DE3531946A1

DE3531946A1 - Frequency modulator with PLL stabilisation

Info

Publication number: DE3531946A1
Application number: DE19853531946
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dipl Ing Kroll
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1985-09-07
Filing date: 1985-09-07
Publication date: 1987-03-19

Abstract

Frequency modulator with PLL stabilisation, comprising a re-adjusted oscillator, to which an AF is fed as a modulation, and a control loop comprising a divider, a reference, a phase comparator and a loop filter. A compensation signal is derived from the AF by means of which the pulse width of the divided oscillator signal can be modified in a pulse width modulator in the control loop downstream of the divider (:N).

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzmodulator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige FM-Steuer stufen bestehen aus einem Oszillator mit einer Modulations einrichtung (Kapazitätsdioden), mit denen eine Frequenzmo dulation realisiert werden kann. Damit die Hochfrequenz mittenfrequenz (Trägerfrequenz) frequenzmäßig stabilisiert wird, wird der Oszillator mit einer Regelschleife versehen. Die Regelschleife besteht aus einem Teiler - der auch programmierbar sein kann -, einem Phasenkomparator, einem Vergleichsnormal und einem Schleifenfilter. Eine Schaltung dieser Art ist in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellt. The invention relates to a frequency modulator according to the preamble of claim 1. Such FM control stages consist of an oscillator with a modulation device (capacitance diodes) with which a Frequency modulation can be realized. So that the high frequency center frequency (carrier frequency) is stabilized in terms of frequency, the oscillator is provided with a control loop. The control loop consists of a divider - which can also be programmable -, a phase comparator, a comparison standard and a loop filter. A circuit of this type is shown in Fig. 1 in the block diagram.

Die Funktion dieser Schaltung kann folgendermaßen beschrie ben werden:The function of this circuit can be described as follows will be:

Zunächst wird angenommen, daß kein Modulationssignal an liegt (also keine FM gewünscht wird). Das Trägersignal, hier von der Frequenz 100 MHz, wird durch den Teiler (÷N) heruntergeteilt, hier auf 1 kHz, und mit einem Vergleichs normal verglichen. Die Trägerfrequenz wird solange ver ändert, bis das heruntergeteilte Trägerfrequenzsignal und das Vergleichsnormal die gleiche Frequenz und damit eine unveränderliche Phasenbeziehung zueinander haben. Das Schleifenfilter wird so dimensioniert, daß die Vergleichs frequenz herausgefiltert wird, so daß die Regelspannung im eingeschwungenen Zustand eine Gleichspannung ist.First, it is assumed that no modulation signal is present (that is, no FM is desired). The carrier signal, here from the frequency 100 MHz, is divided down by the divider (÷ N) , here to 1 kHz, and compared with a comparison as normal. The carrier frequency is changed until the divided carrier frequency signal and the comparison standard have the same frequency and thus an invariable phase relationship to one another. The loop filter is dimensioned so that the comparison frequency is filtered out, so that the control voltage in the steady state is a DC voltage.

Wird nun eine Spannung an den Modulationseingang gelegt, so ändert sich die Frequenz des Oszillators, und am Ausgang des Teilers entsteht ein Signal, das entsprechend in der Phase variiert ist. Die Regelschleife versucht nun, diese gewünschte Phasenmodulation herauszuregeln, so daß der eigentliche Modulationsvorgang qualitätsmindernd beeinflußt wird. Um dies zu verhindern muß das Schleifenfilter so dimensioniert werden, daß die Zeitkonstante τ des Schlei fenfilters viel kleiner ist als die Periodendauer der tiefsten zu übertragenden Modulationsfrequenz f _min, was unangenehmerweise zu einem langsamen Einschwingverhalten des Oszillators führt.If a voltage is now applied to the modulation input, the frequency of the oscillator changes and a signal is produced at the output of the divider, which phase varies accordingly. The control loop now tries to regulate this desired phase modulation, so that the actual modulation process is influenced in a quality-reducing manner. In order to prevent this, the loop filter must be dimensioned such that the time constant τ of the loop filter is much smaller than the period of the lowest modulation frequency f _min to be transmitted, which leads to an uncomfortable slow settling behavior of the oscillator.

Besonders bei tiefen Modulationsfrequenzen entsteht am Oszillator ein sehr großer Phasenhub, der am Phasenkompa ratoreingang (Frequenzkomparatoreingang) um den Faktor N reduziert erscheint. Ist nun dieser Phasenhub größer als die für den Komparator höchstzulässige Phasenabweichung, so fällt die Regelschleife (PLL) außer Tritt, was mit erheb lichen Störungen verbunden ist.Particularly at low modulation frequencies, a very large phase shift occurs at the oscillator, which appears to be reduced by the factor N at the phase comparator input (frequency comparator input). If this phase shift is greater than the maximum permissible phase deviation for the comparator, the control loop (PLL) falls out of step, which is associated with considerable interference.

Die Schaltungen nach dem Stand der Technik haben also vier wesentliche Nachteile:The circuits according to the prior art therefore have four major disadvantages:

1.Significant frequency and phase response distortion if the period of the deepest modules to be transmitted tion frequency in the order of the loop filter time constant comes.
2. The PLL falls lightly out of step with deep modules frequencies.
3. Long catch times of the PLL because of the loop filter time constant must be chosen very large.
4. Auxiliary shafts, which is explained below - in the form of beat products, formed by comparison standard and modulation frequency.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Frequenzmodulator der eingangs genannten Art anzugeben, der die beschriebenen Nachteile weitestgehend vermeidet. Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The object of the invention is to provide a frequency modulator Specify the type mentioned at the beginning of the described Avoids disadvantages as far as possible. The invention is in Claim 1 marked. The other claims contain advantageous embodiments of the invention.

Die oben erwähnten vier Nachteile beruhen auf der Tatsache, daß bei einer herkömmlichen PLL-Schaltung im Phasenkompa rator das heruntergeteilte, noch phasenmodulierte Nutz signal mit dem Frequenznormal verglichen wird und sich dabei diese Phasenmodulation sehr qualitätsmindernd aus wirkt. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird die mit dem Modulationssignal synchrone Phasenmodulation herauskompensiert. Der Regelschleife wird also im modu lierten Fall der modulationslose Fall vorgetäuscht und somit hat die PLL-Regelschleife auch keine Einflüsse auf den Modulationsvorgang.The four disadvantages mentioned above are based on the fact that with a conventional PLL circuit in the phase compa rator the divided, still phase-modulated benefit signal is compared with the frequency standard and itself this phase modulation reduces the quality works. Through the circuit arrangement according to the invention the phase modulation synchronous with the modulation signal compensated out. The control loop is therefore in modu faked case of the modulationless case and the PLL control loop therefore has no influence the modulation process.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 2 and 3.

Wird der Oszillator frequenzmoduliert, so entsteht auch hinter dem Teiler ein phasenmoduliertes Signal. Die Impulse hinter dem Teiler haben entsprechend der momentanen Modu lation unterschiedliche Zeitabstände. Es sind hierbei drei Fälle zu unterscheiden. Ist zum Beispiel während N Oszilla torimpulsen im Mittel die Frequenz kleiner als die Träger frequenz, so ist der Impulsabstand größer als im unmodu lierten Fall. Ist die Oszillatorfrequenz während der N Oszillatorimpulse im Mittel größer als die Trägerfrequenz, so sind die Impulsabstände hinter dem Teiler entsprechend kürzer als im unmodulierten Fall. In Fig. 2 ist in der ersten Zeile dieser Fall gestrichelt dargestellt im Ver gleich zum unmodulierten Fall (durchgezogene Linie). Ist dagegen die Oszillatorfrequenz während N Oszillatorimpulsen im Mittel unverändert, so ist der Impulsabstand genau so groß wie im unmodulierten Fall. Dieser letzte Fall tritt z. B. auf, wenn die Periodendauer der Modulationsfrequenz gerade gleich dem zeitlichen Abstand zweier hintereinander auftretender Impulse ist und somit die Modulationsfrequenz gerade so groß ist wie die Vergleichsnormalfrequenz. Der Teiler hat bei allen drei Fällen gewissermaßen eine Inte grationsfunktion über N Oszillatorimpulse und somit jit tert die Impulsflanke im Takte der integrierten Nachricht. If the oscillator is frequency modulated, a phase-modulated signal also arises behind the divider. The pulses behind the divider have different time intervals according to the current modulation. There are three different cases. For example, if during N Oszilla gate pulses the frequency is smaller than the carrier frequency, the pulse spacing is larger than in the unmodu lated case. If, on average, the oscillator frequency during the N oscillator pulses is greater than the carrier frequency, the pulse intervals behind the divider are correspondingly shorter than in the unmodulated case. In Fig. 2 in the first row of this case is shown in dashed lines in comparison equal to the unmodulated case (solid line). If, on the other hand, the oscillator frequency is unchanged on average during N oscillator pulses, the pulse spacing is exactly as large as in the unmodulated case. This latter case occurs e.g. B. on when the period of the modulation frequency is just equal to the time interval between two successive pulses and thus the modulation frequency is just as large as the reference normal frequency. In all three cases, the divider has an integration function to a certain extent via N oscillator pulses and thus the pulse edge jit tert in time with the integrated message.

Dieses Jittern wird erfindungsgemäß kompensiert, indem man die Breite des Pulses hinter dem Teiler entsprechend va riiert, wodurch der zeitliche Abstand der abfallenden Flanken zweier aufeinander folgender Impulse immer gleich bleibt.This jitter is compensated for in accordance with the invention by the width of the pulse behind the divider in accordance with va riiert, whereby the time interval of the falling Flanks of two successive pulses are always the same remains.

Wandert zum Beispiel der Impuls hinter dem Teiler nach links aus (Voreilung), erste Zeile in Fig. 2, so muß entsprechend die Impulsbreite vergrößert werden, zweite Zeile in Fig. 2.For example, if the pulse moves to the left behind the divider (advance), first line in Fig. 2, the pulse width must be increased accordingly, second line in Fig. 2.

Wertet man nun im Phasenkomparator nur die abfallende Flanke aus, so erkennt der Komparator keine Phasenmodula tion mehr, obwohl der Oszillator frequenzmoduliert wird.If you now only evaluate the falling one in the phase comparator Edge, the comparator does not recognize any phase modules tion more, although the oscillator is frequency modulated.

Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Frequenzmodulators. Zwischen Teiler und Phasenkomparator der Regelschleife ist ein Pulsbreitenmo dulator mit einem nachgeschalteten Monoflop eingefügt. Von der NF-Modulationszuleitung wird das Kompensationsignal abgeleitet und einem Steuereingang des Pulsbreitenmodula tors zugeführt, und zwar über einen Phasenschieber, einen Integrator und eine Abtast-Halte-Schaltung. Der Phasen schieber sorgt für ein phasenrichtiges Zuführen des Kompen sationssignals. Fig. 3 shows a preferred embodiment of a frequency modulator according to the invention. A pulse width modulator with a downstream monoflop is inserted between the divider and the phase comparator of the control loop. The compensation signal is derived from the LF modulation feed line and fed to a control input of the pulse width modulator, specifically via a phase shifter, an integrator and a sample and hold circuit. The phase shifter ensures that the compensation signal is fed in the correct phase.

Die Funktionsweise des Kompensationszweiges kann folgender maßen beschrieben werden:The functioning of the compensation branch can be as follows dimensions are described:

Die bis zum Impulsbeginn (im Beispiel: ansteigende Flanke) integrierte Nachricht ist ein Maß für die Phasenverschie bung hinter dem Teiler. Die schaltungstechnische Realisie rung dieses bestimmten Integrales erfolgt mit einem Inte grator und einer darauffolgenden Abtastschaltung, die im Moment des Impulsbeginns kurzzeitig (Abtastzeit →Φ) akti viert wird. Diese abgetastete Spannung wird dann bis zum darauffolgenden Impulsbeginn zwischengespeichert und als Steuerspannung für den Pulsbreitenmodulator verwendet.The message integrated up to the start of the pulse (in the example: rising edge) is a measure of the phase shift behind the divider. This particular integral is implemented in terms of circuitry with an integrator and a subsequent sampling circuit, which is activated briefly (sampling time → Φ ) at the moment the pulse begins. This sampled voltage is then buffered until the following pulse begins and used as a control voltage for the pulse width modulator.

Das auf den Pulsbreitenmodulator folgende Monoflop triggert auf die zeitlich jitterfreie Flanke (hier die abfallende Flanke) und erzeugt ein Ausgangssignal mit einem Aus-/Ein verhältnis von etwa 1, was für verschiedene Phasenkompara toren von großem Vorteil ist.The monoflop following the pulse width modulator triggers on the temporally jitter-free flank (here the falling Edge) and generates an output signal with an off / on ratio of about 1, what different phase comparals is a great advantage.

Ein Problem bei einer unkompensierten Regelschleife sind die entstehenden niederfrequenten Schwebungsfrequenzen (die oben erwähnten Nebenwellen) die durch das Schleifenfilter nur ungenügend gedämpft werden können.A problem with an uncompensated control loop are the resulting low frequency beat frequencies (the above mentioned spurious) through the loop filter can only be insufficiently damped.

Ist zum Beispiel die Modulationsfrequenz genauso groß wie die Vergleichsnormalfrequenz, so gibt es auch im unkompen sierten Fall keine Phasenschwankungen am Teilerausgang, da die Integrationszeit des Teilers gerade der Periodendauer der Modulationsfrequenz entspricht. Weicht jedoch die Modulationsfrequenz geringfügig vom Vergleichsnormal ab, so entsteht eine Phasenänderung (der Impulse hinter dem Teiler) mit der Schwebungsfrequenz. Da diese Schwebungs frequenz sehr niederfrequent sein kann, macht das darauf folgende Schleifenfilter keine genügende Selektion, so daß die Schwebungsfrequenz als unerwünschte Nebenwelle über die Regelspannungsleitung den nachziehbaren Oszillator modu liert. For example, the modulation frequency is the same as the comparison normal frequency, so there is also in the incompatible case no phase fluctuations at the divider output, because the integration time of the divisor, just the period corresponds to the modulation frequency. However, gives way Modulation frequency slightly from the comparison standard, see above there is a phase change (the impulses behind the Divider) with the beat frequency. Because this beat frequency can be very low, that's what makes it so the following loop filter is not a sufficient selection, so that the beat frequency as an unwanted spurious over the Control voltage line modu the traceable oscillator liert.

Durch die erfindungsgemäße Kompensationseinrichtung wird auch die Bildung dieser Schwebungsfrequenz verhindert. Im Kompensationszweig wird nämlich die Nachricht bis zum jeweiligen Impulsbeginn integriert. Dabei entsteht eben falls die Schwebungsfrequenz, die dann über den Puls breitenmodulator die Kompensation bewerkstelligt.Through the compensation device according to the invention also prevents the formation of this beat frequency. in the Compensation branch is namely the message until integrated at the beginning of each pulse. It just arises if the beat frequency, then the pulse width modulator accomplishes the compensation.

Insgesamt kann man sagen, daß der Integrator mit Abtast- Halte-Schaltung und der Phasenschieber das zeitliche Ver halten des Teilers nachbilden (was die Integration be trifft) und somit eine Kompensation möglich ist.Overall, one can say that the integrator with sampling Hold circuit and the phase shifter the temporal Ver keep replicating the divider (what the integration be hits) and thus compensation is possible.

Claims

1. Frequency modulator with PLL stabilization, consisting of a readjusted oscillator, to which an NF is supplied as modulation, and a control loop consisting of a divider, comparison standard, phase comparator and loop filter, characterized in that a compensation signal is derived from the NF, by means of whose in the control loop behind the divider (÷ N) the divided oscillator signal can be changed in a pulse width modulator in the pulse width.

2. Frequency modulator according to claim 1, characterized in that the compensation signal is obtained from the series connection of a phase shifter and an integrator and that the NF is integrated in the integrator until a pulse begins, the pulse beginning from the signal behind the divider (÷ N ) is derived.

3. Frequency modulator according to claim 2, characterized records that the integrator is implemented as a counter.

4. Frequency modulator according to claim 1, characterized net that the divided oscillator signal on constant The distance of the falling or rising edge changed is.

5. Frequency modulator according to claim 4, characterized net that the pulse width modulator is a negative or positive edge triggered monoflop is connected downstream.

6. Frequency modulator according to claim 2 or 3, characterized characterized in that the integrator has a sample-hold scarf device is connected downstream.