ausgang der Frequenzän
derungsstufen wird in Richtung des Signaldurchlaufes immer
kleiner, und die Bestimmung der Frequenz am Ausgang des
variablen Oszillators resultiert im wesentlichen aus einer
Kombination der Steuerung der verschiedenen programmierbaren
Referenzfrequenzen.
Diese Konfiguration ermöglicht es, auf die Verwendung von
programmierbaren Frequenzteilern zurückzugreifen, um so die
Mängel zu vermeiden, insbesondere ein hohes Phasenrauschen,
die ihnen anhaften und die überhandnehmen, wenn die Tei
lungsverhältnisse groß werden, wobei aber nur eine einzige
Phasenregelschleife verwendet wird, so daß eine schnelle
Frequenzumschaltung gewährleistet ist.
Die vorbestimmte Frequenz, welche den Frequenzänderungsab
stand definiert und an die Phasenkomparatorschaltung ange
legt wird, ist gleichfalls eine programmierbare Frequenz, so
daß man über mehrere verschiedene Frequenzen verfügt, die
mit den programmierbaren Referenzfrequenzen ausgewählt und
kombiniert werden können.
Die Basis-Referenzfrequenz und die programmierbaren Refe
renzfrequenzen sowie gegebenenfalls die vorbestimmte Fre
quenz, die den Änderungsschritt definiert, werden durch
Generatorschaltungen erzeugt, die mit direkter Frequenzsyn
these arbeiten.
Man kann so auf sehr einfache Weise die erforderlichen Fre
quenzsprünge herstellen, die für die vollständige Über
deckung des Ausgangsfrequenzbereiches erforderlich sind,
indem eine sehr große Anzahl von verschiedenen Frequenzen
erzeugt wird, ohne jemals eine hohe Multiplikationsordnung
anzutreffen.
Das Fehlen von hohen Multiplikationsordnungen ermöglicht es,
über Frequenzgeneratoren mit direkter Frequenzsynthese zu
verfügen, die jeweils von recht einfacher Struktur sind,
denn sie erzeugen nur eine relativ kleine Anzahl von Fre
quenzen (typischerweise zwischen zwei und fünf), folglich
mit einer hohen Signalqualität trotz einer relativ einfachen
Grundstruktur.
Es ist weiterhin ersichtlich, daß durch die aufeinanderfol
genden Frequenzänderungen an keiner Stelle der Kette eine
hohe Multiplikationsordnung angetroffen wird. Hierdurch er
reicht man folgende zwei Vorteile:
- - zunächst können die Schaltungen, welche die verschiedenen Referenzfrequenzen erzeugen, relativ einfach sein und unter optimalen Bedingungen arbeiten, so daß geringe Herstellungs kosten mit guter Signalqualität vereint werden; und
- - die Eigenschaften dieser Signale bleiben trotz der Misch vorgänge erhalten, denn die verschiedenen Mischer der Fre quenzänderungsstufen arbeiten alle mit Eingangs- und Aus gangsfrequenzen, die innerhalb relativ enger Grenzen variie ren, so daß der auf Störfrequenzen beruhende Störpegel klein bleibt (der Pegel der Intermodulationsstörungen ist nämlich um so höher, desto breiter der Änderungsbereich der an den Eingang des Mischers angelegten Frequenzen ist).
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Frequenzsyntheseschaltung
bereitzustellen, die eine sehr schnelle Frequenzeinstellung
ermöglicht. Hierzu wird vorgeschlagen, der Frequenzsynthese
schaltung eine Voreinstellschaltung hinzuzufügen.
Diese Voreinstellschaltung umfaßt:
eine Kombinationsschaltung, bei der es sich vorzugsweise um
einen Frequenz/Phasen-Komparator handelt, dessen Ausgang mit
dem Steuereingang des variablen Oszillators verbunden ist;
Schaltmittel, die während einer vorausgehenden Schleifen-
Voreinstellphase aktiviert werden, um einerseits an einem
der Eingänge dieser Kombinationsschaltung das von der letz
ten Frequenzänderungsstufe abgegebene Signal anzulegen und
an den anderen Eingang der Kombinationsschaltung die vorbe
stimmte Frequenz anzulegen, welche den Frequenzänderungs
schritt bestimmt, um andererseits die Regelung der Schleife
zu sperren; und zwischen der Kombinationsschaltung und dem
Steuereingang des variablen Oszillators Speichermittel, wel
che den Pegel des Steuersignals speichern, der am Ende die
ser Voreinstellphase erreicht wird, so daß dieser vorbe
stimmte Signalpegel den Anfangspunkt für die Konvergenz der
Schleife bestimmt, wenn diese ihre Regelfunktion wieder auf
nimmt, nachdem die Schaltmittel außer Funktion gesetzt wur
den.
Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen werden die
Basis-Referenzfrequenz und die programmierbaren Referenzfre
quenzen sowie gegebenenfalls die vorbestimmte Frequenz, die
den Änderungsschritt definiert, durch Generatorschaltungen
erzeugt, die mit direkter Frequenzsynthese arbeiten.
Man kann so auf sehr einfache Weise die erforderlichen Fre
quenzsprünge herstellen, die für die vollständige Überdec
kung des Ausgangsfrequenzbereiches erforderlich sind, indem
eine sehr große Anzahl von verschiedenen Frequenzen erzeugt
wird, ohne jemals eine hohe Multiplikationsordnung anzutref
fen.
Das Fehlen von hohen Multiplikationsordnungen ermöglicht es,
über Frequenzgeneratoren mit direkter Frequenzsynthese zu
verfügen, die jeweils von recht einfacher Struktur sind,
denn sie erzeugen nur eine relativ kleine Anzahl von Fre
quenzen (typischerweise zwischen zwei und fünf), folglich
mit einer hohen Signalqualität trotz einer relativ einfachen
Grundstruktur.
Es ist weiterhin ersichtlich, daß durch die aufeinanderfol
genden Frequenzänderungen an keiner Stelle der Rette eine
hohe Multiplikationsordnung angetroffen wird. Hierdurch er
reicht man folgende zwei Vorteile:
- - zunächst können die Schaltungen, welche die verschiedenen Referenzfrequenzen erzeugen, relativ einfach sein und un ter optimalen Bedingungen arbeiten, so daß geringe Her stellungskosten mit guter Signalqualität vereint werden; und
- - die Eigenschaften dieser Signale bleiben trotz der Misch vorgänge erhalten, denn die verschiedenen Mischer der Fre quenzänderungsstufen arbeiten alle mit Eingangs- und Aus gangsfrequenzen, die innerhalb relativ enger Grenzen vari ieren, so daß der auf Störfrequenzen beruhende Störpegel klein bleibt (der Pegel der Intermodulationsstörungen ist nämlich um so höher, desto breiter der Änderungsbereich der an den Eingang des Mischers angelegten Frequenzen ist).
Die Verwendung von Generatoren mit direkter Frequenzsynthese
für die programmierbaren Referenzfrequenzen wird zwar bevor
zugt, ist jedoch nicht unerläßlich, so daß bei anderen Aus
führungsformen andere Arten von Generatoren verwendet werden,
z. B. Systeme mit indirekter Synthese, die phasengeregelt
sind (jeder Referenzfrequenzgenerator ist dann nach dem
Grundschema der Fig. 1 verwirklicht).
Für die Referenzfrequenzen wird die Verwendung von Generato
ren mit direkter Synthese bevorzugt, was die Schaltgeschwin
digkeit und das Phasenrauschen anbetrifft. Es ist überdies
vorteilhaft, die Generatoren ausgehend von einer einzigen
Referenzfrequenz ansteuern zu können, so daß die verschiede
nen Frequenzgeneratorschaltungen, die mit direkter Synthese
arbeiten, kohärent ausgehend von einem einzigen festen Oszil
lator arbeiten, der eine gemeinsame Eichfrequenz abgibt.
Bei anderen Ausführungsformen werden mehrere verschiedene
Eichfrequenzen verwendet (d. h. mehrere Quarzreferenzen),
jedoch ist dann die Phasenregelschleife nicht mehr eine
synchrone Schleife, wodurch zusätzliche Störlinien einge
führt werden und die Leistungsfähigkeit der Schleife hin
sichtlich der Schaltzeit vermindert werden kann.
Wenn als Referenzfrequenzgeneratoren Schaltungen mit direk
ter Synthese verwendet werden, so können sie vorzugsweise
folgende Eigenschaften aufweisen:
- - wenigstens bestimmte Frequenzsynthesegeneratorschaltungen, die mit direkter Synthese arbeiten, sind Frequenzmultipli zierschaltungen;
- - wenigstens bestimmte Frequenzmultiplizierschaltungen ent halten einen Rammgenerator in Reihe mit einem programmier baren Tiefpaßfilter, wobei ein Frequenzteiler fester Ord nung gegebenenfalls am Eingang des Rammgenerators angeord net ist;
- - wenigstens bestimmte Generatorschaltungen, die mit direk ter Frequenzsynthese arbeiten, sind Schaltungen, die mit ungeradzahligen Multiplikationsfaktoren arbeiten;
- - wenigstens bestimmte Schaltungen, die mit ungeradzahligen Multiplikationsfaktoren arbeiten, enthalten einen program mierbaren Frequenzteiler, wobei ein Frequenzmultiplizierer mit fester Ordnung gegebenenfalls am Eingang dieser Schal tung angeordnet ist; und
- - wenigstens bestimmte Schaltungen, die mit ungeradzahligen Ordnungszahlen arbeiten, enthalten einen Mischer, der an seinem ersten Eingang eine Eichfrequenz oder ein Vielfa ches derselben und an seinem zweiten Eingang eine Frequenz empfängt, die von dem programmierbaren Frequenzteiler ab gegeben wird, während das Ausgangssignal dieses Mischers an ein programmierbares Tiefpaßfilter angelegt wird, das gleichzeitig mit dem programmierbaren Frequenzteiler ange steuert wird.
Vorzugsweise arbeiten die Heterodynmischer der verschiedenen
Frequenzänderungsstufen der Frequenzherabsetzungskette alle
im Infradyn-Mischbetrieb, d. h. man reduziert oder komprimiert
die Bandbreite der Zwischenfrequenzen in jeder Stufe in zu
nehmender Weise.
Dieses Merkmal ist jedoch für die Durchführung der Erfindung
nicht notwendig, denn das Wesentliche besteht darin, daß
global eine Verminderung der Bandbreite in Richtung des
Signalflusses der gesamten Frequenzherabsetzungskette statt
findet; es kommt auch in Betracht, daß an einer der Frequenz
änderungsstufen die Verminderung der Zwischenfrequenz nicht
mit einer entsprechenden Verminderung der Bandbreite der am
Ausgang erzeugten Zwischenfrequenz einhergeht, jedoch ist es
dann erforderlich, diese Nichtverminderung der Bandbreite
durch eine zusätzliche Verminderung in einer vorausgehenden
oder nachfolgenden Stufe zu kompensieren, um eine äquivalen
te globale Rompression zu erzielen.
Wenn die Feinheit des Variationsschrittes der Syntheseschal
tung weiter gesteigert werden soll, kann für die Basis-Refe
renzfrequenz eine programmierbare Frequenz verwendet werden,
die ihrerseits von einer Frequenzsyntheseschaltung abgegeben
wird, welche Frequenzen mit sehr geringen Abständen erzeugt,
die über ein schmales Band verteilt sind, so daß am Ausgang
des variablen Oszillators Frequenzen mit diesem selben klei
nen Frequenzabstand erhalten werden, jedoch über einen wei
ten Bereich.
Man verfügt so über einen "feinen" Frequenzabstand, den die
eigentliche erfindungsgemäße Frequenzsyntheseschaltung er
zeugt, und über einen zusätzlichen "superfeinen" Abstand,
der durch eine andere Syntheseschaltung erzeugt wird (die
ihrerseits die erfindungsgemäße Struktur haben kann), und
diese beiden Frequenzabstände können miteinander in der ge
wünschten Weise kombiniert werden, um innerhalb der gesamten
nutzbaren Bandbreite jede gewünschte Frequenz mit diesem
besonders feinen Teilungsabstand zu erzielen.
Diese Konfiguration ist insofern von Vorteil, als bei Ver
wendung eines einzigen Frequenzabstandes, der verkleinert
werden soll, Intermodulationsprodukte bei relativ niedrigen
Frequenzen erzeugt würden, die ausgefiltert werden müßten,
wodurch das Durchlaßband der Schleife vermindert und somit
die Umschaltgeschwindigkeit reduziert würde.
Wenn hingegen ein feiner Frequenzabstand mit einem superfei
nen Abstand kombiniert wird, wie bei der oben vorgeschlage
nen Ausführungsform, so bleiben alle Eigenschaften des an
fänglichen Systems erhalten, wie im folgenden noch weiter
erläutert wird.
Gemäß der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, der Fre
quenzsyntheseschaltung eine Voreinstellschaltung hinzuzufü
gen, die es ermöglicht, die Erfassung der ausgewählten Fre
quenz zu beschleunigen, insbesondere Abdrifteffekte zu kom
pensieren, die auf externen Ursachen beruhen (insbesondere
thermische Ursachen), deren Stärke den Fangbereich der
Schleife übersteigt.
Diese Voreinstellschaltung umfaßt:
- - eine Kombinationsschaltung, bei der es sich vorzugsweise um einen Frequenz/Phasen-Komparator handelt, dessen Aus gang mit dem Steuereingang des variablen Oszillators ver bunden ist;
- - Schaltmittel, die während einer vorausgehenden Schleifen- Voreinstellphase aktiviert werden, um einerseits an einem der Eingänge dieser Kombinationsschaltung das von der letzten Frequenzänderungsstufe abgegebene Signal anzulegen und an den anderen Eingang der Kombinationsschaltung die vorbestimmte Frequenz anzulegen, welche den Frequenzände rungsschritt bestimmt, um andererseits die Regelung der Schleife zu sperren; und
- - zwischen der Kombinationsschaltung und dem Steuereingang des variablen Oszillators Speichermittel, welche den Pegel des Steuersignals speichern, der am Ende dieser Vorein stellphase erreicht wird, so daß dieser vorbestimmte Si gnalpegel den Anfangspunkt für die Konvergenz der Schleife bestimmt, wenn diese ihre Regelfunktion wieder aufnimmt, nachdem die Schaltmittel außer Funktion gesetzt wurden.
Vorzugsweise umfaßt die Schaltung zur Voreinstellung des
spannungsgesteuerten Oszillators ferner Umsetzmittel, deren
Ausgang mit dem Steuereingang des variablen Oszillators ver
bunden ist, wobei diese Mittel am Eingang ein Frequenzsteuer
signal empfangen, welches der Frequenz entspricht, auf wel
che der variable Oszillator eingestellt werden soll, sowie
zwischen den Umsetzmitteln und dem Steuereingang des varia
blen Oszillators Speichermittel zur Speicherung dieses Pe
gels, der dem Steuersignal entspricht, so daß dieser Signal
pegel den Anfangspunkt der Voreinstellung der Schleife bei
der Aktivierung bestimmt.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die
Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
Die bereits genannte
Fig. 1 ein Blockschema einer vereinfachten Frequenzsyn
theseschaltung mit Phasenregelschleife nach dem
Stand der Technik;
Fig. 2 ein Blockschema einer vereinfachten Ausführung
einer Frequenzsyntheseschaltung mit Phasenregel
schleife nach der Erfindung;
Fig. 3 eine Ausführungsform der Frequenzsyntheseschal
tung nach Fig. 1 zur kontinuierlichen Überdeckung
des Frequenzbereiches von 2000 bis 2500 MHz in
Schritten von 5 MHz;
Fig. 4 im einzelnen einen Referenzfrequenzgenerator mit
direkter Synthese zur Erzeugung von ungeradzahli
gen Multiplikationsordnungen; und
Fig. 5 eine weitere mögliche Ausführungsform einer opti
mierten Frequenzsyntheseschaltung nach dem Prin
zip der Fig. 2 zur kontinuierlichen Überdeckung
des Bereiches von 2000 bis 2500 MHz in Schritten
von 5 MHz.
In Fig. 2 sind mit den Bezugszahlen 1, 2, 3, 4, 6 und 8 die
Elemente bezeichnet, welche den in Fig. 1 mit gleichen Zah
len bezeichneten Elementen entsprechen: der variable Oszil
lator 1, bei dem es sich im allgemeinen um einen VCO (span
nungsgesteuerter Oszillator) handelt, dessen Ausgangsfre
quenz FS an einen der Eingänge eines Mischers 2 angelegt
wird, welcher an seinem anderen Eingang eine Basis-Referenz
frequenz FR4 empfängt, die dadurch erzeugt wird, daß mittels
eines Multiplizierers 4 von fester Ordnung eine Eichfrequenz
FQ erhöht wird, die von einem Quarzoszillator 3 erzeugt wird.
Der Ausgang des Mischers 2 speist eine Frequenzherabsetzungs
kette, die weiter
unten im einzelnen beschrieben wird. Das Ausgangssignal die
ser Frequenzherabsetzungskette wird an einen der Eingänge
eines Phasenkomparators 6 angelegt, der an seinem anderen
Eingang eine Frequenz FR1 empfängt, welche den Frequenzab
stand p definiert, mit dem die Ausgangsfrequenz verändert
werden soll. Die Phasenregelschleife PLL wird geschlossen,
indem der Ausgang des Phasenkomparators 6 mit dem Eingang
des variablen Oszillators 1 über ein Tiefpaßfilter 8 verbun
den wird (es wird hier noch davon abgesehen, auf die Summier
schaltung 46 einzugehen, deren Funktion beim Vorgang der
Voreinstellung später erläutert wird; diese Schaltung hat
bei der normalen Regelphase keinerlei Funktion).
Die Frequenzherabsetzungs
kette umfaßt beispielsweise drei Frequenzänderungsstufen.
Diese Frequenzänderungen erfolgen mittels Mischern 20, 20'
und 20" (wobei der vorausgehende Mischer 20" für die erste
Frequenzänderung mit dem ersten Mischer 2 übereinstimmt,
welcher die Basis-Referenzfrequenz FR4 empfängt); jeder die
ser Mischer ist an seinem Ausgang mit einem Filternetzwerk
30, 30' bzw. 30" versehen, um die störenden Bildfrequenzen
zu unterdrücken, welche die Stabilisierung der Schleife auf
die gewünschte Frequenz stören würden.
Am Ausgang jedes Filters 30, 30', 30" wird eine einzige Zwi
schenfrequenz FI1, FI2 bzw. FI3 erzeugt.
Um diese Zwischenfrequenzen FI1, FI2 und FI3 zu gewinnen,
wird eine Schwebung zwischen zwei Frequenzen nach dem Prin
zip der Heterodynmischung erzeugt. Die Frequenz FI3 des er
sten Mischers 20" wird erhalten, indem eine Schwebung zwi
schen der Ausgangsfrequenz FS und einer Referenzfrequenz FR4
erzeugt wird (die im allgemeinen fest ist, jedoch nicht not
wendigerweise, wie gegen Ende der Beschreibung erläutert
wird); die Frequenz FI2 resultiert aus einer Schwebung zwi
schen der Zwischenfrequenz FI3, die der Mischer 20" abgibt,
und einer variablen Referenzfrequenz FR3.
Die niedrigste Zwischenfrequenz FR1 wird an Beinen der Ein
gänge des Phasenkomparators 16 über einen Schaltkreis 40 an
gelegt (der später im Zusammenhang mit der Funktion der Vor
einstellung erläutert wird, da er für die normale Regelfunk
tion der Schleife nicht von Bedeutung ist).
Der andere Eingang des Phasenkomparators empfängt eine Re
ferenzfrequenz FR1, die den gewünschten Frequenzabstand p
angibt. Diese Referenzfrequenz FR1 ist vorzugsweise eine
gleichfalls zwischen mehreren Werten programmierbare Fre
quenz, so daß man über eine hohe Anzahl von möglichen Aus
gangsfrequenzen verfügt.
Die verschiedenen Referenzfrequenzen FR1, FR2 und FR3 werden
durch Generatoren 10, 10' und 10" erzeugt, bei denen es sich
jeweils um programmierbare Generatoren handelt, die durch
ein Frequenzsteuersignal CF1, CF2 und CF3 gesteuert werden,
welches durch eine Ablaufsteuerung 50 aus einem einzigen
Steuersignal CF erzeugt wird, das der Benutzer abgibt und
welches der Frequenz entspricht, auf die der variable Oszil
lator eingestellt werden soll.
Unter einem "Generator mit programmierbarer Frequenz" ver
steht man hier einen Generator, dessen Frequenz unter einer
bestimmten Anzahl von diskreten Werten über eine digitale
Steuerung ausgewählt werden kann, z. B. ein Digitalwort, das
an die betreffende Schaltung angelegt wird.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Schaltungen 10, 10' und
10", welche die programmierbaren Referenzfrequenzen erzeugen,
um Generatoren mit direkter Synthese, die von der Frequenz
FQ ausgehend arbeiten, welche die Eichfrequenzquelle 3 ab
gibt, um eine kohärente (d. h. synchrone) Synthese der ver
schiedenen Frequenzen zu ermöglichen. Später werden verschie
dene mögliche Konfigurationen für diese Referenzfrequenz
generatoren beschrieben.
Bei dieser Ausbildung der PLL-Schleife ist ersichtlich, daß
nach Erreichen des Gleichgewichts die Frequenzen FR1 und FI1
gleich sind.
Die Gleichgewichtsgleichung des Systems wird dann folgender
maßen geschrieben:
FS = FR4 ± FR3 ± FR2 ± FR1
Vorzugsweise wird zur Optimierung des Gleichgewichts des
Systems folgende Bemessung der Frequenzen FIn vorgenommen:
FIn-1 = |FIn - FRn|
Dies bedeutet, daß alle Mischvorgänge in der Schleife sub
traktiv stattfinden (Infradynverfahren). In diesem Falle
werden durch die Tiefpaßfilter 30, 30' und 30" die stören
den Bildfrequenzkomponenten eliminiert (Summenfrequenzen
FIn + FRn), welche die Stabilität der Schleife auf der ge
wünschten Frequenz stören würden.
Diese Konfiguration entspricht somit einer schrittweisen
Einengung des Änderungsbereiches der möglichen Frequenzen
auf jeder Frequenzänderungsstufe.
Es ist jedoch nicht unbedingt notwendig für die Durchführung
der Erfindung, daß die Gesamtheit der Mischstufen nach dem
Infradynverfahren arbeitet. Es ist auch möglich, daß eine
oder mehrere Stufen (aber nicht alle Stufen) das Summensi
gnal (Supradynmischung) anstatt des Differenzsignals (Infra
dynmischung) verwenden, wobei dann ausgangsseitig ein ande
res Filternetzwerk verwendet wird. Es ist jedoch unerläß
lich, daß global (d. h. zwischen dem ersten Mischer 2 und dem
Phasenkomparator 6) eine Einengung des Frequenzänderungsbe
reiches stattfindet.
Ferner ist zu beachten, daß am Ausgang eines Mischers das
"Summensignal" im allgemeinen weniger rein ist als das "Dif
ferenzsignal", wodurch die Leistungsfähigkeit des gesamten
Systems verschlechtert wird.
Aus diesem Grunde wird in der folgenden Beschreibung stets
davon ausgegangen, daß alle Mischer subtraktiv arbeiten und
die Bandbreite progressiv in jeder Stufe vermindert wird.
Die oben angegebene Gleichgewichtsgleichung (1) für das Bei
spiel der Fig. 2, wo von drei aufeinanderfolgenden Frequenz
änderungen ausgegangen wird, liefert für die Ausgangsfre
quenz FS acht mögliche Lösungen.
Es ist somit wesentlich, eine Hilfseinrichtung vorzusehen,
welche die gewünschte Frequenz unter allen möglichen Fre
quenzwerten bestimmt, die einer einzigen gegebenen Gruppe
von Referenzfrequenzen {FR4, FR3, FR2, FR1} entspricht.
Dies erfolgt gemäß
der Erfindung durch eine Voreinstellvorrichtung (Elemente 40
bis 46), die an den Steuereingang des variablen Oszillators
1 eine solche Steuerspannung anlegt, daß die von dem Phasen
komparator 6 abgegebene Gleichkomponente praktisch verschwin
det, bevor die Schleife zu konvergieren beginnt.
Diese Voreinstellvorrichtung ermöglicht es also, den varia
blen Oszillator nahezu unmittelbar und ohne Eingriff der
Regelschleife auf eine Frequenz einzustellen, die der ge
wünschten Frequenz sehr nahe kommt, jedenfalls aber inner
halb des Fangbereiches der Regelschleife liegt. Es ist daher
möglich, innerhalb von wenigen Mikrosekunden den Oszillator
auf eine Frequenz einzustellen, die der Endfrequenz sehr
nahe kommt, so daß die Schleife sehr schnell zu ihrem Gleich
gewichtspunkt konvergiert.
Die Regelschaltung umfaßt einen Schaltkreis 40 (elektroni
scher Schalter), der in Reihe mit dem Eingang des Phasenkom
parators 6 geschaltet ist, welcher das Signal FI1 empfängt.
Dieser Umschalter wird durch ein Steuersignal SY3 gesteuert,
das die Ablaufsteuerung 50 abgibt, welche die allgemeine
Synchronisation der Funktionen der gesamten Einheit gewähr
leistet.
Im geschlossenen Zustand schließt der Schalter 40 die Pha
senregelschleife PLL, so daß diese in herkömmlicher Weise
wie oben beschrieben arbeitet.
Wenn der Schalter 40 offen ist, setzt er diese Schleife hin
gegen völlig außer Funktion. Wenn die Schleife so desakti
viert ist, wird das Signal FI1 als Referenzausgangsfrequenz
an einen Frequenz/Phasen-Komparator 41 über einen weiteren
Unterbrecher 42 angelegt, der ebenfalls elektronisch ausge
bildet ist und geschlossen ist, wenn der Unterbrecher 40
offen ist, und umgekehrt. Der Frequenz/Phasen-Komparator 41
empfängt an seinem anderen Eingang die Referenzfrequenz FR1.
Man sieht also, daß im inaktiven Zustand der Phasenregel
schleife die zwei Signale SI1 und FR1, die zuvor an den Pha
senkomparator 6 angelegt wurden, nunmehr an den Frequenz/
Phasen-Komparator 41 angelegt sind, während die Regelschlei
fe gesperrt ist.
Der Frequenz/Phasen-Komparator ist eine dem Fachmann wohl
bekannte Schaltung und besitzt die Eigenschaft, ein Signal
abzugeben, welches durch sein Vorzeichen angibt, ob die Dif
ferenz der an ihre Eingänge angelegten Frequenzen positiv
oder negativ ist (ein einfacher Phasenkomparator tut dies
nicht, denn er erzeugt eine Schwebung, die unabhängig vom
Vorzeichen der Frequenzdifferenz stets dieselbe ist). Wenn
sein Arbeitspunkt in der Nähe des Gleichgewichts liegt (d. h.
wenn am Ausgang zwischen einem positiven und einem negativen
Signal geschwankt wird), so führt er eine Phasenregelung
durch, indem er am Ausgang einen Impuls erzeugt, dessen
Breite von der Phasendifferenz zwischen den zwei Eingangs
frequenzen abhängt.
Der Frequenz/Phasen-Komparator weist zwar einen weiten Fre
quenzerfassungsbereich auf, ist aber mit dem Mangel eines
Phasenrauschens behaftet, das sehr viel größer ist als bei
einem herkömmlichen Phasenkomparator. Dieser Mangel würde
die angestrebte sehr hohe Phasenstabilität der erfindungs
gemäßen Frequenzsyntheseschaltung nicht ermöglichen, wenn
lediglich ein solcher Frequenz/Phasen-Komparator anstelle
des Phasenkomparators 6 verwendet würde.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration wird das Ausgangs
signal (positiv oder negativ) des Frequenz/Phasen-Komparators
an den Steuereingang des variablen Oszillators 1 über eine
Abtast-Halteschaltung 43 und einen Summierer 46 angelegt.
Der Summierer empfängt an einem seiner Eingänge über eine
weitere Abtast-Halteschaltung 44, die gemeinsam mit der er
sten gesteuert wird (Synchronisationssignale SY1 und SY2),
eine Spannung, die von einem Digital/Analog-Umsetzer 45 aus
einer Steuerfrequenz CF5 erzeugt wird, wobei die gesamte
Einheit so ausgelegt ist, daß die von dem Digital/Analog-
Umsetzer 45 abgegebene Spannung der Mittenfrequenz ent
spricht, auf die der variable Oszillator 1 eingestellt wer
den soll. Dieser Mittenfrequenz wird (additiv oder subtrak
tiv) das Ausgangssignal des Frequenz/Phasen-Komparators hin
zugefügt, um eine äußerst schnelle Einstellung auf die ge
wünschte Frequenz zu ermöglichen.
Während dieser Voreinstellung, die dem schnellen Einrasten
auf der gewünschten Frequenz entspricht, gibt der Schalter
42 die Signale FI1 und FR1 auf den Frequenz/Phasen-Rompara
tor 41, wobei sich die Abtast-Halteschaltungen 43, 44 im
Abtastmodus befinden und der Schalter 40 offen ist, so daß
die eigentliche Phasenregelschleife gesperrt ist.
In einer zweiten Stufe nach Abspeicherung der von der Vor
richtung zur Erfassungshilfe erzeugten Spannung tritt diese
Phasenregelschleife wieder in Funktion, um die Phasenstabi
lität der Syntheseschaltung zu gewährleisten. Der Schalter
42 ist dann offen, die Abtast-Halteschaltungen 43, 44 sind
im Haltemodus, und der Schalter 40 ist geschlossen, so daß
die Phasenregelschleife in Funktion tritt: Das Signal am
Ausgang des Phasenkomparators 6 wird additiv oder subtraktiv,
je nach der Phasendifferenz, zu der Voreinstellspannung
hinzugefügt, welche in den Abtast-Halteschaltungen 43, 44
gespeichert ist, so daß die Phasenfeinregelegung gewährlei
stet ist.
Die Gesamtheit dieser Vorgänge erfolgt unter der Leitung der
Ablaufsteuerung 50, die in koordinierter Weise die verschie
denen Synchronisationssignale SYi und die digitalen Frequenz
steuerwörter CFi abgibt.
Es ist hier anzumerken, daß während dieser zweiten Phase die
Fehlerkorrekturspannung, welche die Schleife erzeugt, dem
Wert Null sehr nahe kommt, infolge der Güte der Voreinstel
lung, die in der ersten Phase erfolgte. Die Phasenerfassung
ist daher ein sehr kurzer Vorgang mit einer Dauer in der
Größenordnung des 10- bis 20-fachen Kehrwertes der Kreis
frequenz, die der Grenzfrequenz der Schleife entspricht.
Es ist somit ersichtlich, daß eine in jeder Hinsicht überaus
leistungsfähige Frequenzsyntheseschaltung geschaffen wurde
(hinsichtlich der zu Anfang der Beschreibung genannten Para
meter), unter Verwendung von:
- - einer einzigen Phasenregelschleife;
- - von Referenzfrequenzgeneratoren 10, 10', 10", deren Renn daten relativ mäßig sind (ein Pegel der Störlinien, der 20 dB unterhalb der Trägerschwingung liegt und ohne merk lichen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit der gesamten Frequenzsyntheseschaltung ist);
- - eine geringe Anzahl von Frequenzen für jeden dieser Refe renzfrequenzgeneratoren (zwei bis fünf verschiedene Fre quenzen), so daß zugleich einfache und leistungsfähige Schaltungen verwendet werden können.
Wenn eine besonders feine Frequenzstaffelung gewünscht wird,
besteht eine Weiterbildung darin, anstelle
einer festen Basis-Referenzfrequenz FR4 eine Frequenz zu
verwenden, die mit einer sehr feinen Staffelung innerhalb
eines schmalen Bandes um diese Frequenz FR4 herum variiert.
Durch Kombination dieser beiden Teilungsschritte bzw. Fre
quenzabstände (normaler Abstand p und superfeiner Abstand)
gelangt man zu einem sehr weiten Frequenzvariationsband mit
sehr feiner Staffelung.
Bei dieser Weiterbildung wird der übrige Teil der Schaltun
gen in keinerlei Weise verändert, denn die Frequenzänderung
ΔF der Basis-Referenzfrequenz FR4 findet sich identisch in
der Ausgangsfrequenz FS wieder: am Ausgang des Mischers 20"
(und folglich in der gesamten Frequenzherabsetzungskette)
findet man somit keinerlei durch ΔF erzeugte Frequenzände
rung.
Da die Zwischenfrequenzen FI3, FI2 und FI1 somit in keiner
Weise verändert werden, werden auch keinerlei Störlinien in
der Schleife erzeugt. Die einzigen zusätzlichen Störlinien
werden in dem ersten Mischer 20" erzeugt, jedoch sind die an
dieser Stelle erzeugten Intermodulationsprodukte von hoher
Ordnung, so daß ein niedriger Pegel der Störlinien gewähr
leistet ist.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 wird nun eine konkrete Aus
führungsform einer Frequenzsyntheseschaltung beschrieben,
die das Band von 2000 bis 2500 MHz in Schritten von 5 MHz
abdeckt, mit einer typischen Frequenzumschaltzeit in der
Größenordnung von 10 µs (einschließlich der Phasenerfassung).
In dieser Figur sind dieselben Basiselemente wie in Fig. 2
wiederzufinden und mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Die Zahlenwerte, die in der Nähe der verschiedenen Verbin
dungen zwischen den Schaltkreisen angegeben sind, entspre
chen in Megahertz ausgedrückten Frequenzwerten. Wenn diese
Werte durch einen Querstrich getrennt sind, bedeutet dies
die diskreten Frequenzwerte, die erzielt werden können; die
zwischen eckigen Klammern angegebenen Werte geben die über
deckten Frequenzbereiche an.
In dieser Figur sind im einzelnen die verschiedenen Referenz
frequenzgeneratoren 10, 10', 10" gezeigt, die jeweils aus
einem Kammgenerator 12, 12', 12" gebildet sind, gefolgt von
einem programmierbaren Tiefpaßfilter 13, 13', 13", welches
durch ein Digitalwort zur Frequenzsteuerung CF1' CF2' CF3
gesteuert wird, in solcher Weise, daß unter den durch den
Kammgenerator erzeugten Frequenzen nur eine einzige Frequenz
übrig bleibt, die einer bestimmten harmonischen Ordnungszahl
entspricht (die Digitalwerte oberhalb der Schaltungen 13,
13' und 13" bedeuten die verschiedenen harmonischen Ordnungs
zahlen, die auf diese Weise ausgewählt werden können).
Es ist anzumerken, daß die Änderung zwischen äußersten Fre
quenzwerten stets überaus gering ist (bei dem gezeigten Bei
spiel höchstens bis zum doppelten Wert), so daß zugleich
einfache und leistungsfähige programmierbare Filter verwen
det werden können.
Jeder Generator 10, 10', 10" wird vorzugsweise gemäß der
französischen Patentschrift 88-08528 ausgeführt, so daß für
weitere Einzelheiten auf diese Druckschrift verwiesen wird.
Dem Multiplizierer kann ein Frequenzteiler 11, 11' von fester
Ordnung vorausgehen.
Die Basis-Referenzfrequenz FR4 wird ihrerseits durch zwei
Frequenzmultiplizierer 4 von fester Ordnung erzeugt, die in
Kaskade geschaltet sind.
Mit den verschiedenen in Fig. 3 angegebenen Zahlenwerten
(die Bestandteil der vorliegenden Beschreibung sind) ist er
sichtlich, daß der Generator 10 die Frequenzen FR1 mit fei
ner Staffelung innerhalb des Bandes 20 bis 40 MHz mittels
des Rammgenerators 12 erzeugt, welchem die 5 MHz-Staffelung
zugeführt wird, die durch Division der Quarz-Eichfrequenz FQ
von 50 MHz durch zehn erhalten wird. Die an das programmier
bare Filter 13 angelegt Steuergröße CF1 ermöglicht eine Aus
wahl der Ordnung der gewünschten Harmonischen (4, 5, 6, 7
oder 8).
In gleicher Weise erzeugt der Generator 10' die Referenzfre
quenzen FR2 bei mittlerer Staffelung im Band 100 bis 175 MHz
mittels eines Rammgenerators 12', dem die 25 MHz-Staffelung
zugeführt wird, welche durch Division der Eichfrequenz FQ
durch zwei gewonnen wird. Die Steuergröße CF2 ermöglicht die
Auswahl der Harmonischen 4, 5, 6 oder 7.
Schließlich erzeugt der Generator 10" die Frequenzen FR3 mit
grober Staffelung im Band 250 bis 400 MHz mittels des Ramm
generators 12", welchem direkt das 50 MHz-Signal zugeführt
wird, das gleich der Eichfrequenz FQ ist. Die Steuergröße
CF3 ermöglicht die Auswahl der Harmonischen 5 oder 8.
Die Wahl der Referenzfrequenzen FR1, FR2 und FR3 erfolgt im
Hinblick auf eine Auswertung der Kombinationen, welche die
oben angeführte Gleichgewichtsgleichung bietet, angewandt
auf dieses Beispiel:
FS = FR4 ± FR3 ± FR2 ± FR1 (1)
Es wurde oben angegeben, daß die in den Schaltungen 20, 20'
und 20" sowie 6 durchgeführten Mischvorgänge vorzugsweise
subtraktiv erfolgen, gemäß folgendem Ausdruck:
FIn-1 = |FIn - FR27n|
Bezüglich der Mischvorgänge, die in den Schaltungen 20 und
20' ausgeführt werden, ergibt die vorgeschlagenen Struktur
für die Differenz FIn - FRn ein positives oder negatives Vor
zeichen.
Aus diesem Grunde ist vorgesehen, daß der Schalter 42 die
Eingänge des Frequenz/Phasen-Komparators 41 permutieren
kann, wenn das Vorzeichen von FI3 - FR3 - FR2 negativ ist,
so daß die Konvergenz der Voreinstellschleife gewährleistet
ist.
Die Permutation erfolgt über einen geeigneten Steuerbefehl
CF4, den die Ablaufsteuerung 50 erzeugt, in Abhängigkeit von
den jeweiligen Werten der anderen Frequenzsteuergrößen CF1,
CF2 und CF3.
Um eine kontinuierliche Überdeckung der Unterbänder der Fre
quenzen FI1, FI2 und FI3 zu erzielen, muß die Wahl der Fre
quenzen FR2 und FR3 die folgenden Beziehungen für N 1,2
erfüllen:
pas(FRN+1) ≦ FINmaxi - FINmini + pas(FR1) (2)
FRN+1maxi - FRN+1mini ≧ (2.FINmini) + pas(FR1) (3)
Andererseits ist folgende Wahl günstig:
FRN+1mini < FINmaxi
Nebenbei ist festzustellen, daß unter diesen Bedingungen
vorzugsweise die Referenzfrequenz an den "Lokaloszillator"-
Anschluß der Mischer angelegt wird, soweit Streuungen des
Lokaloszillatorsignals durch Filterung vorgebeugt werden
kann (bei den Mischern handelt es sich nämlich um Schaltun
gen, die zwei Eingangsanschlüsse aufweisen, einen für den
Lokaloszillator und einen Hochfrequenzeingang; diese Eingän
ge sind nicht symmetrisch).
Die Art und Weise, in der eine vollständige Überdeckung des
Bereiches von 2000 bis 2500 MHz erzielt wird, ist in der
unten aufgeführten Tabelle I angegeben, welche die Werte für
die verschiedenen Referenzfrequenzen und Zwischenfrequenzen
der aufeinanderfolgenden Mischer angibt.
Es ist somit ersichtlich, daß die Gesamtheit des gewünschten
Bandes ohne Diskontinuität überdeckt werden kann, indem eine
geeignete Wahl der Steuerwörter CFi erfolgt.
Ferner ist zu beachten, wie sich aus der Gleichgewichtsglei
chung (1) ergibt, daß der Bereich von Frequenzen FS, die
tatsächlich überdeckt werden können, sich (ohne Diskontinui
tät) von 1985 MHz bis 2565 MHz erstreckt.
Bei dem Beispiel der Fig. 3 sind die Referenzfrequenzgene
ratoren in der einfachsten Struktur ausgebildet, die eine
direkte Synthese ermöglicht, nämlich durch Erzeugung von
Harmonischen einer Referenzfrequenz.
Wegen der Beeinträchtigung durch das Rauschen, das durch
Frequenzmultiplikation erzeugt wird, kann es günstiger sein,
eine höhere Eichfrequenz FQ zu verwenden, z. B. FQ = 150 MHz
statt FQ = 50 MHz.
Wenn hingegen eine solche höhere Frequenz verwendet wird,
müssen die Multiplikationsfaktoren unganzzahlig sein.
Eine Schaltung der in Fig. 4 gezeigten Art ermöglicht eine
Verwirklichung der so benötigten ungeradzahligen Faktoren.
Der Referenzfrequenzgenerator 10 weist (in einer komplexeren
Konfiguration) einen Frequenzmultiplizierer 14 von fester
Ordnung m1 auf, der an seinem Eingang die Eichfrequenz FQ
empfängt und an seinem Ausgang die Frequenz m1FQ abgibt.
Diese Frequenz m1FQ wird einerseits an einen zweiten Fre
quenzmultiplizierer 15 von fester Ordnung m2 angelegt, wel
cher somit eine Frequenz m1 . m2 . FQ abgibt und andererseits an
einen programmierbaren Frequenzteiler 16, dessen Teiler M
durch das digitale Steuerwort CF1 in solcher Weise gesteuert
wird, daß ein Signal der Frequenz m1 . FQ/N ausgegeben wird.
Die an den Stellen 15 und 16 ausgegebenen Signale werden an
die zwei Eingänge eines Mischers 17 angelegt, der an seinem
Ausgang über das programmierbare Tiefpaßfilter 13, welches
durch das Frequenzsteuerwort CF1 gesteuert wird, eine Refe
renzfrequenz FRi ausgibt, die gegeben ist durch:
FRi = FQ . m1 . [m2 ± 1/N]
Das Schema dieses Referenzfrequenzgenerators 10 nach Fig. 4
und von ungeradzahliger Ordnung entspricht jedoch einer
maximalen Konfiguration, welche die von größter Komplexität
ist, und es ist möglich, die Struktur zu vereinfachen, indem
gewisse Elemente dieser Schaltung entfallen, insbesondere
der eine oder andere Multiplizierer 14 oder 15.
Es wird nun eine optimierte Ausführungsform einer Frequenz
syntheseschaltung beschrieben.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird eine Schaltung beschrieben,
die es ermöglicht, die gleiche Leistungsfähigkeit wie die
Schaltung nach Fig. 3 zu erzielen (d. h. eine vollständige
Überdeckung des Bereiches von 2000 bis 2500 MHz mit einer
Staffelung von 5 MHz), jedoch bei einer Wahl von Referenz
frequenzen und Zwischenfrequenzen, die es ermöglicht, die
Struktur von bestimmten Referenzfrequenzgeneratoren wesent
lich zu vereinfachen.
Der Referenzfrequenzgenerator 10, welcher die Frequenz FR1
erzeugt, gleicht dem in Fig. 3, mit der Ausnahme, daß der
Teiler 11 durch dreißig teilt, statt durch zehn, denn als
Eichfrequenz wird eine Frequenz FQ von 150 MHz statt 50 MHz
verwendet.
Hingegen sind die Referenzfrequenzgeneratoren 10' und 10"
vereinfacht: ein gemeinsamer Multiplizierer 15, der mit zwei
multipliziert, steuert einerseits einen Teiler 16 mit nur
zwei programmierbaren Ordnungen (2 und 3) an, um eine Refe
renzfrequenz FR von 100 MHz oder 150 MHz bei mittlerer Staf
felung zu ergeben.
Der Multiplizierer 14 steuert andererseits eine Schaltung
10" an, die ungeradzahlige Multiplikationsfaktoren erzeugen
kann und nach dem Prinzip der Schaltung in Fig. 4 verwirk
licht ist, jedoch dadurch vereinfacht, daß der zweite Multi
plizierer 15 entfällt. Der programmierbare Frequenzteiler,
welcher der Schaltung 16 entspricht, ermöglicht die Auswahl
von nur drei Divisionsordnungen (3, 4 und 5), was eine Refe
renzfrequenz FR3 mit sehr grober Staffelung ergibt, die nur
vier Werte aufweist: 225, 250, 375 und 400 MHz.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, weist die Zwischenfre
quenz FI2 zwei Diskontinuitäten im Band auf, welche auf die
Veränderung der mittleren Staffelung zurückgehen, die der
Referenzfrequenz FR2 entspricht, welche von 25 auf 50 MHz
angehoben wurde. Hingegen erzeugt der Referenzfrequenzge
nerator 10" zwei Frequenzpaare FR3 mit grober Teilung bei
150 MHz, wobei die interne Staffelung jedes Paares 25 MHz
beträgt (225/250 MHz einerseits und 375/400 MHz anderer
seits).
Diese Diskontinuitäten verhindern jedoch keine vollständige
Überdeckung des Bandes von 2000 bis 2500 MHz, wie leicht in
gleicher Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ge
zeigt werden kann.
Für jede Frequenz mit einer Staffelung von 5 MHz, die in
diesem Band liegt, gibt es stets eine Kombination FR1, FR2
und FR3, welche die Erzielung der gewünschten Frequenz FS
ermöglicht.
Schließlich ist zu beachten, daß außer einer Vereinfachung
dieser Schaltungen die Frequenzsyntheseschaltung nach Fig. 5
eine Leistungsfähigkeit aufweist, die der nach Fig. 4 hin
sichtlich des Phasenrauschens überlegen ist (ein bei bestimm
ten Anwendungen überaus wichtiger Parameter), aufgrund der
Verminderung des Multiplikationsfaktors, welcher zur Erzeu
gung der Frequenzen FR2 und besonders der Frequenzen FR3
verwendet wird.
Claims (4)
1. Frequenzsyntheseschaltung mit einer einzigen Phasenregelschlei
fe (PPL), die nacheinander enthält:
einen variablen Oszillator (1), der an seinem Ausgang ein Aus gangssignal abgibt, dessen Frequenz (FS) von einem an den Eingang an gelegten Steuersignal abhängt;
einen Mischer (2), der an seinem ersten Eingang das von diesem variablen Oszillator abgegebene Signal und an seinem zweiten Eingang eine Basis-Referenzfrequenz (FR4) empfängt:
eine Frequenzherabsetzungskette; die das von dem Ausgang dieses Mischers abgegebene Signal empfängt;
einen Phasenkomparator (6), der an seinem ersten Eingang das von dieser Frequenzherabsetzungskette abgegebene Signal und an seinem zweiten Empfang wenigstens eine vorbestimmte Frequenz empfängt, die den Änderungsschritt (p) definiert, mit dem die Ausgangsfrequenz vari ieren soll; und
ein Tiefpaßfilter-Netzwerk (8), das an seinem Eingang das Aus gangssignal des Phasenkomparators, (6) empfängt und an seinem Ausgang die Steuerspannung für den variablen Oszillator abgibt;
wobei die Frequenzherabsetzungskette in Kaskadenschaltung zwischen dem variablen Oszillator (1) und dem Phasenkomparator (6) mehrere Fre quenzänderungsstufen umfaßt, die jeweils eine Mischerschaltung (20, 20', 20") aufweisen, bei der es sich um eine Heterodyn-Mischerschal tung handelt, die:
an ihrem ersten Eingang das Signal (FI2, FI3) empfängt, welches am Ausgang der vorausgehenden Frequenzänderungsstufe ansteht oder im Falle der ersten Stufe die Ausgangsfrequenz (FS) des variablen Oszillators (1) empfängt;
an ihrem zweiten Eingang eine programmierbare Referenzfrequenz (FR2, FR3) oder im Falle der ersten Stufe die Basis-Referenzfrequenz (FR4) empfängt; und
am Ausgang über ein Tiefpaß-Filternetzwerk (30, 30', 30") das Signal abgibt, welches an die darauffolgende Frequenzänderungsschal tung oder im Falle der letzten Schaltung an den ersten Eingang des Phasenkomparators (6) angelegt wird;
und wobei der Bereich der möglichen Frequenzänderungen am Ausgang der Frequenzänderungsstufen in Richtung des Signaldurchlaufes durch die Frequenzherabsetzungskette kleiner wird und die Basis-Referenz frequenz (FR4) und die programmierbaren Referenzfrequenzen (FR2, FR3) sowie gegebenenfalls die vorbestimmte Frequenz (FR1), die den Ände rungsschritt (p) definiert, mittels Frequenzgeneratorschaltungen (4, 10', 10", 10) gewonnen werden, die mit direkter Synthese arbeiten,
dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schaltung zur Voreinstellung des variablen Oszillators umfaßt, die versehen ist mit:
einer Kombinationsschaltung (41), deren Ausgang mit dem Steuerein gang des variablen Oszillators (1) verbunden ist;
Schaltmitteln (40, 42), die während einer Vorbereitungsphase der Voreinstellung der Schleife aktiviert werden und es einerseits ermög lichen, an einen der Eingänge dieser Kombinationsschaltung das Signal (FI1), das von der ersten Frequenzänderungsstufe abgegeben wird, und an den zweiten Eingang der Kombinationsschaltung die vorbestimmte Fre quenz (FR1) anzulegen, welche den Änderungsschritt (p) angibt, und andererseits eine Sperrung der Schleife ermöglicht; und
Speichermitteln (43), die zwischen der Kombinationsschaltung (41) und dem Steuereingang des variablen Oszillators (1) angeordnet sind und den Pegel des Steuersignals speichern, der am Ende der Vorein stellphase erreicht wird, so daß dieser Signalpegel den Anfangspunkt für die Konvergenz der Schleife bestimmt, wenn diese nach Desaktivie rung der Schaltmittel ihre Regelfunktion wieder aufnimmt.
einen variablen Oszillator (1), der an seinem Ausgang ein Aus gangssignal abgibt, dessen Frequenz (FS) von einem an den Eingang an gelegten Steuersignal abhängt;
einen Mischer (2), der an seinem ersten Eingang das von diesem variablen Oszillator abgegebene Signal und an seinem zweiten Eingang eine Basis-Referenzfrequenz (FR4) empfängt:
eine Frequenzherabsetzungskette; die das von dem Ausgang dieses Mischers abgegebene Signal empfängt;
einen Phasenkomparator (6), der an seinem ersten Eingang das von dieser Frequenzherabsetzungskette abgegebene Signal und an seinem zweiten Empfang wenigstens eine vorbestimmte Frequenz empfängt, die den Änderungsschritt (p) definiert, mit dem die Ausgangsfrequenz vari ieren soll; und
ein Tiefpaßfilter-Netzwerk (8), das an seinem Eingang das Aus gangssignal des Phasenkomparators, (6) empfängt und an seinem Ausgang die Steuerspannung für den variablen Oszillator abgibt;
wobei die Frequenzherabsetzungskette in Kaskadenschaltung zwischen dem variablen Oszillator (1) und dem Phasenkomparator (6) mehrere Fre quenzänderungsstufen umfaßt, die jeweils eine Mischerschaltung (20, 20', 20") aufweisen, bei der es sich um eine Heterodyn-Mischerschal tung handelt, die:
an ihrem ersten Eingang das Signal (FI2, FI3) empfängt, welches am Ausgang der vorausgehenden Frequenzänderungsstufe ansteht oder im Falle der ersten Stufe die Ausgangsfrequenz (FS) des variablen Oszillators (1) empfängt;
an ihrem zweiten Eingang eine programmierbare Referenzfrequenz (FR2, FR3) oder im Falle der ersten Stufe die Basis-Referenzfrequenz (FR4) empfängt; und
am Ausgang über ein Tiefpaß-Filternetzwerk (30, 30', 30") das Signal abgibt, welches an die darauffolgende Frequenzänderungsschal tung oder im Falle der letzten Schaltung an den ersten Eingang des Phasenkomparators (6) angelegt wird;
und wobei der Bereich der möglichen Frequenzänderungen am Ausgang der Frequenzänderungsstufen in Richtung des Signaldurchlaufes durch die Frequenzherabsetzungskette kleiner wird und die Basis-Referenz frequenz (FR4) und die programmierbaren Referenzfrequenzen (FR2, FR3) sowie gegebenenfalls die vorbestimmte Frequenz (FR1), die den Ände rungsschritt (p) definiert, mittels Frequenzgeneratorschaltungen (4, 10', 10", 10) gewonnen werden, die mit direkter Synthese arbeiten,
dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schaltung zur Voreinstellung des variablen Oszillators umfaßt, die versehen ist mit:
einer Kombinationsschaltung (41), deren Ausgang mit dem Steuerein gang des variablen Oszillators (1) verbunden ist;
Schaltmitteln (40, 42), die während einer Vorbereitungsphase der Voreinstellung der Schleife aktiviert werden und es einerseits ermög lichen, an einen der Eingänge dieser Kombinationsschaltung das Signal (FI1), das von der ersten Frequenzänderungsstufe abgegeben wird, und an den zweiten Eingang der Kombinationsschaltung die vorbestimmte Fre quenz (FR1) anzulegen, welche den Änderungsschritt (p) angibt, und andererseits eine Sperrung der Schleife ermöglicht; und
Speichermitteln (43), die zwischen der Kombinationsschaltung (41) und dem Steuereingang des variablen Oszillators (1) angeordnet sind und den Pegel des Steuersignals speichern, der am Ende der Vorein stellphase erreicht wird, so daß dieser Signalpegel den Anfangspunkt für die Konvergenz der Schleife bestimmt, wenn diese nach Desaktivie rung der Schaltmittel ihre Regelfunktion wieder aufnimmt.
2. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Kombinationsschaltung (41) der Voreinstellschaltung ein
Frequenz/Phasen-Komparator ist.
3. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schaltung zur Voreinstellung des spannungsge
steuerten Oszillators ferner umfaßt:
Umsetzmittel (45), deren Ausgang mit dem Steuereingang des variab len Oszillators (1) verbunden ist, wobei diese Mittel eingangsseitig ein Frequenzsteuersignal empfangen, welches der Frequenz entspricht, auf die der variable Oszillator (1) eingestellt werden soll; und
Speichermittel (43) zwischen diesen Umsetzmitteln (45) und dem Steuereingang des variablen Oszillators (1), um diesen dem Steuersig nal entsprechenden Pegel zu speichern, so daß dieser Signalpegel den Anfangspunkt der Voreinstellung der Schleife bei Aktivierung der Schaltmittel bestimmt.
Umsetzmittel (45), deren Ausgang mit dem Steuereingang des variab len Oszillators (1) verbunden ist, wobei diese Mittel eingangsseitig ein Frequenzsteuersignal empfangen, welches der Frequenz entspricht, auf die der variable Oszillator (1) eingestellt werden soll; und
Speichermittel (43) zwischen diesen Umsetzmitteln (45) und dem Steuereingang des variablen Oszillators (1), um diesen dem Steuersig nal entsprechenden Pegel zu speichern, so daß dieser Signalpegel den Anfangspunkt der Voreinstellung der Schleife bei Aktivierung der Schaltmittel bestimmt.
4. Frequenzsyntheseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Heterodyn-Mischerschaltungen der Fre
quenzänderungsstufen der Frequenzherabsetzungskette mit Infradynmi
schung arbeiten.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR8904725A FR2706099B1 (fr) | 1989-04-11 | 1989-04-11 | Synthétiseur de fréquence. |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4011572A1 DE4011572A1 (de) | 1994-12-22 |
DE4011572C2 true DE4011572C2 (de) | 1999-08-26 |
Family
ID=9380572
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4011572A Expired - Lifetime DE4011572C2 (de) | 1989-04-11 | 1990-04-10 | Frequenzsyntheseschaltung |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4011572C2 (de) |
FR (1) | FR2706099B1 (de) |
GB (1) | GB2466233B (de) |
IT (1) | IT1246699B (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US8704562B2 (en) | 2012-07-16 | 2014-04-22 | Nanowave Technologies Inc. | Ultra low phase noise signal source |
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1989
- 1989-04-11 FR FR8904725A patent/FR2706099B1/fr not_active Expired - Lifetime
-
1990
- 1990-03-29 IT IT06723090A patent/IT1246699B/it active IP Right Grant
- 1990-04-10 GB GB9008089A patent/GB2466233B/en not_active Expired - Fee Related
- 1990-04-10 DE DE4011572A patent/DE4011572C2/de not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US4673891A (en) * | 1984-06-01 | 1987-06-16 | Adret Electronique | Frequency synthesizer having first phase locked loop frequency multiplied by near unity in second phase locked loop |
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WARWICK, G.A. et al. "The frequency shifting synthesizer". In: The Radio an Electronic Engineer, Vol.50, 1980 No.3, S.122-126 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
IT9067230A1 (it) | 1991-09-29 |
GB9008089D0 (en) | 2010-01-13 |
IT1246699B (it) | 1994-11-26 |
GB2466233B (en) | 2010-11-17 |
GB2466233A (en) | 2010-06-23 |
FR2706099B1 (fr) | 1995-09-08 |
DE4011572A1 (de) | 1994-12-22 |
IT9067230A0 (de) | 1990-03-29 |
FR2706099A1 (fr) | 1994-12-09 |
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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D2 | Grant after examination | ||
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