DE19540198B4

DE19540198B4 - Frequenzsynthesizer

Info

Publication number: DE19540198B4
Application number: DE19540198A
Authority: DE
Inventors: John Michael Hitchin Reeve; John Normann St. Albans Wells
Original assignee: Marconi Instruments Ltd
Current assignee: Marconi Instruments Ltd
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1995-10-28
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2015-10-29
Also published as: GB9421841D0; JP3871727B2; US5781600A; DE19540198A1; GB2294599A; GB2294599B; JPH08228150A

Abstract

Frequenzsynthesizer zum Erzeugen eines Ausgangssignals mit einer Phasenregelschaltung, welcher aufweist:
einen variablen Frequenzoszillator (14) mit einem spannungsgeregelten Oszillator (15) und einer Einrichtung (17) zum Erzeugen einer Anzahl von Harmonischen des Ausgangssignals des spannungsgeregelten Oszillators (15),
eine variable Einrichtung (3; 21, 23, 25) zur Reduktion der Frequenz eines Signals das von dem variablen Frequenzoszillator (14) abgenommen wird,
einen Phasendetektor (5) zum Vergleichen des Frequenzausgangssignals reduzierter Frequenz mit einem Referenzsignal und zum Erzeugen eines Fehlersignals in Abhängigkeit von dem Vergleich, wobei das Fehlersignal den spannungsgeregelten Oszillator (15) steuert,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Harmonischen derartige Harmonische einer oder mehrerer Frequenzen enthalten, die anders oder ungleich als das 2ⁿ-fache der Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators sind, wobei n eine positive ganze Zahl ist, und daß der variable Frequenzoszillator (14) weiter einen variablen Bandpaßfilter mit einer variablen Mittenfrequenz (19) zum Auswählen irgendeiner der Harmonischen aufweist, wobei der Ausgang des...

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzsynthesizer mit einem Phasenregelkreis bzw. eine Phasenregelschleife.
Für die Implementierung von Kommunikationssystemen und der zugeordneten Testeinrichtung ist es notwendig, Hochfrequenzsignale zu erzeugen. In der Praxis erzeugt der Einfluß des inhärenten Rauschens eine unerwünschte bleibende Phasenmodulation des Hochfrequenzsignals. Daraus resultiert eine Begrenzung des dynamischen Bereichs eines Kommunikationssystems und das Absinken der Bit-Fehlerrate. Es ist daher ein Vorteil, den Betrag des bleibenden Phasenrauschens zu minimieren.
1 zeigt einen typischen Synthesizer zum Erzeugen eines breiten Spektrums von Radiofrequenzsignalen. Ein Hochfrequenzsignalausgang eines spannungsgesteuerten Hochfrequenzoszillators (VCO) 1 wird durch einen Frequenzumsetzer 3 umgesetzt, um ein Niederfrequenzsignal zu erhalten. Dieses Signal durchläuft einen Phasendetektor 5, in welchem es phasenmäßig mit einem stabilen, niederfrequenten, rauscharmen Referenzsignal verglichen wird, das eine Quelle 7 liefert. Das resultierende Fehlersignal wird dazu verwendet, um den Hochfrequenz-VCO 1 zu steuern. Der Frequenzausgang von VCO 1 wird gesteuert durch Änderung des Umsetzerverhältnisses N des Frequenzumsetzers 3. Mit der Annahme, daß VCO 1 einen Oktavbereich abdeckt, wird ein kontinuierliches Spektrum von Niederfrequenzsignalen erzeugt, durch aufeinanderfolgende Umsetzung um den Faktor 2 des Ausgangs des Synthesizers an der Stelle 9. Wenn beispielsweise der von VCO 1 abgedeckte Oktavbereich 1200-2400 MHz beträgt, dann ergibt die Umsetzung dieses Bereichs durch 2 den niedrigeren Frequenzbereich 600-1200 MHz und eine Umsetzung um den Faktor 2 dieses Bereichs von 600-1200 MHz ergibt den niedrigeren Bereich 300-600 MHz, und so weiter.
Ein Problem ergibt sich bei dem Synthesizer nach 1 in der Weise, daß es schwierig ist, ein Ausgangssignal des Hochfrequenz-VCO 1 mit ausreichend niedrigbleibendem Phasenrauschen zu erzeugen. Das Rauschen eines Oszillators wird bestimmt durch den Verlust in seinem Resonator, dem durch den Oszillatortransistor und seinen zugehörigen Komponenten eingeführtem, unvermeidbaren Rauschen und dem Rauschen, das durch eine Umwandlung von der Amplitudenmodulation zur Phasenmodulation bei dem Betrieb der VCO-Abgleicherdioden eingeführt wird. Bei hohen Frequenzen steigt das Rauschen, das durch Resonatorverlust beigesteuert wird, in Folge der Skin-Effektverluste in den Resonatorleitungen, dielektrischen Verlusten in den Resonatorkondensatoren und der Verluste in den Resonatorabstimmdioden an. Desweiteren erhöht sich das Rauschen, das durch den Transistor beigesteuert wird, bei hohen Frequenzen. Das durch den Resonatorverlust und die Umwandlung von der Amplituden- zur Phasenmodulation eingeführte Rauschen kann durch den Ersatz von VCO 1 in 1 durch eine Reihe von Oszillatoren mit engem Band reduziert werden, wobei die engen Bänder zusammen den Bereich der Frequenzen abdecken, der durch VCO 1 abgedeckt wird. Ein Oszillator mit engem Band der Reihe wird in den Phasenregelkreis bzw. -schleife der 1 eingeschaltet, wenn es erforderlich ist, daß der Frequenzsynthesizer eine Frequenz innerhalb des engen Bandes dieses Oszillators erzeugt. Die Anwendung einer Reihe von Oszillatoren mit engen Bändern bringt den Nachteil mit sich, daß die Komplexität und die Kosten ansteigen.
Es kann im Stand der Technik akzeptiert werden, daß dann, wenn ein Signal der Frequenz f Phasenrauschseitenbänder hat, die 6dB im Betrag größer sind als Signale der Frequenz f/2, die beiden Signale bezüglich des Rauschens als gleichwertig anzusehen sind. Die Größe von 6dB beruht auf einer Annahme, daß die Multiplikation mit n einer Frequenz in ei ner Weise erfolgt, daß kein Phasenrauschen als solches hinzugefügt wird. Die Phasenrauschseitenbänder in dem Signal nach der Multiplikation sind 20log10(n) dB oder 6dB/Oktave größer als sie vor der Multiplikation waren. Viele gegenwärtige Hochfrequenzoszillatoren haben ein Rauschen, das schlechter als 6dB ist und größer ist als von Oszillatoren, die für den Betrieb mit halber Frequenz in Folge der zuvor erwähnten Rauschprobleme ausgelegt sind.
2 zeigt eine herkömmliche alternative Architektur zu derjenigen in 1. Die Architektur ist prinzipiell die gleiche wie diejenige der 1, gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen belegt, jedoch sind noch zusätzlich ein Frequenzdoppler 11 und der geschaltete Bandpaßfilter 13 vorhanden. Der Oszillator VCO 1 ist so ausgelegt, daß er mit der halben Frequenz arbeitet, mit einer entsprechenden Verbesserung im Phasenrauschen. Der Frequenzdoppler 11 verdoppelt die Frequenz und ein geeignetes Filter der geschalteten Bandpaßfilter 13 ist ausgewählt, um die doppelte Frequenz durchzulassen und Leckagen und unerwünschte Harmonische bzw. Oberschwingungen der durch VCO 1 erzeugten Frequenz zu sperren. Ein Nachteil des Synthesizers nach 2 besteht darin, daß eine kaum durchführbare Feinfilterung erforderlich ist, um das Phasenrauschen zu entfernen, das durch die Doppelstufe hinzugefügt wird.

In der GB 724,942 wird ein Frequenzsteuersystem vorgeschlagen, das einen Hochfrequenzoszillator mit nachgeschaltetem Frequenzverdoppler und eine Frequenzsteuerschleife mit einem Oszillator, einem Interpolations-Mischer, einem selektiven Verstärker, einem Pulsmischer, einem Tiefpassfilter und einer Frequenzsteuerung aufweist.

Der Pulsmischer mischt die Signale, die durch den selektiven Verstärker und einen Kristalloszillator mit nachgeschaltetem Pulsgenerator geliefert werden. Das bei diesem System übernommene oberwellenbasierte Fang- bzw. Einrastverfahren weist jedoch Stabilitätsprobleme auf.

Aus der GB 2203007 ist ein Fest-Frequenzsynthesizer für Datenübertragung im X-Band bekannt, der eine ausgangsseitige Stufenerholungsdiode 16 und einen Bandpassfilter 17 aufweist, das als Festfrequenzfilter ausgelegt ist, wobei jedoch nur eine einzelne Komponente des Ausgangs der Stufenerholungsdiode 16 für die Betriebsfrequenz ausgewählt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Phasenrauschen eines Frequenzsynthesizers ohne großen technischen Aufwand möglichst klein zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Frequenzsynthesizer gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beispielhalber unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 und 2 schematische Blockschaltbilder bekannter Synthesizer;
3 ein schematisches Blockschaltbild des Synthesizers gemäß der Erfindung, und
4 eine abgewandelte Ausführungsform des Synthesizers nach 3.
In den 3 und 4 sind gleiche Schaltungsteile wie in den 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen belegt.
In 3 ist der Hochfrequenz-VCO 1 der 1 und 2 durch einen zusammengesetzten variablen Frequenzoszillator 14 ersetzt, bestehend aus einem niederfrequenten rauscharmen VCO 15, einem Generator 17 zum Erzeugen von Harmonischen und einem spannungsgeregelten Bandpaßfilter 19 mit einem Abgleicherbereich über eine Oktave. Der Generator 17 zum Erzeugen von harmonischen Oberschwingungen erzeugt einen Kamm oder ein Spektrum von Frequenzen, die ein Vielfaches der Frequenz von VCO 15 sind. Das heißt, der Generator 17 liefert als Ausgang die Frequenz von VCO 15 und deren Harmonischen, sämtliche mit ungefähr der gleichen Amplitude (die Amplitude jeder Harmonischen hat weniger als 20dB Abfall gegenüber der Amplitude der Komponente bei der Frequenz des VCO 15). Eine Harmonische wird durch das abgestimmte Bandpaßfilter 19 als die gewünschte Synthesizerausgangsfrequenz ausgewählt.
Wenn beispielsweise ein 1,2 bis 2,4 GHz-Synthesizer erforderlich ist, dann wird dies, wie nachstehend erklärt werden wird, mittels eines VCO 15 erreicht, der einen Abstimmbereich von 400 bis 533,33 MHz hat. Damit der Synthesizer Ausgangsfrequenzen im Bereich von 1,2 bis 1,6 GHz liefert, wird die Harmonische gleich dem dreifachen Wert der Frequenz von VCO 15 durch das Filter 19 ausgewählt und es ist erforderlich, daß der volle Bereich von 400 bis 533,33 MHz des VCO 15 genutzt wird. Damit der Synthesizer Ausgangsfrequenzen im Bereich von 1,6 bis 2,0 GHz liefert, wird der vierfache Wert der Harmonischen ausgewählt und es ist erforderlich, daß der Bereich von 400 500 MHz des vollen Bereichs von 400–533,33 MHz des VCO 15 genutzt wird. Für einen Ausgang des Synthesizers im Bereich von 2,0 bis 2,4 GHz wird der fünffache Wert der Harmonischen ausgewählt und es ist notwendig, daß 400 bis 480 MHz des Bereiches von 400 bis 533,33 MHz verwendet werden. Auf diese Weise wird der gewünschte 1,2 bis 2,4 GHz-Bereich für den Synthesizer erreicht.
Der Abstimmbereich des VCO 15 ist sowohl niedrig, er deckt Frequenzen von 400 bis 533,33 MHz ab, als auch eng, da er ersichtlich weniger als die Hälfte einer Oktave umfaßt, verglichen mit dem Bereich der Frequenzen, die durch den Synthesizer erzeugt werden, der Frequenzen von 1,2 bis 2,4 GHz abdeckt und sich über eine Oktave ausdehnt. Dies erleichtert die zuvor erwähnten Phasenrauschprobleme. Desweiteren ist es leichter, den Synthesizer der 3 mit einer linearen Abstimmcharakteristik in Folge des engen Abstimmbereichs des VCO 15 auszulegen. Das Bandpaßfilter 19 muß die gewünschte Ausgangsfrequenz hindurchlassen, während es die benachbarten Harmonischen im Bereich von 400 bis 533,33 MHz sperrt. Die Verwendung eines Frequenzbereichs niedriger als 400 bis 533,33 MHz für VCO 15 und die Auswahl eines höheren Vielfaches der Harmonischen durch das Filter 19 erreicht sogar noch eine bessere Rauschunterdrückung, erfordert jedoch, daß das Filter 19 benachbarte Harmonische sperrt, die näher an dem gewünschten Ausgang liegen, wodurch das Filter 19 komplizierter im Aufbau wird.
Der Ausgang des Filters 19 ist phasenverriegelt, das heißt, jedes Phasenrauschen, das durch den Generator 17 zum Erzeugen der Harmonischen und das Filter 19 hinzugefügt wird, wird durch die Phasenregelschaltung, bzw. -schleife entfernt, vorausgesetzt, daß es innerhalb der Schleifenbandbreite liegt.
Ein frequenzmodulierter Ausgang des Synthesizers nach 3 kann durch Modulation des Frequenzausgangs durch VCO 15 erreicht werden. In dem voranstehenden Beispiel des 1,2 bis 2,4 GHz Synthesizers kann eine 100 KHz-Abweichung bei einer Ausgangsfrequenz von 1,8 GHz erreicht werden, indem VCO 15 nur um 25 KHz abweichen muß, da dieser Wert mit vier multipliziert wird. Durch Reduzieren der Abweichung wird die erforderliche Störung in Folge der Nichtlinearität in der Ab stimmcharakteristik des Synthesizers verringert. Für große Abweichungen kann es notwendig sein, die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters in Übereinstimmung mit der Frequenzmodulation zu variieren
In 4 sind die gleichen Schaltungsteile wie in den 1, 2 und 3 mit den gleichen Bezugszeichen belegt.
In 4 ist die Architektur der Schaltung die gleiche wie diejenigen der 3, mit der Ausnahme, daß der Frequenzumsetzer 3 durch einen Auswahlmischer 21, einer variablen Niederfrequenzquelle 23 und einem Tiefpaßfilter 25 ersetzt ist. Die reduzierte Frequenz am Eingang des Phasendetektors 5 wird durch geeignetes Einstellen der Quelle 23 erreicht. Das Tiefpaßfilter 25 läßt die gewünschte Differenz der Ausgänge des Filters 19 und der Quelle 23 hindurch und sperrt die unerwünschte Summierung dieser Ausgänge.

Claims

Frequenzsynthesizer zum Erzeugen eines Ausgangssignals mit einer Phasenregelschaltung, welcher aufweist: einen variablen Frequenzoszillator (14) mit einem spannungsgeregelten Oszillator (15) und einer Einrichtung (17) zum Erzeugen einer Anzahl von Harmonischen des Ausgangssignals des spannungsgeregelten Oszillators (15), eine variable Einrichtung (3; 21, 23, 25) zur Reduktion der Frequenz eines Signals das von dem variablen Frequenzoszillator (14) abgenommen wird, einen Phasendetektor (5) zum Vergleichen des Frequenzausgangssignals reduzierter Frequenz mit einem Referenzsignal und zum Erzeugen eines Fehlersignals in Abhängigkeit von dem Vergleich, wobei das Fehlersignal den spannungsgeregelten Oszillator (15) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Harmonischen derartige Harmonische einer oder mehrerer Frequenzen enthalten, die anders oder ungleich als das 2ⁿ-fache der Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators sind, wobei n eine positive ganze Zahl ist, und daß der variable Frequenzoszillator (14) weiter einen variablen Bandpaßfilter mit einer variablen Mittenfrequenz (19) zum Auswählen irgendeiner der Harmonischen aufweist, wobei der Ausgang des Bandpaßfilters (19) den Ausgang des Synthesizers bildet.
Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal, das von dem variablen Frequenzoszillator (14) abgenommen wird, den Ausgang des Synthesizers darstellt.
Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Harmonischen die 3-fache oder 5-fache Größe der Frequenz besitzt, die von dem spannungsgeregelten Oszillator (15) erzeugt wird.
Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Einrichtung (3; 21, 23, 25) zur Frequenzreduktion einen Frequenzumsetzer (3) umfaßt.
Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Einrichtung (3; 21, 23, 25) für die Frequenzreduktion eine variable Frequenzquelle (23), einen Mischer (21) zum Mischen des Ausgangs der variablen Frequenzquelle (23) mit dem Ausgang des variablen Frequenzoszillators (14) und ein Tiefpaßfilter (25) umfaßt, das die Differenz der von dem Mischer (21) gemischten Signale hindurchläßt und die Summe der von dem Mischer (21) gemischten Signale sperrt.
Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem spannungsgeregelten Oszillator (15) erzeugte Frequenz moduliert ist.
Frequenzsynthesizer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters (19) sich in Übereinstimmung mit der Modulation der Frequenz ändert, die von dem spannungsgeregelten Oszillator (15) erzeugt wird.
Frequenzsynthesizer nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den spannungsgeregelten Oszillator (15) erzeugte Frequenzbereich 400 bis 533,33 MHz beträgt, daß die Anzahl der Harmonischen die 3-fache, 4-fache und 5-fache Größe der Frequenz besitzt, die von dem spannungsgeregelten Oszillator (15) erzeugt wird, daß der Synthesizer Frequenzen im Bereich 1200 bis 1600 MHz erzeugt, durch Abstimmen des spannungsgeregelten Oszillators (15) auf Frequenzen im Bereich von 400 bis 533,33 MHz und Verändern des variablen Bandpaßfilters (19), um die 3-fache Harmonische auszuwählen, daß der Synthesizer Frequenzen im Bereich von 1600 bis 2000 MHz erzeugt, durch Abstimmen des spannungsgeregelten Oszillators (15) auf Frequenzen im Bereich von 400 bis 500 MHz und Verändern des variablen Bandpaßfilters (19), um die 4-fache Harmonische auszuwählen, und daß der Synthesizer Frequenzen im Bereich von 2000 bis 2400 MHz erzeugt, durch Abstimmen des spannungsgeregelten Oszillators (15) auf Frequenzen im Bereich von 400 bis 480 MHz und Verändern des variablen Bandpaßfilters (19), um die 5-fache Harmonische auszuwählen.
Verfahren zum Synthetisieren von Frequenzen mit einem Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Frequenzbereich durch Verändern des variablen Bandpaßfilters (19) um eine 1. Harmonische aus der Anzahl der Harmonischen auszuwählen synthetisiert wird und daß zumindest ein weiterer Frequenzbereich durch Verändern des variablen Bandpaßfilters (19), um zumindest eine weitere Harmonische aus der Anzahl der Harmonischen auszuwählen, synthetisiert wird.