DE10244348A1

DE10244348A1 - Frequenzsynthesizer zur Erzeugung von Signalen mit extrem kleinem Frequenzabstand

Info

Publication number: DE10244348A1
Application number: DE2002144348
Authority: DE
Inventors: Thomas Musch; Burkhard Schiek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-01

Abstract

Bei dem Frequenzsynthesizer zur Erzeugung von zwei Signalen mit extrem kleinem Frequenzabstand stabilisiert ein Referenzsignal aus einem stabilen Referenzoszillator einen abstimmbaren Oszillator in einem Phasenregelkreis derart, daß die Ausgangssignale des Referenzoszillators und des abstimmbaren Oszillators durch den Phasenregelkreis auf einen sehr kleinen Frequenzabstand stabilisiert werden. Dieser Frequenzabstand ist deutlich kleiner als die Vergleichsfrequenz, die an den Phasen-Frequenz-Diskriminatoren anliegt, wobei durch die im Vergleich zu der Differenzfrequenz hohe Vergleichsfrequenz an dem Phasen-Frequenz-Diskriminator die Schleifenbandbreite des Phasenregelkreises hoch sein kann, mit dem Vorteil einer besseren Stabilisierung des abstimmbaren Oszillators. Durch Teilung der Referenzfrequenz aus dem Referenzoszillator kann man die Differenzfrequenz direkt gewinnen. Eine Steuerschaltung muß in diesem Synthesizer die Teilerfaktoren einstellen, da sie nicht unabhängig voneinander gewählt werden dürfen.

Description

Die Erfindung geht aus und betrifft einen Frequenzsynthesizer laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Frequenzsynthesizer dieser Art zur Anbindung eines hochfrequenten Oszillators an einen zweiten in seiner Frequenz vorgegebenen Oszillator sind bekannt. Dabei werden die beiden Oszillatoren gegeneinander gemischt und die Differenzfrequenz wird direkt stabilisiert. Die direkte Regelung auf die kleine Differenzfrequenz kann zwar prinzipiell auch einen kleinen Frequenzabstand erzeugen, da die Vergleichsfrequenz der Differenzfrequenz-Regelschleife dann aber ebenso niedrig werden muß wie die Differenzfrequenz selbst, ist dieses Verfahren nicht gut geeignet, um in der Praxis einen kleinen Frequenzoffset zwischen den Signalen zu erreichen. Außerdem erschwert das gezielte Vorsetzen des angehängten Oszillators in die Nähe der gewünschten Frequenz die Realisierung eines solchen Systems.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen robusten Frequenzsynthesizer zu schaffen, der einen Oszillator in seiner Frequenz derart an einen zweiten Oszillator anbindet, daß beide Signale eine kleine Frequenzdifferenz aufweisen, ohne dabei eine kleine Vergleichsfrequenz des Phasenregelkreises in Kauf nehmen zu müssen.

Die erfindungsgemäße Schaltung basiert auf einem Phasenregelkreis, der das durch den Frequenzteiler 6 durch L geteilte Ausgangssignal des Referenzoszillators 1 mit der Frequenz f₁ als Bezugsfrequenz benutzt und damit das in dem Mischer 5 gebildete Differenzfrequenzsignal zwischen dem in dem Frequenzteiler 3 durch M geteilten Ausgangssignal des Referenzoszillators 1 und dem in dem Frequenzteiler 4 durch N geteilten Ausgangssignals des zu stabilisierenden Oszillators 2 vergleicht, um den zu stabilisierenden Oszillator 2 in seiner Frequenz entsprechend nachzuregeln.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt das Prinzipschaltbild des einschleifigen Synthesegenerators bestehend aus dem Referenzoszillator 1, dem phasengeregelten Oszillator 2, den an den Ausgängen der Oszillatoren 1 und 2 angeordneten Frequenzteilern 3, 4 und 6, dem zwischen den Frequenzteilern 3 und 4 angeordneten Mischer 5, dem Phasen-Frequenz-Diskriminator 7 dessen Eingangssignale aus dem Mischer 5 und dem Frequenzteiler 6 stammen sowie dem in der Steuerleitung zwischen dem Oszillator 2 und dem Phasen-Frequenz-Diskriminator 7 angeordneten Schleifenfilter 8. Zur direkten Erzeugung der Differenzfrequenz dient der Frequenzteiler 9 mit dem Teilungsfaktor L·M. Die Steuerlogik 10 generiert in dem System die Teilerfaktoren für die Frequenzteiler 3, 4, 6 und 9, die voneinander abhängig sind.
Der Oszillator 1 erzeugt ein Signal der Frequenz f₁, auf das sich alle weiteren Frequenzen direkt beziehen. Nimmt man zunächst an, daß die Frequenz f₂ größer als f₁ sein soll, so ergibt sich im eingeschwungenen Zustand die Frequenz f₂ des Oszillators 2 zu:
Das Vorzeichen hängt dabei von den Frequenzverhältnissen am Mischer ab. Das positive Vorzeichen muß gewählt werden, wenn
ist, das negative Vorzeichen muß gewählt werden, wenn
ist. Mit Gleichung (1) und unter Berücksichtigung des Vorzeichens ergibt sich die Zwischenfrequenz Δf in Abhängigkeit von f₁ zu:
Die Vergleichsfrequenz f_r am PFD 7 im eingeschwungenen Zustand ist dabei durch
gegeben, wobei D eine ganzzahlige Hilfsvariable darstellt, die zur Vereinfachung eingeführt wird. Die Wahl des oberen Vorzeichens bezieht sich wiederum auf das Frequenzverhältnis in Gleichung (2) und die Wahl des unteren Vorzeichens auf das Frequenzverhältnis in Gleichung (3), welche die Seitenbandlage am Mischer 5 bestimmen. Bei geeigneter Wahl der drei Teilungsfaktoren L, M und N kann man eine Differenzfrequenz f_zf zwischen den beiden Oszillatoren 1 und 2 von
einstellen. Dabei wird der Zählerterm LN + MN – LM in Gleichung (6) zu Eins gesetzt. Dies stellt zugleich den kleinstmöglichen von Null verschiedenen Wert dar, da die Teilerfaktoren L, M und N nur ganzzahlig sein können. Die niedrige Differenzfrequenz wird erreicht, obwohl die Vergleichsfrequenz des Phasenregelkreises f_r nur bei
liegt. Die Differenzfrequenz wird damit kleiner als die Vergleichsfrequenz an dem Phasen-Frequenz-Diskriminator 7. Damit ist eine größere Bandbreite der Phasenregelkreise erreichbar, was sich sowohl positiv auf eine kürzere Einschwingzeit als auch auf eine breitbandigere Unterdrückung des Phasenrauschens des Oszillators 2 auswirkt.
Unter Benutzung der Zusammenhänge in den Gleichungen (4) und (5) ergibt sich ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den Teilerfaktoren, der Bezugsfrequenz f₁ des Oszillators 1 sowie der gesuchten Differenzfrequenz Δf zu:
Auch hierbei bezieht sich die Wahl des oberen Vorzeichens wiederum auf das Frequenzverhältnis in Gleichung (2) und die Wahl des unteren Vorzeichens auf ein Frequenzverhältnis entsprechend Gleichung (3). Ersichtlich sollte man zum Erzielen einer möglichst kleinen Differenzfrequenz die Hilfsvariable D zu Eins setzen.
Die obige Berechnung der Teilungsfaktoren bezog sich zunächst auf den Fall, dass die Frequenz f₂ des Oszillators 2 größer als die Frequenz f₁ des Oszillators 1 sein soll. Für den Fall, dass die Frequenz f₂ kleiner als die Frequenz f₁ sein soll findet man analog zur obigen Vorgehensweise wiederum einen Zusammenhang zwischen der Differenzfrequenz Δf, den Teilungsfaktoren sowie der Bezugsfrequenz f₁ entsprechend:
Die Wahl des oberen Vorzeichens in dieser Gleichung erfolgt wiederum bei einem Frequenzverhältnis am Mischer 5 entsprechend Gleichung (2) und die Wahl des unteren Vorzeichens bei einem Frequenzverhältnis entsprechend Gleichung (3).
Eines von vielen Anwendungsfeldern für derartige dicht nebeneinander laufende Oszillatoren stellen heterodyne Puls-Meßsysteme dar. 2 zeigt beispielhaft ein solches Meßsystem, mit dem die Übertragungsfunktion eines Meßobjektes nach Betrag und Phase bestimmt werden kann. Die Ausgangssignale der beiden Oszillatoren 1 und 2 sind in der Frequenz leicht versetzt. Das Ausgangssignal des Oszillators 2 wird in der Impulsformerstufe 12 in sehr kurze Pulse umgesetzt. Diese Pulsfolge dient als Meßsignal und wird auf ein Meßobjekt gegeben, von dem zum Beispiel die Übertragungsfunktion bestimmt werden soll. Bei entsprechender Beschaltung können selbstverständlich sämtliche Streuparameter vermessen werden. In dem hier angegebenen Beispiel soll exemplarisch nur die Transmission nach Betrag und Phase ausgemessen werden.
Das Signal des Oszillators 1 wird analog der zuvor beschriebenen Vorgehensweise zunächst in der Impulsformerstufe 11 in eine zweite Folge sehr kurzer Pulse umgesetzt. Diese Pulsfolge dient als Lokaloszillatorsignal für die Mischer 13 und 14. Da es in der Frequenz leicht gegenüber f₁ versetzt ist, haben die Signale U_ref und Um im statischen eingeschwungenen Zustand, bei Ansteuerung der Teiler 3, 4 und 6 wie oben beschrieben, eine kleine Wiederholfrequenz, die der Differenzfrequenz |f₁ – f₂| = f_zf entspricht. Die Form dieser Zwischenfrequenzsignale U_ref und U_m hat wiederum Impulscharakter. Aufgrund der kleinen Wiederholrate f_zf der Pulse im Vergleich zu den hochfrequenten Pulsfolgen erfolgt eine Dehnung der Zeitachse im Verhältnis der hochfrequenten Pulsfolgefrequenz zu der kleinen Differenzfrequenz f_zf.
Die Frequenzanteile der Signale U_ref und U_m können klein genug gewählt werden, um eine unmittelbare Analog-Digital-Wandlung hoher Bit-Auflösung durchführen zu können. Daher ist es mit dem erfindungsgemäßen Synthesegenerator möglich, ein sehr preiswertes heterodynes Meßsystem aufzubauen.
Die Meßgrößen U_ref und U_m enthalten die komplette Information der komplexen Übertragungsfunktion des Meßobjektes. Da die Differenzfrequenzf_zf ohne großen Aufwand am Ausgang des Hilfsteilers 9 zur Verfügung gestellt wird, hat man mit diesem Signal die Möglichkeit, die Abtastung der Signale U_ref und U_m zu synchronisieren.

Claims

Frequenzsynthesizer zur Anbindung eines abstimmbaren Oszillators an einen Referenzoszillator mit einem kleinen Frequenzabstand bestehend aus, einem Masteroszillator 1 mit vorgegebener Frequenz f₁, einem Frequenzteiler 6 zur Erzeugung des Referenzfrequenzsignals R mit der Frequenz f_r für den Phasen-Frequenz-Diskriminator 7, dem abstimmbaren Oszillator 2 zur Erzeugung des zweiten leicht frequenzversetzten Ausgangssignals mit der Frequenz f₂, zwei zwischen den Oszillatoren 1 und 2 sowie dem Mischer 5 angeordneten Frequenzteilern 3 und 4, deren Ausgangssignale in dem Mischer 5 das Differenzfrequenzsignal V bilden, das als Vergleichssignal in dem Phasen-Frequenz-Diskriminator 7 mit dem Referenzsignal R verglichen wird, einem in der Steuerleitung zwischen dem Phasen-Frequenz-Diskriminator 7 und dem einstellbaren Oszillator 2 angeordneten Schleifenfilter 8, einem Frequenzteiler 9 mit dem Teilungsfaktor L·M zur direkten Gewinnung der Differenzfrequenz fz f zwischen den Oszillatoren 1 und 2 sowie einer Steuereinheit 10 zur Generierung der voneinander abhängigen Teilerfaktoren L, M, N der Frequenzteiler 3, 4, 6 und 9, wobei der Term L·N + M·N – L·M dem Betrage nach Eins sein muß.
Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Term L·N + M·N – L·M dem Betrage nach einer ganzen Zahl n entspricht.
Heterodynes Meßsystem auf der Basis des Synthesizers nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei in der Frequenz leicht versetzten Signale f₁ und f₂ als Eingangssignale von zwei Impulsgeneratoren 11 und 12 dienen, deren Puls-Ausgangssignale P₁ und P₂ zur Vermessung der komplexen Übertragungsfunktion eines Meßobjektes 15 nach Betrag und Phase verwendet werden, wobei P₂ das Messsignal darstellt, das auf das Meßobjekt gegeben wird und P₁ das zum Mischen auf eine niedrige Zwischenfrequenz der Signale U_ref und U_m notwendige Lokaloszillatorsignal ist, wobei zur Synchronisation der Abtastung das Ausgangssignal des Teilers 9 verwendet werden kann.
Erweiterung des heterodynen Meßsystems nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung weiterer Meßstellen ein vollständiger heterodyner Netzwerkanalysator realisiert wird, auf den alle gängigen Kalibrierverfahren der Netzwerkanalyse anwendbar sind.
Erweiterung des heterodynen Meßsystems nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Impulssignale sinusförmige Signale verwendet werden.