DE69314373T2

DE69314373T2 - Frequenzabstimmung mit Frequenzsynthesierer

Info

Publication number: DE69314373T2
Application number: DE69314373T
Authority: DE
Inventors: Richard A Groshong; Thomas R Hope; Robert A Newgard
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1992-04-07
Filing date: 1993-04-07
Publication date: 1998-05-14
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: EP0565362A1; US5301366A; DE69314373D1; JPH06268544A; EP0565362B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Kommunikationssysteme und insbesondere auf eine Frequenzabstimmung hoher Auflösung für Funksender und Funkempfänger.
Eine der prinzipiellen Merkmale jedes Kommunikationssystems besteht in der Fähigkeit, eine genaue Abstimmung auf eine gewünschte Frequenz für das Senden oder Empfangen eines Signals zu bieten. Alle technologischen Lösungen bei der Frequenzabstimmung ergeben Einbußen entweder bei der Systemkomplexität oder bei der Leistung.
Bei der Gestaltung von Funkfrequenzgeräten für die Verwendung in heutigen Kommunikationsvorrichtungen, haben sich die Ingenieure beim Frequenzabstimmungsbauteil oft auf die Verwendung der Technologie der direkten digitalen Synthese (DDS) verlassen. Unglücklicherweise sind DDS-Systeme typischerweise mit einer großen Menge falscher Frequenzen verbunden, die während des normalen Betriebes erzeugt werden. Um die selbst erzeugten falschen Frequenzen zu vermindern, werden zusätzliche Schaltungen, wie zusätzliche Phasenverriegelungsschleifen (FLL) zum System hinzugefügt. Diese zusätzlichen PLLs dienen als Tiefpaßfilter für das Vermindern des breitbandigen fehlerhaften Signalinhalts, aber auf Kosten einer hinzugefügten Komplexität der Gestaltung, zusätzlichen Komponenten und eines erhöhten Leistungsverbrauchs.
Alternativ kann man die Verwendung eines Vernier PLL-Schemas erwägen. Die Vernier PLL erzeugt jedoch durch ihre Hilfsnatur falsche Frequenzsignale, die eliminiert werden müssen. Diese falschen Signale werden durch das Mischen von zwei oder mehr Schleifen, wie solchen in einem Vernier Synthesizer, erzeugt. Wie bei Funkgeräten auf DDS-Basis, muß ein wesentlicher zusätzlicher Gestaltungsaufwand und Materialien spendiert werden, um die unerwünschten Auswirkungen der selbsterzeugten falschen Frequenzen zu minimieren.
Um die zusätzliche Schaltungskomplexität und die Kosten, die mit Kommunikationssystemen obigen Typs verbundenen sind, zu vermeiden, ist es Fachleuten der Gestaltung solcher Funkge räte wohl bekannt, approximierende Synthesizerbauteile zu verwenden, um die gewünschte Abstimmung zu erreichen. Ein approximierender Synthesizer hat eine Vielzahl vorbestimmter Frequenzen für das Senden oder Empfangen, die von Gestaltungsparametern abhängen. Ein approximierender Synthesizer kann als eine Vorrichtung gedacht werden, die hauptsächlich eine oder mehrere verbundene FLLs aufweist. Die Ausgangsfrequenz der ersten PLL dient als Referenzfrequenz der zweiten PLL. Ebenso dient die Ausgangsfrequenz der zweiten PLL als Referenzfrequenz für die dritte FLL. Diese Beziehung zwischen aufeinanderfolgenden PLLs setzt sich fort bis n, wobei n die Zahl der PLLs im approximierenden Synthesizer ist. Jede PLL hat eine Teilerkomponennte in jedem der Referenz- und Rückkoppelzweige. Die Ausgangsfrequenz jeder PLL ist eine Funktion der Wertem die in die Teiler einprogrammiert sind. Wenn die Referenz- oder Eingabefrequenz einer Schleife zunimmt, so nimmt die Abstimmeinstellzeit ab. Somit steigt, wenn die Zahl der Phasenregelschleifen in einem aproximierenden Synthesizer ansteigt, auch die Zahl der programmierbaren ganzzahligen Multiplizier/Teil-Wahlmöglichkeiten an, und somit nimmt die Zahl der Frequenzauswahlen auch zu.
Unglücklicherweise ist die Verwendung von Funkgeräten, die auf approximierenden Synthesizern basieren, bei Anwendungen, bei denen eine Abstimmung hoher Auflösung gefordert wird, eingeschränkt, da man mit vernünftigen Schaltungsparametern keine kleinen und regelmäßigen Abstimmschritte bereitstellen kann, wie das in einem Funkgerät mit einstellbarer Frequenz gefordert wird. Es existiert eine Bedürfnis nach einem relativ einfachen Frequenzabstimmgerät, das bei Anwendungen hoher Auflösung Vorteile aus der approximierenden Synthesizertechnik zieht.
Die vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgenden Ansprüche 1 und 8 definiert, auf die nun Bezug genommen wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Kommunikationssystem und ein Verfahren für die Verwendung eines approximierenden Frequenzsynthesizers mit einer Frequenzkorrektur durch eine digitale Signalverarbeitungs-(DSP)-Vorrichtung, um einen Funksender oder einen Funkempfänger zu liefern, der eine schnelle Abstimmung mit hoher Auflösung ermöglicht.
Ein Anwender wählt eine Frequenz, auf der er Information senden oder empfangen will. Es wird ein approximierender Frequenzsynthesizer verwendet, um eine RF-Injektionsfrequenz zu liefern. Fachleuten ist es bekannt, daß dieser Typ von Synthesizer sehr stabil ist, ein niedriger Phasenrauschen und wenig falsche Signalausgaben zeigt. Die approximierende Frequenz des Synthesizers kann in einem Bereich nicht gleicher inkrementaler Frequenzen über einem vorgegebenen Band oder Bändern bestehen.
Eine Funkgerätesteuerung interpretiert die vom Anwender gewählte Frequenz und bestimmt die am dichtesten liegenden verfügbare approximierende Synthesizerfrequenz. Die Steuerung steuert den approximierenden Synthesizer auf die bestimmte verfügbare Frequenz und berechnet die Differenz zwischen der bestimmten, verfügbaren Frequenz und der vom Benutzer gewählten Frequenz. Die berechnete Differenz (oder der Fehler) wird an den DSP für eine Korrektur während des Frequenzmischens gegeben.
Der DSP empfängt das Zwischenfrequenz-(IF)-Signal und mischt das Signal auf eine null Hertz (Hz) IF oder ein Basisband. Der Frequenzfehler des approximierenden Synthesizers, der durch die Steuerung berechnet wurde, wird dann unter Verwendung von Standard-DSP-Mischalgorithmen herausgemischt. Die Frequenzmischung kann in einem einschrittigen oder mehrschrittigen Verfahren verwendet werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liefern ein Kommunikationssystem, das eine verbesserte Abstimmungsleistung und eine Frequenzmischung durch die Verwendung digitaler Signalverarbeitungstechniken aufweist und einen approximierenden Synthesizer verwendet, um eine variable IF- Injektionsfrequenzabstimmung zu erzielen, und ein Kommunikationssystem liefert, das eine schnelle und wirksame Frequenzabstimmung mit einem relativ preisgünstigen Synthesizer liefert.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile sind in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung beschrieben und beansprucht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines approximierenden Frequenzsynthesizers, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines Kommunikationsempfängers, der die Lehren der vorliegenden Erfindung einschließt.
Fig. 3 ist eine Flußdiagrammdarstellung eines Verfahrens, das die vorliegende Erfindung verkörpert.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das getrennte Schritte für die groben und die feinen Frequenzabstimmungsschritte zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es wird nun Bezug genommen auf die Figuren, in denen gleiche Gegenstände durchgehend als solche bezeichnet werden. Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines approximierenden Frequenzsynthesizers 10, der aus dem Stand der Technik wohl bekannt ist und der in eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingeschlossen werden kann. Der Pfeil 11 stellt die Eingabe von einer nicht dargestellten Steuervorrichtung dar, die eine Frequenzselektionsinformation an den approximierenden Frequenzsynthesizer 10 liefert. Der approximierende Frequenzsynthesizer 10 zeigt zwei Phasenregelschleifen 12 und 14. Obwohl der approximierende Frequenzsynthesizer 10 nur zwei PLLd zeigt, ist es klar, daß eine beliebige Zahl von PLLd in einem Synthesizer verwendet werden kann, der gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung verwendet wird. PLL 12 und 14 sind ähnlich konstruiert und aus Gründen der Vereinfachung wird nur die detaillierte Konstruktion des PLL 12 beschrieben.
Der PLL 12 umfaßt einen Teiler 16, einen Phasendetektor 18, einen Teiler 20, einen Verstärker 24 und ein Tiefpaßfilter 22 und einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 26. Eine Referenzfrequenz fr wird in den Teiler 16 eingegeben, der wiederum mit dem Phasendetektor 18 verbunden ist. Der Phasendetektor 18 empfängt ein zusätzliches Eingangssignal vom Teiler 20 und sein Ausgang ist mit einem Verstärker 24 verbunden. Der Verstärker 24 ist mit dem Tiefpaßfilter 22 verbunden, das wiederum mit dem VCO 26 verbunden ist. Der VCO erzeugt zwei Ausgangssignale, die durch die Verbindungen 28 beziehungsweise 30 angegeben sind. Das Signal, das durch die Verbindung 30 angegeben ist, ist mit dem Teiler 20 verbunden, während das andere VCO-Signal, die Verbindung 28, mit der Teilerkomponente eines zusätzlichen PLL verbunden sein kann, wie im Fall des PLL 14.
Wenn eine Phasenregelschleife 12 sich in einem verriegelten Zustand befindet, ist die Frequenz des Eingangs des Phasendetektors gleich der Referenzfrequenz fr geteilt durch den Wert im K Teiler 16. Wenn die Referenzfrequenz von einer genauen und stabilen Frequenzquelle herrührt, wird die Frequenzstabilität zum Ausgangs-VCO übertragen. Der VCO wird gezwungen auf der Frequenz zu oszillieren, die notwendig ist, um die Eingangssignale des Phasendetektors vom K Teiler 16 und L Teiler 20 in Frequenz und Phase gleich zu halten.
Die PLL kann viele diskrete Frequenzen erzeugen. Sie sind Vielfache der Referenzfrequenz fr geteilt durch K, das heißt Vielfache von (fr/K), und werden durch das Wählen eines Wertes für den L Teiler ausgewählt. Wenn der K Teiler programmierbar ist, sind die vielen Frequenzsätze von der PLL 12 erhältlich. Für den Basisabstimmkreis der Figur 1 ist das Frequenzabstimminkrement fr/K und das Vielfache davon ist L, so daß die Ausgangsfrequenz mathematisch dargestellt werden kann, wie das in Gleichung 1 gezeigt ist:
Gleichung #1) f&sub0; = L/K * fr
wobei f&sub0; = Ausgangsfrequenz
K = Wert des K Teilers
L = Wert des L Teilers
fr = Referenzfrequenz
Der dichte Abstand der Frequenzkanäle erfordert kleine inkrementale Abstimmschritte, die wiederum einen kleinen Wert von fr/K erfordern. Dies impliziert eine niedrige Phasendetektionsfrequenz. Eine hohe Phasendetektionsfrequenz gestattet jedoch eine schnelle Einstellzeit des VCO-Ausgangssignals. Da auch L als ein Multiplizierer für die Referenzfrequenz dient, multipliziert er auch das Phasenrauschen der Referenz, womit ein Anreiz besteht, den Wert von L niedrig zu halten. Die konventionelle Lösung für die hohe spektrale Reinheit mit kleinen Frequenzinkrementen besteht darin, mehr als eine Schleife zu verwenden, während der Wert der L Multiplizierer unterhalb eines Gestaltungswertes gehalten wird.
In Figur 1 sind die zwei PLLs in Kaskadenform miteinander verbunden. Durch eine Erweiterung der Beziehung, die oben in Gleichung 1 entwickelt wurde, kann das Frequenzausgangssignal f&sub0; des approximierenden Frequenzsynthesizers 10 durch Gleichung 2 dargestellt werden.
Gleichung #2 f&sub0; = L/K * X/Y * fr
wobei f&sub0; = Ausgangsfrequenz
L = Wert des L Teilers
K = Wert des K Teilers
X = Wert des X Teilers
Y = Wert des Y Teilers
fr = Referenzfrequenz
Durch Verwendung von PLLs, die programmierbare Werte für die Teiler K, Y, L und X aufweisen, kann ein approximierender Frequenzsynthesizer konstruiert werden, der einen relativ breiten Frequenzbereich aufweist. Der Anmelder hat einen approximierenden Frequenzsynthesizer mit zwei Phasenregelschleifen unter Verwendung leicht verfügbaren Materials konstruiert, der einen Satz von Frequenzen im Band von 2 - 88 MHz erzeugen kann, die nicht mehr als 1 KHz voneinander entfernt sind. Somit kann jede Frequenz innerhalb des Bandes mit einem Fehler von nicht mehr als 1 KHz erzeugt werden. Ein Faktorzerlegungsalgorithmus wählt nur X Werte unterhalb von 200 und L Werte unterhalb von 2700 aus, um das Inbandphasenrauschen unter dem Gestaltungswert zu halten.
Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Kommunikationssystems, das die vorliegende Erfindung beinhaltet. Die Antenne 30 ist mit einem Umsetzer 29 verbunden. Der Umsetzer 29 hat eine erste Verbindung zu einem approximierenden Frequenzsynthesizer 32 und eine zweite Verbindung zu einem Analog-Digital- Wandler 34 und einem Digital-Analog-Wandler 35. Die Wandler 34 und 35 sind mit der digitalen Signalverarbeitungseinheit 36 verbunden. Eine Steuerung 38 ist mit dem approximierenden Frequenzsynthesizer 32 und dem DSP 36 verbunden. Die Steuerung 38 gestattet es einem Systemnutzer, die gewünschten Abstimmfrequenzen auszuwählen. Ein Frequenzstandard 40 kann auch mit dem approximierenden Frequenzsynthesizer 32 aus Gründen der Genauigkeit verbunden sein.
Figur 3 zeigt die Funktionalität des in Figur 2 dargestellten Systems in einem Flußdiagramm. Der erste Schritt 60 fordert, daß der Benutzer eine Frequenz auswählt, auf der gesendet oder empfangen werden soll. Der nächste Schritt 62 veranlaßt die Systemsteuerung, die am dichtesten liegende Frequenz, die auf dem approximierenden Frequenzsynthesizer vorhanden ist, als die vom Benutzer gewählte Frequenz zu bestimmen. In Schritt 64 berechnet die Steuerung die Differenz zwischen der vom Benutzer ausgewählten Frequenz und der am nächsten liegendsten verfügbaren Frequenz des approximierenden Frequenzsynthesizers und lenkt diese Information zum digitalen Signalprozessor. In Schritt 66 stellt die Steuerung den approximierenden Frequenzsynthesizer auf die in Schritt 62 ausgewählte Frequenz ein, und gibt in Schritt 68 die berechnete Frequenzdifferenz an den DSP. Der DSP mischt die berechnete Differenz des Schrittes 66 und die IF aus dem empfangenen oder zu sendendem Signal, Schritt 70.
Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in einer Sendevorrichtung eingeschlossen ist. Es sollte angemerkt werden, daß die in Figur 4 dargestellte Ausführungsform Schaltungskomplexitäten enthält, die nicht notwendig sind, um die fundamentalen Lehren der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Die Signalaufspaltung in ein grobes und ein feines Element ist kein Erfordernis für das Implementieren des Verfahrens, wie es im Flußdiagramm der Figur 3 ausgeführt wurde.
In Fig. 4 wird das Audioeingangssignal 71 in einem Analog- Digital-Wandler 72 in ein digitalisiertes Signal umgewandelt. Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 72 ist mit dem komplexen Bandpaßfilter 74 verbunden. Ein Zwischenfrequenzsignal 1 und ein komplexes Basisbandsignal Q stellen das sich ergebende Ausgangssignal des BPF 74 dar und werden mit einem vollständig komplexen Frequenzumsetzer 76 verbunden. Der Ausgang der Vorrichtung 76 ist mit einem komplexen Interpolationsfilter 78 verbunden, das wiederum mit einem halbkomplexen Frequenzumsetzer 80 verbunden ist.
Unabhängig von der oben beschriebenen Signalverarbeitung in Figur 4 wird ein Wählfrequenz 82 durch den Benutzer ausgewählt und durch eine Steuerung 84 beachtet. Die Steuerung 84 bestimmt und wählt den am nächstliegendsten verfügbaren Wert des approximierenden Frequenzsynthesizers aus und berechnet die Differenz zwischen der vom Benutzer gewählten und der vom Synthesizer ausgesuchten Frequenz. Der berechnete Frequenzfehler wird an den DSP gegeben, der ein grobe und feine Frequenzquantisierung durchführt. Die sich ergebende feine Frequenzquantisierung wird mit dem voll komplexen Frequenzumsetzer 76 verbunden. Der FCFT 76 hat zwei Ausgänge, die getaktete Signaleingänge eines komplexen Interpolationsfilters 78 darstellen. Das CIF 78 liefert gefilterte Ausgangssignale an den halbkomplexen Frequenzumsetzer 80. Zusätzlich ist das grobe Frequenzquantisierausgangssignal mit dem halbkomplexen Frequenzumsetzer 80 verbunden. Das Ausgangssignal des HCFT 80 ist mit dem Digital-Analog-Wandler 98 verbunden, dessen Ausgangssignal als die vom DSP gesendete Signalfrequenz dient.

Claims

1. Kommunikationsgerät für das Senden oder Empfangen von Trägersignalen, umfassend:

eine Vorrichtung, die es dem Benutzer gestattet, eine gewünschte Frequenz auszuwählen, auf der Signale gesendet oder empfangen werden sollen;

einen approximierenden Frequenzsynthesizer (32) eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung (36); und

eine Steuerung (38);

wobei die Differenz zwischen der vom Benutzer gewählten Frequenz und der nähesten verfügbaren approximierten Synthesizerfrequenz durch die Steuerung (38) berechnet und an die digitale Signalverarbeitungsvorrichtung (36) weitergegeben wird, um während der Signalmischung eliminiert zu werden.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der approximierende Synthesizer aus einem Synthesizer besteht, der zwei Phasenregelschleifen hat.

3. Gerät nach Anspruch 1, das im Frequenzbereich eines Bandes von 2 bis 88 MHz arbeitet.

4. Gerät nach Anspruch 1, das weiter eine Vorrichtung für das Durchführen einer groben und feinen Abstimmung bei der Verarbeitung der Signale umfaßt.

5. Gerät nach Anspruch 1, das weiter eine Frequenzstandardvorrichtung (40) umfaßt.

6. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der approximierende Synthesizer einen Satz von Frequenzen mit einem Fehler von 1 kHz oder weniger erzeugen kann.

7. Gerät nach Anspruch 2, bei dem die Phasenregelschleifen aus einer Vielzahl programmierbarer Teilerkomponenten bestehen.

8. Verfahren zur Durchführung einer hochauflösenden Frequenzabstimmung in einem Kommunikationssystem, das eine Steuerung, einen approximierenden Synthesizer und eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung aufweist, wobei es die folgenden Schritte umfaßt:

Auswählen einer gewünschten Kommunikationsfrequenz;

Bestimmen der nähesten verfügbaren approximierten Synthesizerfrequenz, die der gewählten Frequenz am nächsten liegt;

Berechnen der Differenz zwischen der nähesten verfügbaren Frequenz und der gewählten Frequenz;

Einstellen des approximierenden Synthesizers auf die bestimmte, näheste verfügbare Frequenz;

Leiten der berechneten Differenz zwischen der vom Benutzer gewählten Frequenz und der am dichtesten daran liegenden, verfügbaren, angeapproximierten Frequenz an die digitale Signalverarbeitungsvorrichtung; und

Mischen der berechneten Frequenzdifferenz aus dem zu sendenden Signal oder zu empfangenden Signal durch den digitalen Signalprozessor.

9. Verfahren nach Anspruch 8, welches weiter getrennte Schritte für das Durchführen einer groben und feinen Abstimmung bei der Verarbeitung der Signale umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Kommunikationssystern innerhalb eines Frequenzbereiches des Bandes von 2 bis 88 MHz arbeitet.

11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der approximierende Synthesizer einen Satz von Frequenzen erzeugen kann, die einen Fehler von 1 KHz oder weniger aufweisen.