DE19819038A1

DE19819038A1 - Frequenzumsetzeranordnung für Hochfrequenzempfänger oder Hochfrequenzgeneratoren

Info

Publication number: DE19819038A1
Application number: DE19819038A
Authority: DE
Inventors: Alexander Roth; Klaus Danzeisen
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1999-11-11
Anticipated expiration: 2018-04-29
Also published as: US7023948B2; DE19819038C2; US20020176528A1; US6519305B1

Abstract

Bei einer Frequenzumsetzeranordnung mit mindestens zwei aufeinanderfolgenden Überlagerungsstufen, von denen eine ein Eingangssignal mit einer einstellbaren ersten Überlagerungsfrequenz eines in feinen Frequenzschritten einstellbaren ersten Überlagerungsoszillators auf eine erste Zwischenfrequenz umsetzt und eine zweite Überlagerungsstufe ein Eingangssignal mit einer festen zweiten Überlagerungsfrequenz eines zweiten Überlagerungsoszillators auf eine zweite Zwischenfrequenz umsetzt, wird die Differenzfrequenz zwischen erster und zweiter Überlagerungsfrequenz gebildet und mit einem einstellbaren Frequenzteiler auf eine durch einen Synthesizer erzeugbare niedrigere Frequenz umgesetzt; diese geteilte Differenzfrequenz wird dann in einem Phasendetektor mit der Ausgangsfrequenz des in feinen Frequenzschritten einstellbaren Synthesizers verglichen und der erste Überlagerungsoszillator wird über einen Phasenregelkreis mit dem Ausgangssignal dieses Phasendetektors auf die Ausgangsfrequenz des Synthesizers synchronisiert.

Description

Die Erfindung geht aus und betrifft eine Frequenzumsetzeranordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Frequenzumsetzeranordnungen dieser Art mit Zwei- oder Mehrfach-Frequenzumsetzung sind bekannt und werden beispielsweise in Hochfrequenzempfängern, Spektrumanalysatoren oder Signalgeneratoren eingesetzt. Bei einem typischen Frequenzumsetzerkonzept für einen Spektrumanalysator im GHz-Bereich wird beispielsweise das Eingangssignal mit einem in der Frequenz einstellbaren ersten Überlagerungsoszillator auf eine erste feste Zwischenfrequenz umgesetzt, die oberhalb des Empfangsbandes liegt. In einer darauffolgenden zweiten Überlagerungsstufe wird mit einer festen zweiten Überlagerungsfrequenz diese erste Zwischenfrequenz auf eine tiefere zweite Zwischenfrequenz umgesetzt, auf der das Empfangssignal ggf. nach weiteren festen Frequenzumsetzungen weiterverarbeitet wird. Zwischengeschaltete Bandpaßfilter zwischen den Überlagerungsstufen sorgen dafür, daß die Frequenzumsetzungen eindeutig sind. Die Überlagerungsoszillatoren für die Erzeugung der festen Überlagerungsfrequenz werden dabei mit einer einfachen Regelschleife auf eine hochwertige Quarzfrequenz synchronisiert. Der in feinen Frequenzschritten einstellbare erste Überlagerungsoszillator ist im Aufbau wesentlich aufwendiger. Im allgemeinen wird hierfür zunächst eine Referenzfrequenz erzeugt, mit deren Oberwelle der erste Überlagerungsoszillator auf eine tiefe Zwischenfrequenz abgemischt wird. Üblich ist es hierbei, einen hochwertigen phasengeregelten Oszillator im Bereich von einigen hundert MHz zu verwenden, der um 10 bis 20% abstimmbar ist. Die erste Zwischenfrequenz wird auf das Ausgangssignal eines Synthesizers synchronisiert, dadurch ist die Frequenz des ersten Überlagerungsoszillators in sehr feinen Schritten einstellbar.

Der erste Überlagerungsoszillator bestimmt das Phasenrauschen der Gesamtanordnung, da dieser die höchste Frequenz besitzt und über den Synthesizer abgestimmt wird. Das Phasenrauschen wird bei der bekannten Anordnung außerdem durch das Phasenrauschen des phasengeregelten Oszillators und dem Vervielfachungsfaktor bestimmt. Bereits bei der kleinsten Empfangsfrequenz ist dieser Vervielfachungsfaktor schon halb so groß wie der bei der höchsten Empfangsfrequenz. Das Phasenrauschen des ersten Überlagerungsoszillators ist damit bei einer Empfangsfrequenz nahe Null nur um 6 dB besser als bei der höchsten Empfangsfrequenz. Dies ist für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend. Entsprechendes gilt für Signalgeneratoren, bei denen in zwei aufeinanderfolgenden Überlagerungsstufen mit fester bzw. variabler Überlagerungsfrequenz die Ausgangsfrequenz erzeugt wird, wie dies bei modulierbaren Signalgeneratoren der Fall ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Frequenzumsetzeranordnung für Empfänger, Spektrumanalysatoren bzw. Signalgeneratoren mit minimalem Phasenrauschen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Frequenzumsetzeranordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung werden die beiden Überlagerungsoszillatoren so geregelt, daß sie beide gleiches Rauschen besitzen. Die Korrelation zwischen dem Phasenrauschen des ersten und zweiten Überlagerungsoszillators wird dabei dadurch erzielt, daß die beiden Oszillatoren nicht unabhängig voneinander auf eine Referenzfrequenz geregelt werden, sondern daß der geregelte erste Überlagerungsoszillator auf die Differenzfrequenz der beiden Überlagerungsfrequenzen geregelt wird. Anstelle einer Regelung auf die Differenzfrequenz ist auch eine Regelung auf die Summenfrequenz der beiden Überlagerungsoszillatoren denkbar, je nachdem, wie die Frequenzlagen der Frequenzumsetzungen gewünscht werden. Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt außerdem noch den Vorteil, daß die Synchronisation des ersten Überlagerungsoszillators in einem Frequenzbereich erfolgt, der in etwa dem Eingangsfrequenzbereich entspricht, also wesentlich niedriger liegt als die erste Überlagerungsfrequenz dieses geregelten ersten Überlagerungsoszillators. Dies wird durch das zusätzliche Herabmischen mittels des einstellbaren Teilers erreicht, der vorzugsweise als fraktionaler N-Teiler ausgebildet ist. Für die Teilung reichen vier Nachkommastellen aus.

Das gleiche Prinzip kann sowohl bei einem Empfänger oder Spektrumanalysator als auch bei einer Hochfrequenzgenerator angewendet werden. In beiden Fällen wird die Summe des Phasenrauschens gegenüber herkömmlichen Frequenzumsetzerkonzepten wesentlich verbessert. Bei kleinen Empfangsfrequenzen wird das Phasenrauschen beispielsweise um 20 dB besser als bei einer bekannten Anordnung, bei der höchsten Empfangsfrequenz sind es immerhin noch bis zu 6 dB.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips bei einem Spektrumanalysator, bei dem eine Eingangsfrequenz f_e nach Durchlaufen eines Tiefpasses 11 in einem ersten Mischer 3 mit einer einstellbaren ersten Überlagerungsfrequenz f1 in eine feste Zwischenfrequenz ZF1 umgesetzt wird, die nach Durchlaufen eines Bandpasses 12 in einem zweiten Mischer 4 mit einer festen zweiten Überlagerungsfrequenz f2 in eine niedrigere zweite Zwischenfrequenz ZF2 umgesetzt wird. Beispielhaft sind in der Fig. 1 entsprechende konkrete Frequenzwerte im GHz-Bereich eingetragen.

Die erste Überlagerungsfrequenz f1 wird in einem ersten Überlagerungsoszillator 1 erzeugt, die zweite Überlagerungsfrequenz f2 in einem zweiten Überlagerungsoszillator 2. Der zweite Überlagerungsoszillator 2 wird über eine einfache Regelschleife auf eine hochkonstante Quarzfrequenz synchronisiert. Der erste Überlagerungsoszillator 1 wird über einen Phasenregelkreis auf die Frequenz f5 eines Synthesizers 7 synchronisiert, der in bekannter Weise nach dem Prinzip der direkten digitalen Synthese (DDS) oder der fraktionalen N-Synthese arbeitet. In einem Mischer 5 wird die Differenzfrequenz f3 aus den beiden Überlagerungsfrequenzen f1 und f2 gebildet und über einen einstellbaren Frequenzteiler 6 dem Phasendetektor 8 des Phasenregelkreises für den Oszillator 1 als geteilte Frequenz f4 zugeführt. Der im Teilungsverhältnis einstellbare Frequenzteiler 6 ist vorzugsweise ein fraktionaler N-Frequenzteiler, dessen Teilungsverhältnis durch Umschaltung auf ein gebrochenes rationales Teilungsverhältnis N, F einstellbar ist, wobei N der ganzzahlige Anteil und F ein Nachkommaanteil ist. Dieses gebrochene Teilungsverhältnis ist über eine Einstellvorrichtung 10 als Digitalwert einstellbar. Über diese Einstellvorrichtung 10 ist außerdem der Synthesizer 7 in seiner Ausgangsfrequenz f5 in kleinen Schritten von beispielsweise nur 0,1 Hz einstellbar. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 8 synchronisiert über ein Regelschleifenfilter 9 den ersten Überlagerungsoszillator 1 auf die am Synthesizer 7 eingestellte Frequenz f5, die im Phasendetektor mit der geteilten Differenzfrequenz f4 verglichen wird.

Der fraktional N-Teiler besitzt beispielsweise eine Auflösung von 1/16 und arbeitet mit Einfachintegration. Sein Teilungsverhaltnis wird so eingestellt, daß die Frequenz f4 etwa in dem Frequenzbereich liegt, in welchem der Synthesizer 7 mit seiner Ausgangsfrequenz f5 einstellbar ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Synthesizer nur in einem schmalen Frequenzbereich von 10 MHz zwischen 220 und 230 MHz in 0,1 Hz Schritten einstellbar. Der Teilungsfaktor N, F wird also wie folgt gewählt und durch die Einstellvorrichtung 10 eingestellt:

Da der Teilungsfaktor N, F nicht exakt einstellbar ist, muß er so abgerundet werden, wie es die Einstellgenauigkeit des Teilers vorgibt. Die tatsächliche Einstellung des Synthesizers 7 errechnet sich dann aus diesem tatsächlich eingestellten Teilungsfaktor zu:

Auf diese Weise wird durch den Phasenvergleich zwischen dem Ausgangssignal des Synthesizers und der geteilten Differenzfrequenz der erste Überlagerungsoszillator so geregelt, daß die Differenz aus beiden Signalen minimales Rauschen besitzt.

Fig. 2 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips bei einem mit einer Modulationsfrequenz f_m modulierbaren Signalgenerator. Hier dient der zweite Überlagerungsoszillator 22 mit seiner festen Überlagerungsfrequenz f2 zum Erzeugen einer festen modulierten Zwischenfrequenz ZF2, die anschließend in einem zweiten Mischer 23 mit der einstellbaren Überlagerungsfrequenz f1 eines in kleinen Frequenzschritten einstellbaren ersten Überlagerungsoszillators 21 auf die gewünschte Ausgangsfrequenz f_a umgesetzt wird. In Fig. 2 ist für die Erzeugung der ersten Zwischenfrequenz ZF2 ein Mischer 33 vorgesehen, in der Praxis erfolgt die Modulation mit der Frequenz f_m jedoch vorzugsweise unmittelbar durch entsprechende Steuerung des spannungsgesteuerten zweiten Überlagerungsoszillators 22, ein gesonderter Mischer 33 ist also überflüssig. In einem Mischer 25 wird wieder die Differenzfrequenz f3 aus den beiden Überlagerungsfrequenzen f1 und f2 gebildet, die nach Teilung in einem einstellbaren fraktionalen N-Tei ler 26 als Frequenz f4 mit der Ausgangsfrequenz eines in kleinen Frequenzschritten einstellbaren Synthesizers 27 in einem Phasendetektor 28 verglichen wird. In Fig. 2 wird die Ausgangsfrequenz f5 des Synthesizers 27 noch über einen zwischengeschalteten Frequenzteiler 30 dem Phasendetektor 28 zugeführt. Dieser Frequenzteiler 30 ist auf ganzzahlige Teilungsverhältnisse N über die Steuerlogik 31 zusammen mit der Einstellung des fraktionalen N-Teilers 26 und dem Synthesizer 27 einstellbar.

Für höhere Frequenzen beispielsweise oberhalb 500 MHz wird der Frequenzteiler 30 auf den Teilungsfaktor N = 1 eingestellt, der erste Überlagerungsoszillator 21 wird also über das Schleifenfilter 32 auf die am Synthesizer 27 eingestellte Frequenz f5 synchronisiert genau so, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ist. Um das erfindungsgemäße Prinzip auch bei niederen Frequenzen unterhalb 500 MHz anwenden zu können, kann der Frequenzteiler 30 über die Steuerlogik 31 beispielsweise unterhalb 500 MHz auf einen solchen Teilungswert N eingestellt werden, daß die geteilte Ausgangsfrequenz f6 etwa ein Viertel der Ausgangsfrequenz f_a ist. Damit kann dann auch für niedere Frequenzen der fraktionale N-Teiler 26 über die Steuerlogik 31 wieder so eingestellt werden, daß die Ausgangsfrequenz f4 wieder im Frequenzbereich von f6 liegt und damit auch für niedere Frequenzen der erste Überlagerungsoszillator 21 auf die am Synthesizer 27 eingestellte Frequenz synchronisiert wird.

Claims

1. Frequenzumsetzeranordnung mit mindestens zwei aufeinanderfolgenden Überlagerungsstufen, von denen eine ein Eingangssignal mit einer einstellbaren ersten Überlagerungsfrequenz (f1) eines in feinen Frequenzschritten einstellbaren ersten Überlagerungsoszillators (1) auf eine erste Zwischenfrequenz (ZF1) umsetzt und eine zweite Überlagerungsstufe ein Eingangssignal mit einer festen zweiten Überlagerungsfrequenz (f2) eines zweiten Überlagerungsoszillators (2, 22) auf eine zweite Zwischenfrequenz (ZF2) umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfrequenz (f3) zwischen erster und zweiter Überlagerungsfrequenz (f1, f2) gebildet wird, diese Differenzfrequenz (f3) mit einem einstellbaren Frequenzteiler (6, 26) auf eine durch einen Synthesizer (7, 27) erzeugbare niedrigere Frequenz (f4) umgesetzt wird, diese geteilte Differenzfrequenz (f4) in einem Phasendetektor (8, 28) mit der Ausgangsfrequenz (f5) des in feinen Frequenzschritten einstellbaren Synthesizers (7, 27) verglichen wird und der erste Überlagerungsoszillator (1) über einen Phasenregelkreis mit dem Ausgangssignal dieses Phasendetektors auf die Ausgangsfrequenz (f5) des Synthesizers (7) synchronisiert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Frequenzteiler ein fraktionaler N-Teiler (6, 26) mit Einfachintegration ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfrequenz (f3) in einem Mischer (5, 25) gebildet wird.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Anwendung bei einem Hochfrequenzempfänger oder Spektrumanalysator, wobei das zu empfangende Eingangssignal (f_e) in einer ersten Überlagerungsstufe (Überlagerungsoszillator 1) mit einer in feinen Frequenzschritten einstellbaren Überlagerungsfrequenz (f1) auf eine erste konstante Zwischenfrequenz (ZF1) umgesetzt wird, die anschließend mit einer festen zweiten Überlagerungsstufe (Überlagerungsfrequenz f2) auf eine niedrigere zweite Zwischenfrequenz (ZF2) umgesetzt wird.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ihre Anwendung bei einem modulierbaren Hochfrequenzgenerator (Fig. 2), wobei das Modulationssignal (f_m) in einer ersten Überlagerungsstufe mit einer festen Überlagerungsfrequenz (f2) in eine Zwischenfrequenz (ZF2) umgesetzt wird, die anschließend in einer zweiten Überlagerungsstufe mit einer in feinen Frequenzschritten einstellbaren Überlagerungsfrequenz (f1) auf die gewünschte Ausgangsfrequenz (f_a) umgesetzt wird.