JPH07506235A - 高速復帰周波数シンセサイザー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 高速復帰周波数シンセサイザー 発明の分野 本発明は、位相ロックループ（ＰＬＬ）をｆｌするタイプの周波数シンセサイザ ーに関し、より訂細には、乱れを抑制しながら迅速に周波数を切り換えてきる改 良された周波数シンセサイザーに関する。

発明のＩＹ景 位相ロックループは一般に、位相検出器と、フィルタと、電圧制御発振器（ＶＣ ｏ）を含む周知の回路である。位相検出器には安定した人力信号、すなわち基準 信号か印加され、位相検出器は人力信号と電圧制御発振器の出力とを比較するよ うになっている。位＋４１検出器の出力信号は入力信号と電圧制御発振器の出力 信号との位相差を示す。位相検出器の出力信号は浦波（フィルタ処理）される。

このフィルタで処理された信号は電圧制御発振器を制御し、電圧制御発振器の周 波数か安定入力信号の周波数をトラッキングするようにエラー信号として使用さ れる。

図１に示されたＰＬＬＩ　Ｏを有する周波数シンセサイザーを使用して注意深く 決定された周波数ｆ　ｗｅ。を（■する異る信号発生することは、当業者には周 知である。ＰＬＬＩ　ｏは入力信号ｆ　ｔｅａｌを発生する水晶周波数源にロッ クされた制御可能な発振器ＶＣＯ１４を含む。ＶＣＯ信号ｆ　ｗｅ。の周波数は 一般に周波数ｆ、を１７する（、７号を１ｑるのに、除数Ｎを仔する制御可能な 分周器１５により分周される。

その後、信号ｆ、は、除数Ｒを有する分周器１１により水晶周波数源からの入力 信号ｆ□１を分周することにより生した基準信号ｆ７．．と比較される。位相検 出器１２における周波数ｆ１．．を存する信号とｆ、を存する信号との比較によ り、制御信号すなオ）もエラー信号Ｅか発生する。この制御信号Ｅは信号ｆ、。

、およびｆ、から生じた１３３成分を除くよう、フィルタ１３によりフィルタ処 理される。

フィルタ処理された信号Ｕはバランス状態に達するよう（ｆ、ｅ、＝ｆ□１ＸＮ 　十Ｒ）、ＶＣＯ１４を制御する。異なる除数ＮおよびＲをそれぞれ選択するこ とにより、比較的高い精度で異なる周波数を得ることができる。

このタイプの周波数シンセサイザーでは、除数ＲおよびＮを選択することにより 周波数を変えることかできる。新しい周波数を選択した後バランス状態に達する まで、所定の時間かかかる。この時間の長さはフィルタ１３によって、通常決ま る。多くの使用例では、安定した出力信号ｆ　ｌ１ｅ６に迅速に達する必要があ る。

従って、フィルタ１３は比較的広いバント幅を存するように設Ｊ１シなければな らない。

基準周波数ｆ１０．に関するフィルタのバント幅は、ｆ　、、、およびｆ、がら どれたけ大きい乱れかＶＣＯ１４にリークするかも決定する。従ってフィルタＩ ３および基準周波数ｆ１．ｌは■ＣＯ出力信号ｆ１、。における乱れのレベルを 決定する。

最小チャンネルの間隔は基準周波数１７．１以上にする必要かある。従って、純 粋な信号に対する条（′１と、比較的迅速にロックインし、比較的密なチャンネ ル間隔にすることに対する条件とは矛盾することになる。

この矛盾を鼾決するための、公知の解決案として、ロックインプロセス中に位相 ロックループのパンｉ・幅を切り換える方法がある。位相ロックループかロック された条件を必要とするか、または小さい位相エラーか得られると、バント幅を 比較的広い値から狭い値へ切り換える。しかしなから上記方法はある欠点かある 。

切り換えの瞬間を判断しなければならず、切り換え可能なループ式フィルタばか りでなくかかる↑り断を行う装置およびスイッチング自体を構成しなければなら ない。その池の方法、例えばＶＣＯを制御するフィルタにおける電圧をプリセッ トするような方法ら知られている。これら方法のほとんとは、位相ロックループ がロックインするプロセスをスピードアップし、ロックした状態中にループを狭 く維持するのに余分な部品か必要となる。従って、多数の余分な部品をシステム に加えることなく、乱れのレベルを低くしたまま迅速なロックインを行うことか できる、新しい位相ロックループに対する要求がある。

従来の周波数シンセサイザーの別の問題は、周波数シンセサイザーの部品を調節 しなけれはならないことである。位相ロックループのあるパラメータは、常時１ １確に知られているわけてはないので、Ｊｊ４波数シンセサイザーの伝達関数は 正確にｒ利することは１月難である。この結果、コンデンサと同様に、位相ロッ クループの部品し調節しなけれはならず、周波数シンセサイザーの性能を最適に するには費用のかかることである。従って、最適な性能を得るのに、調節か不要 な周波数シンセサイザーに対する要求かある。

開示のａ要 本発明は、周波数を高速で変えることかできる位相ロックループタイプの周波数 ンンセ→）−イザーを提供するものである。このノンセサイ→ノ゛−はバント幅 か狭いので、乱れのレベルは低い。このノンセサイ→ノ゛−は密なチャンネル間 隔を有することしてきる。シンセサイザーは明らかに余分な部品を有せず、プル ゼロ相殺方法として知られている方法を用いる。本発明は、閉ループの伝達関数 の一つ以上の極を周波数変更により導入されたゼロにより相殺するように、位相 ロックループの周波数を変える。従って、技術レベルに従って設Ｊ１されたＰＬ Ｌシンセサイザーと対照的に、この真の位ＩＩロックループ最適化法は、位相ロ ックループ自体を含むたけてなく、切り換えを行う方法も含む。切り換え能力は 、はとんどすべてのシンセサイザーて固ｆ１°のものであるのて、本発明を実施 するのに、仮に余分／ｊ部品を必要とするとしても極くわずかしか必要でない。

本発明ではある周波数から別の周波数に単にスイッチングするのでなく、シンセ サイザーは新しい周波数に段階的にスイッチングされる。このスイッチング関数 のステップは、５Ｉｎされ、および／またはコン１−ローラユニット内のメモリ に記憶される。従って、かなり狭いループバントを備えた位相ロックループは、 限度時間内にほぼ所望の周波数にセトリングすることかできる。位相ロックルー プは新しい周波数に急速にセトリングするが、小さい残留位相、すなわち周波数 エラーも生じ？する。しかしながらこの小さいエラーは級数的になくなる。従来 の周波数７レセサイザーではロックインプロセスは、完全周波数シフトに等しい エラーから始まる指数的漸近線状に減衰する周波数エラーに沿って進行する。

別の実施例では、本発明は性能をＪｉｔａにするのに位相ロックループの部品を 調節する必要かない周波数シンセサイザーを開示している。本発明では、周波数 シンセサイザーの周波数をまず従来のように、すなわち−回のステップでスイッ チングする。次に位相ロックループの応答を測定し、このレスポンスからスイッ チング関数のステップをδｌｆ’ｆ、する。この結果、位相ロックループのハー ドウェアを調節することな（、周波数シンセサイザーの性能を最適化できる。

図面の簡単な説明 添ｆ：１図面と共に、次の説明を読めば、当業者には本発明のこれらの特徴およ び利、古、およびそれ以外の特徴および利点が容易に明らかとなる。

第１図は、従来の位相ロックループ周波数シンセサイザーのブロック図である。

第２図は、本発明の一実施例の位相ロックループ周波数シンセサイザーのブロッ ク図である。

第３図は、本発明に係わる実施例と比較される従来のシンセサイザーの時間に対 する出力周波数の図である。

第４図は、本発明および従来の時間に対する制御入力周波数の図である。

第５図は、本発明の別の実施例の位相ロックループ周波数シンセサイザーの図で ある。

好ましい実施例の説明 次に第２図を参照する。このブロック図は、本発明の一実施例の周波数シンセサ イザ−２０を示している。この周波数シンセサイザー２０は水晶発振器または他 の適当な周波数源により発生された入力信号ｆ□１に応答する。この信号ｆ　ｆ ｆ１ａｌは分周器２１に印加され、分周器２１は除数Ｒによりこの信号を割り、 適当な基準信号ｆ７．．を発生する。この適当な基準信号ｆ１．．は、位相検出 器２２に印加される。位相検出器２２は基準信号ｆ１１．の周波数と、下記の第 ２分周器２５により出力される信号の周波数を比較する。位相検出器２２はエラ ー信号Ｅを発生し、このエラー信号はフィルタ２３へ出力される。位相検出器２ ２の出力は、フィルタ２３てフィルタ処理され、ＶＣＯ２４へ印加され、信号ｆ １１．を発生する。信号ｆ、２．は次に分周器２５へ印加され、分周器２５はこ の信号を除数Ｎて割り、（Ｈ号ｆ、を発生する。信号ｆ、は、位相検出器２２へ 印加され、ここで信号ｆ１．．と比較される。位相検出器２２の出力は、信号ｆ 　ｒａｔとｆ、との位相差を示すエラー信号Ｅである。エラー信号Ｅはフィルタ 処理され、フィルタ信号Ｕを発生ずるか、このフィルタ信号ＵはＶＣＯ２４の制 御に使用される。本発明ではシンセサイザーは一連のステップを経である周波数 がら別の周波数に切り換えられる。これらステップはｊｉ算されており、制御ユ ニット２６に記憶されている。

本発明の好ましい実施例では、位相ロックループ周波数シンセサイザーは閉ルー プのｆｚＪ関数またはエラー関数のすへての主極か同し値にあり、虚数部分は含 まなしＶンセサイザーである。しかしながら本発明は、実数の極しか存しない位 相ロックループ１云達関数に限定されるものではない。複素庵は、人力制御関数 においてステップかより少ないという利点をもたらすが、独立した周波数ステッ プ時間および振＋ｌ＋値を必要とする。あるチャンネルから別チャンネルに周波 数が変わるには、相段ず−＼き極と同し数だけのステップを必要とする。従って 例えば３次の位相ロックルーブンンセサイサーは、現在の周波数から所望の周波 数へ変更するのに４つのステップを必要とすることになる。こ第１らステップ数 は位相ロックループのエラーまたは伝達関数における極に一致しなけれはならな いゼロに対応する永続性および振ＩＩ＋によって構成されている。最終ステップ を実行した後は、周波数または位相エラーかほぼゼロとなる。

次に」−記プロセスの一例について述へる。第３図は従来の周波数シンセサイザ ーおよび本発明の周波数シンセサイザーのセトリング時間を示す。本例では、３ 次の位相Ｕノクループノンセザイサーの周波数が周波数ｆｌから周波数ｆ２に変 化する。従来の位相ロソクルーブシンセザイザーでは、周波数ｆｌがら周波数ｆ ２に変更するのに一つのステップしか実行しない。

しカルなから、本発明に係オ）る位相ロックループでは、図４に示すように４つ のステップＤＬＤ２、Ｄ３およびＤｉにて周波数の変更を行う。その振１１１が 次のように選Ｕくされるとすれば、 Ｄｉ−Ｄ４／（１−ａ）’ Ｄ＞Ｄｉ（１−３ａ）／（１−ａ）’ Ｄ３−Ｄ４（１−３ｍ＋３ａ勺／（１−ａ）３Ｄ４１−ｆ２−ｆｌ ここてａ　＝　Ｉ　／　ｅてありｅ−自然対数の底である、周波数の変化の関数 は次のように示すことかできる。

Ｄ４ｍ（１−ａｓ−”）’／５（１−、）！　（式ｌ）ここでＳ−ラプラス演算 子、劃−個々の入力周波数のステップの時間である。この関数は、位相ロツタル ーブの入力であり、このループのイ」関数は次のようになる。

Ｍｌ殺すべき極は、Ｓ”−Ｃにあり、ここてＣ二極の周波数である。本例ては、 Ｔ＝ｌ／ｃを使用した。式２を乗算した場合、式１から生じる位相ロックループ の作動により、３Ｔに等しい限られた時間の後に、ｆｖ、、＝Ｄ４＋ｆ　ｌか生 しる。

七口極を相殺する方法は、多くの方法て自然に実行できろ。すなわち基準分周器 における分周比Ｒを変えるか、または分周器における分周比Ｎを変えるかのいず れかにより、ｆｌ、。を変える方法により行うことができる。本発明の周波数シ ンセサイザーのセトリング時間は、第３図において曲線３２て示される。曲線３ ２と曲線３０とを比較することにより判るように、シンセサイザーの周波数は一 つのステップでなくて、一連のステップで周波数変更を行うと、より速く所望の 周波数に安定する。

次に第５図を参照する。このブロック図は本発明の別の実施例の周波数シンセサ イザーを示している。本発明のこの実施例では、位相ロックループの部品を調節 することなく、周波数シンセサイザーのせ１−リング時間を最適化できる。本発 明の利点をフルに活用するため、一連のステップのスイッチング関数を周波数シ ては、周波数シンセサイザー 数に切り換えられ、次にスイッチング関数のステップを５１算する。

次に、周波数シンセサイザ−５０の作動について説明する。この周波数シンセサ イザー５０は水晶発振器または池の適当な周波数源により発生された入力信号ｆ 、、、、にＬｌ、：答できる。この信号−ｆ　！ｍｍｌは、分１７ｉ器５Ｉに印 ＩＪ１１され、分周器５１は信号を除数Ｒて割り、適当な基準信号ｆ１．．を発 生する。この適当な基準信号ｆ１．．は位相検出器５２に印１」１１される。位 相検出器５２は、基準信号ｆ、□の周波数と、下記の第２分周器５５により出力 される信号の周波数とを比較する。

位相検出器５２は、エラー信号Ｅを発生し、この信号はフィルタ５３へ出力され る。位相検出器５２の出力は、フィルタ５３によりフィルタ処理され、ＶＣＯ５ ４・“・印加され、信号ｆ１、。を発生する。次にこの信号ｆ　ｗｃｅは分周器 ５５へ印加され、この分周器５５はこの信号を除数Ｎて割り、信号ｆ、を発生す る。この信号ｒ、は（＋７８　！検出器５２へ印１１１１され、ここでこの信号 は（ｉＴｈ’）ｆ、、Ｉと比較される。

位相検出器５２の出力は、信１７　ｆ、□とｆ、どの位相差を示すエラー信号Ｅ である。このエラー信号Ｅはフィルタ処理され、ＶＣＯ５４を制御するのに使用 されるフィルタ信号Ｕとなる。本実施例では、エラー信号Ｅは記録、４１算ユニ ツト５７へ送られ、二こに記憶される。別の実施例では、エラー信号Ｅは、制御 ユニット５Ｇへ送られ、このユニットに記録される。

本実施例ては、周波数シンセサイザ−５０の周波数か一回のステップて所望の周 波数に切り換えられる際に、周波数シンセサイザ−５０の応答をθ１定する。周 波数を変える際に、位Ｎ１検出器５０により位相エラーを検出し、記録／計算ユ ニット５７にエラー信号またはステップ応答か記録される。公知のいくつかの方 法のうちの一つを用いることにより、記録されたデータから記録／計算ユニット ５７て最適なソリーズの周波数ステップをｉｔ［できる。例えばシステムのふる まいを特ｒｊ１ｆ１゛けるのにステップ応答を用いるシステムの入出力関係を記 述するデュハメル（Ｄｕｈａｍｅｌ　）重ね合わせ積分を用いることにより、周 波数ステップを計算できる。これとは異なり、高速フーリエ変換法を用いて周波 数ステップを計算することもてきる。次に周知の曲線適合方法により、位相ロッ クループの生じた伝達関数の定数を決定し、記録された位相エラーに最もよく合 わせることかてきる。

ｎｆ＆に、制圓ユニッｌ□　５６　ｔ、’：５ｉ′ｎされたステップを記憶し、 その後使用する場合、そこから再呼び出しすることかできる。

量子で好ましい実施例を参照して本発明について説明したが、これまで用いた用 語は本発明を限定するものではなく、本発明を説明する用語であり、更に広義の 本発明の真の範囲および精神から逸脱することなく、添ｆ−１シた請求の範囲を 検討することにより変形か可能であると理解すべきである。

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. １．位相ロックループを使用して基準信号にロックされる選択可能な出力周波数 を有する信号発生器であって、 基準信号を発生する第１分周器と、 基準信号と第２信号からエラー信号を発生するための位相検出器と、エラー信号 をフィルタ処理してエラー信号から信号成分を除く、フィルタと、前記フィルタ 処理されたエラー信号から出力信号を発生するための電圧制御発振器と、 発振器の出力信号を分周して第２信号を発生する、第２分周手段と、制御ステッ プで前記信号発生器の出力周波数を変えて選択された出力周波数を迅速に得る手 段とを備え、出力周波数を変えるための制御ステップは信号発生器の伝達関数に おける少なくとも一つの極をほぼ相殺する長さおよび振幅を有する信号発生器。
2. ２．極−ゼロ相殺法を用いて発化器の伝達関数における少なくとも一つの極を相 殺する請求項１記載の信号発生器。
3. ３．第１分周器の分周比を変更することにより、出力信号を変える請求項１記載 の信号発生器。
4. ４．第２分周器の分周比を変更することにより、出力信号を変える請求項１記載 の信号発生器。
5. ５．周波数変更により生じたゼロにより、伝達関数の少なくとも一つの極を相殺 する請求項１記載の信号発生器。
6. ６．出力周波数を変えるためのステップを制御ユニットて計算する請求項１記載 の信号発化器。
7. ７．出力周波数を変えるためのステップを制御ユニットに記憶する請求項１記載 の信号発化器。
8. ８．出力周波数を変えるためのステップ数は、信号発生器の伝達関数における極 の数に等しい請求項１記載の信号発生器。
9. ９．第１除数により入力信号を分周して基準信号を発生する第１分周手段と、前 記基準信号と第２信号からエラー信号を発生する位相検出手段と、エラー信号を フィルタ処理してエラー信号から信号成分を除くフィルタ手段と、前記フィルタ 処理されたエラー信号から出力信号を発生する電圧制御発振手段と、 第２除数により出力信号を分周して第２信号を発生する第２分周手段と、制御ス テップて出力周波数を変えて選択された出力周波数を発生する制御手段とを備え 、出力周波数を変えるための制御ステップは周波数シンセサイザーの伝達関数に おける少なくとも一つの極をほぼ相殺する長さおよび振幅を有する周波数シンセ サイザー。
10. １０．極−ゼロ相殺法を用いて発生器の伝達関数における少なくとも一つの極を 相殺する請求項９記載の周波数シンセサイザー。
11. １１．第１分周手段の分周比を変更することにより、出力信号を変える請求項９ 記載の周波数シンセサイザー。
12. １２．第２分周手段の分周比を変更することにより、出力信号を変える請求項９ 記載の周波数シンセサイザー。
13. １３．周波数変更により生じたゼロにより、伝達関数の少なくとも一つの極を相 殺する請求項９記載の周波数シンセサイザー。
14. １４．出力周波数を変えるためのステップを前記制御ユニットで計算する請求項 ９記載の周波数シンセサイザー。
15. １５．出力周波数を変えるためのステップを前記制御ユニットに記憶する請求項 ９記載の周波数シンセサイザー。
16. １６．出力周波数を変えるためのステップ数は、信号発生器の伝達関数における 極の数に等しい請求項９記載の周波数シンセサイザー。
17. １７．位相ロックループを使用して基準信号にロックされる選択可能な出力周波 数を有する信号発生器であって、 基準信号を発生するための第１分周器と、基準信号と第２信号からエラー信号を 発生するための位相検出器と、エラー信号をフィルタ処理してエラー信号から信 号成分を除くフィルタと、フィルタ処理されたエラー信号から出力信号を発生す る電圧制御発振器と、発振器の出力信号を分周してだ第２信号を発生する第２分 周器と、前記信号発生器の出力周波数を一回のステップで所望の周波数に変えた 際の、前記位相検出器により検出されるエラー信号を記録し、この記録信号から スイッチング関数のための一連のステップを計算する第１手段と、前記スイッチ ング関数の前記ステップを記憶する記憶手段と、前記一連のステップで周波数を 切り換えることにより、前記信号発生器の出力周波数を前記所望の周波数に変え る制御手段とを備えた信号発生器。
18. １８．出力周波数を変えるためのステップは、信号発化器の伝達関数における少 なくとも一つの極を相殺する長さおよび大きさを有する請求項１７記載の信号発 生器。
19. １９．極−ゼロ相殺法を用いて発生器の伝達関数における少なくとも一つの極を 相役する請求項１７記載の信号発生器。
20. ２０．第１分周器の分周比を変更することにより、出力信号を変える請求項１７ 記載の信号発生器。
21. ２１．第２分周器の分周比を変更することにより、出力信号を変える請求項１７ 記載の信号発生器。
22. ２２．周波数変更により化じたゼロにより、伝達関数の少なくとも一つの極を相 殺する請求項１８記載の信号発生器。
23. ２３．出力周波数を変えるためのステップを制御ユニットで計算する請求項１７ 記載の信号発生器。
24. ２４．出力周波数を変えるためのステップを制御ユニットに記憶する請求項１７ 記載の信号発生器。
25. ２５．出力周波数を変えるためのステップ数は、信号発生器の伝達関数における 極の数に等しい請求項１７記載の信号発生器。
26. ２６．前記スイッチング関数の前記ステップは、デュハメル重ね合わせ積分を用 いて計算される請求項１７記載の信号発生器。
27. ２７．前記スイッチング関数の前記ステップは、高速フーリエ変換法を用いて計 算される請求項１７記載の信号発生器。
28. ２８．前記第１手段、前記記憶手段および前記制御手段は単一手段に含まれる制 御手段１７記載の信号発生器。
29. ２９．選択可能な出力周波数は、周波数ロックループを用いて基準信号にロック される請求項１記載の信号発生器。
30. ３０．選択可能な出力周波数は、周波数ロックループを用いて基準信号にロック される請求項１７記載の信号発生器。