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Synthesizer
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Die Erfindung betrifft einen frequenzmodulierbaren, als Synthesizer
ausgebildeten Signalgenerator, der einen Phasendetektor, ein Schleifenfilter und
einen spannungsgesteuerten Oszillator in Serienschaltung umfasst und wobei der Ausgang
des Oszillators durch einen programmierbaren Frequenzteiler derartig mit dem Phasendetektor
rückgekoppelt ist, dass ein Regelkreis entsteht.
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Unter einem Synthesizer versteht man in der Nachrichtentechnik eine
Einheit, die die gewünschten Frequenzen dadurch liefert oder erzeugt, dass sie aus
einer oder mehreren Normalfrequenzen eine grossere Anzahl von Ausgangsfrequenzen
ableitet. Man unterscheidet zwischen zwei verschiedenen Syntheseverfahren: der direkten
Synthese und der indirekten Synthese, die auch als Analyse bezeichnet wird. Die
direkte Synthese ist dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschten Ausgangsfrequenzen
unter Anwendung von Mischstufen, Frequenzvervielfachern/ -teilern und Filtern direkt
aus der Normalfrequenz gewonnen werden, während die indirekte Synthese oder "Analyse"
dadurch gekennzeichnet ist, dass die Frequenz eines LC-Oszillators durch einen Regelkreis
mit einer Normalfrequenz synchronisiert wird. Hierbei ist es erforderlich, zunachst
die Differenz zwischen der Frequenz des LC-Oszillators und der Normalfrequenz zu
"analysieren".
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Frst danach ist es möglich, die Frequenz des LC-Oszillators auf den
Sollwert nachzustimmen.
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Das "Analyse"-Verfahren oder die indirekte Synthese erfolgt im wesentlichen
nach zwei Verfahren: der Analyse mit Frequenzzähler und Halteschleife und der Analyse
mit einem Phasenregelkreis, und dieses letztgenannte Verfah-
ren
liegt der Erfindung zugrunde.
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Der prinzipielle Aufbau eines Phasenregelkreises entspricht dem im
einleitenden Abschnitt angegebenen, und bei Phasenregelung ist die Ausgangsfrequenz
faus gegeben durch: faus dea =N.fref in welcher Beziehung N das Teilerverhältnis
des programmierbaren Frequenzteilers und fref eine stabile Referenzfrequenz (z.B.
1 kHz) ist. Durch Variation des Teilerverhältnisses N lässt sich die Ausgangsfrequenz
faus ändern.
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Diese Ausgangsfrequenz faus kann dadurch frequenzmoduliert werden,
dass einem in die Verbindung zwischen dem Schleifenfilter und dem spannungsgesteuerten
Oszillator eingeschalteten Summiernetswerk eine modulierende Wechselspannung zugeführt
wird. Hier handelt es sich Jedoch um ein in sich geschlossenes Servosystem, einen
Regelkreis, was bedeutet, dass das gegengekoppelte Ausgangssignal des Phasendetektors
die Modulation beeinflussen kann,.und um dem entgegenzuwirken, ist es erforderlich,
die Regelschleife so einzurichten, dass bei den Modulationsfrequenzen, die in Frage
kommen können, die Schleifenverstärkung klein ist. Dies lässt sich dadurch erreichen,
dass man für die Zeitkonstante des Schleifenfilters einen sehr grossen Wert wahl.
Die Folge davon ist jedoch, dass die Zeitspanne, die zum Umschalten der Frequenz
benötigt wird, ebenfalls lang ist, was eine absolut unerwünschte Wirkung ist.
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Das voranstehend aufgerissene Problem wird mit einem frequenzmodulierbaren,
als Synthesizer ausgebildeten Signalgenerator der einleitend angegebenen Art gelöst,
der erfindungsgemäss gekennzeichnet ist durch eine erste Regelschleife zur Erzeugung
einer frequenzmodulierten Wechselspannung mit einer festen mittleren Frequenz, die
mit einer stabilen Referenzfrequenz synchronisiert ist,
welche erste
Regelschleife ein Schleifenfilter mit verhältnismassig grosser Zeitkonstante enthält,
eine zweite Regelschleife zur Erzeugung einer frequenzprogrammierbaren Wechselspannung
mit einer~wählbaren, mit der genannten stabilen oder einer von dieser abgeleiteten
Referenzfrequenz synchronisierten mittleren Frequenz und eine Mischstufe zur Erzeugung
einer Ausgangsspannung mit einer Frequenz, die der Differenzfrequenz zwischen den
mittleren Frequenzen der von der ersten und von der zweiten Regelschleife erzeugten
Wechselspannungen entspricht.
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Durch diesen Aufbau des Generators wird eine Trennung der beiden Funktionen
Frequenzmodulation und Frequenzprogrammierung in zwei getrennte Phasenregelschleifen
erreicht, und durch Wahlen einer sehr grossen Zeitkonstanten für das Schleifenfilter
in der ersten Regelschleife wird erreicht, dass die Frequenzmodulation nicht gegengekoppelt
wird. Ausserdem ist es dadurch möglich, die Phasenregelung in der zweiten Regelschleife
hinsichtlich der Frequenzumschaltzeit zu optimieren, ohne dass sich dadurch eine
Rückwirkung auf die erste Regelschleife ergibt. Die gewünschte Ausgangsfrequenz
erhält man durch Kombinieren oder Mischen der von den beiden getrennten Regelschleifen
erzeugten Frequenzen.
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Wird die gewünschte Ausgangsfrequenz durch direktes Mischen der von
den genannten getrennten Regelschleifen erzeugten Frequenzen in einer Mischstufe
gewonnen, so führt dies jedoch zu einem verhältnismässig hohen Gehalt von Breitbandrauschen
im Ausgangssignal, da die auf den Eingang der Mischstufe gegebenen Signale verhältnismassig
schwach sein müssen, wenn man einen zu hohen Gehalt von unerwünschten Mischprodukten
im Ausgangssignal vermeiden will. Im Hinblick darauf ist der erfindungsgemasse Signalgenerator
dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Mischstufe in einer dritten Regelschleife
mit einem dritten spannungsgesteuerten Oszillator enthalten ist, der
mit
der gewünschten mittleren Frequenz schwingt, und dass die Mischstufe das Signal
des genannten dritten Oszillators mit dem Signal des genannten zweiten Oszillators
kombinIert, dass der Ausgang der Mischstufe mit einem Bandpass verbunden ist, der
einen kleinen Durchlassbereich besitzt und dessen Mittenfrequenz gleich der mittleren
Frequenz der von der ersten Regelschleife erzeugten Wechselspannung ist, und dass
der Ausgang des Bandpasses genau wie der Ausgang des ersten spannungsgesteuerten
Oszillators mit einem dritten Phasendetektor verbunden ist, dessen Ausgang durch
ein drittes Schleifenfilter mit dem Eingang des dritten spannungsgesteuerten Osillators
für die frequenzsteuernde Spannung verbunden ist.
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Dadurch wird erstens erreicht, dass die Eingangssignale der Mischstufe
kräftig sein konnten, da unerwünscht Mischprodukte durch den Bandpass gedämpft werden,
wenn die drei genannten Frequenzen zueinander passend gewählt werden, so dass Rauchsignale,
die in der Schaltung in dieser Regelschleife entstehen, nur geringfigigere Bedeutung
erhalten, da nur Rauschsignalkomponenten, deren Frequenzen innerhalb der Bandbreite
der betreffenden Schleife liegen, im Ausgangssignal wiederzufinden sind. Zweitens
wird erreicht, dass das Breitbandrauschen im Vergleich zum gewünschten Signal dadurch
auf einem sehr niedrigen Pegel gehalten werden kann, dass man den dritten Oszillator
ein ausreichend kräftiges Signal erzeugen lässt.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erklart. Es zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Phasenregelkreises herkömmlichen
Aufbaus mit einem programmierbaren Frequenzteiler in der Rückkopplungsschleife und
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausfthrungsform eines erfindungsgemässen Signalgenerators.
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Die in Fig. 1 wiedergegebene herkömmliche Ausführung eines digitalen
Frequenzsynthesizers umfasst im wesentlichen vier Haupteinheiten, und zwar einen
Phasendetektor 3, ein Schleifenfilter 4 und einen spannungsgesteuerten Oszillator
5, die zwischen einer Eingangsklemme 6 und einer Ausgangsklemme 7 in Serie geschaltet
sind, sowie einen variablen Frequenzteiler emit dem Teilerverhältnis N in einer
Rückkopplungs scleif e zwischen dem Ausgang des Oszillators 5 und einem ngang des
Phasendetektors 3. In der technischen Lite tur wird der spannungsgesteuerte Oszillator
auch mit VCO bezeichnet, d.h. mit dem Akronym für die englische Bezeichnung voltage
controlled oscillator, während der skizzierte Regelkreis als PLL bezeichnet wird,
was für phase-locked loop steht. Die veranschaulichte Schaltung ist somit in der
einschlägigen Literatur bereits recht grtndlich beschrieben, weshalb sich an dieser
Stelle eine einZehendere Beschreibung erübrigt.
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Mit einer stabilen Referenzfrequenz fref an er Eingangsklemme 6 und
Phasensynchronisation ergibt sich an der Ausgangsklemme 7 eine Ausgangsfrequenz
fausw die sich durch folgende Beziehung äuadrQcken lässt: faus = N # fref Durch
Variation des Teilerverhältnisses N lässt sich die AusGangsfrequenz faus variieren.
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Falls man einem an einer Stelle A zwischen dem Schleifenfilter 4
und dem Oszillator 5 eingeschalteten Summiernetzwerk ein Wechselsignal zuführt,
wird das Ausgangssignal, das die Frequenz faus hat, durch dieses Wechselsignal moduliert,
so wie es in der Einleitung erwähnt worden ist. Dadurch, dass man für die Zeitkonstante
des Schleifenfilters einen sehr grossen Wert wählt, könnte man, wie bereits erwahnt,
vermeiden, dass das vom Phasendetektor herrührende Gegenkopplungssignal die Modulation
beeinflusst. Dies würde andererseits bewirken,
dass die zum Umschalten
der Frequenz erforderliche Zeitspanne ebenfalls lang würde, doch dieses Problem
wird durch die in Fig. 2 in Form eines Blockschaltbilds dargestellte Schaltung gelöst.
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Die Schaltung ist, wie mit Hilfe von gestrichelten Linien angedeutet,
in drei Hauptabschnitte unterteilt, und zwar in eine erste, eine zweite und eine
dritte Regelschleife, die mit I, II bzw. III bezeichnet sind. Die erste Regelschleife
I umfasst eine Serienschaltung eines ersten Phasendetektors 11, eines ersten Schleifenfilters
12, das als ein als Integrator geschalteter Operationsverstärker ausgebildet ist,
und eines ersten spannungsgesteuerten Oszillators 13 sowie einen RUckkopplungszweig,
der einen ersten Frequenzteiler 14 mit festem Teilerverhältnis N1 enthält. Der Oszillator
schwingt mit einer festen Frequenz maus 1 die sich an einem Ausgang 15 dieser Regelschleife
wiederfindet. Auf einen Bingang 16 wird eine Referenzfrequenz frei 1 gegeben, und
bei Phasensynchronisation ergibt sich: faus,l - Nl fref,l Zwischen den Ausgang des
Schleifenfilters 12 und den Eingang des Oszillators 13 ist ein Summiernetzwerk 17
geschaltet, das dazu dient, dem Oszillatoreingang ein modulierendes Signal zur Frequenzmodulation
des Ausgangssignales, das die Frequenz £aus 1 hat, zuzuführen.
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Erfindungsgemäss ist für die Zeitkonstante des Filters 12 ein Wert
gewahlt, der so gross ist, dass die Frequenzmodulation nicht gegengekoppelt wird,
oder so gross, dass die Schleifenverstärkung bei der kleinsten der benutzten Modulationsfrequenzen
kleiner als eins ist.
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Die zweite Regelschleife II umfasst einen zweiten Phasendetektor
21, ein als Integrator ausgebildetes, zweites Schleifenfilter 22 und einen zweiten
spannungsgesteuerten Oszillator 23, die miteinander in Serie geschaltet sind, sowie
einen programmierbaren zweiten Frequenzteiler 24, der in den Rückkopplungszweig
dieser Schleife geschaltet ist. Das Teilerverhältnis N2 des
zweiten
Frequenzteilers 24 lässt sich dadurch innerhalb eines gewünschten Intervalles nach
Belieben einstellen, dass man auf bekannte Weise ein digitales Signal auf den Eingang
dieses Frequenzteilers gibt, so wie es durch einen Pfeil 25 angedeutet ist. Der
Eingang der zweiten Regelschleife, der gleichzeitig den Referenzeingang des zweiten
Phasendetektors darstellt, ist mit 26 bezeichnet. Das Referenzsignal wird von einem
sehr frequenzstabilen Generator 27 erzeugt, der z.B. einen kristallgesteuerten Oszillator
enthalt, und, nachdem es gegebenenfalls zuerst einen Frequenzteiler 28 mit einem
geeigneten festen Teilerverhaltnis durchlaufen hat, auf den Referenzeingang des
zweiten Phasendetektors 21 gegeben. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass dem
ersten und dem zweiten Phasendetektor 11 bzw. 21 dasselbe Referenzsignal zugeführt
wird, das die Frequenz frei 1 hat, was zwar naheliegend und bequem, aber keinesfalls
erforderlich ist. Am Ausgang 29 der zweiten Regelschleife liegt bei Phasensynchronisation
eine Spannung mit der Frequenz £aus,2 = N2 fref,l Da das frequenzmodulierte Signal
am Ausgang 15 der ersten Regelschleife I in der zweiten Regelschleife II nicht auftritt,
kann man sich ausschliesslich darauf konzentrieren, diese zweite Regelschleife hinsichtlich
der Frequenzumschaltzeiten zu optimieren, so dass diese so kurz wie möglich werden.
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Die gewünschte Ausgangsfrequenz ergibt sich durch Kombination der
Ausgangssignale der beiden Regelschleifen I und II. Das einfachste Verfahren wäre,
die Signale in einer Mischstufe direkt zu mischen und das zusammengesetzte Signal
dann durch ein Filter zu schicken, so dass nur eine Spannung übrigbleibt, deren
Frequenz als die Differenz £aus,2 - £aus,l bezeichnet werden kann.
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Die Anwendung dieses Verfahrens ist jedoch nicht empfehlenswert, da
das danach gewonnene Ausgangssignal
einen verhältnismässig grossen
Gehalt an Breitband-Störsignalen hätte. Das ist darauf zurdekzufthren, dass die
in die Mischstufe eingegebenen Eingangs signale verhaltnismässig schwach sein müssen,
wenn man vermeiden will, dass das Ausgangssignal einen zu grossen Gehalt an unerwünschten
Mischprodukten aufweist, und dadurch wird der erreichbare Störabstand zu klein.
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Erfindungsgemäss findet statt dessen eine dritte Regelschleife III
Anwendung. Eine Mischstufe 31 ist mit ihren Eingängen teils mit dem Ausgang 29 der
zweiten Regelschleife, teils mit dem Ausgang eines dritten spannungsgesteuerten
Oszillators 32 verbunden, der direkt mit der gewünschten Ausgangsfrequenz fausr3
schwingt. Der Ausgang der Mischstufe 31 ist an den Eingang eines Bandpasses 33 mit
einem kleinen Durchlassbereich angeschlossen. Der Ausgang des Bandpasses ist mit
dem einen Eingang eines dritten Phasendetektors 34 verbunden, dessen zweiter Eingang
mit der Ausgang klemme 15 der ersten Regelschleife in Verbindung steht.
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Schliesslich ist der Ausgang des dritten Detektors 34 über ein drittes
Schleifenfilter 35, das ebenfalls als Integrator ausgebildet ist, mit dem Eingang
des dritten Oszillators 32 für die frequenzsteuernde Spannung verbunden. In dieser
dritten Regelachleife liefert die Mischstufe 31 eine Spannung, die u.a. die Frequenzkomponente
faus,2 ~ maus,3 enthält, und diese Spannung wird durch den Bandpass geschickt und
anschliessend zusammen mit der Frequenzkomponente £aus,l' die von der ersten Regelschleife
I herrührt, in den dritten Phasendetektor 34 eingespeist. Wenn die dritte Regelschleife
phasensynchronisiert ist, gilt die Beziehung fausr2 f aus,3 aus,l' was bedeutet,
dass
faus,3 faus,2 - faus,l ist, so wie es erwünscht war.
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Im Vergleich zum direkten Mischverfahren hat dieses Verfahren den
Vorteil, dass, wie bereits in der Einleitung erwähnt, teils zulässig ist, dass die
Eingangssignale der Mischstufe kräftiger sind, da unerwünschte Mischprodukte durch
den Bandpass gedämpft werden, teils zulässig ist, dass der dritte Oszillator ein
kraftiges Signal liefert, wodurch der Störabstand erheblich verbessert wird.
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