DE2133090C3 - In der Phase injektionssynchronisierte Anordnung in einem FM-Sender für einen durch ein Modulationssignal modulierten freischwingenden Oszillator - Google Patents

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 r}o _ 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 f_s 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 U_n, 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 U_m wird die Frequenz /_s und die Frequenz /₀ mit der Frequenz f_m modulieren, und der Zusammenhang zwischen der Spannung U_n, 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-f_s—\OO (100 ±0,05) MHz= 10 GHz ± 5 MHz zugeführt. Als Ergebnis wird der Synchronisieroszillator SY den Oszillator so modulieren, daß er kontinuierlich auf f_i = _n.f_s 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 P_n 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 nf_s 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)

Patentansprüche:

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.