DE2133090C3 - In der Phase injektionssynchronisierte Anordnung in einem FM-Sender für einen durch ein Modulationssignal modulierten freischwingenden Oszillator - Google Patents
In der Phase injektionssynchronisierte Anordnung in einem FM-Sender für einen durch ein Modulationssignal modulierten freischwingenden OszillatorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine in der Phase injektionssynchronisierte Anordnung in einem FM-Sender
für einen durch ein Modulationssignal modulierten freischwingenden Oszillator, insbesondere zur
Verwendung im Mikrowellen-Frequenzbereich, bei welcher der Oszillator auf eine Last arbeitet und ein
Synchronisieroszillator über eine Vervielfachereinheit mit dem Oszillator zur starren Synchronisierung der
Phase des Oszillators mit der Phase des Syncaromsieroszillators verbunden ist. Insbesondere besteht die
Anordnung also aus einer in der Phase injektionssynchronisierten Anordnung für FM-Sender irr« Mikrowellenbereich,
was eine Verringerung der für das Erreichen einer starren Phase erforderlichen Leistung
to möglich macht.
Eine Lösung zu Injektionssynchronisierung freischwingender Oszillatoren ist in einem Artikel von
R. Adler in Proceedings of IRE, Juni 1946, S. 351
bis 357, beschrieben. Entsprechend diesem Artikel kann ein freischwingender Oszillator in der Phase
injektionssynchronisiert werden mit Hilfe eines Steuersignals, dessen Frequenz von der freischwingenden
Frequenz dps Oszillators um einen Wert Af
abweicht, wobei die Frequenzdifferenz von dem Verhältnis zwischen der Leistung des Steuersignals und
des Oszillatorsignals abhängt. Ein freischwingender Oszillator ist dann von einem äußeren Signal injektionssynchronisiert,
wenn dieses Signal als steuerndes Signal direkt dem Oszillator zugeführt ist und wenn
die Frequenz des aufgeführten Signals in einem gewissen Frequenzhand um die frei schwingende Frequenz
des Oszillators liegt, wobei die Starrheit des zugeführten Signals und das vom Oszillator erzeugte
Ausgangssignal in der Phase starr zueinander sind.
Bei einer in der Phase injektionssynchronisierten Anordnung steigt das Rauschen außerhalb des kritischen
Frequenzbandes, d. h. bei einem vergrößerten Frequenzhub, stark an.
Durch die US-PS 26 62 214 ist ein System bekanntgeworden, bei welchem ebenfalls ein Synchronisieroszillator
und ein freischwingender Oszillator mit der Modulationsgröße beaufschlagt werden. Bei dem freischwingenden
Oszillator wird dabei durch die zusätzliche Steuerung durch die Modulationsgröße eine Entlastung
und Stabilisierung des Regelkreises beabsichtigt und erreicht.
Aufgabt; der Erfindung ist es, eine in der Phase injektionssynchronisierte
Anordnung für einen FM-Sender, insbesondere in Mikrowellen-FM-Systemen vorzusehen,
welche das Prinzip der Injektionssynchronisierung verwendet und in welcher die für die Injektionssynchronisierung
notwendige Leistung klein gehalten werden kann, auch wenn der auf Grund der Modulation auftretende Frequenzhub die genannten
Frequenzdifferenzen überschreitet.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Anordnung, deren Merkmale sich
aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ergeben.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt eine direkte Phasensynchronisierung ohne zugehörigen
Regelkreis, während gleichzeitig die Mittenfrequenz des freiscbwingenden Oszillators ständig verschoben
wird. Es handelt sich hier also um eine reine Steuerung ohne Rückkopplung.
Die wichtigsten Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung ist beim Injektionssynchronisieren von
freischwingenden Halbleiteroszillatoren im Mikrowellenbereich 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 Zusammen-
hang mit der Zeichnung näher beschrieben werden. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 Beispiele der Injektionssynchronisierung eines Oszillators entsprechend dem bereits bekannten
Prinzip,
Fig. 2 ein Rausch-Frequenz-Diagramm bei der Injektionssynchronisierung eines iteischwingenden
Oszillators mit Hilfe eines Synchronisiersignals,
F i g. 3 ein Diagramm mit logarithmischem Maßstab, in welchem die graphische Darstellung der
Funktion
P l f \a ro _ j Iq \
Λ \2AfQl '
welche in dem genannten Artikel von Adler gezeigt ist, für verschiedene Werte des Parameters Q aufgetragen
ist,
F i g. 4 das Prinzip der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes,
F i g. 5 ein Schaltbild einer Ausführungsform der
Erfindung und
F i g. 6 eine praktische Verwirklichung einer Ausführungsform nach F i g. 5.
Die bekannte Lösung der Injektionssynchronisierung eines freischwingenden Oszillators, wie sie in
dem genannten Artikel von Adler in Proc. IRE,
Juni 1946, beschrieben ist, geht aus Fig. 1 hervor.
Der Oszillator OS schwingt mit der Frequenz Z0 und
arbeitet auf eine Last LO mit der Leistung P0 Wenn
die Langzeit- oder Kurzzeitstabilität (Frequenzrauschen) ungünstiger als gewünscht ist, oder wenn
eine starre Synchronisierung der Phase der Oszillatorfrequenz erfolgen soll, wird eine Synchronisiereinrichtung
oder ein Synchronisieroszillator SY, z. B. ein Kristalloszillator, verwendet, welcher mit dem Oszillator
OS verbunden ist. Der Sychronisieroszillator SY erzeugt ein Signal für den Oszillator 05 mit der Frequenz
Z1 und mit der Leistung P1. Fig. 2 zeigt ein
Rausch-Frequeuz-Diagramm für eine wie oben beschrieben aufgebaute Vorrichtung. Es hat sich gezeigt,
daß der Rauschpegel Pb (r) innerhalb einer Bandbreite von 2 Aj um die frei schwingende Frequenz /0
des Oszillators auf den Rauschpegel des Synchronisieroszillators reduziert wird, welcher geringer als der
des frei schwingenden Oszillators sein kann, wenn der Synchronisieroszillator z. B. aus einem Quarzkristall
besteht, welches mit einer Frequenz fs schwingt. Die
Linie 1 stellt dann die Frequenz-Rausch-Kennlinie für einen freischwingenden Oszillator, z. 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 3 stellt die Kennlinie dar,
welche sich ergibt, wenn der freischwingende Oszillator phasenstarr mit dem Synchronisieroszillator
arbeitet. Aus F i g. 2 ist zu erkennen, daß der Halbleiteroszillator (welcher eine beträchtlich höhere Leistung
als der Kristalloszillator abgibt), durch die starre Synchronisierung der Phase die günstigen
Rauscheigenschaften des Kristalloszillators innerhalb des Synchronisationsbandes 2Af um die Mittenfrequenz
Z0 erhalten hat. Bei der Anwendung auf Mikrowellen-FM-Systeme
kann die Mittenfrequenz /0 die Größe von 10 GHz haben und die Frequenz /s im
Zwischenfrequenzbereich, z. B. 100 MHz liegen. Daher ist c erforderlich, eine Frequenzvervielfachung
um den Faktor η vorzunehmen, wobei η eine geeignet
gewählte ganze Zahl ist. und sich als Ergebnis Z1 = η ■ /j ergibt. Das Frequenzband, in welchem der
Oszillator synchronisiert sein soll, ist das sogenannte Synchronisationsband 2Aj, welches die Differenz
(/0 — Z1) zwischen der freischwingenden Frequenz des
5 Oszillators und der Frequenz der Synchronisiereinrichtung ist.
Nach dem obengenannten Artikel besteht ein festes Verhältnis zwischen /VP0 unc* /·
wobei Q der Gü
des Oszillators ist. Die Funk
P1
_ / /ο γ
\2Ai-Q I
ist in Fig. 3 für verschiedene Werte des Gütefaktors β
des Oszillators dargestellt.
Aus dem obigen geht hervor, daß auch die Leistung P1 zum Synchronisieren vergrößert werden muß,
wenn das Synchronisationsband 2 Af vergrößert wird. Wenn J f vergrößert wird, was der Fall ist bei Frequenzmodulation
(FM), automatischer Frequenzregelung (AFC) oder Frequenzänderung des Oszillators,
ist eine höhere Leistung P1 zum Synchronisieren erforderlich.
Das Prinzip der Erfindung geht aus F i g. 4 hervor. Ein FM-Modulator MO1 ist mit dem Synchronisieroszillator
SY und ein FM-Modulator MO 2 ist mit dem Oszillator OS verbunden. Die Modulatoren werden
beide durch ein Modulationssignal von einer Signalquelle M gesteuert, welche ein Ausgangssignal
mit der Spannung Un, 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 variable Spannung Um wird die Frequenz /s und
die Frequenz /0 mit der Frequenz fm modulieren, und
der Zusammenhang zwischen der Spannung Un, und
Frequenzen /s bzw. Z0 stellt die Modulationskennlinie
für die FM-Modulatoren MOl bzw. MO 2 dar. Die im Aufbau bekannten FM-Modulatoren (vgl. US-PS
33 24 414) sind so angeordnet und die Modulationskennlinie so gewählt, daß der FM-Modulator MO1
den Synchronisieroszillator SY in einem schmaleren Frequenzband (Modulationsband) modulieren wird
als das Band, in welchem der FM-Modulator MO 2 den Oszillator OS moduliert. Die Frequenz /s des
Synchronisieroszillators wird sich z. B. um ± 50 kHz um ihre Synchronisierfrequenz 100 MHz ändern,
während der Oszillator OS in einem Frequenzband von 4,5 MHz um seine freischwingende Frequenz Z0
= 10 GHz moduliert ist. Nach einer Frequenzvervielfachung uran= 100 mit Hilfe einer an sich bekannten
Vervielfachereinheit MU wird dem Oszillator OS ein Signal mit der Frequenz f1 = n-fs—\OO
(100 ±0,05) MHz= 10 GHz ± 5 MHz zugeführt. Als Ergebnis wird der Synchronisieroszillator SY den
Oszillator so modulieren, daß er kontinuierlich auf fi = n.fs abgestimmt wird. Das Synchronisationsband 2 Af = 2 (Z0-η Zs) wird folglich die ganze Zeit
schmal gehalten werden. Es wird dann möglich sein, die Leistune P, zum Synchronisieren so niedrig zu
halten, wie es zum Unterdrücken des Frequenzrauschens des Oszillators nahe der Frequenz /0 (vgl,
F i g. 2) ausreichend ist. Die Leistung P1 zum Synchronisieren
kann so weit verringert werden, daß sie der Kennlinie des Modulators MO1 entspricht, z. B.
um etwa 20 dB in gewöhnlichen Mikrowellen-FM-Systemen.
Dies läßt sich aus Fig. 3 verstehen. Ohne den FM-Modulator MOl wird die Frequenzdifferenz
von der Vervielfachereinheit 10 GHz ±5 MHz sein, d. h., ein Synchronisationsband von etwa 10 MHz ist
erforderlich. Wenn jedoch der Oszillator OS moduliert ist, wird seine freischwingende Frequenz /„
4,5 MHz bei einer maximalen Frequenzdifferenz (= 5 MHz) verschoben werden, woraus sich ergibt,
daß in diesem Falle ein Synchronisationsband von nur 1 MHz erforderlich sein wird. Wenn der Gütefaktor
Q des Oszillators 50 ist (ein üblicher Wert in diesem Zusammenhang), läßt sich unmittelbar aus F i g. 3
erkennen, daß der Wert P0ZP1 um 20 dB vergrößert
oder daß umgekehrt P1ZP0 um 20 dB verringert wird.
Wenn P0 die konstante Ausgangsleistung des Oszillators ist, ergibt sich eine Verringerung von P1 um
20 dB. Durch Verbindung einer Temperaturtastvorrichtung T mit dem FM-Modulator MO 2 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 AfO 1 und MOl sind in diesem
Falle so angeordnet, daß sie die gleiche Modulationskennlinie haben.
F i g. 5 zeigt ein Schaltbild, in welchem der Oszillator mit den anderen Einheiten über Hochfrequenztransformatoren
oder Transformatoren TrI, Tr 1 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 FM-Modulator MOl verwendet werden. Der FM-Modulator
MO1, der Synchronisieroszillator SY und
die Vervielfachereinheit MU bestehen jeweils aus bekannten Schaltungen im Zwischenfrequenzbereich, so
daß ihr Aufbau nicht im einzelnen beschrieben werden wird.
F i g. 6 zeigt den praktischen Aufbau des FM-Modulators MO1 und des Oszillators OS. Das Element
— R mit negativer Impedanz in F i g. 4 besteht in diesem
Fall aus einer Gunn-Diode, welche in an sich bekannter Weise mit dem Hohlraum des Oszillators
verbunden ist (siehe z. B. die schwedische Veröffentlichung »Elteknik«, Januar 1968, S. 4). Der FM-Modulator
MO1 besteht aus einer Kapazitätsdiode, welche über einen Transformator TrI mit dem Oszillator
verbunden ist. Von dem Oszillator wird die Leistung Pn über einen weiteren Transformator Tr 1
ίο einem Zirkulator CI zur gleichen Zeit zugeführt, zu
welcher die Leistung P1 vom Modulator MOl und der Vervielfachereinheit MU über den Zirkulator Cl
dem Oszillator zugeführt wird. Die Last LO besteht in diesem Falle aus der Sendeantenne. Die frei
is schwingende Frequenz Z0 des Oszillators hai die
Größe 10 GHz. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist das Frequenzrauschen des Ausgangssignals innerhalb des
Synchronisationsbandes 2 A] durch die Rauscheigenschaften des Synchronisiersignals bestimmt. Außerhalb
des Synchronisationsbandes ist der Rauschpegel höher, abhängig von dem Rauschen von der
Rückführungsschleife des Oszillators und der Vervielfachereinheit, und hier sind die Rauscheigenschaften
bestimmt durch den Oszillator mit Hohlraum selbst. Das Rauschspektrum des frei schwingenden
Gunn-Oszillators wird um etwa 9 dB/Oktave von der frei schwingenden Frequenz /0 verringert, während
für gewöhnliche Oszillatoren mit negativem Widerstand der Wert etwa 6 dB/Oktave ist.
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 in der Phase injektionssynchronisierte Anordnung, bei welcher
ein frei schwingender Oszillator mit einer Frequenz Z0 schwingt und in der Phase injektionssynchronisiert
wird durch einen Synchronisieroszillator mit einer frei schwingenden Frequenz /s und eine Ver-Vielfachereinheit,
welche eine vervielfachte Frequenz nfs ergibt. Eine Modulationsfrequenz /m 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 Z1 abgestimmt
wird. Die Frequenz Z1 wird dabei so gewählt,
daß das Synchronisationsband Uf= 2(Z1-Z0) des
frei schwingenden Oszillators schmal ist, wodurch die Leistung zum Synchronisieren von dem Synchronise
sieroszillator niedrig gehalten werden kann.
Hierzu 2 Qlatt Zeichnungen
Claims (6)
1. In der Phase injeklionssynchronisierte Anordnung
in einem FM-Sender für einen durch ein Modulationssignal modulierten freischwingenden
Oszillator, insbesondere zur Verwendung im Mikrowellen-Frequenzbereich, bei welcher der
Oszillator auf eine Last arbeitet und ein Synchronisieroszillator über eine Vervielfachereinheit
mit dem Oszillator zur starren Synchronisierung der Phase des Oszillators mit der Phase des Synchronisieroszillators
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronisieroszillator
(SY) aus einem ersten FM-Modulator (MOl) und einem freischwingenden Oszillator
mit niedrigem Rauschen innerhalb eines durch die Frequenzdifferenz (Af) der Oszillatoren bestimmten
Bandes besteht, und ein zweiter FM-Modulator (MO 2) direkt mit dem Oszillator (OS)
für Mikrowellen verbunden ist, wobei der erste und zweite FM-Modulator durch das frequenzmodulierende
Signal moduliert werden und die freischwingende Frequenz des Oszillators (OS)
für Mikrowellen direkt kontinuierlich auf die über die Vervielfachereinheit (MU) vervielfachte
freischwingende Frequenz des Synchronisieroszillators abgestimmt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß statt der Vervielfachereinheit
(MU) eine Mischstufe vorgesehen ist, welche aus einem mit einem örtlichen Oszillator verbundenen
Mischer besteht.
3. Anordnung 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 (MOl) aus einer über
einen Transformator (TrI) mit dem Hohlraum (K) verbundenen Kapazitätsdiode besteht.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationskennlinie
des ersten FM-Modulators (MOl) derart gewählt ist, daß seine Modulationsbandbreite
kleiner als die des zweiten FM-Modulators (MO 2) ist.
5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei FM-Modulatoren
(MOl, MO 2) die gleiche Modulationskennlinie haben.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem
zweiten FM-Modulator (MO2) zur Kompensation der Temperaturdrift des Oszillators für Mikrowellen
eine Temperaturtastvorrichtung (T) verbunden ist.
Applications Claiming Priority (2)
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DE2133090A1 DE2133090A1 (de) | 1972-01-13 |
DE2133090B2 DE2133090B2 (de) | 1975-03-13 |
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