DE4127385A1 - Frequenzsyntheseanordnung mit Phasenregelschleife und mehrfacher fraktionärer Teilung - Google Patents

Frequenzsyntheseanordnung mit Phasenregelschleife und mehrfacher fraktionärer Teilung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Frequenzsyntheseanord­ nung mit Phasenregelschleife und mehrfacher fraktionärer Teilung.
Eine Syntheseanordnung mit Phasenregelschleife enthält in herkömmlicher Weise, wie beispielsweise in dem Buch von U.L. ROHDE mit dem Titel "Digital PLL frequency synthetiziers - Theory and Design" 1983, Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, beschrieben ist, einen spannungsgesteuerten Oszillator, einen Teiler mit variablem Teilungsfaktor, einen Phasenkomparator, einen Steuertaktgeber, der eine Bezugsfrequenz FRef liefert, sowie gegebenenfalls ein Schleifenfilter. Wenn die Regel-Wirkung der Schleife verwirklicht ist, ergibt sich die Aus­ gangsfrequenz FVCO des spannungsgesteuerten Oszillators mit einem am Teiler eingestellten Wert von M, mit M mal dem Wert der Bezugsfrequenz FRef Wenn sich der am Teiler eingestell­ te Wert M ändert, ändern sich die synthetisch erhaltenen Frequenzen im Schritt der Bezugsfrequenz FRef innerhalb der Funktionsgrenzen des spannungsgesteuerten Oszillators.
Zur Erzielung eines Frequenzsyntheseschritts, der kleiner als FRef ist, ist es bekannt, in die Schleife einen Teiler mit einem Teilungsfaktor, der gleich einem Bruchteil von 1 ist und der nachfolgend als fraktionärer Teiler bezeichnet wird, einzufuhren, der einen Frequenzschritt von a/Q mal der Bezugsfrequenz FRef ermöglicht, wobei Q der Quotient der Be­ zugsfrequenz durch den gewünschten Syntheseschritt ist, mit 0 a Q-1.
Bei einem digitalen Phasensummiersystem wird der Haupttei­ lungsfaktor M bei jedem der Q Bezugszyklen um eine Einheit erhöht. Der Syntheseschritt ist daher gleich der Bezugsfre­ quenz geteilt durch Q.
Der Vorteil besteht darin, daß bei vergleichbaren Leistungen die Anzahl der am Teiler anzuzeigenden Schritte M herabge­ setzt wird und daß das Schleifenfilter eine höhere Grenzfre­ quenz hat, was das Ansprechverhalten der Schleife verbessert.
Die vorgenannte Anordnung eignet sich zwar für die Frequenz­ synthese, jedoch ist sie für Syntheseanordnungen ungeeignet, die mittels einer beispielsweise durch die Referenzfrequenz eingeführte Modulation frequenz- oder phasenmoduliert sind, da der maximale Takt dieser Modulation auf niedrige Werte begrenzt bleibt. Andererseits haben die Syntheselinien, die am Ausgang des Oszillators VCO erscheinen und hauptsächlich auf das Phasen-Jitter des Phasenkomparators zurückzuführen sind, relativ hohe Pegel, die diesen Syntheseanordnungen eine nur mittelmäßige spektrale Reinheit verleihen.
Wenn jedoch nicht mehr eine einzige fraktionäre Teilerstruk­ tur verwendet wird, sondern zwei derartige Strukturen zum Einsatz kommen, wie dies in der FR-A-2 426 358 beschrieben ist, kann die spektrale Reinheit von Syntheseanordnungen mit fraktionärer Teilung ganz wesentlich verbessert werden.
Für gewisse Anwendungen erscheint diese Verbesserung jedoch noch ungenügend; insbesondere erlaubt sie keine Verwendung solcher Syntheseanordnungen in Übertragungssystemen mit schneller Frequenzevasion.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschil­ derten Nachteile zu beseitigen.
Nach der Erfindung ist eine Frequenzsyntheseanordnung mit Phasenregelschleife und mehrfacher fraktionärer Teilung mit einer einzigen Phaseneinrastschleife, die von einem Refe­ renztaktgeber gesteuert ist, der von einem spannungsgesteu­ erten Oszillator gebildet ist, einem programmierbaren Teiler mit variablem Teilungsfaktor M, einem Phasenkomparator und einem Schleifenfilter dadurch gekennzeichnet, daß die Anord­ nung ferner eine vorbestimmte Anzahl n von Strukturen mit fraktionärer Teilung enthält, die jeweils einen Frequenz­ schritt PixFRef ergeben, der kleiner als die Referenzfre­ quenz FRef ist, und daß jede Struktur mit fraktionärer Tei­ lung parallel mit dem programmierbaren Teiler gekoppelt ist, damit zum Teilungsfaktor M Bruchteilsschritte Pi hinzugefügt werden, so daß das Verhältnis zwischen der vom Oszillator FVCO und der Referenzfrequenz FRef in Abhängigkeit von den Bruchteilsschritten Pi durch die Beziehung
definiert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich an­ schließend aus der Beschreibung, in der auf die Zeichnung Bezug genommen ist. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Syntheseanordnung nach der Erfindung,
Fig. 2 den Aufbau einer Syntheseanordnung nach der Erfindung für einen Betrieb in einem Frequenz­ bereich zwischen 225 und 400 MHz,
Fig. 3A und 3B zwei Ausführungsformen einer Schleife mit fraktionärer Teilung zum Steuern eines ein­ gangsseitigen Teilers von Fig. 2 und
Fig. 4 ein Vergleichsdiagramm des theoretischen Pe­ gels der Syntheselinien, die mit der einfa­ chen fraktionären Synthese und der mehrfachen fraktionären Synthese erhalten werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Syntheseanordnung nach der Erfin­ dung enthält eine Phasenregelschleife, die von einem span­ nungsgesteuerten Oszillator 1, einem programmierbaren Teiler 2 mit variablem Teilungsfaktor M, einem Phasenkomparator 3 und einem Schleifenfilter 4 gebildet ist; die Gruppe dieser vorgenannten Baueinheiten ist in der genannten Reihenfolge hintereinandergeschaltet. Ein Steuertaktgeber 5, der eine Referenzfrequenz FRef liefert, speist den Phasenkomparator 3, damit dann, wenn die Schleife auf die richtige Frequenz eingerastet ist, die Phasenabweichung zwischen dem vom Takt­ geber 5 und dem vom Teiler 2 gelieferten Signale festgestellt werden kann. Sie enthält ferner n fraktionäre Teilerstruktu­ ren 6₁ . . . 6 i bis 6 n, die jeweils einen Frequenz schritt ver­ wirklichen, der kleiner als die Frequenz FRef ist und die Form (a/Q) X FRef hat, wobei Q gleich der Division der Refe­ renzfrequenz durch den gewünschten Syntheseschritt ist und a eine ganze Zahl ist, für die gilt: 0 a Q-1.
Indem für jede fraktionäre Division Zahlen Q₁, Q₂ . . . Qi . . . Qn, die keinen gemeinsamen Teiler haben, und a₁ . . . an so gewählt werden, daß gilt:
0 a₁ Q₁-1
0 a₂ Q₂-1
0 an Qn-1
ermöglicht die in Fig. 1 dargestellte Syntheseanordnung die Durchführung der Synthese der Frequenzen FVCO, so daß gilt:
und mit einem Syntheseschritt, der gleich dem Quotienten aus der Referenzfrequenz FRef und dem Produkt der ganzen Zahlen Q₁, Q₂ . . . Qn ist. Unter diesen Bedingungen wird der Teiler 2 für alle Q₁-Referenzzyklen a₁-mal, für alle Q₂-Referenzzyk­ len a₂-mal, . . . für alle Qi-Referenzzyklen ai-mal und für alle Qn-Referenzzyklen an-mal um eine Einheit weitergeschal­ tet.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß sie eine be­ trächtliche Verbesserung des Pegels der Syntheselinien um die Ausgangsfrequenz der Syntheseanordnung im Vergleich zu allen bisher bekannten Syntheseanordnungen mit fraktionärer Division ermöglicht. Bei dem Beispiel der Anwendung des vor­ stehend beschriebenen Prinzips auf die Verwirklichung einer Syntheseanordnung, die die Überdeckung eines Frequenzbandes zwischen 225 und 400 MHz ermöglicht und die in Fig. 2 darge­ stellt ist, in der Elemente, die mit denen von Fig. 1 über­ einstimmen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, ist die Anzahl der fraktionären Teilerstrukturen 6₁ bis 6₄ beschränkt, und der Teiler 2 mit variablem Teilungsfaktor ist aus einem eingangsseitigen Teiler 2₁ und einem ausgangs­ seitigen Teiler 2₂ zusammengesetzt. Im Unterschied zu Fig. 1 enthält die Syntheseanordnung zwischen dem Oszillator 1 und dem Teiler 2 eine Multiplikationsschaltung 7 mit dem Multi­ plikationsfaktor 4.
In diesem Beispiel gilt für die Referenzfrequenz FRef = 10,5 MHz. Der eingangsseitige Teiler 2₁ ist ein variabler Teiler, dessen Teilungsfaktor einstellbar ist, indem jeder seiner vier Eingänge auf 0 oder 1 gestellt wird.
Jedes Element 6₁ bis 6₄ ist von einem Modulo-Qi-Addierer (Q: ganze Zahl) gebildet, der durch die ganzen Zahlen a₁ Qi programmierbar ist.
In dem Beispiel haben die Restwerte Q₁ der Addierer 6₁ bis 6₄ jeweils die Werte Q₁ = 3, Q₂ = 4, Q₃ = 5 und Q₄ = 7, was Zahlen sind, die keinen gemeinsamen Teiler haben.
Der Syntheseschritt ergibt sich somit zu
am Ausgang der Multiplikationsschaltung 7 mit dem Multipli­ kationsfaktor 4 und folglich mit 6,25 KHz für den Oszilla­ tor 1.
Durch Anwenden der Gleichung (1) ergibt sich:
und
Der kleinste Syntheseschritt, nämlich 25 KHz am Ausgang der Multiplikationsschaltung 7 mit dem Multiplikationsfaktor 4 (6,25 KHz) am Ausgang des Oszillators 1 ergibt sich durch die Operation:
nämlich:
1×2, 625 MHz+4×2, 1 MHz+2×3, 5 MHz+2×1, 5 MHz-21 MHz = 25 KHz
Ausführungsbeispiele der Modulo-3-Addierer 0, 1, 2 sowie der Modulo-7-Addierer 0, 1 . . . 6 für die Verwirklichung der Addie­ rer 6₁ bis 6₄ sind in den Fig. 3A und 3B dargestellt. Sie enthalten Addierschaltungen 8₁ bis 8₄ des Typs, der unter der Bezeichnung 74F283 bekannt ist und von den Firmen National Semiconductor oder Motorola vertrieben werden. Diese Schal­ tungen werden durch die Zahlen ai mit Hilfe von Schnittstel­ len-Logikschaltungen 9₁ und 9₂ programmiert. Ein einem Aus­ gang der Teilerschaltungen 8₂ und 8₄ angeordnetes Register 10₁ bzw. 10₂ ermöglicht es, bei jedem Fortschaltschritt der Frequenz FRef den Teilerzustand für eine Erhöhung des Werts ai auf den nächsten Fortschaltschritt zu speichern.
Das Diagramm von Fig. 4 veranschaulicht die spektrale Rein­ heit, die mit einer Syntheseanordnung erhalten werden kann, die mit der mehrfachen fraktionären Synthese des oben in Fig. 2 dargestellten Typs arbeitet, wobei ein Vergleich mit der Synthese dargestellt ist, die mit einer Syntheseanord­ nung mit einfacher fraktionärer Synthese erhalten wird. Die­ ses Diagramm zeigt, daß für die Modulowerte Q₁ = 3, Q₂ = 4, Q₃ = 5 und Q₄ = 7 sowie einen Syntheseschritt Psyn = 25 KHz, der zu einer Referenzfrequenz FRef von 10,5 MHz führt, der theoretische Pegel der Linien um die synthetisch erzeugte Trägerfrequenz nacheinander um 40 dB abfällt, nämlich ein erstes Mal für F₁ = Q₁×Q₂×Q₃×Psyn = 1,5 MHz, ein zweites Mal für F₂ = Q₁×Q₂×Psyn = 300 KHz, ein drittes Mal für F₃ = Q₁Psyn = 75 KHz und schließlich ein viertes Mal für F₄ = Psyn = 25 KHz. Bei einem Band der Synthese mit einfa­ cher fraktionärer Teilung bleibt der Pegel der Linien zwi­ schen dem Syntheseschritt 25 KHz und der synthetisch gebil­ deten Trägerfrequenz bei 0 dB, während mit der in Fig. 2 dargestellten Schleife von der Frequenz 1,5 MHz an ein schar­ fer Abfall um 40 dB erhalten wird.

Claims (5)

1. Frequenzsyntheseanordnung mit Phasenregelschleife und mehrfacher fraktionärer Teilung mit einer einzigen Phasen­ einrastschleife, die von einem Referenztaktgeber (5) gesteu­ ert ist, der von einem spannungsgesteuerten Oszillator (1) gebildet ist, einem programmierbaren Teiler (2) mit variab­ lem Teilungsfaktor M, einem Phasenkomparator (3) und einem Schleifenfilter (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Anord­ nung ferner eine vorbestimmte Anzahl n von Strukturen (6₁ . . . 6 n) mit fraktionärer Teilung enthält, die jeweils einen Frequenz schritt PixFRef ergeben, der kleiner als die Refe­ renzfrequenz FRef ist, und daß jede Struktur mit fraktionä­ rer Teilung parallel mit dem programmierbaren Teiler (2) ge­ koppelt ist, damit zum Teilungsfaktor M Bruchteilsschritte Pi hinzugefügt werden, so daß das Verhältnis zwischen der vom Oszillator FVCO und der Referenzfrequenz FRef in Abhän­ gigkeit von den Bruchteilsschritten Pi durch die Beziehung definiert wird.
2. Frequenzsyntheseanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Struktur (6₁ . . . 6 n) mit fraktionärer Teilung das Produkt aus der Referenzfrequenz FRef und einer Bruchteilszahl Pi = ai/Qi mit 0 < ai < Qi bewirkt, wobei die Zahlen Qi ganze Zahlen ohne gemeinsamen Teiler sind.
3. Frequenzsyntheseanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie einen Syntheseschritt aufweist, der gleich der Referenzfrequenz FRef geteilt durch das Produkt der Zahlen Qi ist.
4. Frequenzsyntheseanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die n Strukturen (6₁ . . . 6 n) mit fraktionärer Teilung jeweils einen Modulo-Qi-Teiler mit programmierbarem, variablem Teilungsfaktor ai enthalten.
5. Frequenzsyntheseanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Teilungsfaktor M des programmierbaren Teilers (2) der einzigen Schleife für jede der n Strukturen mit fraktionärer Teilung a₁-mal für alle Modulo-Werte Qi je­ der Struktur um eine Einheit erhöht wird.
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