DE4011572A1 - Frequenzsyntheseschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Frequenzsyntheseschaltung, d. h. eine Schaltung zur Erzeugung eines Signals vorbestimmter Frequenz, die innerhalb eines bestimmten Änderungsbereiches unter mehreren diskreten Frequenzwerten ausgewählt ist, wel­ che voneinander einen bestimmten Abstand haben.

Die Leistungsfähigkeit von Vorrichtungen, in welchen diese Frequenzsyntheseschaltungen enthalten sind, hängen stark von den Eigenschaften dieser Schaltungen ab, nämlich insbeson­ dere:

• - Die Stabilität der erzeugten Frequenz, sowohl kurzzeitig (Phasenstabilität) als auch langzeitig (geringe Schwankun­ gen ΔF/F); bei den Frequenzsyntheseschaltungen sind die Ursachen für Instabilität insbesondere das Eigenrauschen der verschiedenen Stufen der Schaltung und die Erzeugung von Störfrequenzen, die von der gewünschten Frequenz ver­ schieden sind, da es nämlich bei Erzeugung der Frequenzen durch Synthese niemals möglich ist, die Basisfrequenzen (und ihre Harmonischen) vollständig zu unterdrücken, die miteinander kombiniert wurden, um die Endfrequenz zu er­ zeugen.
• - Die schnelle Umschaltung zwischen verschiedenen Frequenz­ werten: Es wird angestrebt, einen kürzestmöglichen Verzug zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Steuersignal (im all­ gemeinen ein digitales Steuerwort), welches einer neuen gewünschten Frequenz entspricht, an die Frequenzsynthese­ schaltung angelegt wird, und dem Zeitpunkt, zu dem diese Schaltung die gewünschte Frequenz tatsächlich abgibt.
• - Ein möglichst weites Frequenzband.
• - Eine große Anzahl von diskreten Frequenzwerten, die er­ zeugt werden können. Diese Eigenschaft steht im allgemei­ nen im Widerspruch zu der vorgenannten: Frequenzsynthese­ schaltungen mit sehr kleinen Frequenzabständen arbeiten im allgemeinen nur schmalbandig.
• - Die spektrale Reinheit des erzeugten Signals, entsprechend einem geringen Pegel der Störlinien (unharmonische Linien) in bezug auf die Linie des erzeugten Signals.

Die bekannten Frequenzsyntheseschaltungen beruhen im wesent­ lichen auf zwei grundsätzlich verschiedenen Techniken: Die direkte und die indirekte Synthese.

Die direkte Synthese besteht darin, Frequenzen zu erzeugen, die einen konstanten Abstand haben, entweder durch Umschal­ tung von verschiedenen Quellen (direkte nichtkohärente Syn­ these) oder ausgehend von einer einzigen Eichfrequenzquelle, deren Frequenz, die gleich dem zu verwirklichenden Abstand ist, an den Eingang einer Frequenzmultiplizierkette mit variabler Ordnung angelegt wird (direkte kohärente Synthese); die Frequenzmultiplikationskette besteht im allgemeinen aus einem Kammgenerator, der eine Energie erzeugt, welche über die Harmonischen der Basisfrequenz verteilt ist, an dessen Ausgang die gewünschten Frequenzen durch Umschalten von har­ monischen Filtern ausgewählt werden.

Die Anzahl von Frequenzen, die mit einer solchen Basisschal­ tung erzeugt werden können, ist begrenzt, so daß man - wenn eine große Anzahl von Frequenzen gewünschen wird - in auf­ einanderfolgenden Mischvorgängen Signale mischt, die von Zwischenstufen zur direkten Frequenzsynthese erzeugt werden, z. B. drei solche Zwischenstufen, von denen die eine l Fre­ quenzen mit kleinem Teilungsschritt, die zweite m Frequenzen mit mittlerem Teilungsschritt und die dritte n Frequenzen mit großem Abstand erzeugt: Am Ausgang des Mischers verfügt man so über l.m.n. Frequenzen mit kleinem Teilungsabstand.

Diese Technik ermöglicht es, ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Phasenstabilität und der Schnelligkeit der Frequenzumschaltung zu erzielen (die Umschaltung hängt nur von der Schaltgeschwindigkeit an den harmonischen Filtern ab, die im Falle von digital gesteuerten Filtern sehr groß sein kann).

Hingegen ist es relativ schwierig, einen geringen Pegel der Störlinien zu erreichen, denn dies erfordert eine sorgfälti­ ge Trennung der verschiedenen Umschalter für die Frequenz­ quellen (im Falle einer nichtkohärenten Synthese) bzw. eine wirksame Unterdrückung der unerwünschten Frequenzlinien durch die harmonischen Filter (im Falle einer kohärenten Synthese); diese Störlinien beruhen im allgemeinen auf den Intermodulationsprodukten, die durch die aufeinanderfolgen­ den Mischvorgänge erzeugt werden.

In der Praxis kann man eine ausreichende spektrale Reinheit nur innerhalb von relativ kleinen Änderungsbereichen erzie­ len (in der Größenordnung von höchstens 10 bis 12% um die Mittenfrequenz), was eine Anwendung dieser Technik in den zahlreichen Fällen ausschließt, in welchen diese Werte unzu­ reichend sind.

Die Notwendigkeit der Verwendung von variablen Umschaltfil­ tern großer Qualität, die folglich sehr komplex sind, führt ferner zu einer hohen Steigerung des Aufwandes für die Fre­ quenzsynthese.

Die zweite Technik zur Frequenzsynthese besteht in der in­ direkten Synthese, bei welcher eine phasengeregelte Schleife verwendet wird, um gleichfalls aus einer einzigen Eichfre­ quenz Frequenzen mit konstantem Teilungsabstand zu erzeugen.

Die herkömmliche Ausführung einer solchen Schaltung, mit der sich die Erfindung befaßt, besteht in einer Regelschleife, in der mit Überlagerung zur Frequenzänderung und programmier­ baren Frequenzteilung gearbeitet wird, wie schematisch in Fig. 1 der beigefügten Zeichnung dargestellt.

Diese Schaltung umfaßt im wesentlichen einen variablen Oszil­ lator 1, im allgemeinen einen spannungsgesteuerten Oszilla­ tor (VCO), der eine Ausgangsfrequenz FS abgibt, die von einem Steuersignal (analoge Spannung) abhängt, die an seinen Ein­ gang angelegt wird.

Diese Ausgangsfrequenz FS wird an einen ersten Eingang eines Mischers 2 angelegt, der an seinem anderen Eingang eine Re­ ferenzfrequenz FR empfängt. Der Ausgang des Mischers 2 ist an einen programmierbaren Frequenzteiler angelegt (d. h. einen Teiler, dessen Divisionsordnung N durch eine digitale Steuerung ausgewählt wird, z. B. ein digitales Steuerwort CF, das an die Schaltung angelegt wird).

Der Ausgang des Frequenzteilers 5 ist an einen der Eingänge einer Phasenkomparatorschaltung 6 angelegt, die an ihrem anderen Eingang ein Signal empfängt, dessen Frequenz gleich dem Frequenzänderungsabstand p ist. Die Ausgangsspannung des Phasenkomparators 6 ist an ein Tiefpaßfilter 8 angelegt, dessen Ausgang die Steuerspannung für den spannungsgesteuer­ ten Oszillator 1 abgibt.

Die Referenzfrequenz FR und der Frequenzabstand p werden mittels einer Eichquelle 3 erzeugt (fester Quarzoszillator), der eine Frequenz FQ abgibt. Diese Frequenz FQ wird einer­ seits durch einen Frequenzmultiplizierer 4 fester Ordnung M erhöht, welcher die Referenzfrequenz FR abgibt, die gleich M·FQ ist, und wird andererseits durch einen Frequenzteiler 7, der gleichfalls von festem Rang P ist, abgesenkt, um die Frequenz FQ/P zu erzeugen, die gleich dem Frequenzabstand p ist.

Man stellt fest, daß der Oszillator 1, der Mischer 2, der Teiler 5, der Phasenkomparator 6 und das Tiefpaßfilter 8 eine phasenverriegelte Schleife bilden, deren Abgleich durch den Phasenkomparator 6 gesteuert wird, dessen Gleichgewicht (und folglich die Frequenz FS) durch den programmierbaren Teilungsrang N des Teilers 5 gesteuert wird.

Im Gleichgewicht sind die beiden Frequenzen am Eingang des Phasenkomparators 6 streng gleich, und die Gleichung für den Abgleich des Systems ist:

FS = [M ± (N/P)]·FQ.

Man sieht also, daß durch Verändern der Ordnung N des Tei­ lers mit veränderlicher Ordnung die Ausgangsfrequenz FS des Oszillators um die Größe FQ/P verändert werden kann, die gleich dem zu verwirklichenden Frequenzabstand p ist (dieser Abstand wird durch die Ordnung des Teilers 7 mit fester Ord­ nung bestimmt).

Ein solcher Generator, der mit indirekter Synthese arbeitet, ist nicht mit den Einschränkungen hinsichtlich der Bandbrei­ te behaftet, die bei Generatoren mit direkter Synthese fest­ zustellen sind.

Für einen solchen Generator mit indirekter Synthese besteht nämlich die einzige theoretische Grenze hinsichtlich der Bandbreite in der des variablen Oszillators 1, die aber beliebig weit gewählt werden kann.

Die Wahl eines Oszillators mit breitem Arbeitsbereich zieht aber notwendigerweise eine hohe Empfindlichkeit der Frequenz­ änderung nach sich (je größer der Bereich ist, desto größer ist für dieselbe Änderung der Steuerspannung die entsprechen­ de Frequenzänderung), woraus eine recht große Empfindlich­ keit gegenüber thermischem Rauschen und eine mittelmäßige Frequenzstabilität resultieren.

Eine weitere Einschränkung bei solchen Schaltungen besteht darin, daß die Parameter des Tiefpaß-Korrekturnetzwerks 8 in Abhängigkeit von der Grenzfrequenz der Schleife optimiert werden müssen, was einen Kompromiß zwischen der Frequenzum­ schaltgeschwindigkeit (die Umschaltfrequenz kann nicht klei­ ner sein als die Konvergenz zeit der Schleife) und der Phasen­ stabilität erzwingt (eine gute Phasenstabilität der Schleife erfordert eine relativ große Zeitkonstante).

Der Hauptmangel einer solchen Frequenzsyntheseschaltung re­ sultiert aber aus dem Vorhandensein des programmierbaren Teilers (Schaltung 5), wobei es sich um eine Schaltung han­ delt, die naturgemäß ein hohes Phasenrauschen erzeugt.

Da dieser Teiler eines der Elemente der Schleife ist, findet sich jede Phasenschwankung, die er erzeugt und die an seinem Ausgang festgestellt wird, an seinem Eingang wieder, jedoch mit N multipliziert. Wenn man die Leistung betrachtet, so stellt man fest, daß das Phasenrauschen am Ausgang der Fre­ quenzsyntheseschaltung mit N² multipliziert ist.

Hierdurch wird in hohem Maße der Bereich der möglichen Werte von N eingeschränkt. Für bestimmte Werte von N überwiegt so­ gar das Rauschen, so daß es notwendig wird, das Frequenzän­ derungsband in weitaus größerem Maße einzuschränken, als den Eigenschaften des variablen Oszillators entsprechen würde.

Der maximale Wert, den diese Ordnungszahl N annehmen kann, bestimmt also die Leistungsfähigkeit der Syntheseschaltung, und eine annehmbare Phasenstabilität kann nur erreicht wer­ den, wenn mehrere Regelschleifen hintereinandergeschaltet werden (z. B. eine Schleife mit feinem Teilungsabstand, eine Schleife mit mittlerem Abstand und eine Schleife mit großem Abstand), wodurch die Vorrichtung sehr aufwendig wird; man verliert somit gegenüber der direkten Synthese den Vorteil, der in der Einfachheit des Grundschemas besteht.

Für vergleichbare Leistungsfähigkeit erweist sich aus diesen Gründen die direkte Synthese trotz der oben erwähnten Reali­ sierungsschwierigkeiten als der indirekten Synthese überlegen.

In beiden Fällen gelangt man jedoch zu komplexen Schaltungen, deren Realisierung schwierig ist, was sich in hohem Maße auf die Herstellungskosten auswirkt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen Män­ geln abzuhelfen und eine Frequenzsyntheseschaltung vorzu­ schlagen, welche die Vorzüge der direkten mit der indirekten Synthese vereinigt, um zu einer relativ einfachen Struktur zu gelangen und die Verwendung von komplexen und aufwendigen Schaltungen und Bauteilen zu vermeiden.

Wie aus der folgenden Beschreibung noch ersichtlich wird, weist die erfindungsgemäße Frequenzsyntheseschaltung trotz ihrer relativ einfachen Struktur zugleich folgende Vorzüge auf:

• - sehr geringes Phasenrauschen;
• - Stabilität und spektrale Reinheit (geringer Pegel der Störlinien) der gewonnenen Frequenz;
• - sehr breiter Arbeitsbereich trotz eines sehr feinen Fre­ quenzabstandes; bei einem später im einzelnen beschriebe­ nen Beispiel kann ohne Schwierigkeiten ein Bereich von 2000 bis 2500 MHz bei einem Frequenzabstand von 5 MHz kon­ tinuierlich überdeckt werden; dieses Beispiel dient aber nur zur Erläuterung, denn die erfindungsgemäße Technik er­ möglicht ohne Schwierigkeiten die Überdeckung eines Fre­ quenzbandes in der Größenordnung einer Oktave;
• - schnelle Umschaltung bei Frequenzänderungen: Bei dem be­ schriebenen Beispiel liegt die typische Umschaltzeit in der Größenordnung von 5 µs.

Diese Eigenschaften werden ausgehend von dem herkömmlichen Schema einer Frequenzsyntheseschaltung mit Phasenverriege­ lungsschleife nach dem Stand der Technik erzielt, wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, d. h. mittels einer Frequenzsyntheseschaltung, die eine einzige Phasenverriege­ lungsschleife aufweist, welche hintereinander umfaßt: einen variablen Oszillator, der an seinem Ausgang ein Signal ab­ gibt, dessen Frequenz von einem an seinen Eingang angelegten Steuersignal abhängt; einen Mischer, der an seinem ersten Eingang das von diesem variablen Oszillator erzeugte Signal und an seinem zweiten Eingang eine Basis-Referenzfrequenz empfängt; eine Frequenzherabsetzungsschaltung, die das vom Ausgang des Mischers abgegebene Signal empfängt; eine Pha­ senkomparatorschaltung, die an ihrem ersten Eingang das von dieser Schaltung zur Frequenzherabsetzung abgegebene Signal und an ihrem zweiten Eingang wenigstens eine vorbestimmte Frequenz empfängt, die den Änderungsschritt definiert, mit welchem die genannte Ausgangsfrequenz variieren soll; und ein Tiefpaßfilternetzwerk, welches eingangsseitig das Aus­ gangssignal des Phasenkomparators empfängt und ausgangssei­ tig die Steuerspannung für den variablen Oszillator abgibt.

Die erfindungsgemäße Frequenzsyntheseschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß:

• - die Schaltung zur Frequenzherabsetzung praktisch ohne eine programmierbare Frequenzteilerschaltung auskommt;
• - diese Schaltung zur Frequenzherabsetzung in Kaskadenschal­ tung zwischen dem variablen Oszillator und der Phasenkom­ paratorschaltung mehrere Frequenzänderungsstufen aufweist, die jeweils eine Mischerschaltung umfassen, wobei diese Mischerschaltung mit Überlagerung arbeitet: Sie empfängt an ihrem ersten Eingang das Signal, das am Ausgang der vorausgehenden Frequenzänderungsstufe abgegeben wird, bzw. im Falle der ersten Stufe die Ausgangsfrequenz des varia­ blen Oszillators; an ihrem zweiten Eingang empfängt sie eine programmierbare Referenzfrequenz oder im Falle der ersten Stufe die genannte Basis-Referenzfrequenz; am Aus­ gang gibt sie über ein Tiefpaßfilter das Signal ab, wel­ ches an die darauffolgende Frequenzänderungsstufe angelegt wird, oder im Falle der letzten Stufe an den ersten Ein­ gang der Phasenkomparatorschaltung;
• - der Frequenzänderungsbereich am Ausgang der Frequenzände­ rungsstufen wird in Richtung des Signaldurchlaufes immer kleiner; und
• - die Bestimmung der Frequenz am Ausgang des variablen Oszillators resultiert im wesentlichen aus einer Kombina­ tion der Steuerung der verschiedenen programmierbaren Referenzfrequenzen.

Diese Konfiguration ermöglicht es, auf die Verwendung von programmierbaren Frequenzteilern zurückzugreifen, um so die Mängel zu vermeiden, insbesondere ein hohes Phasenrauschen, die ihnen anhaften und die überhandnehmen, wenn die Teilungs­ verhältnisse groß werden, wobei aber nur eine einzige Phasen­ regelschleife verwendet wird, so daß eine schnelle Frequenz­ umschaltung gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung werden also mehrere Frequenzänderungen im Zwischenfrequenzbereich vorgenommen, indem weitere Mi­ scher hinzugefügt werden, wobei der Frequenzänderungsbereich für die Zwischenfrequenzen vom Eingang zum Ausgang der Fre­ quenzänderungskette hin abnimmt.

Obwohl es vorteilhaft ist, in der Frequenzherabsetzungskette auf jeglichen programmierbaren Frequenzteiler zu verzichten, ist dies nicht unbedingt notwendig. Wie oben erläutert wurde, erzeugen die Frequenzteiler Phasenrauschen hauptsächlich für hohe Multiplikationsordnungen (da die Leistung des Phasen­ rauschens mit dem Quadrat N² der Multiplikationsordnung N multipliziert wird), so daß die Frequenzherabsetzungskette der Frequenzsyntheseschaltung durchaus auch eine programmier­ bare Frequenzteilerstufe enthalten kann, wenn ihr maximales Teilungsverhältnis klein bleibt.

Unter einer Frequenzherabsetzungskette, die "im wesentlichen keine programmierbaren Frequenzteiler enthält", wird also eine solche verstanden, bei welcher die Frequenzänderungen hauptsächlich - aber nicht notwendigerweise ausschließlich - aus einer Heterodynmischung resultieren, die von den ver­ schiedenen Frequenzänderungsstufen vorgenommen wird.

Vorzugsweise ist die vorbestimmte Frequenz, welche den Fre­ quenzänderungsabstand definiert und an die Phasenkomparator­ schaltung angelegt wird, gleichfalls eine programmierbare Frequenz, so daß man über mehrere verschiedene Frequenzen verfügt, die mit den programmierbaren Referenzfrequenzen ausgewählt und kombiniert werden können.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen werden die Basis-Referenzfrequenz und die programmierbaren Referenzfre­ quenzen sowie gegebenenfalls die vorbestimmte Frequenz, die den Änderungsschritt definiert, durch Generatorschaltungen erzeugt, die mit direkter Frequenzsynthese arbeiten.

Man kann so auf sehr einfache Weise die erforderlichen Fre­ quenzsprünge herstellen, die für die vollständige Überdeckung des Ausgangsfrequenzbereiches erforderlich sind, indem eine sehr große Anzahl von verschiedenen Frequenzen erzeugt wird, ohne jemals eine hohe Multiplikationsordnung anzutref­ fen.

Das Fehlen von hohen Multiplikationsordnungen ermöglicht es, über Frequenzgeneratoren mit direkter Frequenzsynthese zu verfügen, die jeweils von recht einfacher Struktur sind, denn sie erzeugen nur eine relativ kleine Anzahl von Fre­ quenzen (typischerweise zwischen zwei und fünf), folglich mit einer hohen Signalqualität trotz einer relativ einfachen Grundstruktur.

Es ist weiterhin ersichtlich, daß durch die aufeinanderfol­ genden Frequenzänderungen an keiner Stelle der Kette eine hohe Multiplikationsordnung angetroffen wird. Hierdurch er­ reicht man folgende zwei Vorteile:

• - zunächst können die Schaltungen, welche die verschiedenen Referenzfrequenzen erzeugen, relativ einfach sein und un­ ter optimalen Bedingungen arbeiten, so daß geringe Her­ stellungskosten mit guter Signalqualität vereint werden; und
• - die Eigenschaften dieser Signale bleiben trotz der Misch­ vorgänge erhalten, denn die verschiedenen Mischer der Fre­ quenzänderungsstufen arbeiten alle mit Eingangs- und Aus­ gangsfrequenzen, die innerhalb relativ enger Grenzen vari­ ieren, so daß der auf Störfrequenzen beruhende Störpegel klein bleibt (der Pegel der Intermodulationsstörungen ist nämlich um so höher, desto breiter der Änderungsbereich der an den Eingang des Mischers angelegten Frequenzen ist).

Die Verwendung von Generatoren mit direkter Frequenzsynthese für die programmierbaren Referenzfrequenzen wird zwar bevor­ zugt, ist jedoch nicht unerläßlich, so daß bei anderen Aus­ führungsformen andere Arten von Generatoren verwendet werden, z. B. Systeme mit indirekter Synthese, die phasengeregelt sind (jeder Referenzfrequenzgenerator ist dann nach dem Grundschema der Fig. 1 verwirklicht).

Für die Referenzfrequenzen wird die Verwendung von Generato­ ren mit direkter Synthese bevorzugt, was die Schaltgeschwin­ digkeit und das Phasenrauschen anbetrifft. Es ist überdies vorteilhaft, die Generatoren ausgehend von einer einzigen Referenzfrequenz ansteuern zu können, so daß die verschiede­ nen Frequenzgeneratorschaltungen, die mit direkter Synthese arbeiten, kohärent ausgehend von einem einzigen festen Oszil­ lator arbeiten, der eine gemeinsame Eichfrequenz abgibt.

Bei anderen Ausführungsformen werden mehrere verschiedene Eichfrequenzen verwendet (d. h. mehrere Quarzreferenzen), jedoch ist dann die Phasenregelschleife nicht mehr eine synchrone Schleife, wodurch zusätzliche Störlinien einge­ führt werden und die Leistungsfähigkeit der Schleife hin­ sichtlich der Schaltzeit vermindert werden kann.

Wenn als Referenzfrequenzgeneratoren Schaltungen mit direk­ ter Synthese verwendet werden, so können sie vorzugsweise folgende Eigenschaften aufweisen:

• - wenigstens bestimmte Frequenzsynthesegeneratorschaltungen, die mit direkter Synthese arbeiten, sind Frequenzmultipli­ zierschaltungen;
• - wenigstens bestimmte Frequenzmultiplizierschaltungen ent­ halten einen Kammgenerator in Reihe mit einem programmier­ baren Tiefpaßfilter, wobei ein Frequenzteiler fester Ord­ nung gegebenenfalls am Eingang des Kammgenerators angeord­ net ist;
• - wenigstens bestimmte Generatorschaltungen, die mit direk­ ter Frequenzsynthese arbeiten, sind Schaltungen, die mit ungeradzahligen Multiplikationsfaktoren arbeiten;
• - wenigstens bestimmte Schaltungen, die mit ungeradzahligen Multiplikationsfaktoren arbeiten, enthalten einen program­ mierbaren Frequenzteiler, wobei ein Frequenzmultiplizierer mit fester Ordnung gegebenenfalls am Eingang dieser Schal­ tung angeordnet ist; und
• - wenigstens bestimmte Schaltungen, die mit ungeradzahligen Ordnungszahlen arbeiten, enthalten einen Mischer, der an seinem ersten Eingang eine Eichfrequenz oder ein Vielfa­ ches derselben und an seinem zweiten Eingang eine Frequenz empfängt, die von dem programmierbaren Frequenzteiler ab­ gegeben wird, während das Ausgangssignal dieses Mischers an ein programmierbares Tiefpaßfilter angelegt wird, das gleichzeitig mit dem programmierbaren Frequenzteiler ange­ steuert wird.

Vorzugsweise arbeiten die Heterodynmischer der verschiedenen Frequenzänderungsstufen der Frequenzherabsetzungskette alle im Infradyn-Mischbetrieb, d. h. man reduziert oder komprimiert die Bandbreite der Zwischenfrequenzen in jeder Stufe in zu­ nehmender Weise.

Dieses Merkmal ist jedoch für die Durchführung der Erfindung nicht notwendig, denn das Wesentliche besteht darin, daß global eine Verminderung der Bandbreite in Richtung des Signalflusses der gesamten Frequenzherabsetzungskette statt­ findet; es kommt auch in Betracht, daß an einer der Frequenz­ änderungsstufen die Verminderung der Zwischenfrequenz nicht mit einer entsprechenden Verminderung der Bandbreite der am Ausgang erzeugten Zwischenfrequenz einhergeht, jedoch ist es dann erforderlich, diese Nichtverminderung der Bandbreite durch eine zusätzliche Verminderung in einer vorausgehenden oder nachfolgenden Stufe zu kompensieren, um eine äquivalen­ te globale Kompression zu erzielen.

Wenn die Feinheit des Variationsschrittes der Syntheseschal­ tung weiter gesteigert werden soll, kann für die Basis-Refe­ renzfrequenz eine programmierbare Frequenz verwendet werden, die ihrerseits von einer Frequenzsyntheseschaltung abgegeben wird, welche Frequenzen mit sehr geringen Abständen erzeugt, die über ein schmales Band verteilt sind, so daß am Ausgang des variablen Oszillators Frequenzen mit diesem selben klei­ nen Frequenzabstand erhalten werden, jedoch über einen wei­ ten Bereich.

Man verfügt so über einen "feinen" Frequenzabstand, den die eigentliche erfindungsgemäße Frequenzsyntheseschaltung er­ zeugt, und über einen zusätzlichen "superfeinen" Abstand, der durch eine andere Syntheseschaltung erzeugt wird (die ihrerseits die erfindungsgemäße Struktur haben kann), und diese beiden Frequenzabstände können miteinander in der ge­ wünschten Weise kombiniert werden, um innerhalb der gesamten nutzbaren Bandbreite jede gewünschte Frequenz mit diesem besonders feinen Teilungsabstand zu erzielen.

Diese Konfiguration ist insofern von Vorteil, als bei Ver­ wendung eines einzigen Frequenzabstandes, der verkleinert werden soll, Intermodulationsprodukte bei relativ niedrigen Frequenzen erzeugt würden, die ausgefiltert werden müßten, wodurch das Durchlaßband der Schleife vermindert und somit die Umschaltgeschwindigkeit reduziert würde.

Wenn hingegen ein feiner Frequenzabstand mit einem superfei­ nen Abstand kombiniert wird, wie bei der oben vorgeschlage­ nen Ausführungsform, so bleiben alle Eigenschaften des an­ fänglichen Systems erhalten, wie im folgenden noch weiter erläutert wird.

Gemäß der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, der Fre­ quenzsyntheseschaltung eine Voreinstellschaltung hinzuzufü­ gen, die es ermöglicht, die Erfassung der ausgewählten Fre­ quenz zu beschleunigen, insbesondere Abdrifteffekte zu kom­ pensieren, die auf externen Ursachen beruhen (insbesondere thermische Ursachen), deren Stärke den Fangbereich der Schleife übersteigt.

Diese Voreinstellschaltung umfaßt:

• - eine Kombinationsschaltung, bei der es sich vorzugsweise um einen Frequenz/Phasen-Komparator handelt, dessen Aus­ gang mit dem Steuereingang des variablen Oszillators ver­ bunden ist;
• - Schaltmittel, die während einer vorausgehenden Schleifen- Voreinstellphase aktiviert werden, um einerseits an einem der Eingänge dieser Kombinationsschaltung das von der letzten Frequenzänderungsstufe abgegebene Signal anzulegen und an den anderen Eingang der Kombinationsschaltung die vorbestimmte Frequenz anzulegen, welche den Frequenzände­ rungsschritt bestimmt, um andererseits die Regelung der Schleife zu sperren; und
• - zwischen der Kombinationsschaltung und dem Steuereingang des variablen Oszillators Speichermittel, welche den Pegel des Steuersignals speichern, der am Ende dieser Vorein­ stellphase erreicht wird, so daß dieser vorbestimmte Si­ gnalpegel den Anfangspunkt für die Konvergenz der Schleife bestimmt, wenn diese ihre Regelfunktion wieder aufnimmt, nachdem die Schaltmittel außer Funktion gesetzt wurden.

Vorzugsweise umfaßt die Schaltung zur Voreinstellung des spannungsgesteuerten Oszillators ferner Umsetzmittel, deren Ausgang mit dem Steuereingang des variablen Oszillators ver­ bunden ist, wobei diese Mittel am Eingang ein Frequenzsteuer­ signal empfangen, welches der Frequenz entspricht, auf wel­ che der variable Oszillator eingestellt werden soll, sowie zwischen den Umsetzmitteln und dem Steuereingang des varia­ blen Oszillators Speichermittel zur Speicherung dieses Pe­ gels, der dem Steuersignal entspricht, so daß dieser Signal­ pegel den Anfangspunkt der Voreinstellung der Schleife bei der Aktivierung der Schaltmittel bestimmt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Die bereits genannte

Fig. 1 ein Blockschema einer vereinfachten Frequenzsyn­ theseschaltung mit Phasenregelschleife nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein Blockschema einer vereinfachten Ausführung einer Frequenzsyntheseschaltung mit Phasenregel­ schleife nach der Erfindung;

Fig. 3 eine Ausführungsform der Frequenzsyntheseschal­ tung nach Fig. 1 zur kontinuierlichen Überdeckung des Frequenzbereiches von 2000 bis 2500 MHz in Schritten von 5 MHz;

Fig. 4 im einzelnen einen Referenzfrequenzgenerator mit direkter Synthese zur Erzeugung von ungeradzahli­ gen Multiplikationsordnungen; und

Fig. 5 eine weitere mögliche Ausführungsform einer opti­ mierten Frequenzsyntheseschaltung nach dem Prin­ zip der Fig. 2 zur kontinuierlichen Überdeckung des Bereiches von 2000 bis 2500 MHz in Schritten von 5 MHz.

In Fig. 2 sind mit den Bezugszahlen 1, 2, 3, 4, 6 und 8 die Elemente bezeichnet, welche den in Fig. 1 mit gleichen Zah­ len bezeichneten Elementen entsprechen: der variable Oszil­ lator 1, bei dem es sich im allgemeinen um einen VCO (span­ nungsgesteuerter Oszillator) handelt, dessen Ausgangsfre­ quenz FS an einen der Eingänge eines Mischers 2 angelegt wird, welcher an seinem anderen Eingang eine Basis-Referenz­ frequenz FR₄ empfängt, die dadurch erzeugt wird, daß mittels eines Multiplizierers 4 von fester Ordnung eine Eichfrequenz FQ erhöht wird, die von einem Quarzoszillator 3 erzeugt wird.

Der Ausgang des Mischers 2 speist eine Frequenzherabsetzungs­ kette, die für die Erfindung kennzeichnend ist und weiter unten im einzelnen beschrieben wird. Das Ausgangssignal die­ ser Frequenzherabsetzungskette wird an einen der Eingänge eines Phasenkomparators 6 angelegt, der an seinem anderen Eingang eine Frequenz FR₁ empfängt, welche den Frequenz ab­ stand p definiert, mit dem die Ausgangsfrequenz verändert werden soll. Die Phasenregelschleife PLL wird geschlossen, indem der Ausgang des Phasenkomparators 6 mit dem Eingang des variablen Oszillators 1 über ein Tiefpaßfilter 8 verbun­ den wird (es wird hier noch davon abgesehen, auf die Summier­ schaltung 46 einzugehen, deren Funktion beim Vorgang der Voreinstellung später erläutert wird; diese Schaltung hat bei der normalen Regelphase keinerlei Funktion).

Die für die Erfindung kennzeichnende Frequenzherabsetzungs­ kette umfaßt beispielsweise drei Frequenzänderungsstufen.

Diese Frequenzänderungen erfolgen mittels Mischern 20, 201 und 20′′ (wobei der vorausgehende Mischer 20′′ für die erste Frequenzänderung mit dem ersten Mischer 2 übereinstimmt, welcher die Basis-Referenzfrequenz FR₄ empfängt); jeder die­ ser Mischer ist an seinem Ausgang mit einem Filternetzwerk 30, 30′ bzw. 30′′ versehen, um die störenden Bildfrequenzen zu unterdrücken, welche die Stabilisierung der Schleife auf die gewünschte Frequenz stören würden.

Am Ausgang jedes Filters 30, 30′, 30′′ wird eine einzige Zwi­ schenfrequenz FI₁, FI₂ bzw. FI₃ erzeugt.

Um diese Zwischenfrequenzen FI₁, FI₂ und FI₃ zu gewinnen, wird eine Schwebung zwischen zwei Frequenzen nach dem Prin­ zip der Heterodynmischung erzeugt. Die Frequenz FI₃ des er­ sten Mischers 20′′ wird erhalten, indem eine Schwebung zwi­ schen der Ausgangsfrequenz FS und einer Referenzfrequenz FR₄ erzeugt wird (die im allgemeinen fest ist, jedoch nicht not­ wendigerweise, wie gegen Ende der Beschreibung erläutert wird); die Frequenz FI₂ resultiert aus einer Schwebung zwi­ schen der Zwischenfrequenz FI₃, die der Mischer 20′′ abgibt, und einer variablen Referenzfrequenz FR₃.

Die niedrigste Zwischenfrequenz FR₁ wird an Beinen der Ein­ gänge des Phasenkomparators 16 über einen Schaltkreis 40 an­ gelegt (der später im Zusammenhang mit der Funktion der Vor­ einstellung erläutert wird, da er für die normale Regelfunk­ tion der Schleife nicht von Bedeutung ist).

Der andere Eingang des Phasenkomparators empfängt eine Re­ ferenzfrequenz FR₁, die den gewünschten Frequenzabstand p angibt. Diese Referenzfrequenz FR₁ ist vorzugsweise eine gleichfalls zwischen mehreren Werten programmierbare Fre­ quenz, so daß man über eine hohe Anzahl von möglichen Aus­ gangsfrequenzen verfügt.

Die verschiedenen Referenzfrequenzen FR₁, FR₂ und FR₃ werden durch Generatoren 10, 10′ und 10′′ erzeugt, bei denen es sich jeweils um programmierbare Generatoren handelt, die durch ein Frequenzsteuersignal CF₁, CF₂ und CF₃ gesteuert werden, welches durch eine Ablaufsteuerung 50 aus einem einzigen Steuersignal CF erzeugt wird, das der Benutzer abgibt und welches der Frequenz entspricht, auf die der variable Oszil­ lator eingestellt werden soll.

Unter einem "Generator mit programmierbarer Frequenz" ver­ steht man hier einen Generator, dessen Frequenz unter einer bestimmten Anzahl von diskreten Werten über eine digitale Steuerung ausgewählt werden kann, z. B. ein Digitalwort, das an die betreffende Schaltung angelegt wird.

Vorzugsweise handelt es sich bei den Schaltungen 10, 10′ und 10′′, welche die programmierbaren Referenzfrequenzen erzeugen, um Generatoren mit direkter Synthese, die von der Frequenz FQ ausgehend arbeiten, welche die Eichfrequenzquelle 3 ab­ gibt, um eine kohärente (d. h. synchrone) Synthese der ver­ schiedenen Frequenzen zu ermöglichen. Später werden verschie­ dene mögliche Konfigurationen für diese Referenzfrequenz­ generatoren beschrieben.

Bei dieser Ausbildung der PLL-Schleife ist ersichtlich, daß nach Erreichen des Gleichgewichts die Frequenzen FR₁ und FI₁ gleich sind.

Die Gleichgewichtsgleichung des Systems wird dann folgender­ maßen geschrieben:

FS = FR₄ ± FR₃ ± FR₂ ± FR₁.

Vorzugsweise wird zur Optimierung des Gleichgewichts des Systems folgende Bemessung der Frequenzen FI_n vorgenommen:

FI_n-1 = |FI_n - FR_n|.

Dies bedeutet, daß alle Mischvorgänge in der Schleife sub­ traktiv stattfinden (Infradynverfahren). In diesem Falle werden durch die Tiefpaßfilter 30, 30′ und 30′′ die stören den Bildfrequenzkomponenten eliminiert (Summenfrequenzen FI_n + FR_n), welche die Stabilität der Schleife auf der ge­ wünschten Frequenz stören würden.

Diese Konfiguration entspricht somit einer schrittweisen Einengung des Änderungsbereiches der möglichen Frequenzen auf jeder Frequenzänderungsstufe.

Es ist jedoch nicht unbedingt notwendig für die Durchführung der Erfindung, daß die Gesamtheit der Mischstufen nach dem Infradynverfahren arbeitet. Es ist auch möglich, daß eine oder mehrere Stufen (aber nicht alle Stufen) das Summensi­ gnal (Supradynmischung) anstatt des Differenzsignals (Infra­ dynmischung) verwenden, wobei dann ausgangsseitig ein ande­ res Filternetzwerk verwendet wird. Es ist jedoch unerläß­ lich, daß global (d. h. zwischen dem ersten Mischer 2 und dem Phasenkomparator 6) eine Einengung des Frequenzänderungsbe­ reiches stattfindet.

Ferner ist zu beachten, daß am Ausgang eines Mischers das "Summensignal" im allgemeinen weniger rein ist als das "Dif­ ferenzsignal", wodurch die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems verschlechtert wird.

Aus diesem Grunde wird in der folgenden Beschreibung stets davon ausgegangen, daß alle Mischer subtraktiv arbeiten und die Bandbreite progressiv in jeder Stufe vermindert wird.

Die oben angegebene Gleichgewichtsgleichung (1) für das Bei­ spiel der Fig. 2, wo von drei aufeinanderfolgenden Frequenz­ änderungen ausgegangen wird, liefert für die Ausgangsfre­ quenz FS acht mögliche Lösungen.

Es ist somit wesentlich, eine Hilfseinrichtung vorzusehen, welche die gewünschte Frequenz unter allen möglichen Fre­ quenzwerten bestimmt, die einer einzigen gegebenen Gruppe von Referenzfrequenzen {FR₄, FR₃, FR₂, FR₁} entspricht.

Dies erfolgt gemäß einer besonders vorteilhaften Eigenschaft der Erfindung durch eine Voreinstellvorrichtung (Elemente 40 bis 46), die an den Steuereingang des variablen Oszillators 1 eine solche Steuerspannung anlegt, daß die von dem Phasen­ komparator 6 abgegebene Gleichkomponente praktisch verschwin­ det, bevor die Schleife zu konvergieren beginnt.

Diese Voreinstellvorrichtung ermöglicht es also, den varia­ blen Oszillator nahezu unmittelbar und ohne Eingriff der Regelschleife auf eine Frequenz einzustellen, die der ge­ wünschten Frequenz sehr nahe kommt, jedenfalls aber inner­ halb des Fangbereiches der Regelschleife liegt. Es ist daher möglich, innerhalb von wenigen Mikrosekunden den Oszillator auf eine Frequenz einzustellen, die der Endfrequenz sehr nahe kommt, so daß die Schleife sehr schnell zu ihrem Gleich­ gewichtspunkt konvergiert.

Die Regelschaltung umfaßt einen Schaltkreis 40 (elektroni­ scher Schalter), der in Reihe mit dem Eingang des Phasenkom­ parators 6 geschaltet ist, welcher das Signal FI₁ empfängt. Dieser Umschalter wird durch ein Steuersignal SY₃ gesteuert, das die Ablaufsteuerung 50 abgibt, welche die allgemeine Synchronisation der Funktionen der gesamten Einheit gewähr­ leistet.

Im geschlossenen Zustand schließt der Schalter 40 die Pha­ senregelschleife PLL, so daß diese in herkömmlicher Weise wie oben beschrieben arbeitet.

Wenn der Schalter 40 offen ist, setzt er diese Schleife hin­ gegen völlig außer Funktion. Wenn die Schleife so desakti­ viert ist, wird das Signal FI₁ als Referenzausgangsfrequenz an einen Frequenz/Phasen-Komparator 41 über einen weiteren Unterbrecher 42 angelegt, der ebenfalls elektronisch ausge­ bildet ist und geschlossen ist, wenn der Unterbrecher 40 offen ist, und umgekehrt. Der Frequenz/Phasen-Komparator 41 empfängt an seinem anderen Eingang die Referenzfrequenz FR₁.

Man sieht also, daß im inaktiven Zustand der Phasenregel­ schleife die zwei Signale SI₁ und FR₁, die zuvor an den Pha­ senkomparator 6 angelegt wurden, nunmehr an den Frequenz/ Phasen-Komparator 41 angelegt sind, während die Regelschlei­ fe gesperrt ist.

Der Frequenz/Phasen-Komparator ist eine dem Fachmann wohl­ bekannte Schaltung und besitzt die Eigenschaft, ein Signal abzugeben, welches durch sein Vorzeichen angibt, ob die Dif­ ferenz der an ihre Eingänge angelegten Frequenzen positiv oder negativ ist (ein einfacher Phasenkomparator tut dies nicht, denn er erzeugt eine Schwebung, die unabhängig vom Vorzeichen der Frequenzdifferenz stets dieselbe ist). Wenn sein Arbeitspunkt in der Nähe des Gleichgewichts liegt (d. h. wenn am Ausgang zwischen einem positiven und einem negativen Signal geschwankt wird), so führt er eine Phasenregelung durch, indem er am Ausgang einen Impuls erzeugt, dessen Breite von der Phasendifferenz zwischen den zwei Eingangs­ frequenzen abhängt.

Der Frequenz/Phasen-Komparator weist zwar einen weiten Fre­ quenzerfassungsbereich auf, ist aber mit dem Mangel eines Phasenrauschens behaftet, das sehr viel größer ist als bei einem herkömmlichen Phasenkomparator. Dieser Mangel würde die angestrebte sehr hohe Phasenstabilität der erfindungs­ gemäßen Frequenzsyntheseschaltung nicht ermöglichen, wenn lediglich ein solcher Frequenz/Phasen-Komparator anstelle des Phasenkomparators 6 verwendet würde.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration wird das Ausgangs­ signal (positiv oder negativ) des Frequenz/Phasen-Komparators an den Steuereingang des variablen Oszillators 1 über eine Abtast-Halteschaltung 43 und einen Summierer 46 angelegt. Der Summierer empfängt an einem seiner Eingänge über eine weitere Abtast-Halteschaltung 44, die gemeinsam mit der er­ sten gesteuert wird (Synchronisationssignale SY₁ und SY₂), eine Spannung, die von einem Digital/Analog-Umsetzer 45 aus einer Steuerfrequenz CF₅ erzeugt wird, wobei die gesamte Einheit so ausgelegt ist, daß die von dem Digital/Analog- Umsetzer 45 abgegebene Spannung der Mittenfrequenz ent­ spricht, auf die der variable Oszillator 1 eingestellt wer­ den soll. Dieser Mittenfrequenz wird (additiv oder subtrak­ tiv) das Ausgangssignal des Frequenz/Phasen-Komparators hin­ zugefügt, um eine äußerst schnelle Einstellung auf die ge­ wünschte Frequenz zu ermöglichen.

Während dieser Voreinstellung, die dem schnellen Einrasten auf der gewünschten Frequenz entspricht, gibt der Schalter 42 die Signale FI₁ und FR₁ auf den Frequenz/Phasen-Kompara­ tor 41, wobei sich die Abtast-Halteschaltungen 43, 44 im Abtastmodus befinden und der Schalter 40 offen ist, so daß die eigentliche Phasenregelschleife gesperrt ist.

In einer zweiten Stufe nach Abspeicherung der von der Vor­ richtung zur Erfassungshilfe erzeugten Spannung tritt diese Phasenregelschleife wieder in Funktion, um die Phasenstabi­ lität der Syntheseschaltung zu gewährleisten. Der Schalter 42 ist dann offen, die Abtast-Halteschaltungen 43, 44 sind im Haltemodus, und der Schalter 40 ist geschlossen, so daß die Phasenregelschleife in Funktion tritt: Das Signal am Ausgang des Phasenkomparators 6 wird additiv oder subtraktiv, je nach der Phasendifferenz, zu der Voreinstellspannung hinzugefügt, welche in den Abtast-Halteschaltungen 43, 44 gespeichert ist, so daß die Phasenfeinregelegung gewährlei­ stet ist.

Die Gesamtheit dieser Vorgänge erfolgt unter der Leitung der Ablaufsteuerung 50, die in koordinierter Weise die verschie­ denen Synchronisationssignale SY_i und die digitalen Frequenz­ steuerwörter CF_i abgibt.

Es ist hier anzumerken, daß während dieser zweiten Phase die Fehlerkorrekturspannung, welche die Schleife erzeugt, dem Wert Null sehr nahe kommt, infolge der Güte der Voreinstel­ lung, die in der ersten Phase erfolgte. Die Phasenerfassung ist daher ein sehr kurzer Vorgang mit einer Dauer in der Größenordnung des 10- bis 20-fachen Kehrwertes der Kreis­ frequenz, die der Grenzfrequenz der Schleife entspricht.

Es ist somit ersichtlich, daß eine in jeder Hinsicht überaus leistungsfähige Frequenzsyntheseschaltung geschaffen wurde (hinsichtlich der zu Anfang der Beschreibung genannten Para­ meter), unter Verwendung von:

• - einer einzigen Phasenregelschleife;
• - von Referenfrequenzgeneratoren 10, 10′, 10′′, deren Kenn­ daten relativ mäßig sind (ein Pegel der Störlinien, der 20 dB unterhalb der Trägerschwingung liegt und ohne merk­ lichen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit der gesamten Frequenzsyntheseschaltung ist);
• - eine geringe Anzahl von Frequenzen für jeden dieser Refe­ renzfrequenzgeneratoren (zwei bis fünf verschiedene Fre­ quenzen), so daß zugleich einfache und leistungsfähige Schaltungen verwendet werden können.

Wenn eine besonders feine Frequenzstaffelung gewünscht wird, besteht eine Weiterbildung der Erfindung darin, anstelle einer festen Basis-Referenzfrequenz FR₄ eine Frequenz zu verwenden, die mit einer sehr feinen Staffelung innerhalb eines schmalen Bandes um diese Frequenz FR₄ herum variiert.

Durch Kombination dieser beiden Teilungsschritte bzw. Fre­ quenzabstände (normaler Abstand p und superfeiner Abstand) gelangt man zu einem sehr weiten Frequenzvariationsband mit sehr feiner Staffelung.

Bei dieser Weiterbildung wird der übrige Teil der Schaltun­ gen in keinerlei Weise verändert, denn die Frequenzänderung ΔF der Basis-Referenzfrequenz FR₄ findet sich identisch in der Ausgangsfrequenz FS wieder: am Ausgang des Mischers 20′′ (und folglich in der gesamten Frequenzherabsetzungskette) findet man somit keinerlei durch ΔF erzeugte Frequenzände­ rung.

Da die Zwischenfrequenzen FI₃, FI₂ und FI₁ somit in keiner Weise verändert werden, werden auch keinerlei Störlinien in der Schleife erzeugt. Die einzigen zusätzlichen Störlinien werden in dem ersten Mischer 20′′ erzeugt, jedoch sind die an dieser Stelle erzeugten Intermodulationsprodukte von hoher Ordnung, so daß ein niedriger Pegel der Störlinien gewähr­ leistet ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 wird nun eine konkrete Aus­ führungsform einer Frequenzsyntheseschaltung beschrieben, die das Band von 2000 bis 2500 MHz in Schritten von 5 MHz abdeckt, mit einer typischen Frequenzumschaltzeit in der Größenordnung von 10 µs (einschließlich der Phasenerfassung). In dieser Figur sind dieselben Basiselemente wie in Fig. 2 wiederzufinden und mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.

Die Zahlenwerte, die in der Nähe der verschiedenen Verbin­ dungen zwischen den Schaltkreisen angegeben sind, entspre­ chen in Megahertz ausgedrückten Frequenzwerten. Wenn diese Werte durch einen Querstrich getrennt sind, bedeutet dies die diskreten Frequenzwerte, die erzielt werden können; die zwischen eckigen Klammern angegebenen Werte geben die über­ deckten Frequenzbereiche an.

In dieser Figur sind im einzelnen die verschiedenen Referenz­ frequenzgeneratoren 10, 10′, 10′′ gezeigt, die jeweils aus einem Kammgenerator 12, 12′, 12′′ gebildet sind, gefolgt von einem programmierbaren Tiefpaßfilter 13, 13′, 13′′, welches durch ein Digitalwort zur Frequenzsteuerung CF₁, CF₂, CF₃ gesteuert wird, in solcher Weise, daß unter den durch den Kammgenerator erzeugten Frequenzen nur eine einzige Frequenz übrig bleibt, die einer bestimmten harmonischen Ordnungszahl entspricht (die Digitalwerte oberhalb der Schaltungen 13, 13′ und 13′′ bedeuten die verschiedenen harmonischen Ordnungs­ zahlen, die auf diese Weise ausgewählt werden können).

Es ist anzumerken, daß die Änderung zwischen äußersten Fre­ quenzwerten stets überaus gering ist (bei dem gezeigten Bei­ spiel höchstens bis zum doppelten Wert), so daß zugleich einfache und leistungsfähige programmierbare Filter verwen­ det werden können.

Jeder Generator 10, 10′, 10′′ wird vorzugsweise gemäß der französischen Patentschrift 88-08528 ausgeführt, so daß für weitere Einzelheiten auf diese Druckschrift verwiesen wird.

Dem Multiplizierer kann ein Frequenzteiler 11, 11′ von fester Ordnung vorausgehen.

Die Basis-Referenzfrequenz FR₄ wird ihrerseits durch zwei Frequenzmultiplizierer 4 von fester Ordnung erzeugt, die in Kaskade geschaltet sind.

Mit den verschiedenen in Fig. 3 angegebenen Zahlenwerten (die Bestandteil der vorliegenden Beschreibung sind) ist er­ sichtlich, daß der Generator 10 die Frequenzen FR₁ mit fei­ ner Staffelung innerhalb des Bandes 20 bis 40 MHz mittels des Kammgenerators 12 erzeugt, welchem die 5 MHz-Staffelung zugeführt wird, die durch Division der Quarz-Eichfrequenz FQ von 50 MHz durch zehn erhalten wird. Die an das programmier­ bare Filter 13 angelegt Steuergröße CF₁ ermöglicht eine Aus­ wahl der Ordnung der gewünschten Harmonischen (4, 5, 6, 7 oder 8).

In gleicher Weise erzeugt der Generator 10′ die Referenzfre­ quenzen FR₂ bei mittlerer Staffelung im Band 100 bis 175 MHz mittels eines Kammgenerators 12′, dem die 25 MHz-Staffelung zugeführt wird, welche durch Division der Eichfrequenz FQ durch zwei gewonnen wird. Die Steuergröße CF₂ ermöglicht die Auswahl der Harmonischen 4, 5, 6 oder 7.

Schließlich erzeugt der Generator 10′′ die Frequenzen FR₃ mit grober Staffelung im Band 250 bis 400 MHz mittels des Kamm­ generators 12′′, welchem direkt das 50 MHz-Signal zugeführt wird, das gleich der Eichfrequenz FQ ist. Die Steuergröße CF₃ ermöglicht die Auswahl der Harmonischen 5 oder 8.

Die Wahl der Referenzfrequenzen FR₁, FR₂ und FR₃ erfolgt im Hinblick auf eine Auswertung der Kombinationen, welche die oben angeführte Gleichgewichtsgleichung bietet, angewandt auf dieses Beispiel:

FS = FR₄ ± FR₃ ± FR₂ ± FR₁ (1)

Es wurde oben angegeben, daß die in den Schaltungen 20, 20′ und 20′′ sowie 6 durchgeführten Mischvorgänge vorzugsweise subtraktiv erfolgen, gemäß folgendem Ausdruck:

FI_n-1 = |FI_n - FR27_n|.

Bezüglich der Mischvorgänge, die in den Schaltungen 20 und 20′ ausgeführt werden, ergibt die vorgeschlagenen Struktur für die Differenz FI_n - FR_n ein positives oder negatives Vor­ zeichen.

Aus diesem Grunde ist vorgesehen, daß der Schalter 42 die Eingänge des Frequenz/Phasen-Komparators 41 permutieren kann, wenn das Vorzeichen von FI₃ - FR₃ - FR₂ negativ ist, so daß die Konvergenz der Voreinstellschleife gewährleistet ist.

Die Permutation erfolgt über einen geeigneten Steuerbefehl CF₄, den die Ablaufsteuerung 50 erzeugt, in Abhängigkeit von den jeweiligen Werten der anderen Frequenzsteuergrößen CF₁, CF₂ und CF₃.

Um eine kontinuierliche Überdeckung der Unterbänder der Fre­ quenzen FI₁, FI₂ und FI₃ zu erzielen, muß die Wahl der Fre­ quenzen FR₂ und FR₃ die folgenden Beziehungen für N 1,2 erfüllen:

pas(FR_N+1) FI_Nmaxi - FI_Nmini + pas (FR₁) (2)

FR_N+1maxi - FR_N+1mini (2. FI_Nmini) + pas (FR) (3)

Andererseits ist folgende Wahl günstig:

FR_N+1mini < FI_Nmaxi.

Nebenbei ist festzustellen, daß unter diesen Bedingungen vorzugsweise die Referenzfrequenz an den "Lokaloszillator"- Anschluß der Mischer angelegt wird, soweit Streuungen des Lokaloszillatorsignals durch Filterung vorgebeugt werden kann (bei den Mischern handelt es sich nämlich um Schaltun­ gen, die zwei Eingangsanschlüsse aufweisen, einen für den Lokaloszillator und einen Hochfrequenzeingang; diese Eingän­ ge sind nicht symmetrisch).

Die Art und Weise, in der eine vollständige Überdeckung des Bereiches von 2000 bis 2500 MHz erzielt wird, ist in der unten aufgeführten Tabelle I angegeben, welche die Werte für die verschiedenen Referenzfrequenzen und Zwischenfrequenzen der aufeinanderfolgenden Mischer angibt.

Tabelle I

Es ist somit ersichtlich, daß die Gesamtheit des gewünschten Bandes ohne Diskontinuität überdeckt werden kann, indem eine geeignete Wahl der Steuerwörter CF_i erfolgt.

Ferner ist zu beachten, wie sich aus der Gleichgewichtsglei­ chung (1) ergibt, daß der Bereich von Frequenzen FS, die tatsächlich überdeckt werden können, sich (ohne Diskontinui­ tät) von 1985 MHz bis 2565 MHz erstreckt.

Bei dem Beispiel der Fig. 3 sind die Referenzfrequenzgene­ ratoren in der einfachsten Struktur ausgebildet, die eine direkte Synthese ermöglicht, nämlich durch Erzeugung von Harmonischen einer Referenzfrequenz.

Wegen der Beeinträchtigung durch das Rauschen, das durch Frequenzmultiplikation erzeugt wird, kann es günstiger sein, eine höhere Eichfrequenz FQ zu verwenden, z. B. FQ = 150 MHz statt FQ = 50 MHz.

Wenn hingegen eine solche höhere Frequenz verwendet wird, müssen die Multiplikationsfaktoren unganzzahlig sein.

Eine Schaltung der in Fig. 4 gezeigten Art ermöglicht eine Verwirklichung der so benötigten ungeradzahligen Faktoren.

Der Referenzfrequenzgenerator 10 weist (in einer komplexeren Konfiguration) einen Frequenzmultiplizierer 14 von fester Ordnung m₁ auf, der an seinem Eingang die Eichfrequenz FQ empfängt und an seinem Ausgang die Frequenz m₁FQ abgibt.

Diese Frequenz m₁FQ wird einerseits an einen zweiten Fre­ quenzmultiplizierer 15 von fester Ordnung m₂ angelegt, wel­ cher somit eine Frequenz m₁·m₂·FQ abgibt und andererseits an einen programmierbaren Frequenzteiler 16, dessen Teiler M durch das digitale Steuerwort CF_i in solcher Weise gesteuert wird, daß ein Signal der Frequenz m₁·FQ/N ausgegeben wird.

Die an den Stellen 15 und 16 ausgegebenen Signale werden an die zwei Eingänge eines Mischers 17 angelegt, der an seinem Ausgang über das programmierbare Tiefpaßfilter 13, welches durch das Frequenzsteuerwort CF_i gesteuert wird, eine Refe­ renzfrequenz FRi ausgibt, die gegeben ist durch:

FRi = FQ·m₁·[m₂ ± 1/N].

Das Schema dieses Referenzfrequenzgenerators 10 nach Fig. 4 und von ungeradzahliger Ordnung entspricht jedoch einer maximalen Konfiguration, welche die von größter Komplexität ist, und es ist möglich, die Struktur zu vereinfachen, indem gewisse Elemente dieser Schaltung entfallen, insbesondere der eine oder andere Multiplizierer 14 oder 15.

Es wird nun eine optimierte Ausführungsform einer Frequenz­ syntheseschaltung beschrieben.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird eine Schaltung beschrieben, die es ermöglicht, die gleiche Leistungsfähigkeit wie die Schaltung nach Fig. 3 zu erzielen (d. h. eine vollständige Überdeckung des Bereiches von 2000 bis 2500 MHz mit einer Staffelung von 5 MHz), jedoch bei einer Wahl von Referenz­ frequenzen und Zwischenfrequenzen, die es ermöglicht, die Struktur von bestimmten Referenzfrequenzgeneratoren wesent­ lich zu vereinfachen.

Der Referenzfrequenzgenerator 10, welcher die Frequenz FR₁ erzeugt, gleicht dem in Fig. 3, mit der Ausnahme, daß der Teiler 11 durch dreißig teilt, statt durch zehn, denn als Eichfrequenz wird eine Frequenz FQ von 150 MHz statt 50 MHz verwendet.

Hingegen sind die Referenzfrequenzgeneratoren 10′ und 10′′ vereinfacht: ein gemeinsamer Multiplizierer 15, der mit zwei multipliziert, steuert einerseits einen Teiler 16 mit nur zwei programmierbaren Ordnungen (2 und 3) an, um eine Refe­ renzfrequenz FR von 100 MHz oder 150 MHz bei mittlerer Staf­ felung zu ergeben.

Der Multiplizierer 14 steuert andererseits eine Schaltung 10′′ an, die ungeradzahlige Multiplikationsfaktoren erzeugen kann und nach dem Prinzip der Schaltung in Fig. 4 verwirk­ licht ist, jedoch dadurch vereinfacht, daß der zweite Multi­ plizierer 15 entfällt. Der programmierbare Frequenzteiler, welcher der Schaltung 16 entspricht, ermöglicht die Auswahl von nur drei Divisionsordnungen (3, 4 und 5), was eine Refe­ renzfrequenz FR₃ mit sehr grober Staffelung ergibt, die nur vier Werte aufweist: 225, 250, 375 und 400 MHz.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, weist die Zwischenfre­ quenz FI₂ zwei Diskontinuitäten im Band auf, welche auf die Veränderung der mittleren Staffelung zurückgehen, die der Referenzfrequenz FR₂ entspricht, welche von 25 auf 50 MHz angehoben wurde. Hingegen erzeugt der Referenzfrequenzge­ nerator 10′′ zwei Frequenzpaare FR₃ mit grober Teilung bei 150 MHz, wobei die interne Staffelung jedes Paares 25 MHz beträgt (225/250 MHz einerseits und 375/400 MHz anderer­ seits).

Diese Diskontinuitäten verhindern jedoch keine vollständige Überdeckung des Bandes von 2000 bis 2500 MHz, wie leicht in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ge­ zeigt werden kann.

Für jede Frequenz mit einer Staffelung von 5 MHz, die in diesem Band liegt, gibt es stets eine Kombination FR₁, FR₂ und FR₃, welche die Erzielung der gewünschten Frequenz FS ermöglicht.

Schließlich ist zu beachten, daß außer einer Vereinfachung dieser Schaltungen die Frequenzsyntheseschaltung nach Fig. 5 eine Leistungsfähigkeit aufweist, die der nach Fig. 4 hin­ sichtlich des Phasenrauschens überlegen ist (ein bei bestimm­ ten Anwendungen überaus wichtiger Parameter), aufgrund der Verminderung des Multiplikationsfaktors, welcher zur Erzeu­ gung der Frequenzen FR₂ und besonders der Frequenzen FR₃ verwendet wird.

Claims (15)

1. Frequenzsyntheseschaltung mit einer einzigen Phasenregel­ schleife (PLL), die nacheinander enthält:

• - einen variablen Oszillator (1), der an seinem Ausgang ein Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz (FS) von einem an den Eingang angelegten Steuersignal abhängt;
• - einen Mischer (2), der an seinem ersten Eingang das von diesem variablen Oszillator abgegebene Signal und an sei­ nem zweiten Eingang eine Basis-Referenzfrequenz (FR₄) emp­ fängt;
• - eine Frequenzherabsetzungskette, die das von dem Ausgang dieses Mischers abgegebene Signal empfängt;
• - einen Phasenkomparator (6), der an seinem ersten Eingang das von dieser Frequenzherabsetzungskette abgegebene Si­ gnal und an seinem zweiten Eingang wenigstens eine vorbe­ stimmte Frequenz empfängt, die den Änderungsschritt (p) de­ finiert, mit dem die Ausgangsfrequenz variieren soll; und
• - ein Tiefpaßfilter-Netzwerk (8), das an seinem Eingang das Ausgangssignal des Phasenkomparators (6) empfängt und an seinem Ausgang die Steuerspannung für den variablen Oszil­ lator abgibt;
  dadurch gekennzeichnet, daß:
• - die Frequenzherabsetzungskette im wesentlichen frei von programmierbaren Frequenzteilerschaltungen ist;
• - diese Frequenzherabsetzungskette in Kaskadenschaltung zwi­ schen dem variablen Oszillator (1) und dem Phasenkompara­ tor (6) mehrere Frequenzänderungsstufen umfaßt, die jeweils eine Mischerschaltung (20, 20′, 20′′) aufweisen, bei der es sich um eine Heterodyn-Mischerschaltung handelt, die:
  • - an ihrem ersten Eingang das Signal (FI₂, FI₃) empfängt, welches am Ausgang der vorausgehenden Frequenzänderungs­ stufe oder im Falle der ersten Stufe die Ausgangsfre­ quenz (FS) des variablen Oszillators (1) empfängt;
  • - an ihrem zweiten Eingang eine programmierbare Referenz­ frequenz (FR₂, FR₃) oder im Falle der ersten Stufe die Basis-Referenzfrequenz (FR₄) empfängt; und
  • - am Ausgang über ein Tiefpaß-Filternetzwerk (30, 30′, 30′′) das Signal abgibt, welches an die darauffolgende Fre­ quenzänderungsschaltung oder im Falle der letzten Schal­ tung an den ersten Eingang des Phasenkomparators (6) an­ gelegt wird;
• - wobei der Bereich der möglichen Frequenzänderungen am Aus­ gang der Frequenzänderungsstufen in Richtung des Signal­ durchlaufes durch die Frequenzherabsetzungskette kleiner wird; und
• - die Bestimmung der Ausgangsfrequenz des variablen Oszilla­ tors im wesentlichen aus einer Kombination der Steuerung der verschiedenen programmierbaren Referenzfrequenzen re­ sultiert.

2. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vorbestimmte Frequenz (FR₁), welche den Änderungsschritt (p) definiert, der an den Phasenkompa­ rator (6) angelegt wird, ebenfalls eine programmierbare Fre­ quenz ist, so daß man über mehrere verschiedene Frequenzen verfügt, die ausgewählt werden und mit den programmierbaren Referenzfrequenzen kombiniert werden können.

3. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Basis-Referenzfrequenz (FR₄) und die programmierbaren Referenzfrequenzen (FR₂, FR₃) sowie gegebenenfalls die vorbestimmte Frequenz (FR₁), die den Änderungsschritt (p) definiert, mittels Frequenzgenerator­ schaltungen (4, 10′, 10′′, 10) gewonnen werden, die mit di­ rekter Synthese arbeiten.

4. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die verschiedenen Frequenzsynthesegenera­ toren, die mit direkter Synthese arbeiten, kohärent und aus­ gehend von einem einzigen festen Oszillator (3) arbeiten, der eine gemeinsame Eichfrequenz (FQ) abgibt.

5. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens bestimmte Frequenzgenerator­ schaltungen mit direkter Synthese (4, 10′, 10′′, 10) Frequenz­ multiplizierschaltungen sind.

6. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens bestimmte Frequenzmultiplizier­ schaltungen (10, 10′, 10′′) einen Kammgenerator (12, 12′, 12′′) in Reihe mit einem programmierbaren Tiefpaßfilter (13, 13′, 13′′) enthalten, wobei gegebenenfalls ein Frequenzteiler von gegebener Ordnung 11, 11′) am Eingang des Kühlgenerators an­ geordnet ist.

7. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens bestimmte Frequenzgenerator­ schaltungen (4, 10′, 10′′, 10) mit direkter Synthese Schal­ tungen sind, die ungeradzahlige Multiplikationsordnungen er­ zeugen.

8. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens bestimmte Schaltungen, die ungeradzahlige Multiplikationsordnungen erzeugen, einen pro­ grammierbaren Frequenzteiler (16) enthalten, wobei gegebe­ nenfalls ein Frequenzmultiplizierer (14) von fester Ordnung am Eingang dieser Schaltung angeordnet ist.

9. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens bestimmte Schaltungen, die unge­ radzahlige Multiplikationsordnungen erzeugen, eine Mischer­ schaltung (17) umfassen, die an ihrem ersten Eingang eine Eichfrequenz (FQ) oder ein Vielfaches derselben und an ihrem zweiten Eingang eine Frequenz empfängt, die von dem program­ mierbaren Frequenzteiler (16) abgegeben wird, wobei das Aus­ gangssignal dieser Mischerschaltung an ein programmierbares Tiefpaßfilter (13) angelegt ist, das zugleich mit dem pro­ grammierbaren Frequenzteiler (16) gesteuert wird.

10. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heterodyn-Mischerschaltungen der Fre­ quenzänderungsstufen der Frequenzherabsetzungskette mit In­ fradynmischung arbeiten.

11. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Frequenzherabsetzungskette drei auf­ einanderfolgende Frequenzänderungen durchführt.

12. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Basis-Referenzfrequenz (FR₄) eine pro­ grammierbare Frequenz ist, die ihrerseits durch eine Fre­ quenzsyntheseschaltung abgegeben wird, die Frequenzen mit sehr feiner Staffelung erzeugt, die in einem schmalen Band liegen, so daß am Ausgang des variablen Oszillators (1) Fre­ quenzen mit dieser selben feinen Staffelung erzielt werden, die jedoch innerhalb eines weiten Bereiches liegen.

13. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie eine Schaltung zur Voreinstellung des variablen Oszillators umfaßt, die versehen ist mit:

• - einer Kombinationsschaltung (41), deren Ausgang mit dem Steuereingang des variablen Oszillators (1) verbunden ist;
• - Schaltmittel (40, 42), die während einer Vorbereitungsphase der Voreinstellung der Schleife aktiviert werden und es einerseits ermöglichen, an einen der Eingänge dieser Kombinationsschaltung das Signal (FI₁), das von der ersten Frequenzänderungsstufe abgegeben wird, und an den zweiten Eingang der Kombinationsschaltung die vorbestimmte Frequenz (FR₁) anzulegen, welche den Änderungsschritt (p) angibt, und andererseits eine Sperrung der Schleife ermöglicht; und
• - Speichermitteln (43), die zwischen der Kombinationsschal­ tung (41) und dem Steuereingang des variablen Oszillators (1) angeordnet sind und den Pegel des Steuersignals spei­ chern, der am Ende der Voreinstellphase erreicht wird, so daß dieser Signalpegel den Anfangspunkt für die Konvergenz der Schleife bestimmt, wenn diese nach Desaktivierung der Schaltmittel ihre Regelfunktion wieder aufnimmt.

14. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsschaltung (41) der Vor­ einstellschaltung ein Frequenz/Phasen-Komparator ist.

15. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Voreinstellung des spannungsgesteuerten Oszillators ferner umfaßt:

• - Umsetzmittel (45), deren Ausgang mit dem Steuereingang des variablen Oszillators (1) verbunden ist, wobei diese Mit­ tel eingangsseitig ein Frequenzsteuersignal empfangen, welches der Frequenz entspricht, auf die der variable Os­ zillator (1) eingestellt werden soll; und
• - Speichermittel (43) zwischen diesen Umsetzmitteln (45) und dem Steuereingang des variablen Oszillators (1), um diesen dem Steuersignal entsprechenden Pegel zu speichern, so daß dieser Signalpegel den Anfangspunkt der Voreinstellung der Schleife bei Aktivierung der Schaltmittel bestimmt.