DE4127385C2 - Frequenzsyntheseanordnung mit Phasenregelschleife und mehrfacher fraktionärer Teilung und Verfahren zur Frequenzsynthese mittels einer solchen Anordnung - Google Patents
Frequenzsyntheseanordnung mit Phasenregelschleife und mehrfacher fraktionärer Teilung und Verfahren zur Frequenzsynthese mittels einer solchen AnordnungInfo
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- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Frequenzsyntheseanord
nung mit Phasenregelschleife und mehrfacher fraktionärer
Teilung sowie auf ein Verfahren zur Frequenzsynthese mittels
einer Frequenzsyntheseanordnung gemäß den Oberbegriffen der
Ansprüche 1 bzw. 6, wie sie etwa aus der FR 2 426 358 be
kannt sind.
Eine Syntheseanordnung mit Phasenregelschleife enthält in
herkömmlicher Weise, wie beispielsweise in dem Buch von U. L.
ROHDE mit dem Titel "Digital PLL frequency synthetiziers -
Theory and Design" 1983, Prentice Hall Inc., Englewood
Cliffs, beschrieben ist, einen spannungsgesteuerten Oszil
lator, einen Teiler mit variablem Teilungsfaktor, einen
Phasenkomparator, einen Steuertaktgeber, der eine Bezugs
frequenz FRef liefert, sowie gegebenenfalls ein Schleifen
filter. Wenn die Regel-Wirkung der Schleife verwirklicht
ist, ergibt sich die Ausgangsfrequenz FVCO des spannungs
gesteuerten Oszillators mit einem am Teiler eingestellten
Wert von M, mit M mal dem Wert
der Bezugsfrequenz FRef. Wenn sich der am Teiler eingestell
te Wert M ändert, ändern sich die synthetisch erhaltenen
Frequenzen im Schritt der Bezugsfrequenz FRef innerhalb der
Funktionsgrenzen des spannungsgesteuerten Oszillators.
Zur Erzielung eines Frequenzsyntheseschritts, der kleiner
als FRef ist, ist es bekannt, in die Schleife einen Teiler
mit einem Teilungsfaktor, der gleich einem Bruchteil von 1
ist und der nachfolgend als fraktionärer Teiler bezeichnet
wird, einzuführen, der einen Frequenzschritt von a/Q mal der
Bezugsfrequenz FRef ermöglicht, wobei Q der Quotient der Be
zugsfrequenz durch den gewünschten Syntheseschritt ist, mit
0 ≦ a ≦ Q - 1.
Bei einem digitalen Phasensummiersystem wird der Haupttei
lungsfaktor M bei jedem der Q Bezugszyklen um eine Einheit
erhöht. Der Syntheseschritt ist daher gleich der Bezugsfre
quenz geteilt durch Q.
Der Vorteil besteht darin, daß bei vergleichbaren Leistungen
die Anzahl der am Teiler anzuzeigenden Schritte M herabge
setzt wird und daß das Schleifenfilter eine höhere Grenzfre
quenz hat, was das Ansprechverhalten der Schleife verbessert.
Die vorgenannte Anordnung eignet sich zwar für die Frequenz
synthese, jedoch ist sie für Syntheseanordnungen ungeeignet,
die mittels einer beispielsweise durch die Referenzfrequenz
eingeführte Modulation frequenz- oder phasenmoduliert sind,
da der maximale Takt dieser Modulation auf niedrige Werte
begrenzt bleibt. Andererseits haben die Syntheselinien, die
am Ausgang des Oszillators VCO erscheinen und hauptsächlich
auf das Phasen-Jitter des Phasenkomparators zurückzuführen
sind, relativ hohe Pegel, die diesen Syntheseanordnungen
eine nur mittelmäßige spektrale Reinheit verleihen.
Wenn jedoch nicht mehr eine einzige fraktionäre Teilerstruk
tur verwendet wird, sondern zwei derartige Strukturen zum
Einsatz kommen, wie dies in der FR-A-2 426 358 beschrieben
ist, kann die spektrale Reinheit von Syntheseanordnungen mit
fraktionärer Teilung ganz wesentlich verbessert werden.
Für gewisse Anwendungen erscheint diese Verbesserung jedoch
noch ungenügend; insbesondere erlaubt sie keine Verwendung
solcher Syntheseanordnungen in Übertragungssystemen mit
schneller Frequenzevasion.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Frequenz
syntheseanordnung bzw. ein Verfahren zur Frequenzsynthese
anzugeben, mit denen die spektrale Reinheit weiter verbes
sert werden kann und die in Übertragungssystemen mit
schneller Frequenzsprungtechnik (Frequenzevasion) verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird bei einer Frequenzsyntheseanordnung und
bei einem Verfahren zur Frequenzsynthese der eingangs ge
nannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche
1 bzw. 6 gelöst.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anschließend
aus der Beschreibung, in der auf die Zeichnung Bezug genom
men ist. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Syntheseanordnung
nach der Erfindung,
Fig. 2 den Aufbau einer Syntheseanordnung nach der
Erfindung für einen Betrieb in einem Frequenz
bereich zwischen 225 und 400 MHz,
Fig. 3A und 3B zwei Ausführungsformen einer Schleife mit
fraktionärer Teilung zum Steuern eines ein
gangsseitigen Teilers von Fig. 2 und
Fig. 4 ein Vergleichsdiagramm des theoretischen Pe
gels der Syntheselinien, die mit der einfa
chen fraktionären Synthese und der mehrfachen
fraktionären Synthese erhalten werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Syntheseanordnung nach der Erfin
dung enthält eine Phasenregelschleife, die von einem span
nungsgesteuerten Oszillator 1, einem programmierbaren Teiler
2 mit variablem Teilungsfaktor M, einem Phasenkomparator 3
und einem Schleifenfilter 4 gebildet ist; die Gruppe dieser
vorgenannten Baueinheiten ist in der genannten Reihenfolge
hintereinandergeschaltet. Ein Steuertaktgeber 5, der eine
Referenzfrequenz FRef liefert, speist den Phasenkomparator
3, damit dann, wenn die Schleife auf die richtige Frequenz
eingerastet ist, die Phasenabweichung zwischen dem vom Takt
geber 5 und dem vom Teiler 2 gelieferten Signale festgestellt
werden kann. Sie enthält ferner n fraktionäre Teilerstruktu
ren 6 1 . . . 6 i bis 6 n, die jeweils einen Frequenzschritt ver
wirklichen, der kleiner als die Frequenz FRef ist und die
Form (a/Q) × FRef hat, wobei Q gleich der Division der Refe
renzfrequenz durch den gewünschten Syntheseschritt ist und a
eine ganze Zahl ist, für die gilt: 0 ≦ a ≦ Q - 1.
Indem für jede fraktionäre Division Zahlen Q1, Q2 . . . Qi . . .
Qn, die keinen gemeinsamen Teiler haben, und a1 . . . an so
gewählt werden, daß gilt:
0 ≦ a1 ≦ Q1 - 1
0 ≦ a2 ≦ Q2 - 1
. . .
0 ≦ an ≦ Qn - 1
ermöglicht die in Fig. 1 dargestellte Syntheseanordnung die
Durchführung der Synthese der Frequenzen FVCO, so daß gilt:
und mit einem Syntheseschritt, der gleich dem Quotienten aus
der Referenzfrequenz FRef und dem Produkt der ganzen Zahlen
Q1, Q2 . . . Qn ist. Unter diesen Bedingungen wird der Teiler 2
für alle Q1-Referenzzyklen a1-mal, für alle Q2-Referenzzyk
len a2-mal, . . . für alle Qi-Referenzzyklen ai-mal und für
alle Qn-Referenzzyklen an-mal um eine Einheit weitergeschal
tet.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß sie eine be
trächtliche Verbesserung des Pegels der Syntheselinien um
die Ausgangsfrequenz der Syntheseanordnung im Vergleich zu
allen bisher bekannten Syntheseanordnungen mit fraktionärer
Division ermöglicht. Bei dem Beispiel der Anwendung des vor
stehend beschriebenen Prinzips auf die Verwirklichung einer
Syntheseanordnung, die die Überdeckung eines Frequenzbandes
zwischen 225 und 400 MHz ermöglicht und die in Fig. 2 darge
stellt ist, in der Elemente, die mit denen von Fig. 1 über
einstimmen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind,
ist die Anzahl der fraktionären Teilerstrukturen 6 1 bis 6 4
beschränkt, und der Teiler 2 mit variablem Teilungsfaktor
ist aus einem eingangsseitigen Teiler 2 1 und einem ausgangs
seitigen Teiler 2 2 zusammengesetzt. Im Unterschied zu Fig. 1
enthält die Syntheseanordnung zwischen dem Oszillator 1 und
dem Teiler 2 eine Multiplikationsschaltung 7 mit dem Multi
plikationsfaktor 4.
In diesem Beispiel gilt für die Referenzfrequenz FRef =
10,5 MHz. Der eingangsseitige Teiler 2 1 ist ein variabler Teiler,
dessen Teilungsfaktor einstellbar ist, indem jeder seiner
vier Eingänge auf 0 oder 1 gestellt wird.
Jedes Element 6 1 bis 6 4 ist von einem Modulo-Qi-Addierer
(Q: ganze Zahl) gebildet, der durch die ganzen Zahlen a1 ≦ Qi
programmierbar ist.
In dem Beispiel haben die Restwerte Q1 der Addierer 6 1 bis
6 4 jeweils die Werte Q1 = 3, Q2 = 4, Q3 = 5 und Q4 = 7, was
Zahlen sind, die keinen gemeinsamen Teiler haben.
Der Syntheseschritt ergibt sich somit zu
am Ausgang der Multiplikationsschaltung 7 mit dem Multipli
kationsfaktor 4 und folglich mit 6,25 KHz für den Oszilla
tor 1.
Durch Anwenden der Gleichung (1) ergibt sich:
und
Der kleinste Syntheseschritt, nämlich 25 KHz am Ausgang der
Multiplikationsschaltung 7 mit dem Multiplikationsfaktor 4
(6,25 KHz) am Ausgang des Oszillators 1 ergibt sich durch
die Operation:
nämlich:
1 × 2, 625 MHz + 4 × 2, 1 MHz + 2 × 3, 5 MHz + 2 × 1, 5 MHz - 21 MHz = 25 KHz
Ausführungsbeispiele der Modulo-3-Addierer 0, 1, 2 sowie der
Modulo-7-Addierer 0, 1 . . . 6 für die Verwirklichung der Addie
rer 6 1 bis 6 4 sind in den Fig. 3A und 3B dargestellt. Sie
enthalten Addierschaltungen 8 1 bis 8 4 des Typs, der unter der
Bezeichnung 74F283 bekannt ist und von den Firmen National-
Semiconductor oder Motorola vertrieben werden. Diese Schal
tungen werden durch die Zahlen ai mit Hilfe von Schnittstel
len-Logikschaltungen 9 1 und 9 2 programmiert. Ein einem Aus
gang der Teilerschaltungen 8 2 und 8 4 angeordnetes Register
10 1 bzw. 10 2 ermöglicht es, bei jedem Fortschaltschritt der
Frequenz FRef den Teilerzustand für eine Erhöhung des Werts
ai auf den nächsten Fortschaltschritt zu speichern.
Das Diagramm von Fig. 4 veranschaulicht die spektrale Rein
heit, die mit einer Syntheseanordnung erhalten werden kann,
die mit der mehrfachen fraktionären Synthese des oben in
Fig. 2 dargestellten Typs arbeitet, wobei ein Vergleich mit
der Synthese dargestellt ist, die mit einer Syntheseanord
nung mit einfacher fraktionärer Synthese erhalten wird. Die
ses Diagramm zeigt, daß für die Modulowerte Q1 = 3, Q2 = 4,
Q3 = 5 und Q4 = 7 sowie einen Syntheseschritt Psyn = 25 KHz,
der zu einer Referenzfrequenz FRef von 10,5 MHz führt, der
theoretische Pegel der Linien um die synthetisch erzeugte
Trägerfrequenz nacheinander um 40 dB abfällt, nämlich ein
erstes Mal für F1 = Q1 × Q2 × Q3 × Psyn = 1,5 MHz, ein zweites
Mal für F2 = Q1 × Q2 × Psyn = 300 KHz, ein drittes Mal für
F3 = Q1Psyn = 75 KHz und schließlich ein viertes Mal für
F4 = Psyn = 25 KHz. Bei einem Band der Synthese mit einfa
cher fraktionärer Teilung bleibt der Pegel der Linien zwi
schen dem Syntheseschritt 25 KHz und der synthetisch gebil
deten Trägerfrequenz bei 0 dB, während mit der in Fig. 2
dargestellten Schleife von der Frequenz 1,5 MHz an ein schar
fer Abfall um 40 dB erhalten wird.
Claims (10)
1. Frequenzsyntheseanordnung mit Phasenregelschleife und
mehrfacher fraktionärer Teilung mit einer einzigen Pha
seneinrastschleife, die von einem Referenztaktgeber (5)
gesteuert wird, wobei die Anordnung einen spannungsge
steuerten Oszillator (1), einen programmierbaren Teiler (2)
mit variablem Teilungsfaktor M, einen Phasenkomparator (3),
einen Schleifenfilter (4) und eine vorbestimmte Anzahl n von
Strukturen (6 1 . . . 6 n) mit fraktionärer Teilung aufweist,
die jeweils einen gewünschten Frequenzschritt Pi × FRef erge
ben, der kleiner als die Referenzfrequenz FRef ist, dadurch
gekennzeichnet, daß jede Struktur parallel mit dem program
mierbaren Teiler (2) gekoppelt ist, damit zum Teilungsfaktor
M Bruchteilsschritte Pi hinzugefügt werden, so daß das Ver
hältnis zwischen der vom Oszillator (1) ausgegebenen Fre
quenz FVCO und der Referenzfrequenz FRef durch den Oszil
lator (1) und die Referenzfrequenz FRef in Abhängigkeit von
den Bruchteilsschritten Pi durch die Beziehung
definiert ist.
definiert ist.
2. Frequenzsyntheseanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jede Struktur (6 1 . . . 6 n) mit frak
tionärer Teilung das Produkt aus der Referenzfrequenz FRef
und einer Bruchteilszahl Pi = ai/Qi mit 0 < ai < Qi bildet,
wobei die Zahlen Qi ganze Zahlen ohne gemeinsamen Teiler
sind.
3. Frequenzsyntheseanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie einen Syntheseschritt aufweist, der
gleich der Referenzfrequenz FRef geteilt durch das Produkt
der Zahlen Qi ist.
4. Frequenzsyntheseanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die n Strukturen (6 1 . . . 6 n)
mit fraktionärer Teilung jeweils einen programmierbaren
Modulo-Qi-Teiler mit variablem Teilungsfaktor ai enthalten.
5. Frequenzsyntheseanordnung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Teilungsfaktor M des programmier
baren Teilers (2) der einzigen Schleife für jede der n
Strukturen mit fraktionärer Teilung a1-mal für alle Modulo-
Werte Qi jeder Struktur um eine Einheit erhöht wird.
6. Verfahren zur Frequenzsynthese mittels einer Frequenz
syntheseanordnung mit Phasenregelschleife und mehrfacher
fraktionärer Teilung mit einer einzigen Phaseneinrast
schleife, die von einem Referenztaktgeber (5) gesteuert
wird, wobei die Schleife einen spannungsgesteuerten Oszil
lator (1), einen programmierbaren Teiler (2) mit variablem
Teilungsfaktor M, einen Phasenkomparator (3), einen Schlei
fenfilter (4) und eine vorbestimmte Anzahl n von Strukturen
(6 1 . . . 6 n) mit fraktionärer Teilung enthält, die jeweils
einen gewünschten Frequenzschritt Pi × FRef ergeben, der
kleiner als die Referenzfrequenz FRef ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verfahren wenigstens einen Schritt umfaßt,
in dem dem Teilungsfaktor M parallel Bruchteilsschritte Pi
hinzugefügt werden, die jeweils aus den Strukturen (6 i)
stammen, wobei die Bruchteilsschritte Pi so gewählt sind,
daß das Verhältnis zwischen der vom Oszillator (1) ausge
gebenen Frequenz FVCO und der Referenzfrequenz FRef durch
den Oszillator (1) und die Referenzfrequenz FRef in Abhän
gigkeit von den Bruchteilsschritten Pi durch die Beziehung
definiert wird.
definiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
jede Struktur mit fraktionierter Teilung (6 1 . . . 6 n) das
Produkt aus der Referenzfrequenz FRef und einer Bruchteils
zahl Pi = ai/Qi mit 0 < ai < Qi bildet, wobei die Zahlen Qi
ganze Zahlen ohne gemeinsamen Teiler sind.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Syntheseschritt gleich der Referenzfrequenz FRef
geteilt durch das Produkt der Zahlen Qi ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die n Strukturen mit fraktionierter
Teilung (6 1 . . . 6 n) jeweils einen programmierbaren Modulo-
Qi-Teiler mit einem variablen Teilungsfaktor ai aufweisen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der Teilungsfaktor M des programmierbaren Teilers (2) der
einzigen Schleife von jeder der n Strukturen mit fraktio
nierter Teilung a1-mal für alle Modulowerte Qi jeder Struk
tur um eine Einheit erhöht wird.
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