FR2814870A1

FR2814870A1 - Synthetiseur de frequence

Info

Publication number: FR2814870A1
Application number: FR0012432A
Authority: FR
Inventors: Francis Chaminadas
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-04-05
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: FR2814870B1

Abstract

Des premier et second oscillateurs commandés en tension (VCO) produisent respectivement deux signaux hyperfréquence (S, R') dont le premier (S) forme un signal de sortie du synthétiseur. Deux boucles d'asservissement de phase (PLL), l'une à bande étroite et l'autre à bande large, coopèrent pour asservir les deux VCO (2, 4). La PLL étroite (10) compare le signal de sortie (S) du premier VCO à un signal de référence (R) produit par une source (1) pour commander le second VCO, dont le signal de sortie (R') constitue la référence de la PLL large (20). La PLL large (20) reçoit également le signal de sortie du premier VCO afin d'asservir celui-ci.

Description

SYNTHETISEUR DE FREQUENCE

La présente invention concerne les synthétiseurs d'hyperfréquences. Elle vise notamment à fournir un synthétiseur ayant une bonne stabilité en fréquence, y compris lorsqu'il est soumis à des vibrations
L'invention est utilisable notamment pour la synthèse de fréquence autour de la gamme du gigahertz et au-delà. Un exemple non limitatif d'application est dans des récepteurs GPS (a Global Positioning System ).

La synthèse d'une fréquence d'oscillateur local dans le domaine des hyperfréquences est classiquement réalisée en utilisant une boucle dite PLL ( Phase-Locked Loop ), qui réalise un asservissement de phase pour piloter un oscillateur commandé en tension (VCO, Voltage-Controlled Oscillator ) à partir d'une fréquence de référence de grande stabilité.

Le schéma de principe en est représenté sur la figure 1. La source de référence 1 utilise généralement un oscillateur à quartz de type TCXO ( Temperature-Compensated Crystal Oscillator ) qui délivre un signal de référence R de fréquence habituellement comprise entre 1 MHz et 100 MHz.

Le signal synthétisé S, délivré par le VCO 2 formant oscillateur local (VCO-OL), est fourni avec le signal de référence R aux éléments de division, de comparaison et de filtrage 3 de la PLL. Celle-ci réalise un asservissement du VCO 2. La bande de la boucle d'asservissement, typiquement comprise entre 100 Hz et 10 KHz, est choisie de façon à optimiser la pureté spectrale du signal synthétisé S.

Les éléments 3 de la PLL comprennent des chaînes de diviseurs, un comparateur de phase et un filtre de boucle. Les rapports de division sont

choisis en fonction du rapport souhaité entre la fréquence synthétisée et la fréquence de référence et en fonction de la bande de fonctionnement du comparateur de phase.

Lorsque le synthétiseur de fréquence appartient à un dispositif soumis à un environnement vibratoire perturbé, la fréquence de référence issue du quartz est sujette à un bruit de microphonie. Ce bruit est recopié par la PLL, et amplifié selon un facteur donné par le rapport entre la fréquence du VCO et celle de la référence. La dégradation qui en résulte dans la pureté spectrale de l'oscillateur local provoque des erreurs dans les traitements de signal effectués au moyen de cet oscillateur local, qui peut nuire au bon fonctionnement du dispositif.

Pour atténuer le phénomène de microphonie, il est possible d'installer l'oscillateur à quartz sur une monture mécaniquement amortie. Cette solution est peu efficace, particulièrement lorsque la place disponible pour disposer les amortisseurs est restreinte.

Pour améliorer la robustesse du synthétiseur à la microphonte aux fréquences hautes (au-delà de 100 Hz, c'est-à-dire là où on rencontre le plus fréquemment des résonances mécaniques), il suffit théoriquement de filtrer le signal de référence R. Pour être efficace, ce filtrage doit avoir une faible bande passante (moins de 100 Hz). En pratique, un filtrage aussi étroit n'est pas réalisable aux fréquences de référence habituelles, ou sinon il faut utiliser un filtre à quartz qui subit le même problème de microphonie.

Une autre possibilité est de réaliser un filtrage très étroit vis-à-vis de la référence dans la boucle de phase du VCO. Pour être valable, cette solution très simple nécessite naturellement que le VCO ne soit pas lui-même microphonique. Pour les fréquences élevées, seuls les VCO utilisant des résonateurs à ondes de surface (SAW, Surface Acoustic Waves ) peuvent a pnori satisfaire ce critère. En effet, ces résonateurs SAW sont par construction beaucoup moins sensibles à la microphonie que les résonateurs à quartz. La raison en est que l'effet piézo-électrique est mis en oeuvre en surface et non en volume, la fixation de la lame de quartz n'intervenant pas sur cet effet.

Malheureusement, la fréquence de l'OL ne peut pas être obtenue par un VCO à résonateur à ondes de surface, car les résonateurs SAW fabriqués Industriellement ne dépassent pas 1 GHz. De plus, ces résonateurs présentent des dérives en température notables, qui peuvent être excessives compte tenu de la plage étroite des fréquences corrigibles par le VCO utilisant ce type de résonateur.

Une autre possibilité encore est d'utiliser des PLL en cascade, selon le schéma de principe de la figure 2. Une première PLL 3 asservit un oscillateur SAW 4 à une fréquence intermédiaire (par exemple de l'ordre de 400 MHz) avec une bande passante étroite (par exemple de l'ordre de 10 Hz) Cette boucle 3 agit comme un filtre vis-à-vis des perturbations dues aux vibrations.

Une autre PLL 5 utilise comme référence le signal de sortie R'du VCO-SAW 4, pour asservir la phase du signal de sortie S du VCO-OL 2. Cette seconde boucle 5 présente une bande passante large, par exemple de l'ordre de 10kHz.

Cette structure a pour inconvénient que la fréquence du VCO-OL n'est

pas en relation directe avec la fréquence de la référence TCXO. Dans certains cas, notamment si les variations de température sont importantes, il est nécessaire de faire varier les facteurs de division de la PLL étroite 3, de sorte qu'on est aussi obligé de faire varier ceux de la PLL large 5. Ces facteurs de division étant habituellement des entiers, on est pas sûr d'obtenir exactement la fréquence souhaitée de l'oscillateur local.

Un but de la présente invention est de proposer un synthétiseur de fréquence ayant une meilleure stabilité en fréquence en environnement vibratoire.

L'invention propose ainsi un synthétiseur de fréquence comprenant : une source de fréquence de référence pour produire un signal de référence ; un premier oscillateur commandé en tension pour produire un premier signal hyperfréquence formant un signal de sortie du synthétiseur ; un second oscillateur commandé en tension pour produire un second signal hyperfréquence de fréquence plus basse que le premier signal hyperfréquence ; des premiers moyens de comparaison de phase entre le signal de référence et le premier signal hyperfréquence, ramenés dans une même gamme de fréquence par des premiers moyens de division de fréquence ; des premiers moyens de filtrage d'un premier signal de correction fourni par les premiers moyens de comparaison de phase, pour produire une première tension de commande appliquée au second oscillateur commandé en tension ; des seconds moyens de comparaison de phase entre les premier et second signaux hyperfréquence, ramenés dans une même gamme de fréquence par des seconds moyens de division de fréquence ; et des seconds moyens de filtrage d'un second signal de correction fourni par les seconds moyens de comparaison de phase, pour produire une seconde tension de commande appliquée au premier oscillateur commandé en tension. Les seconds moyens de filtrage ont une bande passante plus large que les premiers moyens de filtrage.

Les premiers moyens de comparaison de phase et de filtrage forment une boucle étroite qui compare la fréquence de référence à celle du signal synthétisé. Cette boucle étroite agit sur la fréquence du second VCO, qui peut avantageusement être de type SAW. Le second signal hyperfréquence qu'il délivre sert de référence à une seconde boucle à bande plus large comprenant les seconds moyens de comparaison de phase et de filtrage.

Le second VCO recopie la stabilité à long terme de la référence issue

du quartz, tandis que le premier VCO recopie la référence intermédiaire que constitue le second signal hyperfréquence, dans la limite de la bande passante de la boucle large.

D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 et 2, précédemment commentées, ont des schémas de synthétiseurs de fréquence selon la technique antérieure ; et - la figure 3 est un schéma d'un synthétiseur de fréquence selon l'invention.

Le synthétiseur de la figure 3 comprend un TCXO, un VCO-OL 2 et un VCO-SAW 4 du même genre que ceux décrits précédemment en référence aux figures 1 et 2. Le signal de référence issu du TCXO 1 est noté R, et les signaux hyperfréquence délivrés par les VCO 2 et 4 sont respectivement notés S et R'.

Le signal S a typiquement une fréquence supérieure à 1 GHz.

A titre d'exemple, pour synthétiser une fréquence de 1421 MHz, on peut utiliser un TCXO à 20,46 MHz et un VCO-SAW à 434 MHz.

Le synthétiseur comprend deux boucles d'asservissement de phase (PLL) 10,20.

La boucle étroite 10 a pour signal d'entrée le signal hyperfréquence S délivré par le VCO-OL 2 et pour référence le signal R issu du TCXO 1. Elle délivre une tension de commande C qui pilote le VCO-SAW 4.

La boucle large 20 a également pour signal d'entrée le signal hyperfréquence S. Sa référence est le signal hyperfréquence R'délivré par VCO-SAW 4. Elle délivre une tension de commande C'qui pilote le VCO-OL 2.

La largeur de bande de la PLL large 20 est de préférence plus de cent fois plus grande que celle de la PLL étroite 10. Avec les valeurs de fréquence mentionnées ci-dessus, la fréquence de coupure de la PLL 10 est par exemple de l'ordre de 10 Hz, et celle de la PLL 20 de l'ordre de 10 kHz.

Chaque PLL 10,20 comporte un diviseur de fréquence 11,21 recevant le signal hyperfréquence d'entrée S et un autre diviseur de fréquence 12,22 recevant la référence R, R'de la boucle. Un comparateur de phase 13,23 reçoit les signaux de sortie des diviseurs 11-12,21-22. La PLL 10,20 comprend enfin un filtre passe-bas 14,24 produisant la tension de commande C, C'à partir du signal de correction délivré par le comparateur de phase 13, 23. Les caractéristiques des filtres 14,24 sont choisies en tenant compte des

facteurs de division de fréquence N1-N2, N3-N4 et des filtrages pouvant être réalisés en entrée des VCO et/ou en sortie des comparateurs de phase, de façon à réaliser les largeurs de bande souhaitées pour les deux PLL.

Les facteurs de division respectifs N1, N2, N3, N4 des diviseurs de fréquence 11,12, 21,22 sont choisis en fonction des fréquences nominales des trois oscillateurs 1,2, 4. Avec les valeurs de fréquence précédemment mentionnées, on peut par exemple prendre N1 = 1042, N2=15, N3 = 1120 et N4 = 342.

Afin de compenser les erreurs de fréquence dues à la fabrication (typiquement 180 ppm) et/ou au vieillissement des composants (typiquement 50 ppm), on peut prévoir que les facteurs de division N3, N4 appliqués par les diviseurs de fréquence 21,22 de la PLL large 20 soient réglables, par exemple sous le contrôle d'un micro-contrôleur non représenté. En revanche, les rapports N1 et N2 utilisés dans la PLL étroite 10 peuvent être fixes La capacité de régler les rapports N3 et N4 permet de limiter l'excursion en fréquence demandée au VCO-SAW 4, et donc de limiter sa sensibilité à la microphonie.

Claims

REVENDICATIONS 1 Synthétiseur de fréquence, comprenant : une source de fréquence de référence (1) pour produire un signal de référence (R) ; - un premier oscillateur commandé en tension (2) pour produire un premier signal hyperfréquence (S) formant un signal de sortie du synthétiseur ; - un second oscillateur commandé en tension (4) pour produire un second signal hyperfréquence (R') de fréquence plus basse que le premier signal hyperfréquence ; - des premiers moyens (13) de comparaison de phase entre le signal de référence et le premier signal hyperfréquence, ramenés dans une même gamme de fréquence par des premiers moyens de division de fréquence (11,12) ; - des premiers moyens (14) de filtrage d'un premier signal de correction fourni par les premiers moyens de comparaison de phase, pour produire une première tension de commande (C) appliquée au second oscillateur commandé en tension ; - des seconds moyens (23) de comparaison de phase entre les premier et second signaux hyperfréquence, ramenés dans une même gamme de fréquence par des seconds moyens de division de fréquence (21,22) ; et - des seconds moyens (24) de filtrage d'un second signal de correction fourni par les seconds moyens de comparaison de phase, pour produire une seconde tension de commande (C') appliquée au premier oscillateur commandé en tension, les seconds moyens de filtrage (24) ayant une bande passante plus large que les premiers moyens de filtrage (14).
2. Synthétiseur de fréquence selon la revendication 1, dans lequel le second oscillateur commandé en tension (4) est un oscillateur à ondes de surface.
3. Synthétiseur de fréquence selon la revendication 2, dans lequel le premier signal hyperfréquence (S) a une fréquence supérieure à 1 GHz.
4. Synthétiseur de fréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la bande passante des seconds

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moyens de filtrage (24) est plus de cent fois plus large que celle des premiers moyens de filtrage (14).
5. Synthétiseur de fréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premiers moyens de division de fréquence (11,12) appliquent des facteurs de division fixes au signal de référence (R) et au premier signal hyperfréquence (S), tandis que les seconds moyens de division de fréquence (21,22) appliquent des facteurs de division réglables aux premier et second signaux hyperfréquence (S, R').