DE4113865A1

DE4113865A1 - Mikrowellenoszillator

Info

Publication number: DE4113865A1
Application number: DE19914113865
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Schmidt; Willibald Dipl Ing Konrath
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1991-04-27
Filing date: 1991-04-27
Publication date: 1992-10-29

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrowellenoszillator mit einem spannungsgesteuerten Oszillator und einem Phasendiskriminator, der aus einer Referenzfrequenz und der vom spannungsgesteuerten Oszillator erzeugten Frequenz ein Regelsignal für den spannungsgesteuerten Oszillator ableitet.

Ein derartiger Mikrowellenoszillator ist aus der DE-OS 29 08 961 bekannt. Hierbei wird der Phasenvergleich zwischen dem Referenzsignal und dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators von einer Phasenabtastschaltung durchgeführt, die als Referenzsignal eine Abtastimpulsfolge erhält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellenoszillator der eingangs genannten Art anzugeben, der ein sehr schmalbandiges Referenzsignal zuläßt, selbst wenn die Bandbreite des Ausgangssignals relativ groß ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Nach der Erfindung wird das Frequenzband des Ausgangssignals in eine Vielzahl von schmalen Teilbändern aufgeteilt, wobei die das Ausgangssignal erzeugende Phasenregelschleife mit einer hohen Schleifenbandbreite betrieben werden kann. Wird das schmalbandige Referenzsignal für diese Phasenregelschleife durch eine weitere Phasenregelschleife erzeugt, so braucht deren spannungsgesteuerter Oszillator nur eine geringe Abstimmbandbreite aufzuweisen. Deshalb ist das Phasenrauschen der letzteren Phasenregelschleife sehr gering, und sie ist wenig anfällig gegenüber elektrischen oder mechanischen Störungen.

Der Einsatz eines Frequenzteilers gemäß Anspruch 5 am Ausgang der die Referenzfrequenz erzeugenden Phasenregelschleife läßt es zu, den Phasenregelkreis mit einer höheren Frequenz zu betreiben als die geforderte Referenzfrequenz. Um den Teilfaktor dieses Frequenzteilers erhöht sich die Schleifenbandbreite der Phasenregelschleife gegenüber einer direkt auf die Referenzfrequenz eingerasteten Phasenregelschleife. Mit der Vergrößerung der Schleifenbandbreite verringert sich vorteilhafterweise das Phasenrauschen des Referenzfrequenzsynthesizers.

Würde die Referenzfrequenz ohne Phasenregelschleife direkt einem Quarzoszillator entnommen, so bräuchte man ohne die Erfindung eine Vielzahl von Quarzoszillatoren mit verschiedenen Frequenzen, um das gesamte gewünschte Frequenzband des Ausgangssignals abdecken zu können. Da aber aufgrund der Erfindung eine nur sehr schmalbandige Referenzfrequenz benötigt wird, käme man mit erheblich weniger Quarzoszillatoren aus, um die gesamte gewünschte Bandbreite des Ausgangssignals zu realisieren.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nun die Erfindung näher erläutert: Die Figur der Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild eines Mikrowellenoszillators. Dieser erzeugt das gewünschte Ausgangssignal mit der Frequenz fo mit Hilfe einer Phasenregelschleife, bestehend aus einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO1, einem Abtastphasendiskriminator APD und einem Schleifenfilter LF1. Der Abtastphasendiskriminator, wie er z. B. aus dem Buch "Frequency-Synthesizers" von U. Manassewitch, John Wiley & Sons, Inc., 1976, S. 401-407 bekannt ist, besteht aus einem Impulserzeuger T1, der aus einer Referenzfrequenz fs einen Schaltimpuls gewinnt, der eine Torschaltung PD aus einem seriellen Diodenpaar durchschaltet, an der auch das Ausgangssignal mit der Frequenz fo anliegt. Bei jedem Schaltimpuls wird vom Ausgangssignal eine Spannungsprobe gewonnen, die über einen Halteschaltkreis der Phasenregelschleife zugeführt wird. Auf diese Weise wird die Ablage zwischen der Phase des Ausgangssignals mit der Frequenz fo des spannungsgesteuerten Oszillators VCO1 und einem Referenzsignal fs detektiert und daraus ein Regelsignal für den spannungsgesteuerten Oszillator VCO1 abgeleitet.

Bei bekannten PLL-Verfahren bleibt das Abtastverhältnis Ns=fo/fs konstant, wobei zur Abdeckung des Ausgangsfrequenzbereichs die Referenzfrequenz mit entsprechend großer Bandbreite verändert wird. Gemäß der vorliegenden Anmeldung wird das Abtastverhältnis Ns so variiert, daß das gesamte vom spannungsgesteuerten Oszillator VCO1 lieferbare Frequenzband mit der Mittenfrequenz fo_m in eine Vielzahl von Teilfrequenzbändern mit den Mittenfrequenzen Ns* fs_m aufgeteilt wird und dabei jedes Teilfrequenzband die relative Bandbreite des Referenzfrequenzsignals fs aufweist. Die Anzahl der Werte von Ns bestimmt die Anzahl der Teilbänder.

Anstelle des Abtastphasendiskriminators APD kann auch ein Frequenzvervielfacher mit variablem Vervielfachungsfaktor Ns und ein Mischer als Phasendetektor verwendet werden. Dabei werden aus der Referenzfrequenz fs Oberwellen erzeugt. Die gewünschte Oberwelle wird ausgefiltert, wodurch der Phasendiskriminator ein sinusförmiges Signal der gleichen Frequenz wie die Ausgangsfrequenz fo erhält.

Wenn man beispielsweise davon ausgeht, daß der spannungsgesteuerte Oszillator VCO1 ein Ausgangssignal der Mittenfrequenz fo_m=19 GHz und einer relativen Bandbreite von ca. 10% erzeugen kann und der Faktor Ns auf Werte von 91 bis 100 einstellbar ist, d. h. das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators auf 10 Teilbänder aufgeteilt werden kann, so benötigt man ein Referenzfrequenzsignal mit der Mittenfrequenz fs_m=200 MHz und einer relativen Bandbreite von etwa 1%. Wie das Beispiel verdeutlicht, braucht das Referenzfrequenzsignal fs nur eine sehr geringe Bandbreite aufzuweisen, trotz des vom VCO1 realisierbaren breitbandigen Ausgangssignals.

Einleitend wurde bereits auf die Vorteile eines schmalbandigen Referenzfrequenzoszillators hingewiesen. Dieser Vorteil liegt bei der Verwendung von Quarzoszillatoren darin, daß nur wenige verschiedene Ausführungen davon benötigt werden, um alle Teilbänder des Ausgangssignals erzeugen zu können.

Wird als Referenzquelle eine zweite Regelschleife verwendet, liegt der Vorteil darin, daß deren spannungsgesteuerter Oszillator VCO2 nur einen schmalen Durchstimmbereich aufzuweisen braucht. Deswegen kann der spannungsgesteuerte Oszillator VCO2 eine hohe belastete Güte haben. Dadurch ist er unempfindlich gegen elektrische und mechanische Störungen. Außerdem reduziert sich sein Phasenrauschen. Diese Eigenschaften sind z. B. von entscheidender Bedeutung für den Einsatz eines solchen Oszillators als Umsetzoszillator in digitalen Richtfunksystemen.

Die genannten Vorteile sind insbesondere von Bedeutung, da das Phasenrauschen und Störungen der Referenzquelle innerhalb der Regelschleifenbandbreite mit dem Faktor Ns auf das Ausgangssignal fo übertragen werden. Die übrigen neben dem spannungsgesteuerten Oszillator VCO2 in der Referenzphasenregelschleife befindlichen Elemente sind ein Schleifenfilter LF1 und ein auf verschiedene Frequenzteilerfaktoren einstellbarer Synthesizer SYN mit einem Modus-Teiler T2 (z. B. bekannt aus Plessey Semiconductors: Radio Telecoms, IC Handbook 1987, S. 157-158). Die Referenzfrequenz fr für diesen Synthesizer SYN wird aus der festen Quarzoszillatorfrequenz fx über einen Frequenzteiler T3 mit dem Teilfaktor R abgeleitet.

Der Faktor Ns wird durch Einstellen der Ausgangsfrequenz fo und Programmierung der Synthesizerreferenzfrequenz fr variiert, so daß das Verhältnis Ns/R konstant bleibt. Vorteilhafterweise wird R=Ns gewählt (auch Vielfache von Ns sind möglich).

Es gilt:

fr = (1/R) * fx und
fs = (P/R) * fx und
fo = Ns * fs = (Ns/R) * P * fx

Dabei ist P=M*N+A ein programmierbarer Teilfaktor. M ist der Teilfaktor des Modulus-Teilers T2 und N, A sind Faktoren zweier im Synthesizer SY12 durch Programmierung einstellbarer Zähler, deren Programmierung zusammen mit der Wahl von Ns die Ausgangsfrequenzen fo bestimmen.

Setzt man an den Ausgang der die Referenzfrequenz fs liefernden Phasenregelschleife einen weiteren Frequenzteiler T4, der die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO2 um den Faktor Nt auf die eigentliche Referenzfrequenz fs herunterteilt, so kann die Regelschleifenbandbreite um den Faktor Nt höher dimensioniert werden, wie bei Erzeugung von fs ohne den Frequenzteiler T4. Aufgrund der Anhebung der Schleifenbandbreite ist die Regelschleife in der Lage kurze Störimpulse gegenzukoppeln. Außerdem verringert sich innerhalb der Schleifenbandbreite das Phasenrauschen der Anordnung.

So kann ein PLL-Synthesizer bei 19 GHz mit einer Frequenzschrittweite von beispielsweise 2,5 MHz realisiert werden, der bei einer Schleifenbandbreite von ca. 1 MHz für das Schleifenfilter LF1 noch eine Schleifenbandbreite von ca. 10 kHz für das Schleifenfilter LF2 aufweist.

Claims

1. Mikrowellenoszillator mit einem spannungsgesteuerten Oszillator und einem Phasendiskriminator, der aus einer Referenzfrequenz und der vom spannungsgesteuerten Oszillator erzeugten Frequenz ein Regelsignal für den spannungsgesteuerten Oszillator ableitet, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, welche die Referenzfrequenz (fs) und die Ausgangsfrequenz (fo) so ins Verhältnis Ns=fo/fs setzen, daß durch Variation des Faktors Ns=fo/fs das gesamte vom spannungsgesteuerten Oszillator (VCO1) lieferbare Frequenzband in Teilbänder aufteilbar ist, wobei die Anzahl der Faktoren Ns die Anzahl der Teilbänder bestimmt.

2. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator ein Abtastphasendiskriminator ist, der eine Abtastschaltung mit variablem Abtastfaktor aufweist.

3. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator ein Frequenzvervielfacher mit variablem Vervielfachungsfaktor und anschließendem Mischer ist.

4. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasenregelschleife (VCO2, LF2, SYN, T2) aus einer Quarzoszillatorfrequenz (fx), die über einen programmierbaren Teiler T3 geführt wird, die Referenzfrequenz (fs) ableitet.

5. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Referenzfrequenz liefernde Phasenregelschleife (VCO2, LF2, SYN, T2) ein Frequenzteiler (T4) nachgeschaltet ist, welcher die Ausgangsfrequenz der Phasenregelschleife (VCO2, LF2, SYN, T2) auf die geforderte Referenzfrequenz (fs) herunterteilt.