DE102012009868A1

DE102012009868A1 - Frequenzsynthesizer

Info

Publication number: DE102012009868A1
Application number: DE102012009868A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Musch Thomas; Robert Storch
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: DE102012009868B4; US20130147522A1; US8664980B2

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Frequenzsynthesizer (1) zur Erzeugung einer rauscharmen und jitterarmen Zeitbasis aus einem Referenzsignal sref mit der Frequenz fref, wobei die Zeitbasis aus einem ersten Ausgangssignal s1 mit der Frequenz f1 und einem zweiten Ausgangssignal s2 mit der Frequenz f2 besteht, mit einem ersten fraktionalen Teiler (2) mit dem Teilungsfaktor T1 zur Erzeugung des ersten Ausgangssignals s1 aus dem Referenzsignal sref, einem zweiten fraktionalen Teiler (3) mit dem Teilungsfaktor T2 zur Erzeugung des zweiten Ausgangssignals s2 aus dem Referenzsignal sref und einer Steuerung (4) zur durch das erste Ausgangssignal s1 getakteten periodischen Umschaltung des ersten fraktionalen Teilers (2) zwischen T1 und (T1 + 1) und zur durch das zweite Ausgangssignal s2 getakteten periodischen Umschaltung des zweiten fraktionalen Teilers (3) zwischen T2 und (T2 + 1). Ein Frequenzsynthesizer, der ein erstes Ausgangssignal mit der Frequenz f1 und ein zweites Ausgangssignal mit der Frequenz f2 erzeugt, wobei die Differenzfrequenz Δf = f1 – f2 für eine Anwendung der Unterabtastung ausreichend gering ist, und dessen Herstellungskosten reduziert sind, wird realisiert, indem ein erster Inkrementierer (5) mit dem vorgebbaren Inkrement I1 und dem vorgebbaren Endwert E1 den ersten fraktionalen Teiler (2) steuert und ein zweiter Inkrementierer (6) mit dem vorgebbaren Inkrement I2 und dem vorgebbaren Endwert E2 den zweiten fraktionalen Teiler (3) steuert, wobei jeder der Inkrementierer (5, 6) vom Ausgangssignal s1, s2 des jeweiligen fraktionalen Teilers (2, 3) getaktet ist, bei Erreichung des Endwerts E1, E2 die Ausgabe eines Endsignals e und die Zurücksetzung des Inkrementierers (5, 6) realisiert ist und das Endsignal e zwischen den beiden Teilungsfaktoren des fraktionalen Teilers (2, 3) umschaltet, so dass die Umschaltsequenz des Endsignals e periodisch zum Ausgangssignal s1, s2 des fraktionalen Teilers (2, 3) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzsynthesizer zur Erzeugung einer rauscharmen und jitterarmen Zeitbasis aus einem Referenzsignal mit der Frequenz f_ref, wobei die Zeitbasis aus einem ersten Ausgangssignal mit der Frequenz) und einem zweiten Ausgangssignal mit der Frequenz f₂ besteht, mit einem ersten fraktionalen Teiler mit dem Teilungsfaktor T₁ zur Erzeugung des ersten Ausgangssignals aus dem Referenzsignal, einem zweiten fraktionalen Teiler mit dem Teilungsfaktor T₂ zur Erzeugung des zweiten Ausgangssignals aus dem Referenzsignal und einer Steuerung zur durch das erste Ausgangssignal getakteten periodischen Umschaltung des ersten fraktionalen Teilers zwischen T₁ und (T₁ + 1) und zur durch das zweite Ausgangssignal getakteten periodischen Umschaltung des zweiten fraktionalen Teilers zwischen T₂ und (T₂ + 1).
Derartige Frequenzsynthesizer sind insbesondere geeignet, die Zeitbasis für ein Füllstandsmessgerät bereitzustellen, das den Füllstand eines Mediums in einem Behälter mittels Zeitbereichsreflektometrie bestimmt. Nachfolgend wird der in Rede stehende Frequenzsynthesizer anhand dieses Anwendungsbeispiels erläutert, selbstverständlich ist er auf eine solche Verwendung nicht eingeschränkt. Im Englischen ist die Zeitbereichsreflektometrie als timedomain reflectometry bekannt und wird mit TDR abgekürzt. Mit Zeitbereichsreflektometrie arbeitende Füllstandsmessgeräte weisen mindestens einen Leiter auf, der sich zumeist von oben bis in das sich im Behälter befindende Medium erstreckt, dessen Füllstand zu bestimmen ist. Das Füllstandsmessgerät sendet elektromagnetische Signale entlang des Leiters in Richtung auf das Medium aus und empfängt die Anteile der Signale, die von der Grenzschicht zum Medium, also an der Oberfläche des Mediums, zurück auf das Füllstandsmessgerät reflektiert worden sind. Bei dem Medium kann es sich z. B. um Flüssigkeiten, Pulver oder Granulate handeln. Der reflektierte Anteil des Signals hängt von der Dielektrizitätszahl des Mediums ab und steigt mit dieser an. Die Laufzeit eines Signals, das ist die Zeitdauer, die das Signal vom Füll standsmessgerät zur Oberfläche des Mediums und der reflektierte Anteil des Signals wieder zurück zum Füllstandsmessgerät benötigt, ist proportional zum Abstand des Füllstandsmessgeräts zur Oberfläche des Mediums. Aus dem Abstand des Mediums vom Füllstandsmessgerät wird zusammen mit der Geometrie des Behälters der Füllstand berechnet. Sich verändernde Umgebungsbedingungen, wie ein steigender oder fallender Umgebungsdruck oder eine steigende oder fallende Temperatur, beeinträchtigen die Messgenauigkeit mittels Zeitbereichsreflektometrie arbeitender Füllstandsmessgeräte nicht. Außerdem ist die Laufzeit der Signale unabhängig von der Dielektrizitätszahl des Mediums, an dessen Oberfläche die Reflektion erfolgt. Die Zeitbereichsreflektometrie wird auch z. B. im Bereich der Kabelprüfung eingesetzt und weist ihrem Prinzip nach Ähnlichkeiten mit Radarverfahren auf.
Die Zeitbereichsreflektometrie beruht demnach auf der Messung der Laufzeit eines elektromagnetischen Signals. Ist der Behälter annähernd vollständig mit dem Medium gefüllt, so dass die Oberfläche des Mediums beispielsweise lediglich 15 cm unterhalb des Füllstandsmessgeräts liegt, beträgt die Gesamtlaufstrecke des elektromagnetischen Signals vom Füllstandsmessgerät zur Oberfläche des Mediums und wieder zurück zum Füllstandsmessgerät lediglich 30 cm, was einer Laufzeit des elektromagnetischen Signals von 10 ns entspricht. Die Messung derart kurzer Zeiten zur Bestimmung des Füllstands ist mit hohem Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden, weshalb die zur Zeitmessung erforderliche Abtastung der elektromagnetischen Signale durch Unterabtastung erfolgt. Für die Unterabtastung wird eine Zeitbasis mit zwei hochfrequenten Signalen benötigt, deren Differenzfrequenz möglichst gering ist.
Diese Zeitbasis stellt der eingangs erwähnte Frequenzsynthesizer mit dem ersten Ausgangssignal mit der Frequenz f₁ und dem zweiten Ausgangssignal mit der Frequenz f₂ bereit, wobei die Differenzfrequenz Δf = f₁ – f₂ ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird zur Veranschaulichung hier angenommen, dass die Frequenz f₁ größer ist als die Frequenz f₂. Einzelne elektromagnetische Signale werden mit einer Senderate in Richtung auf das Medium emittiert, die der Frequenz f₁ entspricht und die elektromagnetischen Signale, aus denen die Laufzeit berechnet wird, wozu die an der Oberfläche des Mediums reflektierten Wellen gehören, werden mit einer Abtastrate abgetastet, die der Frequenz f₂ entspricht. Die Frequenzen f₁ und f₂ liegen für gewöhnlich im Bereich einiger Megahertz und die Differenzfrequenz ist für gewöhnlich im Bereich von wenigen 100 Hz. Durch die hohe Senderate und den dadurch bedingten geringen zeitlichen Abstand einzelner aufeinanderfolgender emittierter elektromagnetischer Signale sind die aufeinanderfolgend vom Füllstandsmessgerät empfangenen reflektierten elektromagnetischen Signale quasi identisch im dem Sinne, dass die reflektierten Signale nicht durch Änderungen des Füllstands beeinflusst sind, weil Änderungen im Füllstand in Relation zur Senderate nur sehr langsam erfolgen. Da die Abtastung der elektromagnetischen Signale mit einer Abtastrate erfolgt, welche nur sehr geringfügig unterhalb der Senderate liegt, verschiebt sich der Abtastzeitpunkt aufeinander folgender Signale geringfügig, so dass durch die Unterabtastung im Zusammenspiel mit quasi unveränderten reflektierten Signalen sich ein genaues Bild der Signale ergibt, aus denen die Laufzeit berechnet wird. Aus den unterabgetasteten Signalen kann die Laufzeit der Signale und daraus wiederum der Füllstand berechnet werden. Für eine hohe Genauigkeit der Unterabtastung ist eine rauscharme und jitterarme Zeitbasis unerlässlich. Rauschen würde das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtern und Jitter zu einer Unsicherheit bei den Abtastzeitpunkten führen.
In der DE 102 44 348 A1 wird ein Frequenzsynthesizer mit einem Referenzoszillator beschrieben, der ein erstes Ausgangssignal mit der Frequenz f₁ erzeugt und das mit dem Teilungsfaktor M frequenzgeteilte erste Ausgangssignal an einen Mischer leitet. Ein Regeloszillator erzeugt ein zweites Ausgangssignal mit der Frequenz f₂ und das mit dem Teilungsfaktor N frequenzgeteilte zweite Ausgangssignal ist ebenfalls dem Mischer zugeführt. Das aus dem frequenzgeteilten ersten Ausgangssignal und dem frequenzgeteilten zweiten Ausgangssignal gemischte Signal ist einem Phasen-Frequenz-Diskriminator zugeführt, der dieses Signal und das durch den Teilungsfaktor L frequenzgeteilte erste Ausgangssignal auswertet. Die Regelgröße des Phasen-Frequenz-Diskriminators ist durch einen Schleifenfilter gefiltert und ist die Regeleingangsgröße des Regeloszillators. In der Praxis hat sich gezeigt, dass der Phasenregelkreis zwar eine vergleichsweise hohe Dynamik aufweist, aber die erzielbare Stabilität sowie das damit verbundene Rauschverhalten noch verbesserungswürdig ist. Daneben ist der Aufwand hinsichtlich der Schaltungstechnik beträchtlich.
Aus der DE 10 2004 063 935 A1 ist ein Frequenzsynthesizer mit einem Referenzoszillator und einem dem Referenzoszillator nachgeschalteten ersten Frequenzteiler mit dem Teilungsfaktor V₁ zur Ausgabe des ersten Ausgangssignals mit der Frequenz f₁ und mit einem Regeloszillator und einem dem Regeloszillator nachgeschalteten zweiten Frequenzteiler mit dem Teilungsfaktor V₂ zur Ausgabe des zweiten Ausgangssignals mit der Frequenz f₂ bekannt. Das Ausgangssignal des Referenzoszillators ist durch einen dritten Frequenzteiler mit dem Teilungsfaktor M geteilt und einem Mischer zugeführt. Entsprechend ist das Ausgangssignal des Regeloszillators durch einen vierten Frequenzteiler mit dem Teilungsfaktor N geteilt und dem Mischer zugeführt. Das Ausgangssignal des Mischers ist eines von zwei Eingangssignalen eines Phasen-Frequenz-Diskriminators. Das andere Eingangssignal des Phasen-Frequenz-Diskriminators ist das durch einen fünften Frequenzteiler mit dem Teilungsfaktor L geteilte Ausgangssignal des Referenzoszillators. Die Regelgröße des Phasen-Frequenz-Diskriminators ist einem Schleifenfilter zugeführt und das Ausgangssignal des Schleifenfilters ist die Regelgröße für den Regeloszillator. Die Ausgabe des ersten Ausgangssignals mittels des ersten Frequenzteilers und des zweiten Ausgangssignals mittels des zweiten Frequenzteilers ermöglicht, dass sich die beiden Oszillatoren, nämlich der Referenzoszillator und der Regeloszillator, einander deutlich weniger durch Verkopplungseffekte stören, da die beiden Oszillatoren nun mit weit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten. An den Mischer stellen sich jedoch hohe Anforderungen bezüglich der Rauscheigenschaften, wodurch sich ein erheblicher analoger Schaltungsaufwand ergibt.
Ferner ist aus der DE 10 2010 011 128 A1 ein Frequenzsynthesizer mit einem Referenzoszillator und einem dem Referenzoszillator nachgeschalteten ganzzahligen ersten Frequenzteiler mit Teilungsfaktor V₁ zur Erzeugung des ersten Ausgangssignals mit der Frequenz f₁ und einem Regeloszillator mit einem dem Regeloszillator nachgeschalteten ganzzahligen zweiten Frequenzteiler mit dem Teilungsfaktor V₂ zur Erzeugung des zweiten Ausgangssignals mit der Frequenz f₂ bekannt. Das durch einen fraktionalen dritten Frequenzteiler mit dem Teilungsfaktor R geteilte Signal des Referenzoszillators ist einem Phasen-Frequenz-Diskriminator zugeführt. Ferner ist dem Phasen-Frequenz-Diskriminator auch das durch einen fraktionalen dritten Frequenzteiler mit dem Teilungsfaktor L geteilte Signal des Regeloszillators zugeführt. Die Regelgröße des Phasen-Frequenz-Diskriminators ist durch einen Schleifenfilter gefiltert und steuert den Regeloszillator.
Zwar ist es möglich mit diesem Frequenzsynthesizer sehr geringe Differenzfrequenzen zu erzeugen, jedoch ist der Aufwand auch beträchtlich und mit entsprechenden Kosten verbunden. Auch ist für die Funktion des Frequenzsynthesizers eine den Phasen-Frequenz-Diskriminator, den Schleifenfilter, den Regeloszillator und den dritten Frequenzteiler umfassende Phasenregel schleife erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Frequenzsynthesizer der vorgenannten Art anzugeben, der ein erstes Ausgangssignal mit der Frequenz f₁ und ein zweites Ausgangssignal mit der Frequenz f₂ erzeugt, wobei die Differenzfrequenz Δf = f₁ – f₂ für die Anwendung der Unterabtastung ausreichend gering ist, und dessen Herstellungskosten reduziert sind.
Der erfindungsgemäße Frequenzsynthesizer, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Inkrementierer mit dem vorgebbaren Inkrement I₁ und dem vorgebbaren Endwert E₁ den ersten fraktionalen Teiler steuert und ein zweiter Inkrementierer mit dem vorgebbaren Inkrement I₂ und dem vorgebbaren Endwert E₂ den zweiten fraktionalen Teiler steuert, wobei jeder der Inkrementierer von dem Ausgangssignal des jeweiligen fraktionalen Teilers getaktet ist, bei Erreichung des Endwerts die Ausgabe eines Endsignals und die Zurücksetzung des Inkrementierers auf den Übertrag als neuen Startwert realisiert ist und das Endsignal zwischen den beiden Teilungsfaktoren des fraktionalen Teilers umschaltet, so dass die Umschaltsequenz des Endsignals periodisch zum Ausgangssignal des fraktionalen Teilers ist.
Die Frequenz des ersten Ausgangssignals ist
und die Frequenz des zweiten Ausgangssignals ist entsprechend
Dabei sind die Teilungsfaktoren T₁, T₂, die Inkremente I₁, I₂ und die Endwerte E₁, E₂ positive ganze Zahlen, wobei die Teilungsfaktoren derart gewählt sind, dass sie von den fraktionalen Teilern verarbeitbar sind, die Endwerte derart gewählt sind, dass sie von den Inkrementierern verarbeitbar sind und die Inkremente stets kleiner oder gleich dem jeweiligen Endwert sind. Durch das Verhältnis von Inkrement zu Endwert können Frequenzen der Ausgangssignale erzeugt werden, für die gilt:
Die Differenzfrequenz zwischen dem ersten Ausgangssignal und dem zweiten Ausgangssignal ist
Durch die von einem Fachmann ausführbare geeignete Wahl der Teilungsfaktoren, der Inkremente und der Endwerte sind für die Anwendung ausreichend geringe Differenzfrequenzen realisierbar.
Die Erzeugung des ersten Ausgangssignals und des zweiten Ausgangssignals erfolgt im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Frequenzsynthesizern mit einem reduzierten technischen Aufwand und daher auch mit reduzierten Kosten, wobei die Ausgangssignale rauscharm und jitterarm sind. So werden weder ein Phasenfrequenzdetektor noch ein Phasenregelkreis benötigt. Hinzu kommt, dass nicht mehr als zwei – fraktionale – Frequenzteiler benötigt werden. Die Steuerung der fraktionalen Frequenzteiler erfolgt durch Inkrementierer, die im Verhältnis zu bekannten Steuerungen aus dem Stand der Technik einfacher realisierbar sind.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Frequenzsynthesizers ist der Teilungsfaktor T₁ gleich dem Teilungsfaktor T₂. Zur Vereinfachung wird daher ein neuer Teilungsfaktor durch T = T₁ = T₂ definiert. Damit berechnet sich die Differenzfrequenz gemäß
Durch die Verwendung des gleichen Teilungsfaktors T = T₁ = T₂ für beide Inkrementierer vereinfacht sich die Steuerung der Inkrementierer ohne jedoch die Differenzfrequenz soweit zu erhöhen, dass die Anwendung beeinträchtigt ist.
In einem ganz besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst jeder der beiden Inkrementierer sowohl einen Addierer als auch einen Speicher. Jeder der beiden Addierer weist einen erster Addierereingang, einen zweiten Addiereingang, einen Addiererausgang und einen Endausgang zur Ausgabe des Endsignals auf. Der erste Addierer gibt das Endsignal E₁ aus und der zweite Addierer das Endsignal E₂. Ist die Summe aus dem am ersten Addierereingang anliegenden Datentwort und dem am zweiten Addierereingang anliegenden Datentwort größer als der vorgegebene Endwert, wird am Endausgang das Endsignal ausgegeben und der Addierer auf den Übertrag als neuen Startwert zurückgesetzt.
Jeder der Speicher weist einen Speichereingang, einen Speicherausgang und einen von dem Ausgangssignal des jeweiligen Frequenzteilers gespeisten Takteingang auf. Ein am Speichereingang anliegendes Datenwort wird um eine Taktperiode verzögert am Speicherausgang ausgegeben. Der Speichereingang ist mit dem Addiererausgang verbunden und der Speicherausgang ist mit dem ersten Addierereingang verbunden.
Am zweiten Addierereingang des ersten Addierers liegt das Inkrement I₁ an und am zweiten Addierereingang des zweiten Addierers das Inkrement I₂. Im Ausgangszustand liegt am Addiererausgang das Inkrement an und am Speicherausgang der Wert 0. Nach dem ersten Takt liegt am Speicherausgang das Inkrement an, so dass auch am ersten Addierereingang das Inkrement anliegt und am Addiererausgang die Summe aus dem Datenwort am ersten Addierereingang und dem Datenwort am zweiten Addierereingang anliegt, was das doppelte Inkrement ist. Dieser Ablauf wiederholt sich bis zu dem Takt, bei dem die Summe nicht mehr kleiner oder gleich dem Endwert ist. Dann wird das Endsignal ausgegeben und der Addierer auf den Übertrag als neuen Startwert zurückgesetzt. In einer Weiterbildung der Erfindung kann der Endwert des Addierers gleich dem maximalen Wert des Addierers sein. Hat der Addierer beispielsweise eine Breite von m bit, so ist die maximal darstellbare Zahl 2^m – 1.
Zur Minimierung der Differenzfrequenz kann das Inkrement I₁ um den Wert 1 kleiner als der Endwert E₁ gewählt sein und/oder das Inkrement I₂ um den Wert 1 kleiner als der Endwert E₂. Zusätzlich können die Teilungsfaktoren zu T = T₁ = T₂ gewählt sein. Damit wird die Differenzfrequenz zu
Zur Erreichung der minimalen Differenzfrequenz muss der Wert des Zählers 1 betragen. Das kann erreicht werden, wenn der Endwert E₂ um den Wert 1 größer als der Endwert E₁ ist. Damit wird die minimale Differenzfrequenz zu
Das Ausgangssignal eines Frequenzteilers, also auch eines fraktionalen Frequenzteilers, hat ein sehr kleines Tastverhältnis. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist daher das Ausgangssignal des Frequenzteilers durch einen Frequenzhalbierer in der Frequenz halbiert, wodurch das Tastverhältnis symmetrisiert wird und infolgedessen der Grundwellenanteil vergrößert und entsprechend die Störungen reduziert werden. Der Frequenzhalbierer kann durch ein taktgesteuertes Flipflop, insbesondere durch ein taktgesteuertes D-Flipflop, realisiert sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Ausgangssignal durch einen Bandpass gefiltert, dessen Mittenfrequenz gleich der Frequenz des Ausgangssignals ist. Durch die Bandpassfilterung werden Störsignale außerhalb des Durchlassbereichs gedämpft. Als Bandpassfilter können Keramikfilter und/oder Quarzfilter eingesetzt werden. Quarzfilter kommen einem idealen Bandpassfilter näher, sind jedoch wesentlich teurer als Keramikfilter, wohingegen die Eigenschaften von Keramikfiltern denen eines idealen Bandpassfilters weiter entfernt sind.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Ausgangssignal und das zweite Ausgangssignal durch jeweils einen Bandpassfilter gefiltert und die Bandbreite der Bandpässe ist auf die durch die Periodizität der Umschaltsequenzen entstehenden Störsignale abgestimmt. Eine Verkürzung der Umschaltsequenzen z. B. hat zur Folge, dass der Abstand der Störsignale im Frequenzbereich von der Grundwelle größer wird. Durch eine geeignete Wahl der Bandbreite der Bandpässe und der Länge der Umschaltsequenzen können Störsignale effektiv unterdrückt werden.
Im Einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Frequenzsynthesizer weiterzubilden und auszugestalten. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt die Figur ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Frequenzsynthesizers. Der Frequenzsynthesizer erzeugt aus einem Referenzsignal s_ref mit der Frequenz f_ref ein erstes Ausgangssignal s₁ mit der Frequenz f₁ und ein zweites Ausgangssignal s₂ mit der Frequenz f₂. Ein erster fraktionaler Frequenzteiler 2 generiert aus dem Referenzsignal s_ref das erste Ausgangssignal s₁. Ein zweiter fraktionaler Teiler 3 generiert aus dem Referenzsignal s_ref das zweite Ausgangssignal s₂. Den Teilungsfaktoren T sowohl des ersten fraktionalen Teilers 2 als auch des zweiten fraktionalen Teilers 3 ist der Wert P zugewiesen. Eine Steuerung 4 schaltet den Teilungsfaktor T des ersten fraktionalen Teilers 2 periodisch und getaktet durch das Ausgangssignal s₁ zwischen dem Wert T und dem Wert T + 1 um. Entsprechend schaltet die Steuerung 4 den Teilungsfaktor T des zweiten fraktionalen Teilers 2 periodisch und getaktet durch das Ausgangssignal s₂ zwischen dem Wert T und dem Wert T + 1 um. Die Steuerung 4 besteht im Wesentlichen aus einem ersten Inkrementierer 5 zur Steuerung des ersten fraktionalen Teilers 2 und einem zweiten Inkrementierer 6 zur Steuerung des zweiten fraktionalen Teilers 3.
Jeder der Inkrementierer 5, 6 umfasst einen Addierer 7 und einen Speicher 8. Jeder der Addierer 7 weist einen ersten Addierereingang A, einen zweiten Addierereingang B, einen Addiererausgang A + B und einen Endausgang K zur Ausgabe des Endsignals e auf. Der Endwert des ersten Addierers 7 ist E₁ und der Endwert des zweiten Addierers E₂. Jeder der Speicher 8 weist einen Speichereingang D, einen Speicherausgang Q und einen Takteingang C auf. Ein am Speichereingang D anliegendes Datentwort wird durch den Speicher 8 um eine Taktperiode verzögert am Speicherausgang Q ausgegeben. Der Addiererausgang A + B der Addierer 7 ist mit dem Speichereingang D der Speicher 8 verbunden. Der Speicherausgang Q ist mit dem ersten Addierereingang A verbunden. Am zweiten Addierereingang B des ersten Addierers 7 liegt das Inkrement I₁ an. Entsprechend liegt am zweiten Eingang B des zweiten Inkrementierers 7 das Inkrement I₂ an.
Zur Erläuterung der Funktionsweise der Inkrementierer 5, 6 wird der erste Inkrementierer 5 betrachtet. Im Ausgangszustand liegt am Addiererausgang A + B des ersten Addierers 7 der Wert I₁ an. Mit dem ersten Takt des Signals s₁ am Takteingang C des ersten Speichers 8 erscheint der am Speichereingang D anliegende Wert I₁ am Speicherausgang Q und damit auch am ersten Addierereingang A. Am Addiererausgang A + B liegt jetzt den Wert 2I₁ an. Dieser Ablauf wiederholt sich, während der am Addiererausgang A + B anliegende Wert kleiner oder gleich dem Endwert E₁ ist. Bei Erreichung des Endwerts E₁ gibt der Addierer am Endausgang K das Endsignal e aus. Das Endsignal e schaltet den Teilungsfaktor T des ersten fraktionalen Teilers 2 von T auf (T + 1) um. Nach dem Erreichen des Endwerts E₁ wird der Addierer 7 zurückgesetzt, d. h. das Endsignal e wird zurückgesetzt und der Addiererausgang A + B auf den Wert des Übertrags als neuen Startwert des Ausgangszustands gesetzt. Dabei ist der Übertrag der größte Wert des Addiererausgangs A + B, der kleiner als der oder gleich dem Endwert E₁ ist, wobei zu diesem Wert das Inkrement I₁ addiert wird und der Endwert E₁ subtrahiert wird.
Die Frequenz f₁ des ersten Ausgangssignals s₁ ist
und die Frequenz f₂ des zweiten Ausgangssignals s₂ ist
Der erste Addierer 7 ist derart eingestellt, dass das Inkrement I₁ um den Wert 1 kleiner ist als der Endwert E₁; es ist also I₁ = E₁ – 1. Entsprechend ist der zweite Addierer derart eingerichtet, dass das Inkrement I₂ um den Wert 1 kleiner ist als der Endwert E₂; es ist also I₂ = E₂ – 1. Damit wird die Differenzfrequenz zu
Des Weiteren ist de Endwert E₂ um den Wert 1 größer als der Endwert E₁, es ist also E₂ = E₁ + 1. Damit wird die Differenzfrequenz zu
Durch die Art und Weise der Erzeugung der beiden Ausgangssignale s₁ und s₂ ist das Tastverhältnis dieser Signale unsymmetrisch. Zur Symmetrisierung der Tastverhältnisse werden die Ausgangssignale s₁, s₂ Frequenzhalbierern 9 zugeführt. Mit der Frequenzhalbierung einher geht eine Symmetrisierung der Tastverhältnisse der Ausgangssignale s₁, s₂. Diese Symmetrisierung erhöht den Grundwellenanteil in den Ausgangssignalen und erhöht infolgedessen den Signal-Stör-Abstand. Durch die Periodizität der Umschaltsequenzen der Endsignale e ergeben sich im Spektrum der Ausgangssignale s₁, s₂ Störspektren, deren Abstand von der Grundwelle mit sinkender Länge der Umschaltsequenzen ansteigt. Diese Störspektren sind auf die Bandbreite der Bandpässe abgestimmt, so dass die Störspektren weitestgehend unterdrückt sind. Als Bandpässe 10 kommen hier Keramikfilter zum Einsatz.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10244348 A1 [0005]
DE 102004063935 A1 [0006]
DE 102010011128 A1 [0007]

Claims

Frequenzsynthesizer (1) zur Erzeugung einer rauscharmen und jitterarmen Zeitbasis aus einem Referenzsignal s_ref mit der Frequenz f_ref, wobei die Zeitbasis aus einem ersten Ausgangssignal s₁ mit der Frequenz f und einem zweiten Ausgangssignal s₂ mit der Frequenz f₂ besteht, mit einem ersten fraktionalen Teiler (2) mit dem Teilungsfaktor T₁ zur Erzeugung des ersten Ausgangssignals s₁ aus dem Referenzsignal s_ref, einem zweiten fraktionalen Teiler (3) mit dem Teilungsfaktor T₂ zur Erzeugung des zweiten Ausgangssignals s₂ aus dem Referenzsignal s_ref und einer Steuerung (4) zur durch das erste Ausgangssignal s₁ getakteten periodischen Umschaltung des ersten fraktionalen Teilers (2) zwischen T₁ und (T₁ + 1) und zur durch das zweite Ausgangssignal s₂ getakteten periodischen Umschaltung des zweiten fraktionalen Teilers (3) zwischen T₂ und (T₂ + 1), dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Inkrementierer (5) mit dem vorgebbaren Inkrement I₁ und dem vorgebbaren Endwert E₁ den ersten fraktionalen Teiler (2) steuert und ein zweiter Inkrementierer (6) mit dem vorgebbaren Inkrement I₂ und dem vorgebbaren Endwert E₂ den zweiten fraktionalen Teiler (3) steuert, wobei jeder der Inkrementierer (5, 6) vom Ausgangssignal s₁, s₂ des jeweiligen fraktionalen Teilers (2, 3) getaktet ist, bei Erreichung des Endwerts E₁, E₂ die Ausgabe eines Endsignals e und die Zurücksetzung des Inkrementierers (5, 6) auf den Übertrag als neuen Startwert realisiert ist und das Endsignal e zwischen den beiden Teilungsfaktoren des fraktionalen Teilers (2, 3) umschaltet, so dass die Umschaltsequenz des Endsignals e periodisch zum Ausgangssignal s₁, s₂ des fraktionalen Teilers (2, 3) ist.
Frequenzsynthesizer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilungsfaktor T₁ gleich dem Teilungsfaktor T₂ ist.
Frequenzsynthesizer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Inkrementierer (5, 6) einen Addierer (7) und einen Speicher (8) umfasst, wobei der Addierer (7) einen ersten Addierereingang A, einen zweiten Addierereingang B, einen Addiererausgang A + B und einen Endausgang K zur Ausgabe des Endsignals e aufweist, der Speicher (8) einen Speichereingang D, einen Speicherausgang Q und einen mit dem Ausgangssignal s₁, s₂ des jeweiligen Frequenzteilers (2, 3) verbundenen Takteingang C aufweist, der Speicher (8) ein am Speichereingang D anliegendes Datenwort um eine Taktperiode verzögert am Speicherausgang Q ausgibt, der Speichereingang D mit dem Addiererausgang A + B verbunden ist, der Speicherausgang Q mit dem ersten Addierereingang A verbunden ist, am zweiten Addierereingang B des ersten Addierers (7) ein Datenwort mit dem Wert I₁ anliegt und am zweiten Addierereingang B des zweiten Addierers ein Datenwort mit dem Wert I₂ anliegt.
Frequenzsynthesizer (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Endwert E₁ des ersten Addierers (7) und/oder der Endwert E₂ des zweiten Addierers (7) der jeweilige Maximalwert ist.
Frequenzsynthesizer (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Inkrement I₁ um den Wert 1 kleiner ist als der Endwert E₁ und/oder dass das Inkrement I₂ um den Wert 1 kleiner ist als der Endwert E₂.
Frequenzsynthesizer (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Endwert E₂ um den Wert 1 größer ist als der Endwert E₁.
Frequenzsynthesizer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Frequenzhalbierer (9) die Frequenz des jeweiligen Ausgangssignals s₁, s₂ halbiert und das jeweilige Ausgangssignal s₁, s₂ symmetrisiert.
Frequenzsynthesizer (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzhalbierer (9) taktgesteuerte Flipflops sind, insbesondere taktgesteuerte D-Flipflops sind.
Frequenzsynthesizer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Ausgangssignale s₁, s₂ durch einen Bandpass (10) gefiltert wird.
Frequenzsynthesizer (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpass (10) Keramikfilter und/oder Quarzfilter umfasst.
Frequenzsynthesizer (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Perioden der Umschaltsequenzen auf die Bandbreite der Bandpässe (10) abgestimmt sind in dem Sinne, dass die durch die Periodizität der Umschaltsequenzen entstehenden Störsignale unterdrückt sind.