DE19653022A1 - Frequenzsynthesizer - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Frequenzsynthesi­ zer, bestehend aus einer Phasenregelschleife mit einem Pha­ sendetektor, einem spannungsgesteuerten Oszillator, einem zwischen dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators und einem ersten Eingang des Phasendetektors geschalteten Frequenzteiler und einem an einen zweiten Eingang des Pha­ sendetektors geschalteten Referenzoszillator. Bei einem der­ artigen aus Qualcomm Incorporated Application Note, CL80-3459-1, Juni 1990, Seiten 1 bis 27 bekannten Frequenz­ synthesizer ist der Referenzoszillator ein Direct Digital Synthesizer (DDS). Das Ausgangssignal dieses Direct Digital Synthesizers wird von einen Digital-/Analogumsetzer zunächst in ein analoges Signal gewandelt, das bandpaßgefiltert und anschließend von einem Begrenzer in ein Rechtecksignal ge­ wandelt wird, welches schließlich als Referenzfrequenz dem Phasendetektor der Phasenregelschleife zugeführt wird. Der Analogsignal-Pfad zwischen dem Direct Digital Synthesizer und dem Phasendiskriminator ist relativ störanfällig. Durch die Nichtlinearität des Digital-/Analog-Umsetzers und durch Störungen des Taktsignals für den Digital-/Analog-Umsetzer entstehen diskrete Störfrequenzen im Referenzsignal für die Phasenregelschleife.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Fre­ quenzsynthesizer der eingangs genannten Art anzugeben, wel­ cher diskrete Störfrequenzen und Jitter im Referenzsignal der Phasenregelschleife weitgehend unterdrückt.

Vorteile der Erfindung

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Referenzoszillator einen digitalen p-Bit Ak­ kumulator aufweist, der ein aus p Bit bestehendes Steuerwort mit sich selbst addiert und bei Erreichen seines höchsten Summenwertes einen Überlaufimpuls abgibt, worauf er seinen Akkumulationsvorgang neu beginnt, und daß die Überlaufimpul­ se als Referenzsignal direkt an den Phasendetektor gelangen. Mit dieser Schaltung kann auf den gemäß dem Stand der Tech­ nik nach dem Direct Digital Synthesizer folgenden Analogsi­ gnal-Pfad verzichtet werden, so daß von ihm auch keine uner­ wünschten Störfrequenzen ausgehen können.

Gemäß einem Unteranspruch ist es vorteilhaft, den variablen Frequenzteiler im Rückkopplungszweig zwischen dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators und dem Phasendiskrimi­ nator genauso wie den Referenzoszillator mit einem p-Bit Ak­ kumulator zu realisieren, dessen Überlaufimpulse direkt an den Phasendetektor gelangen. Dadurch entstehen im Referenz­ signal nicht einige wenige Störfrequenzen hoher Leistung, sondern eine Vielzahl von Störfrequenzen sehr geringer Lei­ stung. Zur Erzielung dieses Effekts ist es zweckmäßig, für beide p-Bit Akkumulatoren mindestens annähernd gleiche Ar­ beitstaktfrequenzen zu verwenden. Um aus der Ausgangsfre­ quenz des spannungsgesteuerten Oszillators die gewünschte Arbeitstaktfrequenz für den p-Bit Akkumulator des variablen Frequenzteilers zu erzeugen, kann dem variablen Frequenztei­ ler ein entsprechender fester Frequenzteiler oder Fre­ quenzumsetzer vorgeschaltet werden.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Frequenzsynthesizers,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines variablen Frequenzteilers bzw. Referenzoszillators,

Fig. 3 einen festen Frequenzteiler und

Fig. 4 einen Frequenzumsetzer.

Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist der Frequenzsynthesi­ zer als Phasenregelschleife realisiert. Diese enthält in be­ kannter Weise einen Phasendiskriminator PD, dessen Ausgangs­ signal Ud über ein Schleifenfilter, hier ein Tiefpaßfil­ ter TP, geführt wird. Das Ausgangssignal Uf des Schleifen­ filters TP dient als Regelgröße für einen spannungsgesteuer­ ten Oszillator VCO. Ein vom Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO ausgehender Rückkopplungszweig führt an ei­ nen ersten Eingang des Phasendiskriminators PD. In diesem Rückkopplungszweig wird die Ausgangsfrequenz fa des span­ nungsgesteuerten Oszillators VCO von einem variablen Fre­ quenzteiler FT in ein Signal s2 mit einer anderen Frequenz umgesetzt. Der Phasendetektor vergleicht die Frequenz des vom variablen Frequenzteiler kommenden Signals s2 mit der Frequenz eines von einem Referenzoszillator RO gelieferten Signals s1. Das Ausgangssignal Ud des Phasendiskriminators ist proportional zu der Frequenzablage zwischen den beiden Signalen s1 und s2. In Abhängigkeit von dem Signal Ud wird der spannungsgesteuerte Oszillator VCO so nachgeregelt, daß das Signal Ud minimal wird, d. h. die Frequenzablage zwi­ schen den beiden Eingangssignalen s1 und s2 des Phasendis­ kriminators PD verschwindet.

Der Referenzoszillator RO arbeitet, wie in Fig. 2 darge­ stellt, nach dem Prinzip eines getakteten Akkumulators ACC. An einem ersten von zwei Eingängen eines Akkumulators ACC liegt ein Steuerwort N1 mit einer Wortlänge von p Bit an. Dieselbe Wortlänge von p Bit besitzt auch der Akkumula­ tor ACC, weshalb er auch als p-Bit Akkumulator bezeichnet wird. Das Ausgangssignal von ebenfalls der Wortlänge p Bit des Akkumulators ACC wird auf seinen zweiten Eingang zurück­ geführt, so daß das Steuerwort mit sich selbst addiert wird. Der Akkumulator ACC addiert die beiden Eingangssignale so­ lange auf, bis er den größtmöglichen Summenwert erreicht hat, dann beginnt er seinen Akkumulationsvorgang von neuem. Bei Erreichen seines höchsten Summenwertes gibt der p-Bit Akkumulator ACC einen Überlaufimpuls ab, der zweckmäßiger­ weise das höchstwertige Bit des am Ausgang des Akkumula­ tors ACC anliegenden Summenwertes ist. Durch die ständig sich periodisch wiederholenden Akkumulationsvorgänge ent­ steht am Ausgang des Referenzoszillators RO eine Impulsfol­ ge s1. Die Pulsfrequenz dieses Signals s1 stellt die Refe­ renzfrequenz für den Phasendiskriminator PD dar. Die Ar­ beitstaktfrequenz fc für den p-Bit Akkumulator ACC wird dem Referenzoszillator RO von außen zugeführt. Und zwar erhält ein Register REG die Arbeitstaktfrequenz fc. Dieses Register REG wirkt wie ein Halteglied, das für die Taktung des Akku­ mulators ACC sorgt; denn der Akkumulator selbst läßt sich nämlich nicht takten.

Das Ausgangssignal s1 des zuvor beschriebenen Referenzoszil­ lators RO kann direkt, ohne Zwischenschaltungen eines Ana­ logsignal-Pfades als Referenzfrequenz dem Phasendiskrimina­ tor PD zugeführt werden. Da also zwischen dem Referenzoszil­ lator RO und dem Phasendiskriminator PD keine weiteren Ana­ logschaltungen (z. B. Digital-/Analog-Umsetzer, Filter etc.) erforderlich sind, werden dadurch hervorgerufene diskrete Störfrequenzen im Referenzsignal für den Phasenregelkreis vermieden.

Es läßt sich nicht vermeiden, daß das Referenzsignal s1 für den Phasendiskriminator PD einen Taktflankenjitter aufweist, welcher diskrete Störfrequenzen von nicht zu vernachlässi­ gender Leistung hervorruft. Da diese diskreten Störfrequen­ zen im Referenzzweig der Phasenregelschleife, also im Signal s1 entstehen, treten diese auch im Ausgangssignal fa der Phasenregelschleife auf. Anschaulich gesehen entstehen die Störfrequenzen im Signal s1 durch eine Phasenmodulation der Referenzfrequenz mit einem periodischen Störsignal. Der Pha­ sendiskriminator PD demoduliert dieses modulierte Signal und extrahiert somit das Störsignal. Durch das Tiefpaßfilter TP wird dieses Störsignal bandbegrenzt. Anschließend wird das bandbegrenzte Störsignal über den spannungsgesteuerten Os­ zillator VCO dem RF-Signal fa wieder aufgeprägt.

Die unerwünschten diskreten Störfrequenzen werden dadurch kompensiert, daß als variabler Frequenzteiler FT eine bau­ gleiche Akkumulator-Schaltung wie für den Referenzoszilla­ tor RO eingesetzt wird. Der variable Frequenzteiler FT er­ hält das p Bit Steuerwort N2. Je nach Wahl des Steuerwor­ tes N2 und/oder des Steuerwortes N1 für den Referenzoszilla­ tor RO ändert sich die Ausgangsfrequenz fa der Phasenregel­ schleife. Damit läßt sich die Ausgangsfrequenz fa des Fre­ quenzsynthesizers in sehr feinen Schritten verändern. Das Ausgangssignal s2 des variablen Frequenzteilers FT ist wie das Signal s1 eine Impulsfolge, welche dem Phasendiskrimina­ tor PD direkt zugeführt wird.

Da ein getekteter Akkumulator im Prinzip ein fein durch­ stimmbarer Frequenzteiler ist, gilt für die Impulsfolgefre­ quenzen der Signale s1 und s2 folgendes:

Die dem variablen Frequenzteiler FT für den Akkumulator ACC zugeführte Arbeitstaktfrequenz fc' sollte gleich oder zumin­ dest annähernd gleich der Arbeitstaktfrequenz fc für den Ak­ kumulator ACC des Referenzoszillators RO sein. Die Arbeits­ taktfrequenz fc' für den variablen Frequenzteiler FT wird aus der Ausgangsfrequenz fa des spannungsgesteuerten Oszil­ lators VCO abgeleitet mit Hilfe eines Frequenzumsetzers FU. Dieser Frequenzumsetzer FU kann beispielsweise, wie Fig. 3 zeigt, ein Frequenzteiler mit festem Teilverhältnis Q sein. Auch kann der Frequenzumsetzer gemäß Fig. 4 ein Mischer M sein, der einerseits die Ausgangsfrequenz fa des spannungs­ gesteuerten Oszillators VCO und andererseits ein Local- Oszillator-Signal LO erhält. Die in den beiden gleichartigen Eingangssignalen s1 und s2 des Phasendiskriminators PD vor­ handenen Taktflankenjitter wiederholen sich periodisch mit einer großen Wiederholungsperiode Tp1 und Tp2. Aus diesen Jittern wird sich nach dem Phasenvergleich im Ausgangs­ signal Ud des Phasendiskriminators PD ein Störsignal von ei­ ner Periodendauer Tp ergeben, welche das kleinste gemeinsame Vielfache von den Periodendauern Tp1 und Tp2 ist.

Es gilt:

wobei f1 die Impulsfrequenz des Si­ gnals s1, p die Wortlänge der Steuerworte N1 und N2 und fc die Arbeitstaktfrequenz für den Referenzoszillator RO ist. Für z. B. p = 32 Bit erhält man Periodendauern der Störsi­ gnale von mehreren Jahrzehnten, was mit einem Breitbandin­ rauschen gleichzusetzen ist. Durch das Schleifenfilter TP der Phasenregelschleife wird die Rauschleistung noch redu­ ziert.

Dadurch daß zwei baugleiche Schaltungseinheiten für den Re­ ferenzoszillator RO und den Frequenzteiler FT eingesetzt werden, werden wenige diskrete Störfrequenzen hoher Leistung auf eine Vielzahl von Störfrequenzen sehr geringer Leistung verteilt.

Claims (4)

1. Frequenzsynthesizer, bestehend aus einer Phasenregel­ schleife mit einem Phasendetektor (PD), einem spannungsge­ steuerten Oszillator (VCO), einem zwischen dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) und ersten Eingang des Phasendetektors (PD) geschalteten Frequenzteiler (FT) und einem an einen zweiten Eingang des Frequenzdetek­ tors (PD) geschalteten Referenzoszillator (RO), dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Referenzoszillator (RO) einen digita­ len p-Bit Akkumulator (ACC) aufweist, der ein aus p Bit be­ stehendes Steuerwort (N1) mit sich selbst addiert und bei Ereichen seines höchsten Summenwertes einen Überlaufimpuls abgibt, worauf er seinen Akkumulationsvorgang neu beginnt, und daß die Überlaufimpulse (s1) direkt an den zweiten Ein­ gang des Phasendetektors (PD) gelangen.

2. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Frequenzteiler (FT) wie der Referenzoszilla­ tor (RO) ein p-Bit Akkumulator (ACC) ist, dessen Überlaufim­ pulse (s2) direkt an den ersten Eingang des Phasendetek­ tors (PD) gelangen.

3. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Arbeitstaktfrequenz (fc, fc') für den p-Bit Akkumulator (ACC) des Frequenzteilers (FT) und des Re­ ferenzoszillators (RO) mindestens annähernd gleich sind.

4. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß Mittel (FU) vorhanden sind, welche die Ausgangsfre­ quenz (fa) des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) in die gewünschte Arbeitstaktfrequenz (fc') für den p-Bit Akkumula­ tor (ACC) des variablen Frequenzteilers (FT) umsetzen.