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Die Erfindung betrifft Frequenzsynthetisierer und
insbesondere eine Vorrichtung, mit der die Amplitude der
störenden Spektrallinien des Ausgangssignals eines digitalen
Frequenzsynthetisierers (auch DDS - Digital Direct
Synthesizer genannt) verringert werden kann.
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Die DDS ergeben eine sehr feine Frequenzauflösung und
gewährleisten eine geringe Phasenrauschdichte. Dagegen
erzeugen sie störende Spektrallinien insbesondere aufgrund
der Tastung, der Phasenbegrenzung und der Quantifizierung.
Diese Störlinien können sehr nahe bei der Frequenz liegen,
die man erzeugen will, und können daher schwer oder gar
nicht durch klassische Filtermet hoden eliminiert werden.
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Es gibt Vorrichtungen (siehe GB-A-2 239 748), die die
Amplitude der störenden Spektrallinien in den durch digitale
Frequenzsynthetisierer erzeugten Signalen verringern können.
Diese Vorrichtungen verwenden beispielsweise am Ausgang des
Synthetisierers ein schmalbandiges Filter, dessen Frequenz
verschoben werden kann. Diese Filter müssen jedoch sehr
genau gesteuert werden, damit ihre zentrale Frequenz auf die
gewünschte Frequenz des Ausgangssignals des Synthetisierers
zentriert ist. Außerdem erhöht ihr sehr schmales
Frequenzband ihren Preis und erschwert ihre Herstellung.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere,
diese Nachteile zu beheben.
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Genauer betrachtet ist eines der Ziele der Erfindung,
eine Vorrichtung anzugeben, die die Amplitude der störenden
Spektrallinien des Ausgangssignals eines digitalen Frequenz
synthetisierers ohne Verwendung eines schmalbandigen Filters
deutlich verringern kann.
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Dieses Ziel sowie weitere, nachfolgend erläuterte
Ziele werden erreicht durch eine Vorrichtung zur
Verringerung der störenden Spektrallinien des Ausgangssignals eines
digitalen Frequenzsynthetisierers, der ein erstes Taktsignal
sowie ein Steuerwort empfängt und das Ausgangssignal mit
einer reinen Frequenz liefert, die durch Störfrequenzen
moduliert ist, wobei das erste Taktsignal aus einem
Modulator stammt und die Vorrichtung einen Frequenzdemodulator
besitzt, der das Ausgangssignal des Synthetisierers empfängt
und ein Korrektursignal liefert, dessen Amplitude von der
Frequenzexkursion des Ausgangssignals des Synthetisierers
abhängt und das an den Modulator angelegt wird, um das an
den Synthetisierer angelegte Signal in Gegenphase bezüglich
der störenden Modulation zu modulieren, so daß die störende
Modulation unterdrückt wird.
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Vorzugsweise ist der Demodulator ein Demodulator mit
Verzögerungsleitung. Man braucht dann keinen Generator für
eine reine Frequenz vorzusehen, um die Frequenzveränderung
des Ausgangssignals des Synthetisierers zu erzielen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform liegt ein
Begrenzer zwischen dem Synthetisierer und dem Demodulator,
um eine eventuelle Amplitudenmodulation zu unterdrücken, die
durch dieses Synthetisierer erzeugt worden sein könnte.
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Der Modulator kann in einem spannungsgesteuerten
Oszillator enthalten sein, der als Steuersignal das
Korrektursignal aus dem Demodulator empfängt.
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In einer anderen Ausführungsform ist der Modulator
eine Mischstufe, die einerseits das aus dem Demodulator
kommende Korrektursignal und andererseits ein zweites
Taktsignal empfängt.
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Andere Merkmale und Vorzüge der vorliegenden
Erfindung werden nun anhand eines bevorzugten, die Erfindung
jedoch nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels und der
beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Figur 1 zeigt das Übersichtsschema einer
Ausführungsform der Erfindung.
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Figur 2 zeigt ein Übersichtsschema einer
Ausführungsform des Demodulators in Figur 1.
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Figur 3 zeigt das Übersichtsschema eines
Versuchsaufbaus
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Figur 4 zeigt das Spektrum des Ausgangssignals des
Modulators aus Figur 1 in offener Schleife.
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Figur 5 zeigt den Frequenzverlauf für das Signal aus
Figur 4.
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In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Verringerung der
störenden Spektrallinien eines digitalen
Frequenzsynthetisierers 10 gezeigt. In bekannter Weise besteht der
Synthetisierer 10 aus einem Phasenakkumulator, der ein Steuerwort M
und ein erstes Taktsignal E empfängt und von einem
Festwertspeicher gefolgt wird, auf den seinerseits ein Digital-
Analog-Wandler folgt, welcher das Ausgangssignal des
Synthetisierers liefert.
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Erfindungsgemäß stammt das erste Taktsignal E aus
einem Modulator 11. Das Ausgangssignal Sdds des
Synthetisierers 10 gelangt an einen nicht unbedingt erforderlichen
Begrenzer, der ein Ausgangssignal mit der Frequenz FS
liefert. Ein Teil dieses Signals gelangt an einen Demodulator
13, dessen Ausgangssignal Korrektursignal genannt wird und
die Amplitude Vm besitzt, an den Modulator 11 angelegt wird.
Der Modulator 11 empfängt ein zweites Taktsignal der
Frequenz FH, die im allgemeinen festliegt und als Bezugswert
dient. Der Modulator 11 hat die Steigung Kv (in Hz/V) und
der Demodulator 13 hat die Steigung -Kd (in V/Hz). Es sei
bemerkt, daß nur wichtig ist, daß diese beiden Steigungen
entgegengesetzte Vorzeichen besitzen.
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Nun wird der Betrieb dieser Vorrichtung beschrieben.
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In offener Schleife empfängt der Modulator 11 das
zweite Taktsignal mit der Frequenz FH. Wenn er außerdem ein
sinusförmiges Signal mit der Frequenz f und der Amplitude Vm
empfängt, liefert der Modulator 11 ein Signal, dessen
Spektrum in Figur 4 dargestellt ist. Die Hauptspektrallinie
liegt bei der Frequenz FH und zwei Störlinien haben einen
Abstand f von dieser Hauptlinie (FH-f bzw. FH+f). Die
Amplitudendifferenz DA der Linien hat folgenden Wert:
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DA = 20 log δf/2f mit δf = Vm.Kv
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δf wird die Frequenzexkursion genannt und ist in
Figur 5 dargestellt. Figur 5 zeigt das Signal mit der
Amplitude Vm und der Frequenz f bezüglich der Frequenz FH
abhängig von der Zeit. Das Taktsignal E am Ausgang des
Modulators 11 gelangt an den Eingang des Synthetisierers 10.
Das Ausgangssignal Sdds des Synthetisierers 10 besteht aus
der gewünschten Frequenzspektrallinie Fdds (abhängig von M)
und aus Störspektrallinien. Dann gilt:
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Fdds = (FH+Vm Kv) M/2n
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Hierbei ist n die Anzahl von Bits des
Phasenakkumulators des Synthetisierers 10.
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Der Begrenzer 12, dessen Aufgabe es ist, eine
eventuelle Amplitudenmodulation zu beseitigen, die das Signal Sdds
aufweist, liefert also das Signal mit der Frequenz FS, das
durch die Störspektrallinien frequenzmoduliert ist. Dieser
Begrenzer ist nicht unbedingt erforderlich und wird nur
benötigt, wenn der Synthetisierer 10 eine
Amplitudenmodulation erzeugt.
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Ein Teil dieses Signals gelangt an den Demodulator
13, wie er beispielsweise in Figur 2 dargestellt ist. Dieser
Demodulator liefert ein Signal, dessen Amplitude
proportional zur Frequenzexkursion des Signals mit der Frequenz FS
ist.
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Die Amplitude Vm' dieses Signals hat folgenden Wert:
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Vm' = -Kd Kv Vm M/2n
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In geschlossener Schleife ist die Spannung Vm' dem
Wert Vm gleich und moduliert das Signal mit der Frequenz FH
in Gegenphase bezüglich der Störmodulation.
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Die Frequenzexkursion δF' in geschlossener Schleife
hat dann folgenden Wert:
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δF'= δf/(1- Kv Kd¹M/2n)
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Hierbei ist δf die Störfrequenzexkursion in offener
Schleife.
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Wählt man das Verhältnis (Kv Kd M)/2n groß, dann geht
tendenziell die Frequenzexkursion δF' und damit die
Störmodulation nach Null. So kann man mit einer Modulation des
Signals der Frequenz FH in Gegenphase durch ein Signal, das
für die Frequenzexkursion des Ausgangssignals FS
repräsentativ ist, ganz oder zumindest sehr stark die Amplitude der
Störspektrallinien verringern. Im allgemeinen modulieren
mehrere Störfrequenzen das am Ausgang der erfindungsgemäßen
Vorrichtung erwünschte Signal, und das Korrektursignal mit
der Amplitude Vm aus dem Modulator 13 hat dann einen
Verlauf, der für die Summe der Frequenzabweichungen zwischen
der gewünschten zentralen Frequenz FS und diesen
Störfrequenzen repräsentativ ist.
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Der Modulator 11 kann auf mehrere Arten realisiert
werden. Man kann beispielsweise eine einfache Mischstufe
verwenden oder auch einen Phasenmodulator. In diesem
letzteren Fall wird das Korrektursignal an den Modulator 11 über
einen Integrator angelegt.
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Das zweite Taktsignal mit der Frequenz FH kann von
einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) erzeugt werden,
ggf. mit Temperaturstabilisierung (VCXO). Das
Korrektursignal wird dann an den Steuereingang des VCO angelegt. In
einer anderen Ausführungsform stammt das zweite Taktsignal
aus einem Quarzoszillator.
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Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des Demodulators
13 aus Figur 1.
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Der Demodulator 13 enthält einen Leistungsteiler 20,
der das Signal mit der Frequenz FS in zwei Kanäle aufteilt.
Einer dieser Kanäle enthält eine Verzögerungsleitung 21 mit
einer Verzögerungsdauer τ, während der andere Kanal einen
variablen Phasenschieber 22 der Phase Φ enthält. Der
Phasenschieber 22 ist nicht unbedingt erforderlich. Die Ausgänge
der Verzögerungsleitung 21 und des Phasenschiebers 22
gelangen an einen Phasendiskriminator mit der Steigung KΦ, auf
den ein Verstärker 24 mit negativem Verstärkungsgrad G
folgt, der das Korrektursignal mit der Amplitude Vm liefert.
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Ein solcher Demodulator ist bekannt und wird im allgemeinen
Frequenzdemodulator mit Verzögerungsleitung genannt. Er
ergibt ein Ausgangssignal einer Amplitude Vm, das für die
Frequenzexkursion des an seinen Eingang angelegten Signals
repräsentativ ist, ohne daß ein Bezugsfrequenzsignal
erforderlich wäre.
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Der Phasenschieber 22 wird so geregelt, daß die an
den Phasendiskriminator 23 angelegten Signale in
Phasenquadratur liegen, wenn das Ausgangssignal des Synthetisierers
10 eine Frequenz besitzt, die im Zentrum des
Nutzfrequenzbands liegt.
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Das Nutzfrequenzband BFU am Eingang des Demodulators
13 lautet: BFU = 1/4τ, während die Steigung Kd des
Demodulators 13 für kleine Werte ωm τ/2 ungleich k π den Wert G KΦ τ
15 hat (ωm ist die Modulationskreisfrequenz). Es läßt sich
zeigen, daß gilt Vm = -Kd 2πδF.
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Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verringerung der störenden Spektrallinien hängen vom
Wert von τ ab. Man erzielt einen zufriedenstellenden
Kompromiß zwischen einem großen Nutzfrequenzband BFU (τ ist klein)
und einer ausreichenden Steigung Kd des Demodulators, um die
Störspektrallinien zum Verschwinden zu bringen, unter
gleichzeitiger Beachtung der obigen Bedingung hinsichtlich
Kd (großer Wert von τ). Man wählt einen kleinen Wert für τ,
da das Verhältnis ωm τ/2 ein Empfindlichkeitskoeffizient ist,
der den Modulationsgrad beeinflußt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der
Demodulator aus einer einfachen Mischstufe bestehen, die ein
Signal einer reinen Frequenz FS und das Ausgangssignal des
Begrenzers 12 empfängt. Ein solcher Demodulator würde dann
ein Schwebungssignal liefern, das für den Abstand zwischen
der gewünschten Frequenz FS und der wirksamen und durch die
Störspektrallinien gestörten Frequenz FS repräsentativ ist.
Es ist dann jedoch notwendig, einen Generator einer reinen
Frequenz, beispielsweise einen spannungsgesteuerten
Oszillator
vorzusehen, der keine Oberwellen erzeugt.
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In einer anderen Ausführungsform besteht der
Demodulator aus einem Dämpfungsfilter. Wenn man im Dämpfungsband
arbeitet, entnimmt man die Frequenzexkursion, die man
erfaßt, ohne sie zu verstärken.
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Figur 3 zeigt ein Übersichtsbild eines
Versuchsaufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ein Tiefpaßfilter 30 ist zwischen den Ausgang des
Frequenzsynthetisierers 10 und den Begrenzer 12 eingefügt.
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Seine Grenzfrequenz beträgt 50 MHz. Der Begrenzer ist eine
Schaltung MC 10101, die die Amplitudenmodulation beseitigt
und auf die ein Koppler 31 folgt, der das Ausgangssignal mit
reiner Frequenz FS von 44 MHz liefert. Der Regelzweig
enthält einen Verstärker 32, auf den der Demodulator 1-3 aus
Figur 2 folgt. Die Verzögerungsdauer τ beträgt 20 ns und der
Verstärkungsgrad G des Verstärkers 24 beträgt -500. Das
Signal Vm wird an ein Schleifenfilter 33 angelegt, auf das
ein bei 240 MHz betriebener VCO folgt. Der Wert von Kv
beträgt hier 2 MHz/V. Eine solche Vorrichtung ergibt eine
Verringerung des Pegels der störenden Spektrallinien von 10
bis 20 dB für störende Modulationsfrequenzen unterhalb von
200 kHz im Vergleich zum Pegel der störenden Spektrallinien
ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt eine Dämpfung
der nahe bei der gewünschten Ausgangsfrequenz FS liegenden
störenden Spektrallinien unabhängig von ihrem Ursprung, und
zwar zu einem vernünftigen Preis. Es findet kein
schmalbandiges Bandpaßfilter mit verstellbarer Frequenz Verwendung.
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Außerdem ist die Begrenzung des Ausgangsfrequenzbands
nicht sehr störend, sofern die digitalen
Frequenzsynthetisierer nicht in ihrem ganzen theoretischen Betriebsbereich
(von 0 bis FH/2) in den Systemen eingesetzt werden, in denen
die Spektralreinheit des Ausgangssignals sehr wichtig ist.
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Man kann auch feststellen, daß das Frequenzband der
Vorrichtung durch Veränderung des Verzögerungswerts τ
abhängig von der Frequenz des Ausgangssignals vergrößert
werden kann.
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Schließlich kann die Steigung Kd des Demodulators
auch positiv sein, wobei in diesem Fall die Steigung Kv des
Modulators (oder des VCO) negativ ist.