FR2814870A1 - Frequency synthesizer comprising two voltage-controlled oscillators operated in ultra-high frequency range and two phase-locked loops with largely different bandwidths - Google Patents
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Abstract
Description
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SYNTHETISEUR DE FREQUENCE
La présente invention concerne les synthétiseurs d'hyperfréquences. Elle vise notamment à fournir un synthétiseur ayant une bonne stabilité en fréquence, y compris lorsqu'il est soumis à des vibrations
L'invention est utilisable notamment pour la synthèse de fréquence autour de la gamme du gigahertz et au-delà. Un exemple non limitatif d'application est dans des récepteurs GPS (a Global Positioning System ). FREQUENCY SYNTHESIZER
The present invention relates to microwave synthesizers. It aims in particular to provide a synthesizer with good frequency stability, including when subjected to vibrations
The invention can be used in particular for frequency synthesis around the gigahertz range and beyond. A nonlimiting example of application is in GPS receivers (a Global Positioning System).
La synthèse d'une fréquence d'oscillateur local dans le domaine des hyperfréquences est classiquement réalisée en utilisant une boucle dite PLL ( Phase-Locked Loop ), qui réalise un asservissement de phase pour piloter un oscillateur commandé en tension (VCO, Voltage-Controlled Oscillator ) à partir d'une fréquence de référence de grande stabilité. The synthesis of a local oscillator frequency in the microwave domain is conventionally carried out using a so-called PLL loop (Phase-Locked Loop), which performs phase servoing to control a voltage controlled oscillator (VCO, Voltage-Controlled Oscillator) from a reference frequency of high stability.
Le schéma de principe en est représenté sur la figure 1. La source de référence 1 utilise généralement un oscillateur à quartz de type TCXO ( Temperature-Compensated Crystal Oscillator ) qui délivre un signal de référence R de fréquence habituellement comprise entre 1 MHz et 100 MHz. The principle diagram is shown in FIG. 1. The reference source 1 generally uses a crystal oscillator of TCXO type (Temperature-Compensated Crystal Oscillator) which delivers a reference signal R of frequency usually between 1 MHz and 100 MHz .
Le signal synthétisé S, délivré par le VCO 2 formant oscillateur local (VCO-OL), est fourni avec le signal de référence R aux éléments de division, de comparaison et de filtrage 3 de la PLL. Celle-ci réalise un asservissement du VCO 2. La bande de la boucle d'asservissement, typiquement comprise entre 100 Hz et 10 KHz, est choisie de façon à optimiser la pureté spectrale du signal synthétisé S. The synthesized signal S, delivered by the VCO 2 forming a local oscillator (VCO-OL), is supplied with the reference signal R to the division, comparison and filtering elements 3 of the PLL. This performs a control of the VCO 2. The band of the control loop, typically between 100 Hz and 10 KHz, is chosen so as to optimize the spectral purity of the synthesized signal S.
Les éléments 3 de la PLL comprennent des chaînes de diviseurs, un comparateur de phase et un filtre de boucle. Les rapports de division sont
choisis en fonction du rapport souhaité entre la fréquence synthétisée et la fréquence de référence et en fonction de la bande de fonctionnement du comparateur de phase. PLL elements 3 include divider chains, a phase comparator, and a loop filter. The division ratios are
chosen according to the desired ratio between the synthesized frequency and the reference frequency and according to the operating band of the phase comparator.
Lorsque le synthétiseur de fréquence appartient à un dispositif soumis à un environnement vibratoire perturbé, la fréquence de référence issue du quartz est sujette à un bruit de microphonie. Ce bruit est recopié par la PLL, et amplifié selon un facteur donné par le rapport entre la fréquence du VCO et celle de la référence. La dégradation qui en résulte dans la pureté spectrale de l'oscillateur local provoque des erreurs dans les traitements de signal effectués au moyen de cet oscillateur local, qui peut nuire au bon fonctionnement du dispositif. When the frequency synthesizer belongs to a device subjected to a disturbed vibratory environment, the reference frequency coming from the quartz is subject to a noise of microphony. This noise is copied by the PLL, and amplified according to a factor given by the ratio between the frequency of the VCO and that of the reference. The resulting degradation in the spectral purity of the local oscillator causes errors in the signal processing carried out by means of this local oscillator, which can adversely affect the proper functioning of the device.
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Pour atténuer le phénomène de microphonie, il est possible d'installer l'oscillateur à quartz sur une monture mécaniquement amortie. Cette solution est peu efficace, particulièrement lorsque la place disponible pour disposer les amortisseurs est restreinte. To reduce the phenomenon of microphony, it is possible to install the quartz oscillator on a mechanically damped mount. This solution is not very effective, particularly when the space available to arrange the shock absorbers is limited.
Pour améliorer la robustesse du synthétiseur à la microphonte aux fréquences hautes (au-delà de 100 Hz, c'est-à-dire là où on rencontre le plus fréquemment des résonances mécaniques), il suffit théoriquement de filtrer le signal de référence R. Pour être efficace, ce filtrage doit avoir une faible bande passante (moins de 100 Hz). En pratique, un filtrage aussi étroit n'est pas réalisable aux fréquences de référence habituelles, ou sinon il faut utiliser un filtre à quartz qui subit le même problème de microphonie. To improve the robustness of the synthesizer to microbond at high frequencies (beyond 100 Hz, that is to say where mechanical resonances are most frequently encountered), it is theoretically sufficient to filter the reference signal R. To be effective, this filtering must have a low bandwidth (less than 100 Hz). In practice, such a tight filtering is not achievable at the usual reference frequencies, or otherwise it is necessary to use a quartz filter which suffers the same problem of microphony.
Une autre possibilité est de réaliser un filtrage très étroit vis-à-vis de la référence dans la boucle de phase du VCO. Pour être valable, cette solution très simple nécessite naturellement que le VCO ne soit pas lui-même microphonique. Pour les fréquences élevées, seuls les VCO utilisant des résonateurs à ondes de surface (SAW, Surface Acoustic Waves ) peuvent a pnori satisfaire ce critère. En effet, ces résonateurs SAW sont par construction beaucoup moins sensibles à la microphonie que les résonateurs à quartz. La raison en est que l'effet piézo-électrique est mis en oeuvre en surface et non en volume, la fixation de la lame de quartz n'intervenant pas sur cet effet. Another possibility is to carry out a very tight filtering with respect to the reference in the phase loop of the VCO. To be valid, this very simple solution naturally requires that the VCO is not itself microphone. For high frequencies, only VCOs using surface wave resonators (SAW, Surface Acoustic Waves) can meet this criterion. Indeed, these SAW resonators are by construction much less sensitive to microphony than quartz resonators. The reason is that the piezoelectric effect is implemented on the surface and not in volume, the fixing of the quartz blade does not intervene on this effect.
Malheureusement, la fréquence de l'OL ne peut pas être obtenue par un VCO à résonateur à ondes de surface, car les résonateurs SAW fabriqués Industriellement ne dépassent pas 1 GHz. De plus, ces résonateurs présentent des dérives en température notables, qui peuvent être excessives compte tenu de la plage étroite des fréquences corrigibles par le VCO utilisant ce type de résonateur.
Une autre possibilité encore est d'utiliser des PLL en cascade, selon le schéma de principe de la figure 2. Une première PLL 3 asservit un oscillateur SAW 4 à une fréquence intermédiaire (par exemple de l'ordre de 400 MHz) avec une bande passante étroite (par exemple de l'ordre de 10 Hz) Cette boucle 3 agit comme un filtre vis-à-vis des perturbations dues aux vibrations. Yet another possibility is to use cascaded PLLs, according to the block diagram in FIG. 2. A first PLL 3 controls a SAW oscillator 4 at an intermediate frequency (for example of the order of 400 MHz) with a band narrow bandwidth (for example of the order of 10 Hz) This loop 3 acts as a filter with respect to disturbances due to vibrations.
Une autre PLL 5 utilise comme référence le signal de sortie R'du VCO-SAW 4, pour asservir la phase du signal de sortie S du VCO-OL 2. Cette seconde boucle 5 présente une bande passante large, par exemple de l'ordre de 10kHz. Another PLL 5 uses the output signal R 'of the VCO-SAW 4 as a reference, to control the phase of the output signal S of the VCO-OL 2. This second loop 5 has a wide bandwidth, for example of the order of 10kHz.
Cette structure a pour inconvénient que la fréquence du VCO-OL n'est The disadvantage of this structure is that the frequency of VCO-OL is not
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pas en relation directe avec la fréquence de la référence TCXO. Dans certains cas, notamment si les variations de température sont importantes, il est nécessaire de faire varier les facteurs de division de la PLL étroite 3, de sorte qu'on est aussi obligé de faire varier ceux de la PLL large 5. Ces facteurs de division étant habituellement des entiers, on est pas sûr d'obtenir exactement la fréquence souhaitée de l'oscillateur local. not directly related to the frequency of the TCXO reference. In some cases, especially if the temperature variations are large, it is necessary to vary the division factors of the narrow PLL 3, so that one also has to vary those of the wide PLL 5. These factors division is usually integers, we are not sure to obtain exactly the desired frequency of the local oscillator.
Un but de la présente invention est de proposer un synthétiseur de fréquence ayant une meilleure stabilité en fréquence en environnement vibratoire. An object of the present invention is to provide a frequency synthesizer having better frequency stability in a vibrational environment.
L'invention propose ainsi un synthétiseur de fréquence comprenant : une source de fréquence de référence pour produire un signal de référence ; un premier oscillateur commandé en tension pour produire un premier signal hyperfréquence formant un signal de sortie du synthétiseur ; un second oscillateur commandé en tension pour produire un second signal hyperfréquence de fréquence plus basse que le premier signal hyperfréquence ; des premiers moyens de comparaison de phase entre le signal de référence et le premier signal hyperfréquence, ramenés dans une même gamme de fréquence par des premiers moyens de division de fréquence ; des premiers moyens de filtrage d'un premier signal de correction fourni par les premiers moyens de comparaison de phase, pour produire une première tension de commande appliquée au second oscillateur commandé en tension ; des seconds moyens de comparaison de phase entre les premier et second signaux hyperfréquence, ramenés dans une même gamme de fréquence par des seconds moyens de division de fréquence ; et des seconds moyens de filtrage d'un second signal de correction fourni par les seconds moyens de comparaison de phase, pour produire une seconde tension de commande appliquée au premier oscillateur commandé en tension. Les seconds moyens de filtrage ont une bande passante plus large que les premiers moyens de filtrage. The invention thus provides a frequency synthesizer comprising: a reference frequency source for producing a reference signal; a first voltage controlled oscillator for producing a first microwave signal forming an output signal from the synthesizer; a second voltage controlled oscillator for producing a second microwave signal of lower frequency than the first microwave signal; first phase comparison means between the reference signal and the first microwave signal, brought into the same frequency range by first frequency division means; first means for filtering a first correction signal supplied by the first phase comparison means, to produce a first control voltage applied to the second voltage controlled oscillator; second phase comparison means between the first and second microwave signals, brought into the same frequency range by second frequency division means; and second means for filtering a second correction signal supplied by the second phase comparison means, to produce a second control voltage applied to the first voltage-controlled oscillator. The second filtering means have a wider bandwidth than the first filtering means.
Les premiers moyens de comparaison de phase et de filtrage forment une boucle étroite qui compare la fréquence de référence à celle du signal synthétisé. Cette boucle étroite agit sur la fréquence du second VCO, qui peut avantageusement être de type SAW. Le second signal hyperfréquence qu'il délivre sert de référence à une seconde boucle à bande plus large comprenant les seconds moyens de comparaison de phase et de filtrage. The first phase comparison and filtering means form a close loop which compares the reference frequency to that of the synthesized signal. This narrow loop acts on the frequency of the second VCO, which can advantageously be of the SAW type. The second microwave signal which it delivers serves as a reference for a second wider band loop comprising the second phase comparison and filtering means.
Le second VCO recopie la stabilité à long terme de la référence issue The second VCO copies the long-term stability of the resulting reference
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du quartz, tandis que le premier VCO recopie la référence intermédiaire que constitue le second signal hyperfréquence, dans la limite de la bande passante de la boucle large. quartz, while the first VCO copies the intermediate reference that constitutes the second microwave signal, within the bandwidth limit of the wide loop.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 et 2, précédemment commentées, ont des schémas de synthétiseurs de fréquence selon la technique antérieure ; et - la figure 3 est un schéma d'un synthétiseur de fréquence selon l'invention. Other particularities and advantages of the present invention will appear in the description below of nonlimiting exemplary embodiments, with reference to the appended drawings, in which: FIGS. 1 and 2, previously commented on, have diagrams of synthesizers of frequency according to the prior art; and - Figure 3 is a diagram of a frequency synthesizer according to the invention.
Le synthétiseur de la figure 3 comprend un TCXO, un VCO-OL 2 et un VCO-SAW 4 du même genre que ceux décrits précédemment en référence aux figures 1 et 2. Le signal de référence issu du TCXO 1 est noté R, et les signaux hyperfréquence délivrés par les VCO 2 et 4 sont respectivement notés S et R'. The synthesizer of FIG. 3 comprises a TCXO, a VCO-OL 2 and a VCO-SAW 4 of the same kind as those described previously with reference to FIGS. 1 and 2. The reference signal originating from TCXO 1 is denoted R, and the microwave signals delivered by VCOs 2 and 4 are respectively denoted S and R '.
Le signal S a typiquement une fréquence supérieure à 1 GHz. The signal S typically has a frequency greater than 1 GHz.
A titre d'exemple, pour synthétiser une fréquence de 1421 MHz, on peut utiliser un TCXO à 20,46 MHz et un VCO-SAW à 434 MHz. For example, to synthesize a frequency of 1421 MHz, one can use a TCXO at 20.46 MHz and a VCO-SAW at 434 MHz.
Le synthétiseur comprend deux boucles d'asservissement de phase (PLL) 10,20. The synthesizer includes two phase control loops (PLL) 10,20.
La boucle étroite 10 a pour signal d'entrée le signal hyperfréquence S délivré par le VCO-OL 2 et pour référence le signal R issu du TCXO 1. Elle délivre une tension de commande C qui pilote le VCO-SAW 4. The narrow loop 10 has as an input signal the microwave signal S delivered by the VCO-OL 2 and for reference the signal R coming from the TCXO 1. It delivers a control voltage C which controls the VCO-SAW 4.
La boucle large 20 a également pour signal d'entrée le signal hyperfréquence S. Sa référence est le signal hyperfréquence R'délivré par VCO-SAW 4. Elle délivre une tension de commande C'qui pilote le VCO-OL 2. The wide loop 20 also has as an input signal the microwave signal S. Its reference is the microwave signal R 'delivered by VCO-SAW 4. It delivers a control voltage C ′ which controls the VCO-OL 2.
La largeur de bande de la PLL large 20 est de préférence plus de cent fois plus grande que celle de la PLL étroite 10. Avec les valeurs de fréquence mentionnées ci-dessus, la fréquence de coupure de la PLL 10 est par exemple de l'ordre de 10 Hz, et celle de la PLL 20 de l'ordre de 10 kHz. The bandwidth of the wide PLL 20 is preferably more than a hundred times greater than that of the narrow PLL 10. With the frequency values mentioned above, the cut-off frequency of the PLL 10 is for example of the around 10 Hz, and that of PLL 20 around 10 kHz.
Chaque PLL 10,20 comporte un diviseur de fréquence 11,21 recevant le signal hyperfréquence d'entrée S et un autre diviseur de fréquence 12,22 recevant la référence R, R'de la boucle. Un comparateur de phase 13,23 reçoit les signaux de sortie des diviseurs 11-12,21-22. La PLL 10,20 comprend enfin un filtre passe-bas 14,24 produisant la tension de commande C, C'à partir du signal de correction délivré par le comparateur de phase 13, 23. Les caractéristiques des filtres 14,24 sont choisies en tenant compte des Each PLL 10.20 comprises a frequency divider 11.21 receiving the input microwave signal S and another frequency divider 12.22 receiving the reference R, R ′ of the loop. A phase comparator 13,23 receives the output signals from the dividers 11-12,21-22. The PLL 10.20 finally comprises a low-pass filter 14.24 producing the control voltage C, C 'from the correction signal delivered by the phase comparator 13, 23. The characteristics of the filters 14.24 are chosen in taking into account
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facteurs de division de fréquence N1-N2, N3-N4 et des filtrages pouvant être réalisés en entrée des VCO et/ou en sortie des comparateurs de phase, de façon à réaliser les largeurs de bande souhaitées pour les deux PLL. frequency division factors N1-N2, N3-N4 and filtering that can be performed at the input of the VCOs and / or at the output of the phase comparators, so as to achieve the desired bandwidths for the two PLLs.
Les facteurs de division respectifs N1, N2, N3, N4 des diviseurs de fréquence 11,12, 21,22 sont choisis en fonction des fréquences nominales des trois oscillateurs 1,2, 4. Avec les valeurs de fréquence précédemment mentionnées, on peut par exemple prendre N1 = 1042, N2=15, N3 = 1120 et N4 = 342. The respective division factors N1, N2, N3, N4 of the frequency dividers 11,12, 21,22 are chosen as a function of the nominal frequencies of the three oscillators 1,2, 4. With the frequency values previously mentioned, it is possible by example take N1 = 1042, N2 = 15, N3 = 1120 and N4 = 342.
Afin de compenser les erreurs de fréquence dues à la fabrication (typiquement 180 ppm) et/ou au vieillissement des composants (typiquement 50 ppm), on peut prévoir que les facteurs de division N3, N4 appliqués par les diviseurs de fréquence 21,22 de la PLL large 20 soient réglables, par exemple sous le contrôle d'un micro-contrôleur non représenté. En revanche, les rapports N1 et N2 utilisés dans la PLL étroite 10 peuvent être fixes La capacité de régler les rapports N3 et N4 permet de limiter l'excursion en fréquence demandée au VCO-SAW 4, et donc de limiter sa sensibilité à la microphonie. In order to compensate for the frequency errors due to the manufacturing (typically 180 ppm) and / or to the aging of the components (typically 50 ppm), it is possible to provide that the division factors N3, N4 applied by the frequency dividers 21.22 of the large PLL 20 are adjustable, for example under the control of a micro-controller not shown. On the other hand, the N1 and N2 ratios used in the narrow PLL 10 can be fixed. The ability to adjust the N3 and N4 ratios makes it possible to limit the frequency excursion requested from the VCO-SAW 4, and therefore to limit its sensitivity to microphony. .
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