DE3229112C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Frequenz-Synthesizer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Ausgangsfrequenz eines Frequenz-Synthesizers ist niemals vollständig rein, sondern weist Seitenbänder mit Frequenzmo­ dulationsrauschen auf, die von der Art der Zusammensetzung der Ausgangsfrequenz und von der Art der Standardfrequenz­ quelle herrühren, die als Frequenzvergleich für den Synthe­ sizer benutzt wird. Als Standardfreqeunzquelle wird normaler­ weise ein sehr stabiler Kristall-Oszillator verwendet. Ein derartiger Oszillator besitzt zwar einen gewissen Rauschan­ teil, dieser liegt jedoch auf einem so niedrigen Pegel, daß dieser Rauschanteil nicht stört. Es ist unpraktisch, einen Kristall-Oszillator herzustellen, der einen Grundschwingungs­ betrieb bei Frequenzen von weit über einigen 10 MHz stützen kann, da die mechanischen Abmessungen des Kristalls nicht un­ ter ein Maß verringert werden können, bei dem sie noch leicht und zuverlässig herstellbar sind.

Frequenz-Synthesizer, die bei viel höheren Frequenzen, z. B. in der Größenordnung von einigen hundert MHz, arbeiten, wer­ den dadurch erhalten, daß die Ausgangsfrequenz des Kristall- Oszillators mit einem angemessenen Faktor vervielfacht wird. Hierdurch wird jedoch das Rauschen unvermeidlich in hohem- Maße vergrößert. Wenn beispielsweise ein 10 MHz- Kristall-Oszillator eine gute Einseitenband-Rauschzahl von - 170 db/HZ bei einer bestimmten Frequenz aufweist, so ergibt eine Multiplizierung der Frequenz mit einem Faktor 50 unvermeidbar eine Rauschzahl von - 134 db/HZ, auch wenn kei­ ne zusätzlichen Rauschquellen eingeführt werden.

Aus der GB 11 16 947 ist ein Frequenz-Synthesizer bekannt, der einen ersten Oszillator zur Erzeugung einer ersten Fre­ quenz aufweist, die an eine Mischerschaltung angelegt ist. Die Mischerschaltung, der eine zweite Frequenz von einer va­ riablen Frequenzquelle zugeführt ist, erzeugt die Ausgangs­ frequenz des Frequenz-Synthesizers in Abhängigkeit von der ersten und zweiten anliegenden Frequenz.

Die variable Frequenzquelle wird dabei von einem Phasendetek­ tor beaufschlagt, dem eine Referenzfrequenz sowie eine drit­ te Frequenz zugeführt ist, die aus den Ausgangsfrequenzen des Oszillators und der variablen Frequenzquelle gebildet ist. Der Phasendetektor bewirkt dabei eine Korrektur der Aus­ gangsfrequenz in Bezug auf die ihm zugeführte Referenzfre­ quenz.

Nachteilig bei dieser Schaltung ist es, daß dem Phasendetek­ tor nicht die Ausgangsfrequenz des Frequenz-Synthesizers zu­ geführt ist, sondern eine dieser Ausgangsfrequenz entspre­ chende Frequenz, die von einer zusätzlichen Schaltung er­ zeugt wird. Demzufolge können beim Nachstellen der Ausgangs­ frequenz der variablen Frequenzquelle Schwankungen in der Ausgangsfrequenz des Frequenz-Synthesizers, die durch die Mischerschaltung erzeugt werden, nicht ausgeglichen werden. Umgekehrt können durch die zusätzliche Schaltung zur Erzeu­ gung der der Ausgangsfrequenz entsprechenden Frequenz Fre­ quenzabweichungen eingeführt werden, die in der Ausgangsfre­ quenz nicht auftreten.

Aus der US 38 38 354 ist ein gattungsfremder Frequenz-Syn­ thesizer bekannt, bei dem die Ausgangsfrequenz von einem spannungsgesteuerten Oszillator geliefert wird, dessen Re­ gelschaltung drei Regelkreise aufweist. In einem Regelkreis, in dem die Ausgangsfrequenzen von zwei Referenzgeneratoren über einen Mischer an einen Phasendetektor angelegt sind, der den einen der beiden Referenzgeneratoren beaufschlagt, wird die Ausgangsfrequenz des anderen Referenzgenerators über einen variablen Frequenzteiler an den Phasendetektor angelegt.

Aus der GB 11 25 916 ist ein weiterer gattungsfremder Fre­ quenzsynthesizer bekannt, bei dem die Ausgangsfrequenz eines Kristall-Oszillators über einen harmonischen Generator an ei­ nen Mischer angelegt ist. Der harmonische Generator ist da­ bei als Frequenzvervielfacher ausgebildet.

Ferner ist es bekannt, einen Schwingquarz eines Kristall- Oszillators auf einer mechanischen Oberwelle schwingen zu lassen. Dabei ist ein zusätzlicher Schwingkreis vorteilhaft, der dann auf diese Frequenz abgestimmt ist (Tietze, Schenk, "Halbleiter-Schaltungstechnik", 3. Auflage, 1974, S. 427 f).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Fre­ quenz-Synthesizer der eingangs genannten Art zu schaffen, insbesondere soll das Ausgangssignal dieses neuen Frequenz- Synthesizers bei einem geringen Rauschanteil eine gute Fre­ quenzgenauigkeit aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispiels­ weise näher erläutert, in der die einzige Figur einen Frequenz- Synthesizer 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 Frequenz­ bereich 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 an­ regt, 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-Synthesizer ist so ausgelegt, daß er eine Aus­ gangsfreguenz in der Größenordnung 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-Synthesizers 7 bestimmt ist.

Das Ausgangssignal des Oszillators 1 wird über einen Freguenz­ vervielfacher 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 ge­ steuert wird, daß sich die erforderliche Ausgangsfrequenz des Frequenz-Synthesizers an der Ausgangsklemme 5 ergibt. Die Os­ zillationsfrequenz des Oszillators 4 wird mittels einer phasen­ starren 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-Synthesizers 7, der jede gewünschte Freguenz mit einer Genauigkeit von 1 Hz über einem relativ begrenzten Freguenzband abgeben kann. Eine Hilfsstandard- Frequenzquelle 8 (oder Zusatz-Quelle) wird als Referenzfrequenz für den Niederfrequenz-Synthesizer 7 benutzt, und der Frequenz­ wert der Frequenzquelle 8 wird wieder durch das Ausgangssignal eines Phasendetektors 9 gesteuert, der einen Vergleich der Ausgangs­ frequenz an der Klemme 5 mit einem Frequenzstandard 10 durch­ führt. 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 Standardfreguenz 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 Ausgangs­ frequenz f₃ = f₁ ± f₂ ergibt, wobei f₁ die Ausgangsfrequenz des Frequenzvervielfachers 2 und f₂ die Ausgangsfrequenz des Nieder­ frequenz-Synthesizers 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 f₁ vom Auslegungs­ wert 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 f₃ werden stattdessen dadurch ausgeglichen, daß die Ausgangs­ freguenz f₂ des Niederfrequenz-Synthesizers 7 zur Kompensation nachgestellt wird. Die tatsächliche Ausgangsfrequenz f₃ wird dazu mittels des Frequenzuntersetzers 11 mit variablem Unter­ setzungsverhältnis unterteilt, dessen Untersetzungsverhältnis gemäß dem erforderlichen Wert der Ausgangsfrequenz f₃ und dem bekannten Wert der Standardfrequenz f₄ eingestellt wird. Falls die Frequenz f₃ nicht den erforderlichen Wert besitzt, d. h. wenn die durch den Untersetzungsfaktor des Untersetzers unterteilte Frequenz f₃ nicht genau gleich der durch das Frequenz­ standard 10 erzeugtenFrequenz f₄ 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 f₂ durch einen Niederfrequenz- Synthesizer 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 Steuer­ signal 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 zusätz­ licher 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 f₁ von ihren Nennwert so groß ist, daß sie durch Nachziehen der Frequenz der Hilfsstandard-Frequenzquelle 8 genügend weit von deren Nennwert nicht zufriedenstellend aus­ geglichen werden kann. Während des Einstellens der Schaltung wird der Schalter 13 geschlossen (durchgängig gemacht), so daß ein Referenzspannunqspegel V_REF an die Hilfsstandard-Frequenz­ quelle 8 angelegt wird. Diese Referenzspannung wird so ausge­ wählt, daß sie die Steuerspannung darstellt, die zum Betrieb der Frequenzquelle 8 an ihrer Nennbetriebsfrequenz (die allge­ mein in der Mitte des Frequenzbandes liegt, über das die Frequenzquelle 8 abstimmbar ist) erforderlich ist. Unter diesen Be­ dingungen mißt der Frequenzzähler 12 die Ausgangsfrequenz f₃, so daß die Abweichung von f₃ von dem erforderlichen Wert be­ stimmt werden kann. Die Ausgangsfrequenz des Niederfrequenz- Synthesizers 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 f₃ entstehen und ein Abdriften, das in den verschiedenen, den Frequenz-Synthesizer 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 f₁ 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 f₁ + f₂ oder f₁ - f₂ 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.

Claims (3)

1. Frequenz-Synthesizer mit einem Oberton-Kristalloszillator (1) zum Erzeugen einer ersten Frequenz (f₁),
mit einer variablen Frequenzquelle (7, 8),
die eine zweite Frequenz (f₂) erzeugt, welche kleiner als die erste Frequenz (f₁) ist,
mit einer Mischerschaltung (3, 4, 6) zum Erzeugen einer Ausgangsfrequenz (f₃) aus der ersten und der zweiten Fre­ quenz (f₁ bzw. f₂f) und;
mit einer Regelschaltung (8, 9, 10, 11), die zum Ein­ stellen der zweiten Frequenz (f₂) zum Ausgleichen von Abweichungen der ersten Frequenz (f₁) vom Nennwert einen mit einer Standardfrequenzquelle (10) verbundenen Phasen­ detektor (9) enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß der Phasendetektor (9) eine von einem Frequenzteiler (11) mit variablem Teilerverhältnis zugeführte Frequenz (f₄) mit der von der Standardfrequenzquelle (10) zuge­ führten Standardfrequenz vergleicht und
daß die Standardfrequenz nominell gleich der Frequenz (f₄) ist, die durch Abwärtsteilen der am Frequenzteiler (11) anliegenden Ausgangsfrequenz (f₃) erzeugt ist.

2. Frequenz-Synthesizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz des Oberton-Kristalloszillators (1) in einem Frequenzvervielfacher (2) multipliziert wird, um die erste Frequenz (f₁) zu erzeugen.

3. Frequenz-Synthesizer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz (f₃) und die erste Frequenz (f₁) einem Mischer (3) zugeführt sind, der durch Mischen ein Signal erzeugt, das nominell gleich der zweiten Fre­ quenz (f₂) ist, und daß Abweichungen vom Nominalwert zum Nachstellen der Oszillationsfrequenz eines die Ausgangs­ frequenz (f₃) erzeugenden variablen Oszillators (4) be­ nutzt werden.