DE3515569A1 - Indirekter frequenzsynthetisator - Google Patents
Indirekter frequenzsynthetisatorInfo
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Description
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer verfeinerten Umsetzungsschleife bzw. eines verfeinerten Umsetzungsregelkreises
zur Realisierung eines Frequenzsynthetisators im Millimeterwellenbereich von 36 bis 38,6 GHz. Der Synthetisator
besteht aus einer Phasenvergleichsschleife, die eine Umwandlung in Zwischenfrequenz einschließt, einer
automatischen Schleifenverstärkungskorrektur- bzw. -entzerrungsanordnung und einer verfeinerten Einrastbzw.
Sperrsuchanordnung. Die Ungewöhnlichkeit der Schleife bzw. des Regelkreises leitet sich ab von deren bzw.
dessen Fähigkeit, unter verschiedensten Bedingungen zu funktionieren, indem sie bzw. er die schwierigen Probleme
überwindet, die in diesem Frequenzbereich vorhanden sind, und zwar primär (a) die Aufrechterhaltung von konstanten
optimalen Schleifenparametern, welche es ermöglicht, den gesamten Frequenzabstimmbereich des Millimeterwellenoszillators
zu benutzen, und (b) geringes Rauschen und ' geringe Störfrequenzprodukte bzw. geringe ungewollte Frequenzprodukte
.
Die Erfindung betrifft, was den technischen Hintergrund angeht, einen Frequenzsynthetisator im Millimeterwellenfrequenzbereich
von 36 bis 38,6 GHz, und insbesondere eine automatische Schleifen- bzw. Regelkreiskorrekturan-Ordnung
und eine verfeinerte Sperr- bzw. Einrastsuchanordnung,
welche beide zu der Frequenzumsetzungsschleife bzw. zu dem Frequenzumsetzungsregelkreis gehören.
Indirekte Synthetisatoren in diesem Bereich haben insbesondere den Nachteil der Instabilität der Frequenzumsetzungsschleifen-
bzw. -regelkreisparameter wegen der Verstärkungs-(£k.F/AV)-Variationen
der spannungsgesteuerten bzw. -geregelten Oszillatoren (VCO) bei Millimeterwellen-
frequenzen. Diese Verstärkung bzw. der Verstärkungsfaktor ist nicht konstant; sie bzw. er variiert mit der Temperatur
und der Zeit und ist nicht identisch in unterschiedlichen Oszillatoren, was Verstärkungsfaktoren in Zehnern
von dB zur Folge hat. Andererseits ist es wegen des schmalen Frequenzabstimmungsbereichs und der hohen Kosten von
Millimeterwellenoszillatoren wünschenswert, einen Oszillator bzw. einen einzigen Oszillator zu verwenden, in
welchem die Verstärkungsvariation auch mehrere Zehner von dB beträgt, und im gesamten Frequenzabstimmbereich dieses
Oszillators auszunutzen. Die Oszillatorverstärkungsvariationen, wobei unter Verstärkungsvariationen· insbesondere
Verstärkungsfaktorvariationen verstanden werden sollen, bewirken Variationen in der Schleifen- bzw. Regelkreisverstärkung,
worunter insbesondere Variationen in dem Schleifen- bzw. Regelkreisverstärkungsfaktor verstanden
werden sollen, welche in einer Verriegelung mit unerwünschten Regelkreisparametern oder zum Ausfallen einer
Verriegelung überhaupt führen. In der Vergangenheit sind verschiedene komplizierte Verfahren entwickelt worden, um
dieses Problem zu überwinden, wobei in weitem Umfang von Niedrigfrequenzsynthetisatoren zusammen mit Vervielfachern
und/oder harmonischen Mischern Gebrauch gemacht worden ist, oder von der unvermeidbaren Verwendung von mehreren Oszillatoren,
von denen jeder in seinem linearen Frequenzabstimmbereich arbeitet, welcher nur ein Teil des gesamten Bereichs
ist, oder indem Verwendung von einem offenen Schleifen- bzw. Regelkreislinearisierer gemacht worden
ist, der speziell an jeden spannungssteuerten bzw. -geregelten Oszillator mit der Folge eines beschränkten Betriebs,
der durch starke Variationen der Oszillatorverstärkung verursacht wird, angepaßt ist.
Mit der vorliegenden Erfindung soll ein indirekter Synthetisator zur Verfügung gestellt werden, der es auf-
grund der automatischen Schleifen- bzw. Regelkreisverstärkungskorrektur-
und verfeinerten Einrast- bzw. Sperrsuchanordnung ermöglicht, die obigen Schwierigkeiten zu überwinden.
Die automatische Schleifen- bzw. Regelkreisverstärkungsanordung
ermöglicht es, Variationen der Parameter des spannungsgesteuerten bzw. -geregelten Oszillators
oder der Parameter irgendeiner anderen Komponente in der Schleife bzw. dem Regelkreis (aufgrund von jedweden Differenzen
zwischen Oszillatoren, Temperaturvariationen, Frequenzabstimmung oder anderen Effekten) zu ignorieren. Als
Ergebnis hiervon kann der gesamte Frequenzabstimmbereich des Oszillators benutzt werden, während die Steuerung bzw.
Regelung der Schleifen- bzw. Regelkreisverstärkung eine konstante Frequenzumsetzungsschleifen- bzw. -regelkreisbandbreite
und infolgedessen ein optimales Rauschen und optmiale Störfrequenzprodukte bzw. optimale unerwünschte
Frequenzprodukte ermöglicht. Die verfeinerte Einrast- bzw.
Sperranordnung ermöglicht es, den gesamten Oszillatorsteuer- bzw. -regelspannungsvariationsbereich zu überdecken,
ohne daß starke Phasenspannungen bzw. -beanspruchungen verursacht werden, und ohne Abhängigkeit der
Gleichstromverstärkung bzw. des Gleichstromverstärkungsfaktors zwischen dem Phasendetektorausgang und dem Oszillatorsteuer-
bzw. -regelspannungseingang. Diese Verstärkung (unter "Verstärkung" soll hier insbesondere auch der
"Verstärkungsfaktor" verstanden werden) variiert, um die Änderung in der Millimeterwellenoszillatorverstärkung zu
kompensieren, und zwar wegen der Notwendigkeit, eine konstante Schleifen- bzw. Regelkreisverstärkung aufrechtzuerhalten.
Nach der anfänglichen Schleifen- bzw. Regelkreisverriegelung bzw. -feststellung werden die Schleifen- bzw.
Regelkreisparameter kontinuierlich gemessen; wenn Änderungen in diesen Parametern auftreten, wie die Schleifenbzw.
Regelkreisverstärkung korrigiert, wird auch die Verriegelungsspannung, die von der Suchanordnung zugeführt
wird, und zwar ohne Verlust der Verriegelung und ohne irgendeine Störung in der Schleife bzw. im Regelkreis.
Da der Oszillator bei einer hohen Frequenz arbeitet, hat er eine relativ sehr hohe Empfindlichkeit bezüglich einer
Frequenzabstimmung, und zwar aufgrund von Änderungen in der Steuer- bzw. Regelspannung. Infolgedessen muß die
Steuer- bzw. Regelspannung in hohem Maße frei von Rauschen sein, und zwar einschließlich von solchem Rauschen, das
durch die Analogkomponenten in der Schleife bzw. im Regelkreis erzeugt wird. Ein solche Leistungsfähigkeit wird dadurch
erzielt, daß die Blöcke in der Schleife bzw. im Regelkreis korrekt angeordnet werden, und daß die Komponenten
der geschlossenen Schleife bzw. des geschlossenen Regelkreises korrekt gewählt entworfen bzw. ausgebildet werden.
Alle oben beschriebenen Schaltungen werden einfach ausgeführt, indem kostengünstige Bauteile verwendet werden, die
nur geringe Ströme ziehen und die so einfach sind, daß keine Mikrocomputer, Software etc. erforderlich sind.
Kurz zusammengefaßt enthält der Frequenzsynthetisator nach
der Erfindung eine Phasenvergleichsschleife bzw. einen Phasenvergleichsregelkreis,
die bzw. der als Frequenzumsetzer dient, welcher eine automatische Schleifen- bzw. Regelkreisverstärkungskorrekturanordnung,
eine verfeinerte Einrast- bzw. Sperrsuchanordnung und einen L-Band-Bezugssynthetisator
geringen Phasenrauschens enthält. Das Ausgangssignal des Bezugssynthetisators, und zwar im Bereich von
1500 bis 1608 MHz, wird vervielfacht und erfährt eine Mischung,
nämlich mittels eines harmonischen Mischers, und zwar mit dem Ausgangssignal des Hauptschleifen- bzw. -regelkreisoszillators,
welches im Bereich von 36 bis 38,6 GHz ist, um eine Zwischenfrequenz von 100 MHz zu erzeugen.
Diese Frequenz wird mittels des Schleifen- bzw. Regelkreisphasendetektors
mit einem identischen Referenzsignal verglichen. Die Fehlerspannung wird nach Filterung zur
Millimeterwellenoszillatorsteuerung bzw. -regelung zugeführt.
Die automatische Schleifen- bzw. Regelkreiskorrekturanordnung, die arbeitet, wenn die Schleife bzw. der Regelkreis
verriegelt bzw. eingerastet ist, enthält einen Generator für ein 90-KHz-Signal, das in die Frequenzumsetzungsschleifen-
bzw. -regelkreisschaltungen eingespeist wird, und zwar zur Abtastung bzw. Abfrage bzw. zum Sampling
dieses Signals an zwei Stellen in der Schleife bzw. im Regelkreis, und eine Entscheidungs- und Vergleichsanordnung,
welche die Schleifen- bzw. Regelkreisverstärkung variiert.
Auf diese Weise enthält der Synthetisator eine verfeinerte Einrast- bzw. Sperrsuchanordnung, die sowohl in den verriegelten
bzw. eingerasteten als auch in den nichtverriegelten bzw. nichteingerasteten Schleifen- bzw. Regelkreiszuständen
arbeitet. Diese Anordnung enthält einen Einrastbzw. Verriegelungsdetektor, einen Phasendetektor und einen
Treppenspannungsgenerator, der dem Oszillator eine Grobabstimmspannung zuführt. Die Hauptschleife bzw. der Hauptregelkreis
liefert die Feinkorrekturspannung.
Die Erfindung sei nachstehend anhand einer in den Figuren 1 und 2 der Zeichnung darstellten, besonders bevorzugten
Ausführungsform näher erläutert; es zeigen:
30
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
eines Frequenzsynthetisators nach der Erfindung;
und
Figur 2 ein Blockschaltbild, anhand dessen das Betriebsprinzip der erfindungsgemäßen automatischen
Schleifen- bzw. Regelkreisverstärkungskorrekturanordnung erläutert wird.
5
5
Es sei zunächst darauf hingewiesen, daß in der nachstehenden Beschreibung der Begriff "Schleifen" insbesondere auch
den Begriff "Regelkreis" umfassen soll, daß weiterhin der Begriff "Einrast-" insbesondere auch die Begriffe "Sperr-"
und "Verriegelungs-" umfassen soll. Weiterhin wird hinsichtlich abgekürzter Ausdrücke, wie beispielsweise VCO,
auf die Definition dieser Begriffe im Text verwiesen, insbesondere an den Stellen, an denen die Abkürzung im Anschluß
an den definierten Begriff in Klammer angegeben ist. Außerdem soll der nachstehend verwendete Begriff "System"
insbesondere den Begriff "Anordnung" umfassen.
Dieser Abschnitt beschreibt einen Millimeterwellenfrequenzsynthetisator,
der eine automatische Schleifenverstärkungskorrekturanordnung und eine verfeinerte Einrastsuchanordnung
enthält, womit die Synthetisatorschaltungen wirksam und einfach ausgeführt werden können und womit der
gesamte Frequenzabstimmbereich des Millimeterwellen-VCO
benutzt werden kann. Das ist wichtig, weil der VCO eine problematische und teure Komponente ist, die normalerweise
mit einer Gunn-Diode oder einer Impatt-Diode ausgeführt ist.
Der Frequenzsynthetisator basiert auf einem grundsätzlichen L-Bandreferenzsynthetisator, welcher nach Vervielfachung
als der lokale Oszillator (LO) einer verfeinerten Millimeterwellenfrequenzumsetzungsschleife dient. Die Vorteile
dieses Aufbaus und dieses Verfahrens sind Leistungsfähigkeit, spektrale Reinheit und Stabilität.
Die Frequenzumsetzungsschleife ist in Figur 1 gezeigt. Der grundlegende Referenzsynthetisator 30 arbeitet im Frequenzbereich
von 1500 bis 1608,333 MHz (in dem noch Frequenzteiler erhältlich sind) und ist mittels eines temperaturgesteuerten
bzw. -geregelten 1,666667 MHz-Referenzkristalloszillators (TCXO) 20 stabilisiert. Dieser Referenzsynthetisator
erzeugt 66 Frequenzen, die sich im Abstand von 1,666667 MHz voneinander befinden. Die Ausgangsleistung
von dem Referenzsynthetisator wird mittels eines Leistungsverstärkers 35 verstärkt, und die Frequenz wird in einem
passiven Vervielfacher 38 mit Vier multipliziert. Das Ausgangssignal vom Vervielfacher wird einem harmonischen Mischer
40 zugeführt, der mittels der sechsten Harmonischen des LO von einer Probe bzw. einem Abfragewert von dem Millimeterwellenoszillator
36, welcher über einen Richtkoppler 39 angekoppelt ist, eine Zwischenfrequenz von 100 MHz
erzeugt (entsprechend der Formel Fo-6Flo=Fif, wobei Fif die Zwischenfrequenz bedeutet). Das Zwischenfrequenzsignal
wird mittels eines Verstärkers 37 verstärkt und durch einen Verstärker 34 mit automatischer Verstärkungsregelung,
der nachstehend auch als Regelverstärker bezeichnet ist, ein Hochpaßfilter 29, einen Begrenzer 19 und ein Tiefpaßfilter
15 zu den anderen Frequenzumsetzungsschleifenkomponenten
zugeführt, und die Schleife ist mit einem Bezugskristalloszillator 1 eingerastet und erzeugt eine Korrekturspannung
für den Millimeterwellenoszillator. Die Funktion des Regelverstärkers 34 und des Hochpaßfilters 29
besteht darin, zu verhindern, daß Signale bei Frequenzen, die niedriger als 100 MHz sind, den Begrenzer 19 mit einem
zu hohen Niveau erreichen, wo Harmonische bei 100 MHz erzeugt werden können und die Schleife auf dieselben einrasten
könnte ( zum Beispiel die zweite Harmonische eines Signals bei 50 MHz, oder die dritte Harmonische eines Si-
gnals bei 33,333 MHz). Variationen in der Referenzsynthetisatorfrequenz
verursachen Änderungen in der Frequenz des Millimeterwellenoszillators 36 im Bereich von 36 bis 38,6
GHz, und zwar für eine Gesamtheit von 66 Frequenzkanälen, die in Intervallen von 1,666667 χ 4 χ 6 = 40 MHz im Abstand
voneinander angeordnet sind. Der Referenzsynthetisator muß sehr stabil sein und ein sehr geringes Phasenrauschen
haben, da seine Frequenz und sein Phasenrauschen mit 4 χ 6 = 24 multipliziert werden. Aus diesem Grund ist die
Bezugssignalquelle ein TCXO. Im Gegensatz hierzu wird die Bezugsfrequenz (100 MHz) der Frequenzumsetzungsschleife
zu der Millimeterwellenoszillatorfrequenz summiert, und ihre Instabilität ist bezüglich der Millimeterwellenfrequenz
vernachlässigbar. Infolgedessen kann für diesen Zweck eine übliche Kristallquelle bzw. ein üblicher Kristalloszillator
verwendet werden.
Das Zwischenfrequenzsignal geht unter einem Winkel von θ
und das Referenzsignal geht unter einem Winkel von Θ.
durch einen 0°-Teiler 4 und einen 90°-Teiler 2, und sie
werden dann dem Phasendetektor 3 zugeführt, der eine Ausgangsspannung proportional zu sin© (θ.-θ =θ ) erzeugt,
sowie dem Einrastdetektor 8, der eine Ausgangsspannung erzeugt,
die proportional zum cos© ist. Beide Detektoren werden mit üblichen Mischern ausgeführt. Die Korrekturspannung,
die in dem Phasendetektor 3 erzeugt worden ist, geht durch einen Summierverstärker 5 (mit einem Verstärkungsfaktor,
der gleich A ist) zu einem Digital-zu-Analog-Umsetzer
(DAC) 22, welcher als ein gesteuertes bzw. geregeltes variables Dämpfungsglied im Bereich-von 1 : 1/100
wirkt, dessen Funktion es ist, eine konstante Schleifenverstärkung aufrechtzuerhalten. Die DAC-Dämpfung variiert
entsprechend den Verstärkungsvariationen von anderen Komponenten in der Schleife, hauptsächlich des Millimeterwellenoszillators.
Vom DAC wird die Korrekturspannung ei-
nem Summierverstärker + Filter F(s) 31 zugeführt, welches
das Hauptfilter in der Schleife ist. An dieser Stelle wird die Einrastsuchspannung hinzugefügt, und die Summenspannung
am Verstärkerausgang wird dem Millimeterwellenoszillator 36 als Steuer- bzw. Regelspannung zur Frequenzbestimmung
zugeführt. Da die Oszillatorverstärkung AF/kV
in gewissen Fällen sehr hoch ist, nämlich bis zu 150 MHz/V reicht, müssen die aktiven Analogschaltungen im Schleifenweg
sorgfältig ausgelegt, angeordnet und aufgebaut sein, insbesondere bezüglich des Eigenrauschausgangs, um eine
rauschbehaftete Steuer- bzw. Regelspannung ζu verhindern,
die zu einem hohen Phasenrauschen am Frequenzsynthetisatorsignalausgang führen würde. Demgemäß muß sichergestellt
sein, daß die Korrekturspannung im Schleifenweg nicht auf dem Niveau abnimmt, das sich dem Eigenrauschniveau der Komponenten
annähert. Die Korrekturspannung wird daher mit einem Faktor A in einem Summierverstärker 5 verstärkt, bevor
sie dem DAC 22 zugeführt wird, der sie zurückdämpft. Außerdem muß das Filter 31, das in einer offenen Schleife
sehr schmalbandig ist, das letzte aktive Element vor dem Millimeterwellenoszillator sein, so daß auf diese Weise
das Eigenrauschen der Komponenten in hohem Maße ausgefiltert wird. Die Komponenten selbst müssen ein relativ
niedriges Eigenrauschen haben.
Die automatische Schleifenverstärkungskorrekturanordnung korrigiert die DAC-Dämpfung entsprechend der Verstärkungsmessung
der offenen Schleife. Diese Messung wird kontinuierlich ausgeführt, sowie nur dann, wenn die Schleife eingerastet
ist. Die Dämpfungskorrektur wird in diskreten Schritten ausgeführt, sowie nur dann, wenn die Verstärkungsabweichung
einen bestimmten Wert übersteigt. Die Meßmethode basiert, wie in Figur 2 gezeigt, auf der Einspei-
sung eines Signals in die eingerastete Schleife mit einem solchen niedrigen Niveau, daß es am Millimeterwellenoszillatorausgang
nicht bemerkbar ist.
Zum Durchführen der theoretischen Berechnung sei definiert:
H(s) = Schleifenübertragungsfunktion
Ίι = Dämpfungsfaktor
= Eigenfrequenz
ο] = Frequenz des eingespeisten Signals
Die Signale sind in Figur 2 definiert.
Ή5
Aus der Definition der Schleife erhält man:
V1(S) = Vx(s) + Vd(s)
Hieraus folgt, daß: 25
-i+istir1-
Durch Dividieren der geeigneten Gleichungen und Substituieren
erhält man:
Vd(s) - H(s) _ 2cü)nS
Vfts) " 1 - H(S) " " s<
Nach Substituierung von s = jω erhält man:
iüm
"nj
Nach Berechnen des absoluten Werts erhält man:
_ V | 5üm ωη |
ζ + 1 |
|
ζ | |||
Vd | |||
Vi, | |||
Damit das eingespeiste Signal im Millimeterwellenoszillator nicht merklich moduliert, ist es wünschenswert, daß
das Vd-Signalniveau sehr niedrig ist. Wenn das Verhältnis der beiden Signalniveaus (Gleichung A) größer als 1 ist,
dann ist das Signal V1 so niedrig, daß es im Rauschen
"untergeht". Es ist daher erforderlich, daß:
Vd Vl
<
In unserem Fall ist wegen der Störungsbetrachtungen eine Modulationsfrequenz erforderlich, die so niedrig wie möglieh
ist, so daß auf diese Weise festgelegt wird:
Vd
»
Nach Substitution in der Gleichung A erhält man:
Η M
*- 4ζ2
-1 =
Die generelle Lösung dieser Gleichung ist:
Und für S = 0,707 erhält man:
Im vorliegenden Fall ist wegen des Phasenrauschens und der Einrastgeschwindigkeitsbetrachtungen ein relativ hoher
Wert von £J erforderlich, so daß die Frequenz festgesetzt
worden ist zu:
10
10
fm = 90 KHz
Als Ergebnis erhält man:
x 90KHz _ co i/u7
fη ■ T755T = 58 KHZ
Gemäß Figur 1 speist der 90-KHz-Oszillator 6 das Testsignal
in den Summierverstärker 5 ein; die Spannung Vd erscheint am Eingang des Summierverstärkers, und die Spannung
V1 erscheint am Ausgang eines 1/A-Dämpfungsglieds 7,
das auf den Summierverstärker folgt. An diesen Stellen sind die Spannungen sehr niedrig, und zwar in der Größenordnung
von 10 mV, was einem Frequenzmodulationsindex von 0,05 im Millimeterwellenoszillator äquivalent ist. Dieser
Wert ist ausreichend niedrig, so daß er keine Störung in den meisten Fällen des Betriebs mit der Winkelmodulation
verursacht. In denjenigen Fällen, in denen noch Störung vorhanden ist, kann die Frequenz des eingespeisten Signals
f so verändert werden, daß sie nicht im Informationsbereich übertragen wird, um die Störung auszuschalten. Jedes
dieser Signale geht durch ein sehr schmales Bandpaßfilter 9, 10, welches das Signal aus dem großen Betrag des Rauschens
ausfiltert. Diese Filter sind als aktive Filter mit sehr hohem Q ausgeführt. Die herausgefilterten Signale
werden verfeinerten Spitzendetektoren 11, 12 zugeführt, welche sie in Gleichspannungen umwandeln, die Signalniveaus
proportional sind. Die Gleichspannungen werden einem Differentialverstärker 16 zugeführt, dessen Ausgangsspannung
proportional Vd-V- ist. Das bedeutet, daß bei der gewünschten Bedingung, wenn Vd=V-. ist, die Spannung 0 wird.
Aus der Gleichung A und den Parameterdefinitionen ist ersichtlich, daß dann, wenn Vd>V- (d.h., wenn die Ausgangsspannung
vom Differentialverstärker positiv ist) , %, lc
und somit die Verstärkung der offenen Schleife zu hoch sind, und es folgt, daß die DAC-Bedämpfung erhöht werden
muß. Wenn Vd<-V- ist (d.h., daß die Aus gang s"spannung vom
Differentialverstärker negativ ist), dann sind %, w n und
somit die Verstärkung der offenen Schleife zu niedrig, und die DÄC-OBedämpfung muß vermindert sein. Die Spannung am
Ausgang des Differentialverstärkers 16 wird einem Fensterspannungskomparator
21 zugeführt, der dann, wenn /Vd-VJ einen bestimmten Wert überschreitet, einen 12,5-Hz-Rechteckwellengenerator
25 aktiviert. Der Rechteckwellengenerator betreibt einen Zähler 24, dessen Funktion darin besteht,
die DAC-Bedämpfung schrittweise zu variieren. Der Ausgang des Differentialverstärkers 16 ist außerdem über
ein UND-Tor 26 mit einem Eingang des Zählers verbunden, der gemäß einem logischen Niveau (d.h. gemäß dem Vorzeichen
von Vd-V1) die Richtung des Zählens steuert (Aufwärtszählen
oder Abwärtszählen), was bedeutet, daß die DAC-Dämpfung vermindert oder erhöht wird. Die automatische
Schleifenverstärkungsanordnung kann nur dann arbeiten, wenn die Schleife eingerastet ist. Im Falle eines
Nichteinrastens ist es tatsächlich zutreffend, daß (Vd-V-) T4O, ein Zustand, aufgrund dessen der Zähler
betrieben wird, aber die Vorspannung kann sich zufällig bzw. statistisch ändern und mit ihr die Richtung des
Zählens. Aus diesem Grund wird dem UND-Tor 26 auch die Angabe "Einrastung unbestimmt" zugeführt und bewirkt, daß
der Zähler in. dem Fall des Nichteingerastetseins in einer
definierten Richtung zählt. Das Ausgangssignal vom Zähler 24 besteht aus 5 Bits, d.h. einem Zählwert von 32 unterschiedlichen
Worten. Um den gesamten erforderlichen Variationsbereich abzudecken, umfaßt das DAC-Eingangssignal
10 Bits, d.h. 1024 unterschiedliche Worte, die eine lineare Variation der Dämpfung bewirken. Der programmierbare
Nurlesespeicher (PROM) 23 arbeitet als eine Schnittstelle und setzt die 32 Zählerworte in DAC-Worte um, welche eine
Variation der Dämpfung über den gesamten Bereich bewirken, und zwar in 32 logarithmischen Schritten. Das Spannungsfenster in dem Fensterspannungskomparator 21 ist so ausgelegt,
daß in ihm nominell 3 Schritte umfaßt sind, damit Raum für ungeplante Parameteränderungen bleibt. Das Niveau
der Spannungen Vd und V1 braucht nicht genau zu sein, da
die Anordnung bewirkt, daß sich die Differenz zwischen ihnen Null annähert, und infolgedessen wird die Fähigkeit
der Ausführung einer automatischen Verstärkungskorrektur durch eine Änderung im Spannungsniveau nicht beeinträchtigt,
sondern es wird hierdurch nur die Anzahl von Schritten beeinflußt, die in dem Fenster des Fensterspannungskomparators
enthalten sind.
Kurz zusammengefaßt ist daher zu sagen, daß die automatisehe
Schleifenverstärkungskorrekturanordnung arbeitet, wenn die Schleife eingerastet ist, sowie die Verstärkung der offenen
Schleife mißt und die Verstärkung, wenn notwendig, in der angemessenen Richtung korrigiert. Die Korrektur
wird nach dem anfänglichen Einrasten oder während des Betriebs, wenn sich die Schleifenparameter geändert haben,
ausgeführt; sie findet in einer Weise statt, welche das Millimeterwellenausgangssignal des Frequenzsynthetisators
nicht beeinträchtigt. Die Verstärkung wird schrittweise und nicht kontinuierlich korrigiert, so daß auf diese Weise
eine komplizierte Situation vermieden wird, welche eine
ORIGINAL !MSPECTED
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zusätzliche geschlossene Schleife in der Phasenvergleichsschleife umfaßt. Der Verstärkungskorrekturbereich ist in
einem Verhältnis von 100:1 (40 dB), was ein sehr weiter Bereich ist, der es ermöglicht, verschiedene varactorgesteuerte
bzw. -geregelte Oszillatoren mit einer Frequenzsteuer- bzw. -regelspannung zu betreiben, die aktuell bei
0 V beginnt und sich bis zur Durchbruchsspannung erstreckt.
Die verfeinerte Einrastsuchanordnung führt die Suche mittels eines Treppenspannungsgenerators aus, "der eine kleine
diskrete Änderung der Schritte in der Millimeterwellenoszillatorsteuer- bzw. -regelspannung bewirkt. Im Gegensatz
zu anderen Methoden, in denen die Suchspannung nicht länger zugeführt wird, nachdem die Einrastung detektiert
worden ist und die Schleife diese Spannung durch Phasenspannung bzw. -beanspruchung und/oder hohe Gleichstromverstärkung
zwischen dem Phasendetektorausgang und dem Oszillatorsteuer- bzw. -regelSpannungseingang kompensieren
muß, hält die Suchspannung in der hier beschriebenen Anordnung ihren letzten Wert von dem Augenblick, bevor
die Suche gestoppt worden war, selbst dann aufrecht, nachdem die Anordnung das Einrasten detektiert hat und die Suehe
gestoppt worden ist. Da keine Notwendigkeit für starke Phasenspannung bzw. -beanspruchung vorliegt, bewirken die
Einrastdetektionsschaltungen, daß die Suche nur für einen kleinen Wert des Winkels θ gestoppt wird. Außerdem wird
dieser Winkel auch einer eingerasteten Schleife ohne detektierbare Störung korrigiert, wenn sich die Schleifenparameter
während des Betriebs geändert haben.
Die Einrastdetektionsschaltungen basieren auf dem Einrastdetektor 8, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional
cosö ist, und auf dem Phasendetektor 3, der eine
ta
-,K3FE0TED
L -,K3FE0T
~22~
Ausgangsspannung erzeugt, die proportional sine ist. Im
Falle einer Einrastung ohne Phasenspannung bzw. -beanspruchung (Θ =0), ist die Ausgangsspannung von dem Einrastdetektor
cos 0°=1 (im Falle der Einrastung auf eine Spiegelfrequenz ist die Spannung cos180°=-1), und die Ausgangsspannung
von dem Phasendetektor ist sin0°=0. Im Falle der Nichteinrastung ist die Ausgangsspannung von beiden Detektoren
0. Infolgedessen ist es zur anfänglichen Detektion des Einrastens notwendig, eine Spannung am Einrastdetektorausgang
(cos© ) zu detektieren, wo das Niveau der Spannung der Phasenspannung bzw. -beanspruchung entspricht,
die als eine Schwelle definiert ist. Diese 'Phasenspannung bzw. -beanspruchung muß gewöhnlich relativ groß sein, und
zwar wegen der Unfähigkeit eines Phasendetektors beim Erzeugen einer Spannung, welche ein bestimmtes Schwellenniveau
übersteigt, genau zu sein. Nach dem anfänglichen Einrasten beginnt der Phasendetektor (sin© ) normal zu
arbeiten und die Suche geht weiter mit dem Ziel, ein Nullniveau am Ausgang dieses Phasendetektors zu erreichen.
Die Phasendetektorausgangsspannung ist positiv für positive Phasenspannung bzw. -beanspruchung und negativ für negative
Phasenspannung bzw. -beanspruchung. Es folgt, daß es durch Identifizieren der Polarität der Spannung möglich
ist, eine Entscheidung über die Richtung der Suche zu fällen, d.h., ob die Spannung erhöht oder vermindert
werden soll.
Nach Figur 1 geht die Ausgangsspannung von dem Einrastdetektor (cos© ), der mit 8 bezeichnet ist, durch ein 1-KHz-Tiefpaßfilter
14 (dessen Funktion es ist, das Rauschen, welches die Spannung, insbesondere das Signal bei 90 KHz,
zu dämpfen) zu einem Schwellenkomparator 18, der über die Existenz des Einrastens für Phasenspannung bzw. -belastung
von nicht mehr als +40° entscheidet. Ein Logiksignal am Schwellenkomparatorausgang wird den UND-Toren 26, 27 und
JrilGif.AL ^SPECTED
28 zugeführt. Die Ausgangsspannung von dem Phasendetektor (sine ) geht nach Verstärkung durch einen Summierverstärker
5 auch durch ein Tiefpaßfilter (das die gleiche Funktion wie das Tiefpaßfilter 14 erfüllt) und wird einem
Fensterspannungskomparator 17 zugeführt, der einen Stopp der Suche für Phasenspannung bzw. -belastung von nicht
mehr als +20° bewirkt. Ein Logiksignal am Fensterspannungskomparatorausgang
wird einem UND-Tor 28 zugeführt, das einen 500-Hz-Rechteckwellengenerator 33 aktiviert, wenn das
notwendig ist. Diese Signalquelle betreibt einen Treppenspannungsgenerator 32, der das Suchsignal erzeugt, welches
durch einen Summierverstärker + Filter 31 zu dem geschlossenen Schleifenweg geht und zu der Spannung in der geschlossenen
Schleife addiert wird. Das UND-Tor 28 stoppt die Einrastsuche nur dann, wenn es eine Instruktion sowohl
vom Einrastdetektor (cose ) und vom Phasendetektor (sin9e)
erhält; d.h., wenn ein Einrasten durch den Einrastdetektor (cose ) detektiert worden ist und die Phasenspannung
bzw. -beanspruchung nicht den zulässigen Wert übersteigt.
Der Ausgang des Tiefpaßfilters 13 ist außerdem über ein anderes UND-Tor 27 mit einem Eingang des Treppenspannungsgenerators
verbunden, der entsprechend einem Logikniveau (d.h. entsprechend der Polarität der Phasenspannung bzw.
-beanspruchung) die Suchrichtung steuert, was eine Erhöhung oder Verminderung der Spannung bedeutet. Der Phasendetektor
(sine ) kann nur dann arbeiten, wenn die Schleife eingerastet ist. Im Falle eines Nichteinrastens
ist die an seinem Ausgang erhaltene Spannung 0, und die Richtung der Suche ist Undefiniert. Aus diesem Grund wird
die Angabe bzw. das Signal, die bzw. das eine unbestimmte bzw. nicht vorhandene Einrastung beinhaltet, auch dem UND-Tor
27 zugeführt und bewirkt eine definierte Richtung der Suche im Falle der Nichteinrastung. Der Treppenspannungsgenerator
wird mittels eines Zählers und eine Widerstandsnetzwerks, das mit 8 der Ausgänge des Zählers verbunden ist,
ORSGlWAL IKSPECTED
" 24 ' 351556-8
y
w1 j ·· -π»
ausgeführt, was 256 Spannungsschritte ermöglicht, die den gesamten für die Suche erforderlichen Spannungsbereich
überdecken; im vorliegenden Fall 0 bis 30 V. Die Phasenspannung bzw. -beanspruchung, die für jeden Schritt identisch
ist, hängt von der Gleichstromverstärkung zwischen dem Phasendetektorausgang und dem Oszillatorsteuer- bzw.
-regelspannungseingang ab. Diese Verstärkung variiert wegen der Änderungen in den DAC-Zuständen, und infolge der
Verstärkungsvariation ist die Phasenspannung bzw. -beanspruchung für jeden Schritt unterschiedlich. Die größte
Spannung bzw. Beanspruchung tritt bei der niedrigsten Verstärkung auf, d.h. im Zustand von maximaler DAC-Dämpfung.
Für diesen Zustand ist die Verstärkung so ausgelegt worden, daß nominell 4 Schritte im Suchstop.pbereich des Phasendetektors
(+20°) enthalten sind, um Raum für ungeplante Parameteränderungen zu lassen. Die Genauigkeit der Entscheidungen,
die von dem Phasendetektorfensterspannungskomparator getroffen werden, ist nicht signifikant, da
die Anordnung das Bestreben hat, zu erreichen, daß sich die Phasenspannung bzw. -beanspruchung Null annähert. Es
folgt, daß eine Ungenauigkeit die Einrastfähigkeit nicht
beeinträchtigt, sondern nur die Anzahl von Schritten beeinflußt, die in dem +20°-Bereich enthalten sind.
Kurz zusammengefaßt arbeitet die verfeinerte Einrastsuchanordnung erst, wenn die Schleife auf die Einrastdetektorsteuerung
bzw. -regelung nicht eingerastet ist; nach dem Einrasten fährt die Suchanordnung fort, die Phasenspannung
bzw. -beanspruchung in der richtigen Richtung entsprechend der Phasendetektorsteuerung bzw. -regelung zu korrigieren,
und zwar herab bis zur minimalen Phasenspannung bzw. -beanspruchung. Diese Korrektur wird nach anfänglichem Einrasten
oder während des Betriebs, wenn sich Schleifenparameter
verändert haben, erzielt; die Korrektur beeinträchtigt nicht das Millimeterwellenausgangssignal des Frequenz-
synthetisators. Die verfeinerte Einrastsuchanordnung macht
ein Einrasten im gesamten Oszillatorsteuer- bzw. regelspannungsbereich
bei einer maximalen Phasenspannung bzw. -beanspruchung, die einem bzw. einem einzigen Suchspannungsschritt
entspricht, der ungefähr 100 mV beträgt, und zwar unabhängig von der Gleichstrom- bzw. -spannungsverstärkung
(die auch niedrig ist) zwischen dem Phasendetektorausgang und dem Oszillatorsteuer- bzw. -regelspannungseingang.
Diese Wirkungsweise ermöglicht eine größere Flexibilität beim Ausführen dieses Teils der Schleife;
eine solche Flexibilität ist im vorliegenden Falle für das Hinzufügen einer anderen Komponente, nämlich des DAC, erforderlich.
Allgemeines
Die Geschwindigkeit der Einrastsuche und des Nullmachens der Phase ist im Nichteinrastzustand durch die Bandbreite
des Summierverstärkers + Filters 31 beschränkt, und im Einrastzustand durch die Bandbreite der eingerasteten
Schleife. Die Relation dieser Geschwindigkeit zu der Schleifenverstärkungskorrekturgeschwindigkeit wird durch
eine Berechnung bestimmt, die zeigt, daß ein Einrasten in einem Bereich von je 10 kontinuierlichen Verstärkungskorrekturschritten
möglich ist. Dieses anfängliche Einrasten tritt nicht mit den optimalen Parametern auf, aber in diesem
Stadium können die Einrastdetektions- und Verstärkungskorrekturschaltungen funktionieren und die Schleife
in den optimalen Zustand bringen. Wenn ein Einrastsuchzyklus für je 10 Verstärkungskorrekturschritte ausgeführt
wird, dann treten in einem Verstärkungskorrekturzyklus 32/10=3,2 Einrastsuchzyklen auf, und es wurde die Anzahl
von 5 Zyklen mit einem Sicherheitsfaktor ausgewählt. Wenn die Einrastsuchrate für jeden Schritt 500 Hz beträgt, dann
ist die Verstärkungskorrekturrate 32/5 , * 5 Hz.
256/500 LC'
26 ■ '3-5155&B
Die automatische Schleifenverstärkungskorrekturanordnung
und die verfeinerte Einrastsuchanordnung, wie sie oben beschrieben worden sind, ermöglicht es, den Millimeterwellenfrequenzsynthetisator
in der Weise auszuführen, daß ein bzw. ein einziger Millimeterwellenoszillator über dessen
gesamten Frequenzabstimmbereich und über einen weiten Temperaturbereich (was eine starke Parametervariation bewirkt)
verwendet wird. Ein Austausch des Millimeterwellenoszillators mit einem solchen, der unterschiedliche Parameter
hat, bewirkt keine Änderungen in der Frequenzumsetzungsschleife. Diese Schaltungen ermöglichen es, automatisch
alle die Probleme zu überwinden, die ein solcher Synthetisator beinhaltet, und sie machen insbesondere eine
Kompensation von Parameteränderungen während des kontinuierlichen Betriebs ohne Störung möglich. Es ist tatsächlich
möglich, die Frequenz des Frequenzsynthetisators über den
gesamten Abstimmbereich ohne Verlust der Einrastung zu variieren. Die Frequenzumsetzungsschleife ist in diesem Falle
auf einen speziellen Synthetisator abgestimmt, jedoch kann sie leicht an irgendeinen anderen Synthetisator, der
ähnliche Probleme hat, angepaßt werden. Die Frequenzumsetzungsschleifenschaltungen
sind einfach und wirtschaftlich ausgeführt, ohne daß eine Notwendigkeit für einen
Mikrocomputer zur Steuerung der Betriebsvorgänge besteht.
Alle Komponenten mit Ausnahme der Operationsverstärker sind mit CMOS-Technik ausgeführt, und zwar mit sehr niedrigem
Strom- bzw. Leistungsverbrauch, jedoch genügend schnell für die Erfordernisse der Schaltungen.
ORlGiMAL IK1SPECTED
, <27
Leerseite -
Claims (20)
1. Indirekter Frequenzsynthetisator, dadurch g e kennzeichnet
, daß er eine verfeinerte Frequenzumsetzungsschleife (1 bis 5,8,15,19,20,22,29 bis
31 , 34 bis 40) zum Betrieb in dem hohen Frequenzbereich umfaßt, die eine automatische Schleifenverstärkungskorrekturanordnung
(5 bis 7,9 bis 12,16,21 bis 26) und eine verfeinerte Einrastsuchanordnung (3,5,813,14,17,18,
26 bis 28, 31, bis 33) aufweist, wobei die Frequenzumsetzungsschleife (1 bis 5,8,15,19,20,22,29 bis 31,34
bis 40) eine Betriebsfähigkeit unter einer Verschiedenheit von Bedingungen (wie Temperatur etc.) hat und der
gesamte Frequenzabstimmbereich des Oszillators (36) der hohen Frequenz mit optimaler Leistungsfähigkeit, wie
geringes Rauschen und geringe ungewollte Frequenzprodukte benutzbar ist.
2. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 1, dadurch g e ·
kennzeichnet, daß er irnMillimeterwellenbereich arbeitet.
3, Frequenzsynthetisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichne t, daß er die automatische Schleifenverstärkungskorrekturanordnung (5 bis7,9 bis
12,16,21 bis 26) umfaßt, die einen breiten Dynamikbereich hat, und zwar zur Benutzung des gesamten Frequenzabstimmbereichs
des spannungsgesteuerten bzw. -geregelten Oszillators (36) und/6der für Austauschoszillatoren mit unterschiedlichen
Parametern, während er konstante optimale Einrastbedingungen beibehält.
4. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Signaleinspeisungseinrichtung
(6) für die Einspeisung eines Signals in eine eingerastete Schleife bei einem niedrigen Niveau und/
oder bei einer Frequenz, die nicht im Informationsbereich
übertragen wird, zum kontinuierlichen Messen der Verstärkung der offenen Schleife ohne merkliche Störung in dem
Ausgangssignal, wenn die Schleife eingerastet ist, aufweist.
5. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 3 und 4, dadurch
gekennzeichnet , daß die kontinuierliche Messung der Verstärkung der offenen Schleife, wenn die
Schleife eingerastet ist, zur entsprechenden und automatischen Korrektur der Schleifenverstärkung benutzt wird.
6. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Einrichtung (6)
zur Entscheidung über eine Verstärkungskorrektur, basierend auf einer Annäherung der Spannungsdifferenz IVd-V11 an
Null zum Einspeisen eines Testsignals auf einem Niveau, das nicht speziell präzis ist, aufweist.
7. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet , daß er eine Meßeinrichtung (16) für die Polarität der Spannungsdifferenz Vd-V1 zum
Erhalten einer Information, welche die Richtung der Ver-Stärkungskorrektur (Erhöhen oder Vermindern der Verstärken)
betrifft, aufweist.
8. Frequenzsynthetisator nach den Ansprüchen 3 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß die erhaltene
Information, welche die Richtung der Verstärkungskorrektur betrifft, und eine angemessen gesteuerte Korrekturgeschwindigkeit
zur Korrektur der Schleifenverstärkung während des Betriebs des Frequenzsynthetisators ohne merkbare
Störung in dem Ausgangssignal benutzt wird.
9. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet ,daß er die verfeinerte Einrastsuchanordnung (3,5,8,13,14,17,18,26 bis 28,31 bis
33) zum überdecken des gesamten Oszillatorsteuer- bzw. -regelspannungsbereichs umfaßt:
(a) ohne Bewirken von starker Phasenspannung bzw. -beanspruchung;
(b) unabhängig von der Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsverstärkung zwischen dem Ausgang des Phasendetektors
(3) und dem Steuer- bzw. Regelspannungseingang des Oszillators (36), was eine variable Verstärkung ermöglicht.
10. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß ein Treppenspannungsgenerator
(32) zum Erzeugen einer Suchspannung, zum Aufrechterhalten der Suchspannung auf ihrem Endwert vor dem
Suchstop, und zwar selbst nach der Einrastdetektion und dem Suchvorgangsstop, verwendet wird.
11. Frequenzsynthetisator nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet , daß die bzw. eine
Suchspannungseinrichtung (32) , die selbst nach dem Suchstopp aufrechterhalten bzw. im Betrieb gehalten wird, zum Einrasten mit minimaler
Phasenspannung bzw. -beanspruchung und niedriger Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsverstärkung zwischen dem Ausgang
des Phasendetektors (3) und dem Steuer- bzw. Regelspannungseingang des Oszillators (36) verwendet wird.
12. Frequenzsynthetisator nach den Ansprüchen 9 und 11,
dadurch gekennzeichnet , daß ein Einrasten bei niedriger Gleichstrom- bzw. -Spannungsverstärkung
zwischen dem Ausgang des Phasendetektors (3) und dem Steuer- bzw. Regelspannungseingang des Oszillators (36)
zum unabhängigen Betrieb dieser Verstärkung bzw. dieses Verstärkungsfaktors verwendet wird.
13. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Einrastdetektoreinrichtung
(cos0 ) (8) und eine Phasendetektoreinrichtung (sine ) (3) zur Detektion einer anfänglichen Einrichtung
mittels des Einrastdetektors (8) und zur Fortsetzung der Suche entsprechend der Phasendetektorsteuerung bzw.
-regelung herab bis zu minimaler Phasenspannung bzw. -belastung aufweist.
14. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 9, gekennzeichnet
durch die Verwendung einer Phasendetektoreinrichtung (sine ) (3) basierend auf der Annäherung von
deren Ausgangsspannung an Null zur Korrektur der Phasenspannung bzw. -belastung auf ein Minimum, ohne spezielle
Genauigkeitserfordernisse für die in Frage stehenden Komponenten im Gegensatz zum Fall des Einrastdetektors (8).
15. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Meßeinrichtung
(16) für die Polarität der Ausgangsspannung des Phasendetektors (3) zur Erzielung einer Information, welche die
Richtung in der Suche (Erhöhung oder Verminderung der Spannung) betrifft, aufweist.
16. Frequenzsynthetisator nach den Ansprüchen 9 und 15, dadurch gekennzeichnet , daß die erhaltene
Information, welche die Richtung der Suche betrifft, und eine angemessene gesteuerte bzw. geregelte Suchgeschwindigkeit
zur Korrektur der Phasenspannung bzw. -belastung während des Betriebs des Frequenzsynthetisators
ohne merkliche Störung in dem Ausgangssignal verwendet wird.
17. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenzumsetzungsschleifeneinrichtungsschaltungen
korrekt für eine rauschfreie Steuer- bzw. Regelspannung ausgelegt sind, die in einem Synthetisator (in dem die Oszillatorverstärkung,
AF/aV, sehr hoch ist) hoher Frequenz (wie Millimeterwellen)
ein Niedrig-Phasen-Rauschen-Ausgangssignal zur Folge hat.
18. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Frequenzumsetzungsschleifeneinrichtung
bei einer niedrigen Frequenz relativ zur Ausgangssignalfrequenz zur Verwendung als Referenzquelle, die nicht speziell stabil ist, umfaßt.
19. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Frequenzumsetzungsschleife
(1 bis 5,8,15,19,20,22,29 bis 31,34 bis
40) umfaßt, die eine Hochpaßfiltereinrichtung (29) im Zwi-
schenfreguenzweg nachfolgend auf den harmonischen Mischer (40) zum Verhindern eines Einrastens auf Harmonische bei
einer Frequenz von 100 MHz von Signalen mit Frequenzen, die niedriger als 100 MHz sind, aufweist.
5
20. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet , daß er eine universell ausgeführte Frequenzumsetzungsschleifeneinrichtung bei einer
niedrigen Frequenz zur leichten Abstimmung der Schleife auf irgendeinen anderen Frequenzsynthetisator umfaßt.
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