DE3738124A1 - Eine die traegerwelle des fm-synthesators fuer ein telefonsystem steuernde schaltung - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren und eine entsprechende Schaltung zur Steuerung der Trägerwelle des FM-Synthesators für ein Telefonsystem, welche Schaltung zur Verbesserung der Trägerfrequenzgenauigkeit von portablen Funktelefonen geschaffen wurde. Bei dem Verfahren und der Schaltung erfolgt die Steuerung des Synthesator-Referenzoszillators durch Einrasten in die Trägerfrequenz des (von der Basisstation gesendeten und) vom Telefon empfangenen Signals. Der Telefon-Prozessor zählt Perioden des Zwischenfrequenzsignals, nach erfolgten Rechenoperationen erfolgt eine Digital-Analog-Umsetzung der als Ergebnis erhaltenen Zahl, und die erhaltene Spannung dient zur Steuerung des Referenzoszillators.

Das neue im 900-MHz-Bereich arbeitende NMT-Funktelefonnetz weist die Besonderheit auf, daß die zwischen den eigentlichen Kanälen liegenden Frequenzen bei Bedarf in Gebrauch genommen werden können. Der wirkliche Kanalabstand des Netzes beträgt somit 12,5 kHz. Auch zum Beispiel im C-Netz der Bundesrepublik Deutschland ist der Kanalabstand sehr schmal (10 kHz).

Problematisch werden die vorgenannten Funktelefonsysteme dann, wenn der Kanalabstand schmal ist und die Zwischenfrequenzbandbreite in der Größenordnung des Kanalabstands liegt, da dann die vom Telefon erzeugten Trägerfrequenzen ständig sehr nahe bei der Kanal-Nennfrequenz liegen müssen. Auch muß die Frequenz bei den verschiedenen Betriebstemperaturen des Telefons (typischer Betriebstemperaturbereich -25°C . . . +70°C) innerhalb ihrer Grenzen bleiben. Der maximal zulässige relative Fehler der Trägerfrequenzen, bezogen auf die Nennfrequenz, beträgt für den gesamten Temperaturbereich im NMT-900-Funktelefonnetz der nordischen Länder ±0,8 ppm (parts per million) und im Netz der Bundesrepublik Deutschland ±1 ppm.

Meistens wird die Trägerfrequenz des Multikanal-Funktelefons mit einer phasensynchronisierten Schleife (PPL) gemäß Fig. 1 erzeugt.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 einen temperaturkompensierten Quarzoszillator (TCXO), der die Bezugsfrequenz liefert und in seiner relativen Frequenzgenauigkeit gleich der relativen Frequenzgenauigkeit der Ausgangsfrequenz f _o ist, 2 einen Referenzteiler, 3 einen Phasendiskriminator, 4 ein Filter, 5 einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), 6 einen Vorteiler und 7 einen prozessorgesteuerten Teiler (mit veränderlicher Teilungs­ zahl).

Mit dieser Konstruktion wird jedoch die zu fordernde Frequenzgenauigkeit nicht erzielt, denn der temperaturkompensierte Quarzoszillator läßt sich einzig als ofenkompensierter Oszillator auf die geforderte Genauigkeit bringen. Deren Baugröße und Leistungsaufnahme sind für portable Geräte wie die heutigen und zukünftigen Funktelefone ungeeignet.

Für die Frequenzstabilisierung kommt neben der phasensynchronisierten Schleife ein Verfahren in Frage, bei der die Oszillator- Steuerung mit einer Gleichspannung erfolgt, die man ausgangsseitig am FM-Demodulator des Empfängers entnimmt. Die besagte Ausgangsspannung enthält zwei Spannungskomponenten: eine die Information beinhaltende Wechselspannung und eine zur Trägerfrequenz des Demodulator-Eingangssignals proportionale Gleichspannung. Mit diesem Verfahren läßt sich der Oszillator in die vom Telefon empfangene hochstabile Trägerfrequenz einrasten. Das Verfahren erfüllt jedoch nicht die in der Problemstellung genannte Stabilitätsforderung, denn keiner der im Handel befindlichen FM-Demodulatoren hat im gesamten zu berücksichtigenden Temperaturbereich eine ausreichend kleine Mittelfrequenz-Änderung.

Das Verfahren und die Schaltung, die nun zur Lösung dieses Problems entwickelt wurden, bringen eine wesentliche Verbesserung bezüglich der angeführten Mängel. Im Hinblick darauf ist für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich das, was darüber im kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1 und für die Schaltung wiederum wesentlich das, was im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 6 darüber ausgeführt ist.

Mit Hilfe der Erfindung erzielt man eine Trägerfrequenz-Temperaturstabilität wie sie bei Einsatz für portable Geräte vorgesehener anderer Mittel oder Referenzoszillatoren nicht zu erreichen ist.

Das Blockschema dieses Frequenzstabilisierungs-Systems ist in Fig. 2 dargestellt. Mit der Schaltung wird die AFC-Funktion, das heißt die automatische Scharfabstimmung (Automatic Frequency Control) verwirklicht. Die Schaltung in Fig. 2 ist durch Strichlinien in drei Teile gegliedert. Der oberste Teil bildet den Empfängersynthesator S, der mittlere Teil den Funktelefon- Empfänger R, und die untersten Teile sind ins Telefon-Prozessorteil P integriert. Der Funktelefon-Prozessor dient gleichzeitig auch als Prozessor der AFC-Schaltung.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Frequenzsteuerverfahren unter Bezugnahme auf die in Fig. 2 gezeigte, eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulichende Schaltung be­ schrieben.

In Fig. 2 bezeichnet die Zahl 1 einen spannungsgesteuerten Quarzoszillator (VCXO), 2 einen Referenzteiler, 3 einen Phasendiskriminator, 4 und 11 Filter, 5 einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), 6 einen Vorteiler, 7 einen prozessorgesteuerten Teiler mit veränderbarer Teilungszahl, 8 und 9 Mischstufen, 10 einen Empfangs-Quarzoszillator, 12 einen FM-Demodulator (Quadratur, Kristalldiskriminator o. dgl., im Hinblick auf das System unwesentlich), 13 und 19 Begrenzungsverstärker, 15 einen Prozessor- Quarzoszillator und 16 einen Prozessor. Der Zähler 14, der Sperrkreis 17 und der Digital-Analog-Umsetzer 18 können je nach Typ entweder Bestandteile der Prozessorschaltung oder außerhalb des Prozessors angeordnet sein. In der Figur bedeuten f _in , F _LO , f _{IF 1} und f _{IF 2} Trägerfrequenzen an verschiedenen Stellen des Blockschemas, die, f _LO ausgenommen, Frequenzmodulation enthalten, und V _ohj bedeutet die Steuerspannung des spannungsgesteuerten Quarzoszillators 1.

Das Funktionsprinzip der Schaltung in Fig. 2 ist folgendes:

1) Beim Einschalten des Stroms des Funktelefons setzt der Prozessor 16 als Steuerwort 2 ^n-1, worin n die Bit-Anzahl des Steuerwortes ist. Im beschriebenen Fall ist n=8, das heißt, das Steuerwort hat den Ausgangswert 128, der gemäß Einstellung der Steuerspannung V _ohj =V _cc /2 entspricht, worin V _cc die Betriebsspannung der Logik (im typischen Falle 5 V) bedeutet.

2) Der Prozessor 16 zählt während der Zeit t mit Hilfe der Zählschaltung 14 Perioden des Signals mit der Frequenz f _{IF 2}; während dieser Zeit T kommt es zu einer gewissen Anzahl Überläufen, und zum Schluß bleibt die Zahl M, die zwischen 0 und 2 ⁿ liegt (0 . . . 256, wenn 8 Bit in Benutzung sind). Auf diese Weise wird vom eigentlichen AFC-Ausgangswert sozusagen ein völlig stabiler Wert subtrahiert, und man erhält als neuen AFC-Ausgangswert und als Regelbereich an der erforderlichen Stelle ein schmales Band. Die Zeit T erhält man durch Teilung vom Prozessor- Quarzoszillator 15. Ist f _{IF 2}=455 kHz, so beträgt T typisch 50 bis 100 ms. Mit anderen Worten: während dieser Zeit vermag der Zähler 14 über mehrere Zyklen von 0 bis 256 (vom Steuerwort- Null bis zum festen Maximalwert 256) Impulse f _{IF 2} zu zählen, wobei diese vollen Zyklen den o. g. stabilen Wert bilden.

3) Falls M beim ersten Zählzyklus nach Starten des Systems von 2 ^n-1 abweicht, korrigiert der Prozessor 16 das Steuerwort mit der Zahl M-2 ^n-1, das heißt nach unten wenn M < 2 ^n-1 und nach oben wenn M < 2 ^n-1. Entsprechend geht die Steuerspannung V _ohj des spannungsgesteuerten Quarzoszillators nach erfolgter Digital-Analog-Umsetzung von V _cc /2 nach unten oder von V _cc /2 nach oben. Mit dem folgenden Zählzyklus erhält man eine neue Zahl M, die D/A-umgesetzt wird und zur Steuerung des spannungsgesteuerten Quarzoszillators 1 dient.

4) Das Zählen und Korrigieren wird so lange fortgesetzt, bis die erhaltene Zahl gleich dem vorangehenden Steuerwort ist, wobei dann das Einrasten (Synchronisieren) in die Frequenz f _in des Eingangssignals erreicht ist.

5) Das Signal des spannungsgesteuerten Quarzoszillators 1 dient auch als Bezugsfrequenz für den Sendersynthesator, wodurch auch diese Frequenz sehr stabil ist.

6) Die Endfrequenzen des Synthesators lassen sich durch Hinzuzählen oder Abziehen einer festen Zahl zum beziehungsweise vom Steuerwort abstimmen.

Die Zählzeit T kann auf Grund folgenden Kriteriums gesetzt werden: Aus den Spezifikationen oder anderen limitierenden Bedingungen des Funktelefonsystems läßt sich der vom AFC-System zu fordernde Einrastbereich, daß heißt also der Änderungsbereich Δ f _in der Eingangsfrequenz f _in , bei welchem das System synchronisiert bleiben muß, ermitteln. Der Einrastbereich der Eingangsfrequenz ist also:

f _in ist die Nennfrequenz des empfangenen Signals. Man setzt außerdem:

Damit das AFC-System eingerastet bleibt, ist die Zählzeit T so zu wählen, daß:

f _max ×T - f _min ×T 2 ⁿ (3)

wobei n die zu verwendende Bit-Anzahl ist. Aus der Formel (3) läßt sich die folgende Bedingung ableiten:

Δ f _in ×T 2 ⁿ (4)

Eine Verkürzung der Zählzeit T beschleunigt das Einrasten und Sicheinspielen des AFC-Systems, erhöht aber andererseits das Durchschlagen der Frequenzmodulation des empfangenen Signals auf die Steuerlinie des spannungsgesteuerten Quarzoszillators 1, was möglichst genau vermieden werden sollte.

Die beschriebene Schaltung enthält zwei Faktoren, die Fehler bei den abgeleiteten Frequenzen bewirken können, nämlich:

• a) die Frequenzdrift des Prozessor-Quarzoszillators 15 und
• b) die Frequenzdrift des Empfangs-Quarzoszillators 10.

Beide Frequenzwanderungen resultieren aus Resonanzfrequenzänderungen der Kristalle bei Temperaturänderung. Es läßt sich nachweisen, daß die dadurch verursachten Fehler ausreichend gering sind sofern die temperaturbedingte Resonanzfrequenzdrift vor allem des Kristalls des Empfangs-Quarzoszillators 10 niedrig genug (<±10 ppm) liegt.

Das erfindungsgemäße hier beschriebene Verfahren und die erfindungsgemäße hier beschriebene Schaltung bieten für die genannte Problemstellung eine Lösung in der Form, daß sie auf portable Funktelefone anwendbar ist. Man hat auch durch Messungen in der Praxis nachgewiesen, daß diese Lösung die das Problem bildenden Frequenzgenauigkeitsforderungen erfüllt. Die Anwendung des Verfahrens beschränkt sich nicht auf das angeführte Schaltungsbeispiel und die dem entsprechenden Werte, sondern diese können je nach Anwendungsobjekt variiert werden. So können u. a. die Frequenzen, die Bit-Anzahl des Prozessors, das Steuerwort, der Ausgangswert des Steuerwortes und sein Verhältnis zur Steuerspannung (z. B. V _ohj ≠ V _cc /2) von den angeführten Werten abweichen. Auch die allgemeine Form und die Komponenten der Schaltung können in den Grenzen des definierten Verfahrens variieren.

Claims (9)

1. Zur Steuerung der Trägerfrequenz eines für ein Telefonsystem vorgesehenen FM-Synthesators dienendes Verfahren, bei welchem die von der Basisstation gesendete Trägerwelle zur Steuerung des spannungsgesteuerten Oszillators des von diesem und einer phasensynchronisierten Schleife (PLL) gebildeten Synthesators verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Frequenz des Empfangs-Quarzoszillators durch numerische Teilung eine Konstantzeit gebildet wird, während der mit einem Zähler Perioden der von der Basisstation gesendeten Trägerfrequenz gezählt werden, wobei das Zählergebnis Digitalform hat, und daß das Zählergebnis nach erfolgter Digital-Analog-Umsetzung zur Steuerung des spannungsgesteuerten Quarzoszillators verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des besagten spannungsgesteuerten Quarzoszillators die aus dem digitalen Zählergebnis und einer im voraus mit dem Mikroprozessor ermittelten unveränderlich bleibenden konstanten Zahl gebildete Differenz verwendet wird, die nach erfolgter Digital-Analog-Umsetzung zur Steuerung des spannungsgesteuerten Quarzoszillators dient.

3. Verfahren nach irgendeinem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß während der besagten konstanten Zählzeit mit dem Zähler mehrmals Trägerfrequenz-Perioden von Null bis zum festen Maximalwert des Mikroprozessor-Steuerwortes gezählt werden, und daß zur Steuerung nur das Ergebnis der bei Ende der konstanten Zählzeit zuletzt von Steuerwort-Null aus begonnenen Zählung dient, das stets als neues Steuerwort und nach erfolgter Digital-Analog-Umsetzung zur Steuerung des spannungsgesteuerten Quarzoszillators verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte konstante Teil des festen Steuerwort-Maximalwertes die Hälfte dieses festen Steuerwort-Maximalwertes beträgt, wobei der Steuerwort-Maximalwert der maximalen Steuerspannung des spannungsgesteuerten Quarzoszillators entspricht.

5. Verfahren nach irgendeinem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß zur Regelung der Synthesator-Endfrequenzen der Mikroprozessor dazu eingerichtet ist, eine feste Zahl vom Steuerwort zu subtrahieren oder zum Steuerwort zu addie­ ren.

6. Die Trägerwelle eines FM-Synthesators für ein Telefonsystem steuernde Schaltung mit einem Prozessor (16), einem Quarzoszillator (15) am Prozessor, einem Digital-Analog-Umsetzer (18) und einem Zähler (14) sowie mit Verbindung zur Steuerspannung (V _ohj ) des spannungsgesteuerten Synthesator-Quarzoszillators (1) und Verbindung zur Zwischenfrequenz (IF 2) des Synthesators, bei welcher (Schaltung) der spannungsgesteuerte Quarzoszillator (1) des Synthesators durch Einrasten (Synchronisieren) in die Trägerfrequenz (f _in ) des von der Fernsprech-Basisstation gesendeten und empfangenen Signals gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Telefon-Mikroprozessor (16) mit dem Zähler (14) während einer konstanten Zeit (T) Perioden des Empfänger- Zwischenfrequenzsignals (IF 2) zählt und als Ergebnis eine bestimmte Zahl (M) erhält, die im D/A-Umsetzer (18) eine Digital- Analog-Umsetzung erfährt, und daß mit der so erhaltenen Spannung der spannungsgesteuerte Quarzoszillator (1) des Synthesators gesteuert wird, wobei in eingerastetem Zustand die Steuerzahl (M) bei verschiedenen Zählungen keine Änderung erfährt.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit T vom Quarzoszillator (15) des Prozessors (16) durch Teilung abgeleitet ist.

8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteuerte Quarzoszillator (1) des Empfängerteils (R) auch die Bezugsfrequenz für den Sender-Synthesator liefert.

9. Schaltung nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß der Empfangsoszillator (10) des Empfängerteils (R) ein frequenzstabiler Quarzoszillator ist.