DE2348650A1

DE2348650A1 - Synchronisation device for an F.M. oscillator - synchronises it with fixed reference frequency by phase discriminator in control loop

Info

Publication number: DE2348650A1
Application number: DE19732348650
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Deserno
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-27
Filing date: 1973-09-27
Publication date: 1975-04-03
Also published as: DE2348650B2

Abstract

The f.m. oscillator frequency is divided in such a ratio, that the maximum unambiguous detection range of a phase demodulator is not exceeded even at the lowest modulation frequencies. Interference or modulation frequency components which are in the phase comparator produced by heterodyning by its centre frequency and lying around it, and not suppressed in the low-pass filter in the following control loop, are suppressed by a compensation circuit; interference components used for compensation are generated by mixing of the reference and the modulation frequencies; a phase shifter is provided at the mixer input for the modulation frequencies for the compensation voltage phase correct adjustment; the compensation voltage is applied at a point between the phase comparator and the low-pass filter.

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, den 27.SER 1973SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Munich, 27 SER 1973

Berlin und München Witteisbacherplatz 2Berlin and Munich Witteisbacherplatz 2

73/670173/6701

FM oscillator with synchronizing device;

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Synchronisation eines frequenzmodulierten Oszillators mit einer festen Vergleichsfrequenz, mittels einer einen Phasendiskriminator enthaltenden Regelschleife, bei der die modulierte Oszillatorfrequenz in einem derartigen Verhältnis zurückgeteilt wird, daß der maximale eindeutige Erfassungsbereich eines Phasendemodulators auch bei den tiefsten Modulationsfrequenzen nicht überschritten wird.The invention relates to a device for synchronization a frequency-modulated oscillator with a fixed comparison frequency, by means of a one Phase discriminator containing control loop in which the modulated oscillator frequency is divided back in such a ratio that the maximum unique The detection range of a phase demodulator is not exceeded even at the lowest modulation frequencies will.

Bei frequenzmodulierten Oszillatoren für sehr hohe Frequenzen bereitet normalerweise eine lineare Modulation keine großen Schwierigkeiten, jedoch besteht für solche Oszillatoren das Problem, die Grundfrequenz über .längere Zeiten äußerst genau einzuhalten. Bei einem frequenzmodulierten Oszillator ist es nämlich mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, dessen Mittenfrequenz in üblicher Weise zu bestimmen und diese beispielsweise raittels eines Quarzes möglichst phasenstarr zu stabilisieren. Es ist üblich, einen derartigen frequenzmodulierten Oszillator so zu stabilisieren, daß ihm nach einem Mischer oder einem Frequenzteiler ein Frequenzdiskriminator nachgeschaltet ist, und daß durch die von der Frequenzabweichung abhängige Gleichspannung, die dieser Diskriminator abgibt, eine Frequenznachstelleinrichtung so gesteuert wird, daß der Oszillator wieder auf die gewünschte Sollfrequenz hingezogen wird. Jedoch ist der Nachteil eines solchen Systems stets eine gewisse, durch das Regelsystem bedingte Abweichung von der eigentlichen Sollfrequenz. Es handelt sich nämlich um eine Proportionalregelung. Die Frequenzablage soll jedoch mög-With frequency-modulated oscillators for very high frequencies linear modulation does not normally cause much difficulty, but there is for such oscillators the problem of keeping the basic frequency extremely precisely over long periods of time. With a frequency-modulated This is because the oscillator is associated with considerable difficulties in determining its center frequency in the usual way and to stabilize this as phase-locked as possible, for example by means of a quartz. It is common to have one to stabilize such a frequency-modulated oscillator so that it is after a mixer or a frequency divider a frequency discriminator is connected downstream, and that due to the direct voltage, which is dependent on the frequency deviation, which this discriminator emits, a frequency adjustment device is controlled so that the oscillator is drawn back to the desired setpoint frequency. However, the disadvantage of such a system is always one certain deviation from the actual setpoint frequency caused by the control system. Because it is a Proportional control. However, the frequency offset should be possible

VPA 9/641/0014 Gz/Bri . - 2 -VPA 9/641/0014 Gz / Bri. - 2 -

509814/0895509814/0895

liehst Null werden. Bei frequenzmodulierten Oszillatoren kann daher die Oszillatorfrequenz in einem derartigen Verhältnis heruntergeteilt werden, daß der maximale, durch die niedrigste Modula;tionsfrequenz verursachte Frequenzhub den Erfassungsbereich des Phasenhubes eines Phasendemodulators nicht überschreitet. Mit einer derartig aufgebauten Einrichtung kann zwar eine phasenstarre Synchronisation eines auch auf sehr hohen Frequenzen schwingenden, frequenzmodulierten Oszillators erreicht werden. Wird jedoch die modulierte Oszillatorschwingung durch Teilung auf die erforderliche niedrige Frequenz gebracht, so entsteht besonders für niedrige Modulationsfrequenzen die Gefahr, daß im Phasendemodulator Modulationsprodukte entstehen, die auch durch nachgeschältete Tiefpässe nicht zu beseitigen sind. Die Modulationsfrequenzen des frequenzmodulierten Oszillators bilden nämlich mit der Vergleichsfrequenz des Phasendiskriminators Interferenzen. Phasendiskriminatoren, bei denen Klirrprodukte aufgrund ihres Aufbaus vermieden sind, haben einerseits hohen Aufwand zur Folge oder sie lassen sich kaum in integrierter Schaltungstechnik realisieren. Die besonders störenden Interferenzen liegen unterhalb der Vergleichsfrequenz und ergeben eine Störmodulation des HF-Oszillators über dessen Nachsteuerungseinrichtung. Durch den Tiefpaß in der Frequenznachstelleitung kann nur erreicht werden, daß die heruntergeteilte niedrige Frequenz, also die Mittenfrequenz des Phasendiskriminators selbst unterdrückt wird, jedoch keineswegs, daß derartige im Verhältnis zu dieser Mittenfrequenz wesentlich frequenzniedrigere, durch die Modulationsfrequenzen des Oszillators im Phas end i'skr iminat or erzeugte Klirrprodukte unterdrückt werden. Dies ist auch nicht durch dem Oszillator unmittelbar nachgeschaltete Amplitudenbegrenzer vermeidbar, da diese zwar die Dynamik der Klirrmodulation beseitigen, jedoch keineswegs die Klirrmodulation selbst.let go zero. With frequency-modulated oscillators therefore the oscillator frequency can be divided down in such a ratio that the maximum through which The lowest modulation frequency caused the frequency deviation to reduce the detection range of the phase deviation of a phase demodulator does not exceed. With a device constructed in this way, phase-locked synchronization is possible a frequency-modulated oscillator that also oscillates at very high frequencies can be achieved. Will however the modulated oscillator oscillation is brought to the required low frequency by division, this is how special arises for low modulation frequencies the risk that modulation products arise in the phase demodulator which not to be eliminated even by downstream low passes are. The modulation frequencies of the frequency-modulated oscillator form namely with the comparison frequency of the Phase discriminator interference. Phase discriminators, in which distortion products avoided due to their structure are, on the one hand, result in a lot of effort or they can hardly be implemented in integrated circuit technology. The particularly disturbing interferences are below the comparison frequency and result in an interference modulation of the HF oscillator via its readjustment device. Through the low-pass filter in the frequency adjustment line can only be achieved that the divided low frequency, i.e. the center frequency of the phase discriminator itself is suppressed, but by no means that such in relation to this center frequency are significantly lower in frequency, distortion products generated by the modulation frequencies of the oscillator in the phase end i'skr iminat or are suppressed will. This cannot be avoided by amplitude limiters connected immediately after the oscillator, since this eliminates the dynamic of the distortion modulation, but by no means the distortion modulation itself.

VPA 9/641/OOH - 3 -VPA 9/641 / OOH - 3 -

509814/0595509814/0595

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Störkomponenten zu unterdrücken.The invention is based on the object of suppressing such interference components.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem System der in der Einleitung geschilderten Art dadurch gelöst, daß die im Phasenvergleicher durch Überlagerung von um seine Mittenfrequenz liegenden Stör- oder Modulationsfrequenzen mit der Mittenfrequenz selbst entstehenden und durch den in der nachfolgenden Regelleitung liegenden Tiefpaß nicht unterdrückbaren Interferenzkomponenten durch eine Kompensationsschaltung unterdrückt werden.According to the invention, this object is achieved in a system of the type described in the introduction is solved in that the phase comparator by superimposing um its center frequency lying interference or modulation frequencies with the center frequency itself and arising through the low-pass filter in the downstream control line interference components that cannot be suppressed are suppressed by a compensation circuit.

Eine vorteilhafte Erzeugung der kompensierenden Interferenzspannungen besteht darin, daß die zur Kompensation dienenden Interferenzkomponenten durch Mischung der Vergleichsfrequenz und der Modulationsfrequenzen erzeugt werden, und daß vorzugsweise im Eingang des Mischers für die Modulationsfrequenzen ein Phasendrehglied zur phasenrichtigen Einstellung der Kompensationsspannung liegt.An advantageous generation of the compensating interference voltages consists in that the interference components used for compensation are obtained by mixing the comparison frequency and the modulation frequencies are generated, and that preferably in the input of the mixer for the modulation frequencies is a phase shifter for the correct phase setting of the compensation voltage.

Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Zuführung der Kompensationsspannung in einem Einkoppelglied zwischen dem Phasenvergleicher und dem Tiefpaß in der Regelleitung erfolgt. It is advantageous here if the compensation voltage is supplied takes place in a coupling element between the phase comparator and the low-pass filter in the control line.

Vorteilhaft wird die Vergleichsfrequenz unmittelbar von einem Schwingquarz" abgeleitet und die modulierte Oszillatorfrequenz durch einen Teiler mit einstellbarem Teilerverhältnis zur schrittweisen Veränderung der Oszillatorfrequenz geleitet.The comparison frequency and the modulated oscillator frequency are advantageously derived directly from an "oscillating crystal" by means of a divider with an adjustable division ratio for gradually changing the oscillator frequency directed.

Der Sägezahn für den Phasendiskriminator wird zweckmäßig von der Schwingquarzfrequenz abgeleitet.The saw tooth for the phase discriminator is expediently derived from the quartz oscillator frequency.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to figures.

VPA 9/641/0014 - 4 -VPA 9/641/0014 - 4 -

509814/0595509814/0595

Wie eingangs bereits dargelegt, entstehen bei einem frequenzmodulierten Oszillator mit Phasenregelschleife, wie er in Fig.1 dargestellt ist, unter anderem Störkomponenten durch Überlagerung der Vergleichsfrequenz fv mit Modulationsfrequenzen. In Fig.1 bedeutet 1 einen freischwingenden Oszillator mit dem Ausgang A, der auf einen Verbraucher führt. Der Oszillator 1 hat eine Möglichkeit zur Frequenzmodulation, die hier durch Varaktordioden 2 angedeutet ist. Zweckmäßig werden zwei Varaktordioden vorgesehen, eine, die lediglich als Stellglied für die Phasenregelung dient und eine weitere, die für die Frequenzmodulation des Oszillators vorgesehen ist. Letzterer wird das Signal fmod zugeführt. Der Oszillator hat für die Phasenregelung einen weiteren Ausgang B, normalerweise eine schwache Ankopplung an die Ausgangsleitung des Oszillators, an die ein Frequenzteiler 3 mit dem Teilerverhältnis n/1 angeschlossen ist. Der Frequenzteiler ist vorzugsweise in feinen Stufen einstellbar, so daß hierdurch letztlich die Oszillatorausgangsfrequenz regelbar wird. Der Ausgang des Teilers liegt an einem Phasendiskriminator 4. In diesem wird das Ausgangssignal ft des Teilers 3 mit einer stabilen Frequenz fv verglichen. Die Vergleichsfrequenz wird normalerweise von einem Quarz-stabilisierten Oszillator 10 abgeleitet. Sie wird relativ niedrig liegen, da der Frequenzteiler in seinem Teilerverhältnis so hoch ausgebildet werden muß, daß auch bei tiefen Modulationsfrequenzen der maximale eindeutige Phasenerfassungsbereich des Phasendiskriminators'4 nicht überschritten wird. Im Ausgang des Phasenvergleichers liegt wie üblich ein Tiefpaßglied 5 zur Unterdrückung gegenkoppelnd wirkender Modulatienskomponenten, dessen Ausgangsspannung letztlich dem Stellglied 2 des Oszillators wieder zugeführt wird. Da im Ausgangssignal des Phasendiskriminators durch Überlagerung der Vergleichsfrequenz mit der geteilten Oszillatorfrequenz schon wegen UnIinearitaten des Phasendiskrimi-As already explained at the beginning, with a frequency-modulated oscillator with a phase-locked loop, as shown in Figure 1, inter alia, interference components by superimposing the comparison frequency fv with Modulation frequencies. In Fig.1, 1 means a free-running oscillator with the output A, the Consumer leads. The oscillator 1 has a possibility for frequency modulation, which is indicated here by varactor diodes 2. Two varactor diodes are expediently provided, one that is only used as an actuator for phase control and another that is used for frequency modulation of the oscillator is provided. The signal fmod is fed to the latter. The oscillator has for that Phase control another output B, usually a weak coupling to the output line of the oscillator, to which a frequency divider 3 with the division ratio n / 1 is connected. The frequency divider is preferred adjustable in fine steps, so that the oscillator output frequency can ultimately be regulated. Of the The output of the divider is applied to a phase discriminator 4. In this, the output signal ft of the divider 3 is included compared to a stable frequency fv. The comparison frequency is usually stabilized by a quartz crystal Oscillator 10 derived. It will be relatively low because the division ratio of the frequency divider is so high it must be designed that the maximum unambiguous phase detection range even at low modulation frequencies of the phase discriminator'4 is not exceeded. As usual, a low-pass element 5 for suppressing negative feedback is located at the output of the phase comparator Modulation components, the output voltage of which is ultimately fed back to the actuator 2 of the oscillator. As in the output signal of the phase discriminator by superimposing the comparison frequency with the divided oscillator frequency because of the unIinearities of the phase

VPA 9/641/0014 - 5 -VPA 9/641/0014 - 5 -

509814/0595509814/0595

nators die bereits eingangs erwähnten Störinterferenzen, z.B. wie in Pig.2 dargestellt, die Produkte fst=fv+fmod entstehen, würden ohne Anwendung der erfindungsgemäßen Kompensation diese Störkomponenten eine neue Modulation des Oszillators bewirken, die nicht mehr ausgleichbar ist. Der in der Regelleitung vorgesehene Tiefpaß 5 würde nämlich nur eine Begrenzung ähnlich der in Fig.2 dargestellten Amplitudenkurve bewirken. Gerade die nahe der Vergleichsfrequenz fv liegenden Überlagerungskomponenten sehr niedrigere Frequenz würden den Oszillator zusätzlich modulieren. Ähnliche Störprodukte entstehen, wenn die Vergleichsfrequenz unter den tiefsten Modulationsfrequenzen liegt für gegebenenfalls vorhandene Oberwellen der Vergleichsfrequenz, die in den Bereich des Modulationsfrequenzbandes fallen.nators the interference already mentioned at the beginning, e.g. as shown in Pig. 2, the products fst = fv + fmod if the compensation according to the invention were not used, these interference components would result in a new modulation cause of the oscillator, which can no longer be compensated. The low-pass filter 5 provided in the control line would namely only effect a limitation similar to the amplitude curve shown in FIG. Especially those near the Comparative frequency fv superposition components lying at a very lower frequency would additionally activate the oscillator modulate. Similar interference products arise when the comparison frequency is below the lowest modulation frequencies For harmonics that may be present, the comparison frequency lies in the range of the modulation frequency band fall.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, diese Störungen durch Kompensation zu beseitigen. Es muß also eine geeignete Kompensationsspannung gewonnen werden. Es ist hierzu vorteilhaft, die Vergleichsfrequenz und die Modulationsfrequenzen in einem besonderen Mischer zu überlagern, woraus zumindest die Störprodukte erster Ordnung fv+fmod gewonnen werden können. Eine solche Einrichtung ist in Fig.3 dargestellt. Dort ist der Mischer mit bezeichnet. An seinem Ausgang liegt ein Tiefpaß 7 mit der gleichen Charakteristik wie der Tiefpaß 5 in der Regelleitung, und ein Phasendrehglied 8. Über eine Welche 9 wird die Kompensationsspannung dem Regeleingang des Oszillators zugeführt. Das Phasendrehglied 8 zur phasenrichtigen Gewinnung der Interferenzkomponenten kann jedoch vorteilhaft auch im Eingang des Mischers 6 für die, Modulationsspannung liegen und beispielsweise aus einem einfachen RC-Glied bestehen. Ferner kann der Tiefpaß 7 dann eingespart werden, wenn die KompensationsSpannung zwischen dem Tiefpaß 5 und dem Phasendiskriminator 4 ein-The invention is based on the idea of eliminating these disturbances by means of compensation. So it has to be suitable compensation voltage can be obtained. For this purpose, it is advantageous to use the comparison frequency and the modulation frequencies to be superimposed in a special mixer, from which at least the first-order interference products fv + fmod can be won. Such a facility is shown in Fig.3. The mixer is marked there with. At its output there is a low-pass filter 7 the same characteristic as the low-pass filter 5 in the control line, and a phase shift element 8. Via a Which 9 the compensation voltage is fed to the control input of the oscillator. The phase shifter 8 for the correct phase Obtaining the interference components can, however, advantageously also in the input of the mixer 6 for Modulation voltage lie and, for example, from a simple RC element. Furthermore, the low-pass filter 7 can be saved when the compensation voltage between the low-pass filter 5 and the phase discriminator 4

VPA 9/641/0014 - 6 -VPA 9/641/0014 - 6 -

509814/0595509814/0595

geführt wird.to be led.

Der Phasenschieber 8 ist zweckmäßig so ausgelegt, daß er die zur Beseitigung der störenden Modulationskomponenten auf der Leitung UR notwendige, aus der Modulationsspannung. Umod durch Integration gewonnene Kompensationsspannung liefert. Die Integration ist notwendig, da die im Phasendiskriminator vorliegende Störspannung durch die im Oszillator O frequenzmodulierte HF-Spannung (zusammen mit dem festen Vergleichssignal fv) erregt wird. Da die hieraus entstehende Phasenabweichung des Signals ft das Integral der wirksamen Frequenzabweichung durch die Modulation
ist, muß die Kompensationsspannung integriert werden.The phase shifter 8 is expediently designed so that it extracts the modulation voltage necessary to eliminate the interfering modulation components on the line UR. Umod supplies compensation voltage obtained by integration. The integration is necessary because the interference voltage present in the phase discriminator is excited by the HF voltage frequency-modulated in the oscillator O (together with the fixed comparison signal fv). Since the resulting phase deviation of the signal ft is the integral of the effective frequency deviation due to the modulation
the compensation voltage must be integrated.

6 Patentansprüche
3 Figuren6 claims
3 figures

YPA 9/641/0014 - 7 -YPA 9/641/0014 - 7 -

509814/0595509814/0595

Claims

1. Device for the synchronization of a frequency modulated Oscillator with a fixed comparison frequency, by means of a control loop containing a phase discriminator, at which the modulated oscillator frequency is divided back in such a ratio that the Maximum clear detection range of a phase demodulator even at the lowest modulation frequencies is not exceeded, characterized in that the phase comparator by Superposition of interference or modulation frequencies around its center frequency with the center frequency itself Interference components that arise and cannot be suppressed by the low-pass filter in the downstream control line can be suppressed by a compensation circuit.

2. Device according to claim 1, characterized that the interference components used for compensation are generated by mixing the comparison frequency and the modulation frequencies, and that preferably in the input of the mixer for the modulation frequencies a phase rotation element for the correct phase Setting of the compensation voltage is.

3. Device according to claim 2, characterized in that the compensation voltage is supplied in a coupling element between the phase comparator and the low-pass filter in the control line.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that in a working with a sampled sawtooth phase discriminator the integrated modulation voltage the

VPA 9/641/0014 - 8 -

5098U/05955098U / 0595

Sawtooth is superimposed.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the Comparison frequency is derived directly from a quartz oscillator, and that the modulated oscillator frequency to change the oscillator frequency step by step using a divider with an adjustable division ratio is directed.

6. Device according to claim 5 »characterized in that the saw tooth for the phase discriminator is derived from the crystal frequency.

VPA 9/641 / 00U

509814/0595509814/0595

LeerseiteBlank page