DE2133090A1

DE2133090A1 - Von aussen beeinflusste Phasensperranordnung in einem FM-Sender fuer einen durch ein Modulationssignal modulierten frei schwingenden Oszillator

Info

Publication number: DE2133090A1
Application number: DE19712133090
Authority: DE
Inventors: Endersz Gyoergy Geza
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1970-07-10
Filing date: 1971-07-02
Publication date: 1972-01-13
Also published as: SU476772A3; DE2133090B2; DK126076B; HU162785B; US3737777A; NO128796B; CA928798A; SE343734B

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

P ATE NTAN WALTE D-8000 MDNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087 O <| O O Ct Q Π

Telefonaktiebolaget L M Ericsson, Stockholm/Schweden

Von außen beeinflußte Phasensperranordnung in einem FM-Sender für einen durch ein Modulationssignal modulierten frei schwingenden

Oszillator

Die Erfindung bezieht sich auf eine von außen beeinflußte Phasensperranordnung in einem PM-Sender für einen durch ein Modulationssignal modulierten frei schwingenden Oszillator, insbesondere zur Verwendung im Mikrowellen-Frequenzbereich, bei welcher der Oszillator auf eine Last arbeitet und ein Synchronisieroszillator über eine Vervielfachereinheit mit dem Oszillator zum Phasensperren des Oszillators verbunden ist. Insbesondere besteht die Anordnung also aus einer Phasensperranordnung für FM-Sender im. Mikrowellenbereich, was eine Verringerung der für das Errei- ■ chen einer starren Phase oder für die Phasensperre erforderlichen Leistung möglich macht.

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Eine Lösung zur Phasensperre frei schwingender Oszillatoren ist in einem Artikel von R. Adler in Proceedings of IRE, Juni 19^6, Seiten 351-357 beschrieben. Entsprechend diesem Artikel kann ein frei schwingender Oszillator in der Phase gesperrt werden mit Hilfe eines Steuersignals, dessen Frequenz von der frei schwingenden Frequenz des Oszillators um einen Wert Δf abweicht, wobei die Frequenzdifferenz von dem Verhältnis zwischen der Leistung des Steuersignals und des Oszillatorsignals abhängt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Phasensperranordnung, insbesondere für einen FM-Modulator in Mikrowellen-FM-Systemen vorzusehen, welche dieses Prinzip verwendet, weiter jedoch eine Vergrößerung der genannten Frequenzdifferenz mit aufrechterhaltener Leistung zum Synchronisieren bewirkt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Anordnung, deren Merkmale sich aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ergeben.

Die wichtigste Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung ist beim Phasensperren von frei schwingenden Halbleiteroszillatoren im Mikrowellenbsreich zu sehen, z.B. Domain-, LSA-* und Avalanche-Oszillatoren, welche das ungünstigste Rauschfrequenzverhältnis nahe der Trägerfrequenz (frei schwingende Frequenz) haben.

Die Erfindung wird im folgenden im Zusammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben werden. In der Zeichnung zeigen;

Fig. 1 Beispiele der Phasensperre eines Oszillators entsprechend dem bereits bekannten Prinzip,

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Fig. 2 ein Rausch-Frequenz-Diagramm beim Phasensperren eines frei schwingenden Oszillators mit Hilfe eines Synchronisiersignals,

Fig. 5 «in Diagramm mit logarithmischem Maßstab, in welchem die graphische Darstellung der Funktion

P_n / f
ο ο

welche in dem genannten Artikel von Adler gezeigt ist, für verschiedene Werte des Parameters Q aufgetragen ist,

Fig. 4 das Prinzip der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes,

Fig. 5 einSchaltbild einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 6 eine praktische Verwirklichung einer Ausführungsform nach Fig. 5·

Die bekannte Lösung der Phasensperre eines frei schwingenden Oszillators, wie sie in dem genannten Artikel von Adler in PIKE, Juni 1946, beschrieben ist, geht aus Fig. 1 hervor. Der Oszillator OS schwingt mit der Frequenz f_Q und arbeitet auf eine Last LO mit der Leistung P . Wenn die Langzeit- oder Kurzzeitstabilität (Frequenzrauschen) ungünstiger als gewünscht ist, oder wenn eine feste Phasensteuerung der Oszillatorfrequenz erfolgen soll, wird eine Synchronisiereinrichtung oder ein Synchronisieroszillator SY, z.B. eine Kristalloszillator, verwendet, welcher mit dem Oszillator OS verbunden ist. Der Synchronisieroszillator SY erzeugt ein Signal für den Oszillator OS mit der* Frequenz f^ und mit der Leistung P₁. Fig. 2 zeigt ein Rausch-

10 98 8 3/1229 -4-

Frequenz-Diagramm für eine wie oben beschrieben aufgebaute Vorrichtung. Es hat sich .gezeigt, daß der Rauschpegel innerhalb einer Bandbreite von 2^f um die frei schwingende Frequenz f_ß des Oszillators auf den Rauschpegel des Synchronisieroszillators reduziert wird, welcher geringer als. der des frei schwingenden Oszillators* sein.Kann, wenn_:der Synchrpnisieroszillator z.B. aus einem Quarzkristall besteht, welches mit einer Frequenz f_ schwingt. Pie Linie 1 stellt dann die Frequenz-Rausch-Kennlinie für einen frei schwingenden Oszillator, ζ,B. einen Halbleiteroszillator, und die Linie 2,die Kennlinie für einen Synchronisieroszillator mit niedrigem Rauschen, z.B.einen Kristalloszillator dar, dessen Frequenz vervielfacht ist. Die Kurve J stellt die Kennlinie dar, welche sich ergibt, wenn der frei schwingende Oszillator ,phasenstarr mit dsm,Synchronisieroszillator arbeitet.. Aus Fig.. 2 ist zu ernennen, daß der Halbleiteroszillator (welcher¹; eine beträchtlich höhere Leistung als der Kristalloszillator abgibt), .durch die , _!; Phasensperre die. günstigen Rauscheigenschaf ten des_; Kristallpszillators, inner|ialb._i des. jSypqhrpnisat

f° erhalten hat. Bei der Anwendung auf MikrowellenrFM-Systeme kann die ■ Mittenfrequeriz f^u .die Große von 10,,GHz haben, und,,die Frequenz f" im Zwischenf requenzbereich, ζ .B. 100 MHz .liegen. Daher ist., es erfp^derlictji eiiie Frequenzyeryielfactiung um d^n,Faktor n.vorzu.-nehmen,.wobei.η'eine geeignet, gewHhlta ganze Zahl ist, und. sich . als Erge.tois, „ff = η · f" ergibt. Das Frequenzband, ..in welchem, der Oscillator.,synchronisiert s,ein,-soll,„,ist /das sogenannte,, Synd'hr ο -

frei=schwingenden Frequenz des Oszillators und der Frequenz der Synchronisiereinrichtung ist.

Much aunt oben ^'jiiannteL· -AvIIVj-:i i:i;rt,oüt; ein iV^fcfia Vfii-t-äXt- -_-■--. „.,Nach dem ob₍en, genannten Artikel besteht ein festes Verhält-

nis zwischen P₁VP°J und ΐ: Λ 1/2

- ¹P⁰ I* ·Δί vdi/a

ii.

2 · At; ' Q

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wobei Q der Gütefaktor des Oszillators ist. Die Funktion

•Α ο

P / f
ο / ο

2 Af · Q

ist in Fig. 3 für verschiedene Werte des Gütefaktors Q des Oszillators dargestellt.

Aus dem obigen geht hervor, daß auch die Leistung P₁ zum Synchronisieren vergrößert werden muß, wenn das Synchronisationsband Af vergrößert wird. Wenn Af vergrößert wird, was der Fall ist bei Frequenzmodulation (FM), automatischer Frequenzregelung (AFC)oder Frequenzänderung des Oszillators, ist eine höhere Leistung P, zum Synchronisieren erforderlich.

Das Prinzip der Erfindung geht aus Fig. 4 hervor. Ein Direkt-modulator als FM-Modulator MOl ist mit dem Synchronisieroszillator SY und ein Direktmodulator als FM-Modulator M02 ist mit dem Oszillator OS verbunden. Die Direktmodulatoren werden beide durch ein Modulationssignal von einer Signalquelle M gesteuert, welche ein Ausgangssignal mit der Spannung U und der Frequenz,f erzeugt. Die Signalquelle M kann z»B.<der Sender in einer Richtfunkverbindung (z.B. einer Richtfunkverbindung für Telefonvideobänder in einem Bildtelefonapparat) sein, und die von dem Oszillator OS versorgte Last LO kann aus einer Sendeantenne bestehen. Die Frequenz f wird die Frequenz f_ und

m s

die Frequenz f modulieren, und das Verhältnis zwischen der Spannung U und den Frequenzen f bzw* f stellt die Modulationskennlinie für die FM-Modulatoren MOl bzw. MQ2 dar. Auf bekannte Weise sind die FM-Modulatoren so angeordnet und die Modulationskennlinie so gewählt, daß der FM-Modulator MOl den Synchronisieroszillator SY in einem schmaleren Frequenzband,

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(Modulationsband) modulieren wird als das Band, in welchem der FM-Modulator M02 den Oszillator OS moduliert. Die Frequenz f des Synchronisieroszillators wird sich z.B. um i 50 kHz um ihre Synchronisierfrequenz 100 MHz ändern, während der Oszillator OS in einem Frequenzband von 4,5 MHz um seine frei schwingende Frequenz t- = 10 GHz moduliert ist. Nach einer Frequenzvervielfachung um η = 100 mit Hilfe einer Vervielfachereinheit MU wird dem Oszillator OS ein Signal mit der Frequenz f^ = η • f_o = 100 (100 - 0,05) MHz = 10 GHz - 5 MHz zugeführt. Als Ergebnis wird der Synchronisieroszillator SY den Oszillator so

P modulieren, daß er kontinuierlich auf f* = η · fs abgestimmt wird. Das Synchronisationsband Δ f = (f - η · f ) wird folglich die ganze Zeit schmal gehalten werden. Es wird dann möglich sein, die Leistung P₁ zum Synchronisieren so niedrig zu halten, wie es zum Unterdrücken des Frequenzrauschens des Oszillators nahe der Frequenz f (vergleiche Fig. 2) ausreichend ist. Die Leistung P₁ zum Synchronisieren kann soweit verringert werden, daß sie der Kennlinie des Modulators MOl entspricht, z.B. um etwa 20 dB in gewöhnlichen Mikrowellen-FM-Systemen. Dies läßt sich aus Fig. 3 verstehen. Ohne den FM-Modulator M02 wird die Frequenzdifferehz von der Vervielfachereinheit 10 GHz i 5 MHz sein, d.h. ein Synchronisations-

£ band von etwa 10 MHz ist erforderlich. Wenn jedoch der Oszillator OS moduliert ist, wird seine frei schwingende Frequenz f 4,5 MHz bei einer maximalen Frequenzdifferenz (= 5 MHz) verschoben werden, woraus sich ergibt, daß in diesem Falle ein Synchroni sat ions band von nur.l MHz erforderlich sein wird. Wenn der Gütefaktor Q des Oszillators 50 ist (ein üblicher Wert in diesem. Zusammenhang),, läßt sich unmittelbar aus Fig. 3 erkennen, daß der Wert P /P₁ um 20 dB vergrößert oder daß umgekehrt P₁₀ um 20 dB verringert wird. Wenn P_Q die konstante Ausgangsleistung des Oszillators ist, ergibt sich eine Verringerung von P₁ um 20 dB.. Durch Verbindung einer-Temperaturtastvorrichtung T mit dem.FM-Modulator .MQ₂ wird weiter, eine einfache Kompensation der Temperaturdrift des Oszillators ermöglicht.

An Stelle der Verwendung einer Vervielfachereinheit könnte eine Mischstufe verwendet werden. Wie bekannt,-besteht diese Mischstufe aus einem Frequenzmischer und einem örtlichen Oszillator. Die zwei FM-Modulatoren MOl und M02 sind in diesem Falle so angeordnet, daß sie die gleiche Modulationskennlinie haben.

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild, in welchem der Oszillator mit den anderen Einheiten über Hochfrequenztransformatoren oder Transformatoren TrI, Tr2 verbunden ist. Der Oszillator ist als eine Reihenschaltung eines Elements -R mit negativer Impedanz mit einem Hohlraum K aufgebaut. Eine Kapazitätsdiode (Varactor) oder ein YIG-Resonator, welche über einen Transformator TrI mit dem Hohlraum des Oszillators verbunden sind, können als Direktmodulator oder FM-Modulator M02 verwendet werden. Der FM-Modulator MOl, der Synchronisieroszillator SY und die yervielfachereinheit MU bestehen jeweils aus bekannten Schaltungen im Zwischenfrequenzbereich, so daß ihr Aufbau nicht im einzelnen beschrieben werden wird.

■_t,, .., Fig. 6 zeigt den.,praktisQhenAufbau des, Direktmodu3,atprs oder FMrMpdu.latprs.M02 und des O^zillatprs OS._{; ;}Das Element;. -R mit , negativer Impedanz in Fig.. .4 besteht in diesem Fall aus einer... GunnrrDiode^.vi^.lche in an sich bekannter ,Weise mit;, dßifi Hphilraym des. ps?ill^tprs ,yerbunden ist ..(aieh.e-z.B. die, schw^dipche yeröff entlichung "Elteknik" _h ,Januar 1968, Seite 4)_;j.₍ ^er.F^I-Mpdula^pr, M02 besteht.aus einer•Kapazitäts.diPde, welche über^ei,nen,Transfpr-.,

die leistung E₀ .über, einen ^^^^.,.Tra^s^g^p^^jjir^^jei^^^j lator_r,.pij ,Z^, gleichen Ze,it^zugeifü^rt, .. ;su_: ,we^ch^r;._; die,nLe^s|;,u^g_n]

in^diesem₍.Falle au?,der, Sendeantenne._;,,Die £.Ef.i ^G^w|^ge^de_r

hervorgeht, ist das Frequenzrauschen des Ausgangssignals inner_r

■ ■ . ~8-

. - 109883/ 1229 ~⁸-

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halb des Synchronisationsbandes^f durch die Rauscheigenschaften des Synchronisiersignals bestimmt. Außerhalb des Synchroni sati.onsbandes ist der Rauschpegel höher, abhängig von dem Rauschen von der Rückführungsschleife des Oszillators und. der Vervlelfacherein-. heit, und hier sind die Rauscheigenschaften bestimmt durch den . Oszillator mit Hohlraum selbst. Das Rausehspektrum des: frei schwingenden Gunn-Oszi11ators wird um etwa 9 dB/Oktave von der frei schwingenden Frequenz f verringert, während für gewöhnlich Oszillatoren mifc negativem Widerstand der Wert etwa 6 dB/Oktave 1st.

Das Prinzip der Erfindung kann in allen Arten von Sendern mit Oszillatoren für Kommunikationssysteme verwendet werden und hängt nicht von besonderen Umständen ab.

Zusammengefaßt umfaßt die Erfindung eine Phasensperranordnung, bei welcher ein frei schwingender Oszillator mit einer Frequenz f schwingt und von außen phasengesperrt wird durch einen Synchronisieroszillator mit einer frei schwingenden Frequenz f und eine Vervielfachereinheit, welche eine vervielfachte Frequenz η · f ergibt. Eine Modulationsfrequenz f moduliert sowohl den frei schwingenden Oszillator als auch den Synchronisieroszillator über zwei direkt gekoppelte FM-Modulatoren, so daß der frei schwingende Oszillator kontinuierlich auf eine Frequenz f, abgestimmt wird. Die Frequenz f^ wird dabei so gewählt, daß das Synchronisationsband Δ f = f ₁ - f des frei schwingenden Oszillators schmal ist, wodurch die Leistung zum Synchronisieren von dem Synchronisieroszillator niedrig gehalten werden kann.

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Claims

Patentansprüche

1J Von außen beeinflußte Phasensperranordnung in einem FM-Sender für einen durch ein Modulationssignal modulierten frei schwingenden Oszillator, insbesondere zur Verwendung im Mikrowellen-Frequenzbereich, bei welcher der Oszillator auf eine Last arbeitet und ein Synchronisieroszillator über eine Vervielfachereinheit mit dem Oszillator zum Phasensperren des Oszillators verbunden ist, dadurch gekennzei chnet, daß der Synchronisieroszillator (SY) aus einem ersten FM-Modulator (MOl) und einem frei schwingenden Oszillator mit niedrigem Rausehen innerhalb eines durch die Frequenzdifferenz der Oszillatoren bestimmten Bandes (Af) besteht, und ein zweiter FM-Modulator (M02) direkt mit dem Oszillator (OS) für Mikrowellen verbunden ist, wobei der erste und zweite FM-Modulator durch das frequenzmodulierende Signal modulierbar sind und die frei schwingende Frequenz des Oszillators für Mikrowellen kontinuierlich auf die über die Vervielfachereinheit (MU) vervielfachte frei schwingende Frequenz des Synchronisieroszillators abgestimmt 1st.

2. Phasensperranordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ eich riet, daß statt der Vervielfachereinheit (MU) eine Mischstüfe "vorgesehen ist, welche aus e: Oszillator"verbundenen Mischer besteht.

Mischstüfe"vorgesehen ist, welche aus einem mit einem Örtlichen

j5. Phasensperranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (OS) für Mikrowellen aus einer auf bekannte Weise mit einem Hohlraum (K) für Mikrowellen verbundenen Gunn-Diode besteht, und daß der zweite FM-Modulator (M02) aus einer über einen Transformator (TrI) mit dem Hohlraum (K) verbundenen Kapazitätsdiode besteht.

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h. Phasensperranordnung nach Anspruch 1 oder j5, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationskennlinie des ersten FM-Modulators (MOl) derart gewählt ist, daß seine Modulationsbandbreite kleiner als die des zweiten FM-Modulators (M02) ist.

5. Phasensperranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei FM-Modulatoren (MOl, M02) die gleiche Modulationskennlinie haben.

6. Phasensperranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch g ek e nn ζ e ic hne t, daß mit dem zweiten FM-Modulator (M02) zur Kompensation der Temperaturdrift des Oszillators für Mikrowellen eine Temperaturtastvorrichtung (T) verbunden ist.

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