DE102004014204B4

DE102004014204B4 - Phasenregelkreis und Verfahren zur Phasenkorrektur eines frequenzsteuerbaren Oszillators

Info

Publication number: DE102004014204B4
Application number: DE102004014204A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Ing. Vuketich; Burkhard Dr. Neurauter; Günter Dr. Märzinger; Christian MÜNKER
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: US7391270B2; US20060082417A1; JP2005287022A; DE102004014204A1

Abstract

Phasenregelkreis (1), umfassend:
– einen Phasendetektor (11) mit einem Referenzeingang (111), einem Rückführungseingang (112) und einem Steuerausgang (113), der zur Abgabe eines Steuersignals (ST) in Abhängigkeit eines Frequenzvergleichs von am Referenzeingang (111) und am Rückführungseingang (112) angelegten Signalen ausgebildet ist;
– ein an den Steuerausgang (113) angeschlossenes Schleifenfilter (12) zur Erzeugung und Abgabe eines Regelsignals;
– einen frequenzsteuerbaren Oszillator (13) mit einem Ausgang (132) zur Abgabe eines Ausgangssignals mit einer Frequenz (f_out) und einem Regeleingang (131), der mit einem Ausgang (122) des Schleifenfilters (12) gekoppelt ist, wobei die Frequenz (f_out) des Ausgangssignals durch das Regelsignal am Regeleingang (131) des Oszillators (13) einstellbar ist;
– eine Frequenzteilerschaltung (14) mit einem an einem Einstelleingang (143) einstellbaren Frequenzteilerverhältnis (N), das mit einem Eingang (141) an den Ausgang (132) des Oszillators (13) angeschlossen ist und mit einem Ausgang (142) mit dem Rückführungseingang (112) gekoppelt ist, wobei die Frequenzteilerschaltung (14) zur...

Description

Die Erfindung betrifft einen Phasenregelkreis mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Phasenkorrektur eines frequenzsteuerbaren Oszillators in einem Phasenregelkreis.

Derartige Phasenregelkreise sind beispielsweise aus der US 6,359,950 B2 bekannt. Sie werden in verschiedenen Anwendungen und besonders in Kommunikationseinrichtungen dazu verwendet, Ausgangssignale mit einer stabilen Frequenz zu erzeugen. Dazu enthält der Phasenregelkreis einen frequenzsteuerbaren und spannungsgesteuerten Oszillator, dessen Ausgangssignalanschluss zumeist an einen Frequenzteiler angeschlossen ist. Der Frequenzteiler teilt das Ausgangssignal in einem bestimmten Teilerverhältnis und führt das geteilte Signal einem Phasendetektor zu. Der Phasendetektor vergleicht die Phase des geteilten Signals mit der Frequenz eines Referenzsignals und erzeugt daraus ein Regelsignal zur Einstellung der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators. Das Regelsignal wird über ein Schleifenfilter dem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt, der damit seine Ausgangsfrequenz nachführt und so die Abweichung kompensiert.

Um mehrere verschiedene Ausgangsfrequenzen des Phasenregelkreises zu erhalten, ist es sinnvoll, den Frequenzteiler mit einem einstellbaren Teilerverhältnis zu implementieren. Einen solchen Frequenzteiler nennt man auch Multi-Modulus-Teiler. Das Teilerverhältnis des Multi-Modulus-Teilers wird über ein Stellsignal eingestellt. In dem Dokument „A Pipelined Noise Shaping Coder For Fractional-N Frequency Synthesis", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 50, No. 5, Oktober 2001 von Mücahit Kozak et al. ist ein Phasenregelkreis mit einem Frequenzteiler dargestellt, dessen Teilerverhältnis über einen MASH-Modulator (Multi-stage-noise-shaping modulator) eingestellt wird. Ein MASH-Modulator ist eine spezielle Ausführungsform eines Delta-Sigma (Δ-Σ)-Modulators und besonders dafür geeignet, Stellsignale mit sehr feiner Auflösung zur Einstellung des Teilerverhältnisses des Frequenzteilers bereitzustellen.

Frequenzteiler, deren Teilerverhältnis über einen MASH-Modulator somit sehr schnell einstellbar ist, werden in Phasenregelschleifen bevorzugt eingesetzt.

Die Freilauffrequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators und auch die Schleifenverstärkung von Phasenregelschleifen weisen eine unvermeidbare Drift auf. Grund hierfür ist die Eigenerwärmung des spannungsgesteuerten Oszillators oder eine Drift von Referenzströmen oder Referenzspannungen innerhalb des Regelkreises. Diese Drift, auch als Phasentransiente bezeichnet, führt zu einer langsamen Änderung der Phasenlage des Ausgangssignals. Durch den integralen Zusammenhang zwischen Phase und Frequenz erzeugt eine Phasendrift über diese Zeit auch einen Frequenzversatz im Ausgangssignal des Oszillators.

Der kurzfristige Frequenzfehler sowie die Phasentransiente wird im Phasenregelkreis mit Schleifenfilter weitgehend ausgeregelt, das durch ein integrierendes Übertragungsverhalten gekennzeichnet ist. In diesem Zusammenhang wird ein Phasenregelkreis mit einem integrierenden Schleifenfilter als Typ II Phasenregelkreis bezeichnet. Wird anstatt eines integrierenden Schleifenfilters im Phasenregelkreis ein Schleifenfilter mit nicht integrierendem Übertragungsverhalten verwendet, macht sich der kurzfristige Frequenzfehler bzw. die Phasendrift deutlicher bemerkbar.

Vor allem bei Modulationsverfahren für Telekommunikationsstandards, bei denen die Informationen in der Phasenlage enthalten sind, ist die Phasendrift eines Phasenregelkreises einer Phasenmodulation überlagert und verfälscht somit die eigentlichen Nutzsignale. Beispiele für Modulationsverfahren mit Phasenmodulation sind FSK-(Frequency Shift Keying)- oder PSK-(Phase Shift Keying)-Modulationen, wie sie beim GSM-Mobilfunkstandard verwendet werden. Auch OFDM- (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)-Modulation ist besonders sensitiv für Änderungen in der Phasenlage.

Jedoch hat ein Schleifenfilter mit einem nicht integrierenden Übertragungsverhalten, welches zwischen Ausgang des Phasendetektors und Stelleingang des spannungsgesteuerten Oszillators geschaltet ist, den Vorteil einer ebenen Gruppenlaufzeit.

Dies ermöglicht eine verzerrungsarme Übertragung der Regelsignale und erlaubt ebenso eine direkte Frequenzmodulation des Ausgangssignals des Regelkreises mit einem Nutzsignal. Zudem ist ein nicht integrierendes Schleifenfilter unempfindlich gegenüber Leckströmen innerhalb der Ladungspumpe und weist zudem eine größere Linearität zwischen dem abgegebenen Signal des Phasendetektors und dem vom Schleifenfilter abgegebenen Stellsignal an den spannungsgesteuerten Oszillator auf. Die Verwendung eines nicht integrierenden Schleifenfilters erlaubt daher deutlich höhere Übertragungsraten bei bestimmten Modulationsverfahren.

Ein Beispiel für eine solche Drift eines spannungsgesteuerten Oszillators in einem Phasenregelkreis zeigt 5. Der Phasenregelkreis enthält dabei ein nicht integrierendes Schlei fenfilter (Typ I Phasenregelkreis). Entlang der x-Achse ist die Zeit aufgetragen, die im vorliegenden Messintervall 600 μs beträgt. Die y-Achse zeigt die Phase in Bezug auf eine Referenzphase. Deutlich zu erkennen ist der exponentiell abnehmende Verlauf der Phasendrift über die gemessene Zeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Phasenregelkreis vorzusehen, bei dem die Phasendrift im Ausgangssignal des Regelkreises verringert ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für eine Phasenkorrektur des Ausgangssignals eines Phasenregelkreises vorzusehen.

Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der vorliegenden Patentansprüche 1 und 11 gelöst.

Der erfindungsgemäße Phasenregelkreis umfasst dabei einen Phasendetektor mit einem Referenzeingang, einem Rückführungseingang sowie einem Steuerausgang. Der Phasendetektor ist zur Abgabe eines Steuersignals in Abhängigkeit eines Phasenvergleichs am Referenzeingang und am Rückführungseingang anliegender Signale ausgebildet. Am Steuerausgang des Phasendetektors ist ein Schleifenfilter zur Erzeugung und Abgabe eines Regelsignals angeschlossen. Weiterhin enthält der Phasenregelkreis einen spannungsgesteuerten Oszillator mit einem Ausgang zur Abgabe eines Ausgangssignals mit einer Frequenz. Der spannungsgesteuerte Oszillator enthält weiterhin einen Regeleingang, welcher mit einem Ausgang des Schleifenfilters gekoppelt ist. Die Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators ist durch das Regelsignal am Regeleingang des spannungsgesteuerten Oszillators einstellbar. In einen Rückführungspfad des erfindungsgemäßen Phasenregelkreises ist eine Frequenzteilerschaltung mit einem einstellbaren Frequenzteilerverhältnis geschaltet. Mit einem Eingang ist die Frequenzteilerschaltung an den Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators angeschlossen und mit einem Ausgang mit dem Rückführungseingang des Phasendetektors gekoppelt. Die Frequenzteilerschaltung ist zur Abgabe eines Signals mit einer aus der Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators und dem eingestellten Frequenzteilerverhältnis abgeleiteten Frequenz ausgebildet. Die Frequenzteilerschaltung teilt somit ein eingangsseitig anliegendes Signal mit dem durch das am Einstelleingang anliegende Einstellsignal eingestellte Frequenzteilerverhältnis. Weiterhin ist eine Steuerschaltung zur Erzeugung und Abgabe des Einstellsignals zur Einstellung des Frequenzteilerverhältnisses an die Frequenzteilerschaltung vorgesehen. Die Steuerschaltung ist dabei zur Erzeugung des Einstellsignals aus einem zumindest an einem ersten Eingang anliegenden Signal und einem an einem zweiten Eingang anliegenden Phasenkorrektursignal ausgebildet. Letztlich umfasst der erfindungsgemäße Phasenregelkreis eine Phasenkorrekturvorrichtung, die zur Abgabe eines Phasen bzw. Frequenzkorrektursignals an den zweiten Eingang der Steuerschaltung ausgebildet ist. Das Phasenkorrektursignal ist dabei aus einem zeitlichen Verlauf einer Phasendrift des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators abgeleitet.

Dadurch wird mit der Steuerschaltung und der Phasenkorrekturvorrichtung das Frequenzteilerverhältnis der Frequenzteilerschaltung so eingestellt, dass der erfindungsgemäße Phasenregelkreis die durch die Drift hervorgerufene Phasenverschiebung im Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators kompensiert. Dabei liegt der Erfindung die Idee zugrunde, dass eine zeitliche Veränderung einer Phase im Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators einer Phasendrift entspricht. Diese Phasendrift wird durch das zusätzlich einge brachte Frequenzkorrektursignal an die Steuerschaltung kompensiert, welche es bei der Erzeugung des Einstellsignals für das Frequenzteilerverhältnis berücksichtigt.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, das Schleifenfilter als ein Schleifenfilter mit einem nicht integrierenden Verhalten auszubilden. Das fehlende integrierende Verhalten, welches eine Phasendrift normalerweise weitgehend ausregelt, wird hier durch die Phasenkorrekturvorrichtung und das Frequenzkorrektursignal ersetzt. Somit können die Vorteile eines Schleifenfilters mit einem nicht integrierenden Verhalten für die Implementierung eines Phasenregelkreises ausgenutzt werden, ohne eine Phasendrift im Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators des Phasenregelkreises in Kauf nehmen zu müssen. Insbesondere sind dadurch vorteilhaft höhere Datenraten bei einer direkten Modulation des Phasenregelkreises erreichbar.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist die Ausbildung der Frequenzteilerschaltung als Multi-Modulus-Teiler mit einem in diskreten Schritten einstellbaren Frequenzteilerverhältnis. Durch geeignete Ausbildung der Steuerschaltung mit einem MASH-Modulator ist es so möglich, das Teilerverhältnis des Multi-Modulus-Teilers zwischen verschiedenen Teilerwerten umzuschalten. Die Sequenz der Teilerwerte wird geeignet von der Steuerschaltung erzeugt, dass im zeitlichen Mittel eine wesentlich feinere Auflösung der Teilerverhältnisse des Frequenzteilers einstellbar ist. Die feinere Auflösung durch die Verwendung einer geeigneten Steuerschaltung ermöglicht zudem auch eine direkte digitale Modulation des Phasenregelkreises. Dadurch kann der Phasenregelkreis direkt als GMSK-, FSK- oder PSK-Modulator verwendet werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Phasenkorrekturvorrichtung einen Exponentialfunktionsgenerator zur Erzeugung eines Frequenzkorrektursignals mit einem exponentiell verlaufenden Signalanteil. Bevorzugt ist der Exponentialfunktionsgenerator mit mehreren einstellbaren Funktionsparametern zur Erzeugung des Signalanteils ausgebildet. Dadurch kann ein geeignetes Frequenzkorrektursignal mit einem exponentiellen Verlauf erzeugt werden, welches die exponentiell abfallende Phasendrift kompensiert. Geeignet können mehrere solcher Generatoren zusammengeschaltet werden, um auch komplexere zeitliche Verhalten einer Phasendrift nachzubilden. Durch die einstellbaren Parameter lässt sich das Korrektursignal optimal an die Phasendrift des spannungsgesteuerten Oszillators anpassen.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die Phasenkorrekturvorrichtung mit einem Eingang an den Ausgang des Schleifenfilters oder an den Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators angeschlossen. Sie ist bevorzugt zur Erzeugung des Phasen- bzw. Frequenzkorrektursignals in Abhängigkeit von dem Regelsignal des Schleifenfilters oder des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators ausgebildet. Dadurch ist die Erzeugung des Phasen- bzw. Frequenzkorrektursignals adaptiv über eine gemessene Phasendrift regelbar, indem die Regelsignale des Schleifenfilters oder das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators ausgewertet werden.

Das Verfahren zur Phasenkorrektur eines spannungsgesteuerten Oszillators in einem Phasenregelkreis umfasst die Schritte:

– Bereitstellen eines spannungsgesteuerten Oszillators in einem Phasenregelkreis;
– Erzeugen eines Phasen- bzw. Frequenzkorrektursignals, welches eine zeitliche Phasendrift eines Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators kompensiert;
– Einstellen eines Frequenzteilerverhältnisses für die Frequenzteilerschaltung in einem Rückführungspfad des Phasenregelkreises in Abhängigkeit des erzeugten Phasen- bzw. Frequenzkorrektursignals;
– Teilen einer Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators mit dem eingestellten Frequenzteilerverhältnis;
– Rückführen eines Signals mit der geteilten Frequenz und Vergleichen des rückgeführten Signals mit einem Referenzsignal;
– Erzeugen eines Regelsignals aus dem Vergleichen und Anlegen des Regelsignals an den spannungsgesteuerten Oszillator zur Einstellung seiner Ausgangsfrequenz.

Durch das Erzeugen eines Frequenzteilerverhältnisses in Abhängigkeit des Phasenkorrektursignals wird das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators mit unterschiedlichen Frequenzteilerverhältnissen geteilt. Das durch den Phasendetektor und den Vergleich erzeugte Regelsignal verändert die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators derart, dass eine Phasendrift des spannungsgesteuerten Oszillators damit kompensiert wird.

Bevorzugt wird das Phasenkorrektursignal mit einem exponentiell verlaufenden Signalanteil erzeugt. Dies ist besonders vorteilhaft, da eine Phasendrift des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators hauptsächlich einen exponentiellen Verlauf aufweist. Bevorzugt wird das Frequenzteilerverhältnis durch ein Zuführen eines ganzzahligen Anteils, ei nes gebrochenen Anteils sowie eines Phasen- bzw. Frequenzkorrektursignals erzeugt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Phasenregelkreises mit Phasendriftkompensation,
2 ein Ausführungsbeispiel eines MASH-Modulators,
3 ein schematisches Blockschaltbild eines Exponentialfunktionalgenerators einer Phasenkorrekturvorrichtung,
4 ein Zeitdiagramm des Frequenzkorrektursignals,
5 ein Zeitdiagramm der Phasendrift im Ausgangssignal eines Phasenregelkreises.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Phasenregelkreis. Dieser ist Teil eines hier aus Übersichtsgründen nicht dargestellten Sendepfades eines mobilen Kommunikationsgerätes für den GSM-Mobilfunkstandard. Der erfindungsgemäße Phasenregelkreis ist zur Modulation mit einem Frequenzumtastverfahren ausgebildet. Ein Frequenzumtastverfahren wird ebenso als FSK-Modulation bezeichnet. Mit einem Phasenregelkreis, der zur FSK-Modulation ausgebildet ist, kann vorteilhaft besonders einfach, binäre Informationen direkt auf das Ausgangssignal des Phasenregelkreises moduliert werden.
Der Phasenregelkreis umfasst einen Vorwärtspfad aus einem Phasendetektor 11, einem Schleifenfilter 12 und einem spannungsgesteuerten Oszillator 13. Der Phasendetektor 11 enthält einen Referenzeingang 111 zur Zuführung eines Referenzsignals f_ref. Ein zweiter Eingang 112 bildet einen Rückführungseingang des Phasendetektors 11. Der Phasendetektor 11 ist zu einem Vergleich der Frequenzen der eingangsseitig anliegenden Signale ausgebildet. Sind die Frequenzen unterschiedlich, so erzeugt er ein Steuersignal ST, das proportional dem Unterschied ist. Dieses gibt er an einem Steuerausgang 113 ab. Der Steuerausgang 113 des Phasendetektors 11 ist an einen Eingang 121 eines Schleifenfilters 12 angeschlossen.
Das Schleifenfilter 12 ist als ein Schleifenfilter mit einem nicht integrierenden Übertragungsverhalten ausgebildet. Der Ausgang 122 des nicht integrierenden Schleifenfilters 12 ist an einen Regeleingang 131 des spannungsgesteuerten Oszillators 13 im Vorwärtspfad des erfindungsgemäßen Phasenregelkreises eingeschlossen. Gemäß dem Regelsignal am Regeleingang 131 gibt der spannungsgesteuerte Oszillator 13 an seinen Ausgang 132 ein Ausgangssignal mit der Ausgangsfrequenz f_out ab. Dieses bildet gleichzeitig das Ausgangssignal für den Ausgang 99 des erfindungsgemäßen Phasenregelkreises. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal mit seiner Frequenz f_out dem Eingang 141 einer Frequenzteilerschaltung 14 zugeführt. Die Frequenzteilerschaltung 14 ist als Multi-Modulus-Teiler ausgebildet. Sie teilt die Frequenz f_out des eingangsseitig anliegenden Signals mit einem über einen Einstelleingang 143 eingestellten Teilerverhältnis N und gibt ein Signal mit einer gemäß dem Teilerverhältnis geteilten Frequenz f_out/N am Ausgang 142 ab, welcher mit dem Rückführungseingang 112 verbunden ist.
Zur Einstellung des Frequenzteilerverhältnisses der Frequenzteilerschaltung 14 ist eine Steuerschaltung 15 vorgesehen. Diese ist als MASH-Modulator ausgebildet. Die Steuerschaltung 15 umfasst drei Eingänge 153, 154 und 155. Am Eingang 153 ist ein Signal angelegt, welches den ganzzahligen Anteil des Frequenzteilerverhältnisses I für die Frequenzteilerschaltung darstellt. Am Eingang 155 liegt ein digitales Datenwort an, welches den fraktionalen Anteil F für die Zielfrequenz f_out des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators charakterisiert. Am Eingang 154 liegt ein digitales Modulationswort M an. Dieses entspricht der Modulation des Ausgangssignals des Phasenregelkreises für die Frequenzumtastung.
Aus dem ganzzahligen Anteil I und dem gebrochenen oder fraktionalen Anteil F des Frequenzteilerverhältnisses wird von der Steuerschaltung das Einstellsignal für das Teilerverhältnis N erzeugt und am Ausgang 152 der Teilerschaltung 14 zugeführt. Durch eine Änderung der digitalen Datenworte I bzw. F lässt sich das Ausgangssignal mit der Frequenz f_out des Phasenregelkreises verändern, in dem ein neues Teilerverhältnis für die Frequenzteilerschaltung zugeführt wird. Bevorzugt wird der Phasenregelkreis auf eine Ausgangsfrequenz eingestellt. Durch das zusätzliche Modulationswort D am Eingang 154, das zwei Werte annehmen kann, ändert sich das Teilerverhältnis N der Teilerschaltung 14, und das Ausgangssignal mit der Mittenfrequenz f_out des Phasenregelkreises wird zwischen zwei Frequenzen umgetastet. Durch den MASH-Modulator in der Steuerschaltung 15 ist so eine direkte FSK-Modulation des Phasenregelkreises 1 erreichbar.
Weiterhin ist in der Steuerschaltung 15 ein vierter Dateneingang 151 vorgesehen. Diesem ist ein Phasenkorrekturwort PK zuführbar. Ein Phasenkorrekturwort am Dateneingang ist zeit abhängig und wird von der Steuerschaltung 15 bei der Erzeugung des Einstellsignals für das Frequenzteilerverhältnis berücksichtigt.
Der vierte Dateneingang 151 ist mit einem Datenausgang 162 einer Phasenkorrekturschaltung 16 verbunden. Die Phasenkorrekturschaltung enthält einen Eingang 161 zur Zuführung externer Parameter sowie einen Eingang 163 und 164. Der Eingang 163 ist an den Abgriff 122 des Schleifenfilters 12 angeschlossen, der Eingang 164 an den Ausgang 132 des spannungsgesteuerten Oszillators 13 des Phasenregelkreises 1.
Die Phasenkorrekturschaltung 16 wertet kontinuierlich die Ausgangssignale des Schleifenfilters 12 sowie des spannungsgesteuerten Oszillators 13 aus und erzeugt daraus mit den Parametern P am Eingang 161 ein zeitlich veränderliches Phasenkorrektursignal PK. Das Korrektursignal ist so gestaltet, dass eine Drift in der Phase oder der Frequenz des Ausgangssignals des Regelkreises kompensiert wird. Dazu wird das berechnete Phasenkorrektursignal über den Ausgang 162 dem MASH-Modulator 15 am Eingang 151 zugeführt, welcher daraus ein neues Frequenzteilerverhältnis ermittelt. Das neue Frequenzteilerverhältnis wird der Frequenzteilerschaltung 14 zugeführt. Die Teilerschaltung erzeugt am Rückführungseingang 112 des Phasendetektors 11 ein Rückführungssignal mit einer Frequenz, die sich aus der Frequenz des mit der Phasendrift beaufschlagten Signals und dem neuen Frequenzteilerverhältnis bestimmt. Das vom Detektor 11 und dem Schleifenfilter erzeugte Regelsignal regelt den spannungsgesteuerten Oszillator so nach, dass der Phasen- oder Frequenzfehler kompensiert wird.
2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform des verwendeten MASH-Modulators 15. Gleiche Bauelemente tragen dabei gleiche Bezugszeichen.
Der ganzzahlige Anteil I am Dateneingang 153 des Modulators wird direkt einem Addierer 252 zugeführt. Ein weiterer Addierer 251 addiert die gebrochenen Anteile F des einzustellenden Frequenzteilerverhältnisses mit dem Modulationswort M am Eingang 154. Zusätzlich wird auch das Phasen-/Frequenz-Kompensationswort PK zu dem gebrochenen Anteil F addiert.
Der Ausgang des Addierers 251 ist an einen Dateneingang A eines ersten Akkumulators 254 angeschlossen. Ein Ausgang 260 des Akkumulators 254 ist über ein Verzögerungsglied 256 bzw. einen Integrator 256 an den zweiten Eingang B des Akkumulators 254 rückgeführt. Das Signal am Überlaufausgang CO stellt ein 1 Bit quantisiertes Ausgangssignal dar. Weiterhin ist ein Ausgang 260 des ersten Akkumulators 254 an den Eingang A des zweiten Akkumulators 255 angeschlossen. Ein Ausgang 261 des zweiten Akkumulators 255 ist über ebenso ein weiteres Verzögerungsglied 257 an seinen Eingang B zurückgeführt.
Die Überlaufausgänge CO des ersten und zweiten Akkumulators 254 und 255 sind an je einen Eingang eines Summenbildners 253 angeschlossen. Zusätzlich ist der Überlaufausgang CO des zweiten Akkumulators 255 mit einem Verzögerungsglied 258 verbunden. Der Ausgang des Verzögerungsglieds 258 ist an einen dritten Eingang des Summenbildners 253 angeschlossen. Dieser summiert wie dargestellt die an seinen Eingängen anliegenden Signale und führt sie einem zweiten Eingang des Addierers 252 zu. Der Ausgang des Addierers ist mit dem Ausgang 152 zur Abgabe des Phasen-Frequenz-Korrekturwortes PK verbunden.
Während der ganzzahlige Teileranteil I direkt über den Addierer 252 dem Ausgang 152 zur Frequenzeinstellung zugeführt wird, werden die gebrochenen Anteile gewichtet und ein Signal erzeugt, welches im zeitlichen Mittel die Abweichung vom ganzzahligen Anteil angibt. Die Ausbildung der Steuerschaltung 15 als zweistufiger MASH-Modulator erlaubt so eine deutlich feinere Auflösung als die festen Frequenzteilerstufen der Frequenzteilerschaltung.
Das Phasen-Frequenz-Korrekturwort PK der Phasenkorrekturvorrichtung 16 muss derart gewählt sein, dass das vom MASH-Modulator 15 erzeugte neue Frequenzteilerverhältnis den durch die Phasendrift des spannungsgesteuerten Oszillators hervorgerufenen Frequenzversatz kompensiert. Die Phasendrift des spannungsgesteuerten Oszillators weist dabei meist einen zeitlich exponentiell abfallenden Verlauf auf. Einen entsprechenden zeitlichen Verlauf sollte daher auch das Phasen-Frequenz-Kompensationswort PK und somit auch die jeweiligen Frequenzteilerverhältnisse enthalten.
Ein Blockschaltbild eines Generators zur Erzeugung eines natürlich exponentiellen Signalverlaufs gemäß der Vorschrift A(t) = P3·exp(P1·P3·CLK/P2) zeigt 3. Die dort in schematisch vereinfachter Form dargestellte Exponentialfunktionsgeneratorschaltung lässt sich über die Parameter P1, P2, P3 und P4 an den Eingängen 161A bis 161D optimal einstellen. Der Parameter P1 gibt dabei das an, ob eine exponentiell ansteigende oder eine abfallende Funktion erzeugt werden soll. Die Parameter P2 und P3 stellen den Exponenten ein. Der Parameter P3 gibt die Anfangsamplitude an. Dabei wird mit jeder Periode des Taktsignals CLK am Takteingang 171 ein neues Phasen- bzw. Frequenzkorrekturwort PK erzeugt und zur Einstellung eines neuen Frequenzteilerverhältnisses verwendet.
So ist eine optimale Kompensation der Phasendrift des spannungsgesteuerten Oszillators erreichbar.
In 4 ist der zeitliche Verlauf des Ausgangssignals der Phasenkorrekturschaltung 16 dargestellt. Mit jedem Taktsignal CLK ändert sich der Wert des Ausgangssignals in exponentiell abfallender Form. Der Zeitpunkt T stellt die Zeitkonstante der Exponentialfunktion dar. Das Ausgangssignal wird als Phasenkorrektursignal PK der Steuerschaltung zur Erzeugung eines neues Frequenzeinstellverhältnisses zugeführt. Auf Grund der nach jedem Taktsignal CLK neuen Frequenzteilerverhältnisse wird das Stellsignal des Phasendetektors des Phasenregelkreises so verändert, dass die Phasendrift des spannungsgesteuerten Oszillators dadurch kompensiert wird.
Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel eines Phasenregelkreises ist nicht auf die verwendeten Baugruppen beschränkt. Anstatt der als MASH-Modulator ausgebildeten Steuerschaltung kann jede andere Steuerschaltung zur Einstellung des Frequenzteilerverhältnisses verwendet werden. Eine Phasenkorrektur ist auch vollständig adaptiv durch Auswertung der Ausgangssignale des Schleifenfilters bzw. des spannungsgesteuerten Oszillators möglich. Auch kann als Phasenkorrekturvorrichtung eine andere Schaltung als der hier dargestellte Exponentialfunktionsgenerator verwendet werden. Das Phasen- bzw. Frequenzkorrektursignal sollte jedoch bevorzugt den gleichen zeitlichen Verlauf wie die Phasendrift im Ausgangssignal des Phasenregelkreises aufweisen.

1: Phasenregelkreis
11: Phasendetektor
12: nicht integrierendes Schleifenfilter
13: spannungsgesteuerter Oszillator
14: Frequenzteilerschaltung
15: Steuerschaltung
16: Phasenkorrekturvorrichtung
111: Referenzeingang
112: Rückführungseingang
121: Steuereingang
131: Regeleingang
113: Steuerausgänge
122: Regelausgang
123: Tiefpassfilter
132, 99: Signalausgang
143: Einstelleingang
152: Einstellausgang
151, 153, 154, 155: Frequenzeinstelleingänge
161: Parametereingang
163, 164: Korrektureingang
254, 255: Akkumulator
256, 257, 258: Verzögerungsglied
251, 252: Addierer
253: Summierer
ST: Stellsignal
N: Frequenzteilerverhältnis
t: Zeit
T: Zeitkonstante
f_ref: Referenzfrequenz
f_out: Ausgangsfrequenz

Claims

Phasenregelkreis (1), umfassend: – einen Phasendetektor (11) mit einem Referenzeingang (111), einem Rückführungseingang (112) und einem Steuerausgang (113), der zur Abgabe eines Steuersignals (ST) in Abhängigkeit eines Frequenzvergleichs von am Referenzeingang (111) und am Rückführungseingang (112) angelegten Signalen ausgebildet ist; – ein an den Steuerausgang (113) angeschlossenes Schleifenfilter (12) zur Erzeugung und Abgabe eines Regelsignals; – einen frequenzsteuerbaren Oszillator (13) mit einem Ausgang (132) zur Abgabe eines Ausgangssignals mit einer Frequenz (f_out) und einem Regeleingang (131), der mit einem Ausgang (122) des Schleifenfilters (12) gekoppelt ist, wobei die Frequenz (f_out) des Ausgangssignals durch das Regelsignal am Regeleingang (131) des Oszillators (13) einstellbar ist; – eine Frequenzteilerschaltung (14) mit einem an einem Einstelleingang (143) einstellbaren Frequenzteilerverhältnis (N), das mit einem Eingang (141) an den Ausgang (132) des Oszillators (13) angeschlossen ist und mit einem Ausgang (142) mit dem Rückführungseingang (112) gekoppelt ist, wobei die Frequenzteilerschaltung (14) zur Abgabe eines Rückführungssignals mit einer aus der Frequenz (f_out) des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators (13) und einem eingestellten Frequenzteilerverhältnis (N) abgeleiteten Frequenz ausgebildet ist; gekennzeichnet durch – eine Steuerschaltung (15) mit einem Ausgang (152) zur Abgabe eines Einstellsignals an den Einstelleingang (143) der Frequenzteilerschaltung (14), wobei die Steuerschaltung (15) zur Erzeugung des Einstellsignals aus einem zumindest an einem ersten Eingang (153) anliegenden Signal und einem an einem zweiten Eingang (151) anliegenden Phasenkorrektursignal (PK) ausgebildet ist und das am ersten Eingang anliegende Signal das einzustellende Frequenzteilerverhältnis definiert; – eine Phasenkorrekturvorrichtung (16), die zur Abgabe des Phasenkorrektursignals (PK) an den zweiten Eingang (151) der Steuerschaltung (15) ausgebildet ist, wobei das Phasenkorrektursignal (PK) aus einem zeitlichen Verlauf einer Phasendrift des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators (13) abgeleitet ist.
Phasenregelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifenfilter (12) als ein Schleifenfilter (12) mit einem nicht integrierenden Übertragungsverhalten ausgebildet ist.
Phasenregelkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzteilerschaltung (14) als Multi-Modulus-Teiler mit einem in diskreten Schritten einstellbaren Frequenzteilerverhältnis ausgebildet ist.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (15) einen mehrstufigen Modulator umfasst, der zur Ableitung des Einstellsignals aus dem am ersten Eingang anliegenden Signal ausgebildet ist.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingang (153) der Steuerschaltung (15) einen ersten und zumindest einen zweiten Teileingang (155) um fasst, wobei ein Signal am ersten Teileingang (153) ein ganzzahliges Teilerverhältnis (I) und ein Signal an dem zumindest einen zweiten Teileingang (155) ein gebrochenzahliges Teilerverhältnis (F) eines einzustellenden Frequenzteilerverhältnisses (N) definiert.
Phasenregelkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingang der Steuerschaltung (15) einen dritten Teileingang (154) umfasst, wobei ein Signal (M) am dritten Teileingang (154) ein Teilerverhältnis für eine Frequenzumtastung des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators (13) definiert.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zweite Teileingang (155) der Steuerschaltung (15) mit einem Delta-Sigma-Modulator gekoppelt ist.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenkorrekturvorrichtung (16) einen Exponentialfunktionsgenerator zur Erzeugung eines Phasenkorrektursignals (PK) mit einem exponentiell verlaufenden Signalanteil umfasst.
Phasenregelkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Exponentialfunktionsgenerator der Phasenkorrekturvorrichtung (16) mehrere einstellbare Funktionsparameter (P1, P2, P3, P4) zur Erzeugung des exponentiell verlaufenden Signalanteils umfasst.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenkorrekturvorrichtung (16) mit einem Eingang (163, 164) an den Ausgang (122) des Schleifenfilters (12) und/oder an den Ausgang (132) des spannungsgesteuerten Oszillators (13) angeschlossen ist und zur Abgabe des Phasenkorrektursignals (PK) abhängig von dem Stellsignal des Schleifenfilters (12) und/oder des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators (13) ausgebildet ist.
Verfahren zur Phasenkorrektur eines frequenzsteuerbaren Oszillators in einem Phasenregelkreis (1), umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines frequenzsteuerbaren Oszillators (13) in einem Phasenregelkreis; – Erzeugen eines Phasenkorrektursignals (PK), welches eine Phasendrift eines Ausgangssignals des Oszillators (13) verringert; – Einstellen eines Frequenzteilerverhältnisses (N) in Abhängigkeit des erzeugten Phasenkorrektursignals (PK); – Erzeugen eines Signals, dessen Frequenz aus einem Teilen einer Frequenz eines Ausgangssignals des frequenzsteuerbaren Oszillators (13) mit dem eingestellten Frequenzteilerverhältnis (N) abgeleitet ist; – Rückführen des Signals mit der geteilten Frequenz zum Vergleichen mit einem Referenzsignal; – Erzeugen eines Regelsignals aus dem Vergleichen und Anlegen des Regelsignals an den Oszillator (13) zur Einstellung seiner Ausgangsfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen eines Phasenkorrektursignals (PK) den Schritt umfasst: – Erzeugen eines Signals mit einem exponentiell verlaufenden Signalanteil, welche dem Verlauf der Phasen- oder Frequenzdrift entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Einstellens eines Frequenzteilerverhältnisses die Schritte umfasst: – Bereitstellen einer Schaltung (15) zur Erzeugung eines Einstellsignals; – Zuführen eines ganzzahligen Anteils (I) des Frequenzteilerverhältnisses (N); – Zuführen eines gebrochenen Anteils (F) des Frequenzteilerverhältnisses (N); – Zuführen des Phasenkorrektursignals (PK); – Erzeugen eines Signals zur Einstellung des Frequenzteilerverhältnisses (N) aus dem ganzzahligen Anteil (I), dem gebrochenen Anteil (F) und dem Phasenkorrektursignal (PK).