DE3229112A1 - Frequenz-synthesiser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenz-Synthesiser, und insbesondere einen Synthesiser, der nur einen geringen Pegel an unerwünschtem Rauschen zusätzlich zu dem gewünschten Ausgangssignal bei einer besonderen Frequenz erzeugt.

Die Ausgangsfrequenz eines Frequenz-Synthesisers ist niemals vollständig rein, sondern weist Seitenbänder mit Frequenzmodulationsrauschen auf, die von der Art der Zusammensetzung der Ausgangsfrequenz und von der Art der Standardfrequenzquelle herrühren, die als Frequenzvergleich für den Synthesiser benutzt wird. Eine Standardfrequenzquelle besitzt normalerweise die Form eines sehr stabilen Kristalloszillators, und obwohl ein solcher Oszillator einen gewissen Rauschanteil besitzt, so liegt dieser doch bei einem niedrigen Pegel und ist oft zulässig. Es ist unpraktisch, einen Kristall-Oszillator zu erzeugen, der einen Grundschwingungsbetrieb bei Frequenzen von weit über einigen 10 MHz stützen kann, da die körperlichen Abmessungen des Kristalls nicht unter ein Maß verringert werden können, bei dem sie noch leicht und zuverlässig herstellbar sind.

Damit wurde das Bedürfnis nach einem Frequenz-Synthesiser, der bei viel höheren Frequenzen, z.B. in der Größenordnung von einigen 100 MHz, arbeiten kann, dadurch befriedigt, daß die Ausgangsfrequenz des Kristalloszillators mit einem angemessenen Faktor vervielfacht wird. Durch dieses Verfahren wird jedoch unvermeidlich das Rauschen in hohem Maße verschlechtert. Wenn beispielsweise ein 10 MHz-Kristall-Oszillator eine sehr annehmbare Einzelseitenband-Rauschzahl von -170 db/Hz bei einer bestimmten abgesetzten (off-set) Frequenz zeigen kann, ergibt eine Multiplizierung der Frequenz mit einem Faktor 50 unvermeidbar eine Rauschzahl von -134 db, auch wenn keine zusätzlichen Rauschquellen eingeführt werden.

Die vorliegende Erfindung soll einen verbesserten Frequenz-Synthesiser schaffen, der eine sehr niedrige Rauschzahl ergeben kann.

Erfindungsgemäß enthält ein Frequenz-Synthesiser einen Oberton-Kristalloszillator, der zur Erzeugung einer ersten Frequenz ausgelegt ist, eine variabele Frequenzquelle, die zur Erzeugung einer zweiten, niedrigeren als der ersten Frequenz ausgelegt ist, einer Einrichtung zum Kombinieren der ersten und der zweiten Frequenz zur Erzeugung eines gewünschten Ausgangssignals mit einer dritten Frequenz und eine Einrichtung zum Nachstellen des Wertes der zweiten Frequenz zum Ausgleich der Abweichungen der ersten Frequenz von einem Nennwert.

Mit dem Ausdruck "Oberton-Kristalloszillator" ist ein Kristall gemeint, der zum Schwingen mit einem harmonischen Vielfachen seiner Grundschwingfrequenz angeregt ist. Da die natürliche Schwingungsfrequenz des Kristalls von seinen mechanischen Eigenschaften abhängt, ist die elektrische Frequenz des öberton-Kristalloszillators nicht allgemein ein genaues ganzzahliges Vielfaches der elektrischen Grundfrequenz. Die Nennfrequenz eines bei seinem Grundzustand arbeitenden Kristalloszillators kann leicht über einen nutzbar breiten Frequenzbandbereich dadurch nachgestellt werden, daß die elektrischen Eigenschaften des zugehörigen Abstimmkreises geändert werden, und diese Abstimmung ist allgemein notwendig, um kleinere Abweichungen von der Nennfrequenz auszugleichen, die von mechanischen Abweichungen bei einem Los gleicher Kristalle herrühren, und um Temperaturänderungen sowie Alterungscharakteristiken auszugleichen, die während der nutzbaren Lebenszeit auftreten. Es ist jedoch nicht möglich, in gleicher Weise die Frequenz eines Oberton-Kristall-Oszillators in wesentlichem Ausmaß bei einer niedriges Rauschen erfordernden Anwendung nachzustimmen, da dadurch der Q-Faktor in schädlicher Weise reduziert und die Frequenzstabilität verschlechtert wird.

Bei einem Frequenz-Synthesiser ist es oftmals notwendig, eine mit einem Kristalloszillator gekoppelte Signalquelle mit relativ niedriger Frequenz vorzusehen (die typischerweise selbst ein Frequenz-Synthesiser sein kann), um die exakte Einstellung der Ausgangsfrequenz auf einen gewünschten Wert zu ermöglichen. In

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der Erfindung wird eine Signalquelle reit niedriger Frequenz benutzt, um zu vermeiden> daß die tatsächliche Ausgangsfrequenz des Oberton-Oszillators auf den Nenn- oder Auslegungswert gezogen werden muß. Da die Rauschanforderungen für einen Niederfrequenz-Oszillator leicht durch Benutzung von wohlbekannten Standardverfahren erfüllt werden können, ist es möglich, einen Frequenz-Synthesiser zu erzeugen, der bei sehr hohen Trägerfrequenzwerten arbeiten kann und ein sehr reines und rauschfreies Ausgangssignal abgibt. Wenn der Frequenz-Synthesiser einen sehr breiten Bereich von hohen Frequenzen überdecken soll, kann eine Anzahl von anwählbaren Oberton-Kristalloszillatoren benutzt werden, so daß der für die erforderliche Ausgangsfrequenz Bestgeeignete erforderlichenfalls durch einen Schalter angewählt werden kann.

Es kann notwendig sein, die Ausgangsfrequenz des Oberton-Kristalloszillators mit einem kleinen Faktor zu multiplizieren, falls eine sehr hohe Ausgangsfrequenz benötigt wird, jedoch wird der Anstieg des Rauschpegels erträglich sein, da nur ein sehr geringer Faktor allgemein notwendig ist, und insbesondere kann erfindungsgemäß der Vervielfacher in Hinblick auf minimales Rauschen ausgelegt werden, da die wirklich lineare Charakteristik nicht notwendigerweise eingehalten werden muß.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert, in der die einzige Figur einen Frequenz-Synthesiser mit einem Oberton-Kristalloszillator zeigt.

Gemäß der Zeichnung ist ein Oszillator 1 vorhanden in Form eines Oberton-Kristalloszillators unter Verwendung eines Quarzkristalls, dessen Abmessungen prinzipiell eine Grundschwingungsart im Frequenzbereich von 10 bis 25 MHz stützen. Der abgestimmte Kreis, der zu dem Oszillator 1 gehört und nicht extra dargestellt ist, ist so ausgelegt, daß er den Oszillator zum Betrieb nicht in seiner Grundschwingungsart, sondern bei seiner fünften Harmonischen anregt, so daß der Oszillator eine Ausgangsfrequenz mit dem Nennwert

von 120 MHz abgibt. Wegen dieser Betriebsart wird für den Oszillator der Ausdruck "Oberton-Kristalloszillator" verwendet. Der Frequenz-Synthesiser ist so ausgelegt, daß er eine Ausgangsfrequenz in der Größenordnunt von 500 MHz besitzt, die in Schritten von 1 Hz auf irgendeinen erforderlichen Wert eingestellt werden kann, innerhalb eines Bereiches, welcher durch die Frequenz des Oberton-Kristalloszillators und den Frequenzbereich eines Niederfrequenz-Synthesisers 7 bestimmt ist.

Das Ausgangssignal des Oszillators 1 wird über einenFrequenzvervielfacher 2 mit einem Multiplikationsfaktor der Größe 4 an einen Mischer 3 angelegt und dort mit dem Ausgang eines Oszillators 4 mit variabler Frequenz gemischt, der so gesteuert wird, daß sich die erforderliche Ausgangsfrequenz des Frequenz-Synthesisers an der Ausgangsklemme 5 ergibt. Die Oszillationsfrequenz des Oszillators 4 wird mittels einer phasenstarren Schleife (phase lock loop) oder Phasenregelschleife gesteuert, die den Mischer 3 und einen weiteren Mischer 6 enthält. Als zweites Eingangssignal erhält der Mischer 6 das Ausgangssignal eines Niederfrequenz-Synthesisers 7, der jede gewünschte Frequenz mit einer Genauigkeit von 1 Hz über einem relativ begrenzten Frequenzband abgeben kann. Eine Hilfsstandard-Frequenzquelle 8 (oder Zusatz-Quelle) wird als Referenzfrequenz für den Niederfrequenz-Synthesiser 7 benutzt, und der Frequenzwert der Frequenzquelle 8 wird wieder durch das Ausgangssignal eines Phasendetektors 9 gesteuert, der einen Vergleich der Ausgangsfrequenz an der Klemme 5 mit einem Frequenzstandard 10 durchführt. Dazu wird die an der Klemme 5 anliegende Ausgangsfrequenz mittels eines variablen Frequenzuntersetzers 11 heruntergeteilt, so daß sich nominell der gleiche Wert wie der der Standardfreqttens:""" von der Quelle 10 ergibt. Jede Abweichung läßt den Phasendetektor ein Korrektursignal aussenden, das die Frequenz der Frequenzquelle 8 zum Ausgleich nachstellt.

Der Oszillator 4 ist so phasengeregelt, daß sich eine Ausgangsfrequenz f, = f₁ ± f₂ ergibt, wobei f- die Ausgangsfrequenz des Frequenzvervielfachers 2 und f₂ die Ausgangsfrequenz des Niederfrequenz-Synthesisers 7 ist. Zwar wird die Frequenz f₃ einen sehr niedrigen Rauschpegel zeigen, jedoch kann es sein, daß sie nicht exakt ihren Nennwert besitzt, da die Frequenz f- vom Auslegungswert abweichen kann. Wie bereits erklärt, ist es nicht möglich, die Ausgangsfrequenz des Oszillators 1 zum Ausgleich etwaiger Fehler nachzustellen, da dadurch die Stabilität verschlechtert und genau das Rauschen eingeführt würde, das erfindungsgemäß vermieden werden soll. Die Abweichungen der Ausgangsfrequenz f., werden stattdessen dadurch ausgeglichen, daß die Ausgangsfrequenz f- des Niederfrequenz-Synthesisers 7 zur Kompensation nachgestellt wird. Die tatsächliche Ausgangsfrequenz f., wird dazu mittels des Frequenzuntersetzers 11 mit variablem Untersetzungsverhältnis unterteilt, dessen Untersetzungsverhältnis gemäß dem erforderlichen Wert der Ausgangsfrequenz f, und dem bekannten Wert der Standardfrequenz f. eingestellt wird. Falls die Frequenz f₃ nicht den erforderlichen Wert besitzt, d.h. wenn die durch den Untersetzungsfaktor des Untersetzers 11 unterteilte Frequenz f., nicht genau gleich der durch das Frequenzstandard 10 erzeugtenFrequenz f, ist, wird ein Fehlersignal durch den Phasendetektor 9 erzeugt, und dieses bewirkt eine Nachstellung der Frequenz der Frequenzquelle 8 in Richtung zur Beseitigung des Fehlers.

Wenn in der Zeichnung die Frequenz f„ durch einen Niederfrequenz-Synthesiser 7 und die Frequenzquelle 8 erzeugt wird, so kann sie doch auch durch einen spannungsgesteuerten Oszillator abgegeben werden, der das Ausgangssignal des Phasendetektors 9 als Steuersignal erhält zur Bestimmung seiner Schwingfrequenz. Allgemein läßt jedoch die Verwendung der dargestellten Anordnung eine niedrigere Rauschzahl erreichen. Typischerweise besitzt die Phasenregelschleife, welche den Phasendetektor 9 enthält, eine ziemlich enge Schleifenbandbreite, so daß die Einführung zusätzlicher Rauschanteile in das System vermieden wird. Deswegen ist

es erwünscht, etwaiges Phasenzittern (jitter) so gering wie möglich zu halten, das durch den Frequenzuntersetzer 11 mit variablem Untersetzungsverhältnis eingeführt werden könnte, und es ist erwünscht, einen Untersetzer zu verwenden, der eine fraktionelle Frequenzteilung ergibt - ein solches Gerät wird normalerweise ein fraktionell-N-Untersetzer genannt· -.

Ein Frequenzzähler 12 und ein Schalter 13 sind wahlweise vorgesehen, um die Möglichkeit zuzulassen, daß die Abweichung der Frequenz f- von ihren Nennwert so groß ist, daß sie durch Nachziehen der Frequenz der Hilfsstandard-Frequenzquelle 8 genügend weit von deren Nennwert nicht zufriedenstellend ausgeglichen werden kann. Während des Einsteilens der Schaltung wird der Schalter 13 geschlossen (durchgängig gemacht), so daß ein Referenzspannungspegel V _ an die Hilfsstandard-Freqüenzquelle 8 angelegt wird. Diese Referenzspannung wird so ausgewählt, daß sie die Steuerspannung darstellt, die zum Betrieb der Frequenzquelle 8 an ihrer Nennbetriebsfrequenz (die allgemein in der Mitte des Frequenzbandes liegt/ über das die Frequenzquelle 8 abstimmbar ist) erforderlich ist. Unter diesen Bedingungen mißt der Frequenzzähler 12 die Ausgangsfrequenz f.,, so daß die Abweichung von f₃ von dem erforderlichen Wert bestimmt werden kann. Die Ausgangsfrequenz des Niederfrequenz-Synthesisers 7 wird dann über die Leitung 14 so eingestellt, daß dieser Fehler ausgeglichen und die Ausgangsfrequenz exakt auf den für f₃ erwünschten Wert gezwungen wird. Daraufhin wird der Schalter 13 geöffnet (der Durchgang unterbrochen), so daß die Phasenregelschleife jegliche verbleibenden Fehler wirksam beseitigen kann, die in der Ausgangsfrequenz f., entstehen, und ein Abdriften, das in den verschiedenen, den Frequenz-Synthesiser bildenden Bestandteilen auftreten kann, ausgleichen kann. Jede Frequenzdrift, die während des Normalbetriebs auftritt, ist höchstwahrscheinlich sehr viel kleiner als das Maß, um das die Frequenz f.. anfangs von ihrem Nennwert, bestimmt durch den Oberton-Kristalloszillator, abweicht, so daß die Frequenz der Frequenzquelle 8 nur um einen sehr geringen Betrag nachgestellt

werden muß, der innerhalb des Betriebsbereiches liegt.

Der Frequenzzähler 12 kann auch zur Steuerung des Oszillators 4 benutzt werden, um sicherzustellen, daß dieser phasenstarr entweder auf f.. + f_ oder f.. - f_? in der erforderlichen Weise gehalten wird. Falls der Zähler anzeigt, daß der Oszillator 4 nicht auf annähernd die erforderliche Frequenz eingeregelt ist, dann kann das Steuersystem die Einstellung des Oszillators 4 so korrigieren, daß das Einregeln auf die erforderliche Frequenz möglich ist.

Leerseite

Claims (4)

- Patentansprüche -

1.yFrequenz-Synthesiser, gekennzeichnet durch einen zur Erzeugung einer ersten Frequenz (f-) angeordneten Oberton-Kristalloszillator (1), eine zur Erzeugung einer zweiten Frequenz (f₂) ausgelegte variabele Frequenzquelle (4), eine Einrichtung zum Kombinieren der ersten und der zweiten Frequenz zur Erzeugung eines gewünschten Ausgangssignals mit einer dritten Frequenz (f₃) und eine Einrichtung (3, 6, 7, 8, 9, 11) zum Nachstellen des Wertes der zweiten Frequenz zum Ausgleich von Abweichungen der ersten Frequenz von einem Nennwert.

2. Frequenz-Synthesiser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Oszillationsfrequenz des zur Erzeugung der zweiten Frequenz (f₂) benutzten Oszillators (4) in Abhängigkeit von dem Wert der dritten Frequenz (f₃) zum Ausgleich von Abweichungen der dritten Frequenz von deren gewünschten Wert nachgestellt wird.

3. Frequenz-Synthesiser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Signal mit der ersten Frequenz (f..) mit der dritten Frequenz (f₃) in einem Mischer (3) gemischt wird zur Erzeugung eines Signales, das nominell gleich der zweiten Frequenz (£-) ist und daß Abweichungen vom Nominalwert zum Nachstellen der Oszillationsfrequenz eines Ausgangsoszillators benutzt werden, der die dritte Frequenz erzeugt.

4. Frequenz-Synthesiser nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die durch den Oberton-Kristalloszillator erzeugte Frequenz in einem Frequenzvervielfacher (2) multipliziert wird zur Erzeugung der ersten Frequenz (f-).