DE3150867C2

DE3150867C2 -

Info

Publication number: DE3150867C2
Application number: DE3150867A
Authority: DE
Inventors: Joel Paris Fr Remy
Original assignee: ADRET-ELECTRONIQUE TRAPPES FR
Current assignee: ADRET-ELECTRONIQUE TRAPPES FR
Priority date: 1980-12-31
Filing date: 1981-12-22
Publication date: 1987-09-17
Also published as: GB2092844B; FR2497425B1; DE3150867A1; US4458329A; GB2092844A; FR2497425A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Generator zum Erzeugen einer Schwingung mit variabler Frequenz, die sich aus einem ganzzahligen Vielfachen PN einer Grundfrequenz P und einem mit einer Frequenzsyntheseschaltung erzeugten Frequenzinkrement zusammensetzt, das seinerseits aus einer Grundfrequenz und einem in kleinen Schritten variablen Inkrement zusammengesetzt ist, mit einem ersten programmierbaren Frequenzteiler, der an den Ausgang der Frequenzsyntheseschaltung angeschlossen ist, mit einem ersten Phasenkomparator, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des ersten Frequenzteilers verbunden ist und dessen Ausgang an den Steuereingang eines spannungssteuerbaren Oszillators führt, mit einem ersten Mischer, dessen Eingängen die Grundfrequenz P und die Ausgangsfrequenz des spannungssteuerbaren Oszillators zugeführt wird, mit einem Bandpaßfilter, das den Ausgang des ersten Mischers mit dem zweiten Eingang des ersten Phasenkomparators verbindet, und mit einem an den Ausgang des ersten Oszillators angeschlossenen Frequenzvervielfacher.

Bei einer bekannten derartigen Schaltung (FR-PS 22 30 117) wird das von dem Oszillator in der ersten Phasenverriegelungsschleife erzeugte Rauschen multipliziert mit einem Faktor entsprechend der Zahl der großen Frequenzschritte in der zweiten Schleife.

Wenn dieser Faktor sehr hoch ist, also bei verhältnismäßig tiefer Grundfrequenz, um eine feine Frequenzunterteilung zu erhalten, wird das durch die Phasenverriegelungsschleife eingeführte Rauschen in hohem Maße vergrößert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Generatorschaltung zu schaffen, bei der das Rauschen nur um einen Faktor vergrößert wird, der wesentlich niedriger ist als ein der Anzahl der großen Frequenzschritte entsprechender Faktor.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Generator dadurch gelöst, daß der Frequenzvervielfacher als Oberwellengenerator ausgebildet ist, daß eine Rechenschaltung vorgesehen ist zum Erzeugen eines Teilungsverhältnisses NR + M zur Verwendung in dem ersten programmierbaren Frequenzteiler, wobei N und M ganzzahlige Variable sind und R eine vorgegebene ganze Zahl ist, daß eine Multiplizierschaltung zum Multiplizieren der Ausgangsfrequenz

des ersten spannungssteuerbaren Oszillators mit dem Faktor

vorgesehen ist und daß die Ausgangsfrequenz der Multiplizierschaltung als Ausgangsfrequenz des Generators verwendet wird.

Zwar ist es bereits bekannt, ein Teilungsverhältnis NR + M zu verwenden (rme, Jahrgang 44 (1978) 4, S. 136-139). Des weiteren ist auch bekannt, die Ausgangsfrequenz des spannungssteuerbaren Oszillators mit einem geeigneten Faktor zu multiplizieren (FR-PS 22 30 117), jedoch läßt sich hierdurch offensichtlich keine Verringerung des Rauschens erreichen. Wesentlich ist vielmehr hierfür, daß das durch die Frequenzsyntheseschaltung erzeugte Frequenzinkrement Fo + ε durch den Faktor NR + M geteilt wird, daß dieses Signal zu der Grundfrequenz P addiert wird, und daß die so gewonnene Zwischenfrequenz mit dem Faktor N + M/R multipliziert wird, d. h. mit einer Zahl, die den Bruch M/R enthält.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

Fig. 1 ist ein Schaltbild eines Frequenzgenerators;

Fig. 2 zeigt das Spektrum der Frequenzen in der Steuerschleife des Ausgangsoszillators der Frequenzsyntheseschaltung, und

Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Schaltungsvariante der Ausgangsstufe der Frequenzsyntheseschaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung eines Frequenzgenerators umfaßt eine Frequenzsyntheseschaltung 1 zum Erzeugen einer Frequenz Fo + ε, im folgenden auch Frequenzinkrement genannt, an die ein Frequenzteiler 2 angeschlossen ist mit dem Teilungsverhältnis NR + M, wobei N, R und M ganze Zahlen sind und R einen festen Wert hat. M kann positiv oder negativ ganzzahlig oder auch Null sein und Werte annehmen, deren Grenzen weiter unten noch definiert sind. Das Teilungsverhältnis NR + M ist programmierbar.

An den Frequenzteiler 2 ist ein Phasenkomparator 3 angeschlossen, dessen anderer Eingang von dem Ausgang eines ersten Mischers 4 angesteuert wird, dessen Eingänge von einer Grundfrequenz P und der Frequenz eines ersten spannungssteuerbaren Oszillators 5 angesteuert werden. Zwischen dem ersten Mischer 4 und dem Phasenkomparator 3 liegt ein Bandpaßfilter 6. Der Ausgang des Phasenkomparators 3 dient als Steuerspannung für den spannungssteuerbaren Oszillator 5.

Es ist ersichtlich, daß die Frequenz des ersten Oszillators 5 auf einen Wert Fi nachgesteuert wird, im folgenden Zwischenfrequenz genannt, so daß die Überlagerungsfrequenz Fi-P am Ausgang des ersten Mischers 4 gleich

ist, so daß sich ergibt:

Dabei ist vorausgesetzt, daß Fi größer als P ist.

An den Ausgang des ersten Oszillators 5 ist ein Frequenzvervielfacher angeschaltet in Form eines Oberschwellengenerators 7, der eine Reihe von Frequenzen erzeugt, welche das gesamte Frequenzspektrum im Bereich der gewünschten Ausgangsfrequenzen überdeckt, und die am Ausgang 80 eines zweiten spannungsgesteuerten Oszillators 8 auftreten. Die in einem zweiten Mischer 9 auftretende Zwischenfrequenz aus der Ausgangsfrequenz Fs des zweiten Oszillators 8 und der nächstliegenden Frequenz aus dem Spektrum des ersten Oberwellengenerators 7 wird in einem Bandpaßfilter 10 ausgesiebt und an einen Eingang eines zweiten Phasenkomparators 11 geleitet, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines zweiten Oberwellengenerators 12 verbunden ist, der über einen zweiten Frequenzteiler 13 mit dem Teilungsverhältnis R von der Zwischenfrequenz Fi des ersten Oszillators 5 gespeist wird. Der Ausgang des zweiten Phasenkomparators 11 ist mit einem Eingang des zweiten spannungsgesteuerten Oszillators 8 verbunden.

Wenn die Regelschleife, die die Frequenz des zweiten Oszillators 8 regelt, sich im eingeschwungenen Zustand befindet, ist offenbar:

woraus sich ergibt

worin N die Ordnung der Oberwelle des Oberwellengenerators 7 ist und M die Ordnung der Oberwelle aus dem zweiten Oberwellengenerator 12, für die die Zwischenfrequenz des zweiten Mischers 9 gleich der Frequenz der Oberwelle aus dem zweiten Oberwellengenerator 12 ist.

Wenn man in die Formel (2) den Ausdruck Fi aus der Formel (1) setzt, und wenn man voraussetzt, daß die Größen N und M in beiden Formeln identisch sind, dann ergibt sich:

In der Praxis kann P etwa einem Schritt von 10 MHz entsprechen, und das Inkrement ε kann zwischen 0 und 10 MHz variieren. Fo ist vorzugsweise ein Vielfaches von P oder von P/R.

Ein besonders günstiger Wert für R ist 5.

Die Frequenz Fo sei z. B. 20 MHz. Die von der Haupt-Frequenzsyntheseschaltung 1 erzeugte Frequenz variiert dann zwischen 20 und 30 MHz. Die Ausgangsfrequenz umfaßt dann eine Grundfrequenz

Fo/R = 4 MHz,

ein erstes Inkrement e/R, das zwischen 0 und 2 MHz variiert, ein zweites Inkrement mit N Schritten von 10 MHz sowie ein drittes Inkrement mit M Schritten von P/R = 2 MHz.

In Fig. 2 sind die aufeinanderfolgenden Oberwellen Fi N, Fi (N+1), Fi (N+2) des Frequenzspektrums des ersten Oberwellengenerators 7 durch vertikale Vektoren dargestellt. Die Überlagerungsfrequenz zwischen der Ausgangsfrequenz Fs und den Frequenzen dieses Spektrums ist M Fi/R, das heißt, daß die Frequenz Fs für R=5 durch vertikale Vektoren repräsentiert ist, die links und rechts von einer bestimmten Harmonischen liegen, etwa für Fi (N+1) in den Entfernungen M=-1, M=-2, M=-3 und M=+1, M=+2, M=+3 von diesen Harmonischen.

Wenn man erreichen will, daß die Ausgangsfrequenz Fs den gesamten Frequenzbereich zwischen 100 und 200 MHz in Schritten von 2 MHz überstreicht, dann muß man N zwischen 10 und 20 variieren, wobei ε/R die Differenz zwischen der Ausgangsfrequenz Fs und dem nächstliegenden Vielfachen von 2 MHz ist, und der Wert

welcher gleich

Fs - NP-ε/R
ist und ein Vielfaches von 2 MHz bildet, zwischen 0 und 8 liegt, das heißt, daß M die Werte -2, -1, 0, +1 und +2 annehmen kann.

Für M=0 liefert der zweite Mischer die Überlagerungsfrequenz 0, das heißt eine mit der Phase der Frequenz Fs variable Gleichspannung, die in dem zweiten Phasenkomparator 11 einfach wieder kopiert wird.

Wenn man von der Frequenz Fs das Inkrement ε/R von weniger als 2 MHz wieder abspaltet, läßt sich der Rest Fs-ε/R schreiben:

Fo/R + (NR + M) P/R,

also mit den angenommenen Werten:

4 MHz + 2 (NR + M).

Anders ausgedrückt ergibt sich das Teilungsverhältnis NR+M des Divisors 2 durch Abspalten von 4 MHz von dem Rest und durch Dividieren des Ergebnisses durch 2. Dieser Wert wird erzeugt mittels einer Rechnereinrichtung 14, die die oben angeführten Rechenoperationen ausgehend von der Ausgangsfrequenz Fs, die synthetisiert werden soll, wie folgt gewinnt:

- abspalten von Fo/R, also in diesem Fall von 4 MHz,
- teilen durch P/R, also in diesem Fall durch 2, wobei das Ergebnis das Teilungsverhältnis bildet, von dem aus die Recheneinrichtung 14 über die Leitungen 1401, 1402 und 1403 den Frequenzteiler 2 programmiert
- von dem Rest, der das Inkrement ε darstellt, wird über die Leitungen 1404, 1405 und 1406 die Haupt-Frequenzsyntheseschaltung 1 programmiert.

Der Aufbau der Recheneinrichtung 14 gehört zum Stand der Technik.

Im folgenden sind einige numerische Beispiele angegeben.

Für Fs=100 MHz ergibt sich

und ε=0, und mit N=10 ergibt sich M=-2.

Für Fs=200 MHz ergibt sich

und mit N=20 ergibt sich M=-2.

Für irgendeinen Zwischenwert, etwa

Fs = 123,567 MHz,

nimmt man

N = 12 und ε/R = 1,567, woraus sich

ergibt und also M=-1.

Die Frequenz am Eingang des Phasenkomparators 3 sei

so daß die Zwischenfrequenz Fi=10,4718 MHz ist. Am Ausgang des ersten Oberwellengenerators 7 entsteht u. a. die zwölfte Oberwelle von Fi, das ist 125,6614 MHz mit Fo=123,567 MHz, oder die subtraktive Zwischenfrequenz 2,0944 MHz. Diese Zwischenfrequenz gelangt an den zweiten Phasenkomparator 11 mit Fi/5 · M=2,0944 MHz.

Betrachtet man nunmehr Fig. 2, so erkennt man, daß der Bandpaßfilter 10 einen Durchlaßbereich aufweisen muß, der in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist, so daß die Überlagerungsfrequenzen entsprechend M=±2 noch durchgelassen werden, während die Überlagerungsfrequenzen entsprechend M=±3 ausgefiltert werden. Die Filterung ist daher leicht zu lösen, wenn man R=5 wählt, wie im vorliegenden Fall. Mit R=3,7 oder 9 usw. läßt sich das Filtern ebenfalls noch gut lösen, da man unabhängig von der Größe von R eine vergleichbare Situation hat wie in Fig. 2, wobei die Frequenzen

FiN + 2 Fi/5 und

Fi(N + 1) - 2 Fi/5

symmetrisch zu der Frequenz

FiN + Fi/2

liegen.

Es läßt sich jedoch zeigen, daß die Kodierung für die Programmierung des Frequenzteilers 2 komplizierter zu realisieren ist für von 5 verschiedene ungeradzahlige Werte von R. Wenn man für R den Wert 5 nimmt, ergibt sich also die günstigste Lösungsmöglichkeit.

Für geradzahlige Werte von R, etwa 8 oder 10, kann die Schaltung ähnlich arbeiten wie oben beschrieben, ausgenommen dann, wenn die gewünschte Frequenz einer Stellung der Regelschleife entspricht, die mittig zwischen zwei aufeinanderfolgenden Frequenzen Fi · N . . . Fi · (N+1) usw. liegt.

In diesem Fall, z. B. für R=10, fällt die Frequenz

Fi · N + 5 Fi/10

mit der Frequenz

Fi · (N + 1) - 5 Fi/10
zusammen, und die Trennung dieser beiden Frequenzen durch Filtern ist nicht möglich. Als Lösung hierfür bietet sich die in Fig. 3 dargestellte Schaltung an, die anstelle des entsprechenden Schaltungsteiles von Fig. 1 an den ersten Oszillator 5 angeschaltet wird. Diese Schaltung entspricht der Schaltung von Fig. 4 der FR-PS 23 05 888.

Die als Eingangsfrequenz verwendete Zwischenfrequenz Fi des ersten Oszillators 5 wird in dem Verdoppler 15 mit 2 multipliziert und normalerweise einem Frequenzteiler 16 mit dem Teilungsverhältnis 2 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Multiplikator 70 verbunden ist mit dem Vervielfachungsfaktor N, der wiederum einen Mischer 90 ansteuert, dessen anderer Eingang von einem Oszillator 81 angesteuert wird. Der Ausgang des Frequenzteilers 16 ist mit einem Frequenzteiler 130 mit dem Teilungsverhältnis R verbunden, auf den wiederum ein Multiplikator 120 mit dem Multiplikationsfaktor M folgt, dessen Ausgang einen Phasenkomparator 110 ansteuert. Der Ausgang des Mischers 90 ist über einen Filter 100 mit dem anderen Eingang des Phasenkomparators 110 verbunden, dessen Ausgang die Frequenz des Oszillators 81 steuert.

Die oben beschriebene Schaltung arbeitet für Frequenzen Fs, die nicht dem Wert M=5 entsprechen, wie diejenige von Fig. 1.

Für diejenigen Frequenzen Fs, die dem Wert M=5 entsprechen, öffnet die logische Schaltung 17 einen normalerweise geschlossenen Schalter 18 und schließt einen normalerweise offenen Schalter 19. Daraus ergibt sich, daß die Frequenz 2 Fi direkt auf den Eingang des Multiplikators 70 sowie den Eingang des Frequenzteilers 130 durchgeschaltet wird. Das am Ausgang des Multiplikators 70 auftretende Frequenzspektrum umfaßt also die Frequenzen 2 Fi, 4 Fi, 6 Fi . . ., so daß die Filterung leicht durchgeführt werden kann.

Es sei hervorgehoben, daß sowohl die Schaltung nach Fig. 1 als auch die gemäß Fig. 3 modifizierte Schaltung nur funktionieren können, wenn man vorher die Frequenz des letzten Oszillators 8, 81 auf einen Wert nahe Fs eingestellt hat, so daß die entsprechende Regelschleife in ihrem Fangbereich arbeitet.

Die Annäherung der Oszillatorfrequenz des letzten Oszillators kann auf verschiedene Weise vorgenommen werden. Für Ausgangsfrequenzen in der Größe von Gigahertz kann der letzte Oszillator 8, 81 durch Analogtechniken auf die Frequenz grob eingestellt werden. Für niedrigere Frequenzen wird vorzugsweise eine Regelschleife mit numerischer Annäherung gewählt, etwa gemäß der FR-PS 15 85 829.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist die Regelschleife für die numerische Annäherung an die Frequenz besonders einfach ausgebildet und umfaßt den fünften Frequenzteiler 20 mit dem Teilungsverhältnis P, den zweiten Frequenzteiler 13, den dritten Phasenkomparator 21, den dritten Frequenzteiler 22 mit dem Teilungsverhältnis P, den zweiten Oszillator 8, den vierten Frequenzteiler 23 mit dem Teilungsverhältnis NR + M, das durch die Recheneinrichtung 14 programmierbar ist, und einen Schalter 24, der die Regelschleife einzuschalten gestattet, wenn die Annäherung an die bestimmte Frequenz vollendet ist, das heißt bei:

Fs/P (NR + M) = Fi/RP

woraus sich ergibt

Man erkennt, daß die in der Regelschleife des zweiten Oszillators 8 auftretenden Frequenzen sämtlich Brüche von Untervielfachen der Oszillatorfrequenz sind. Daraus ergibt sich, daß keine Koinzidenz oder Quasikoinzidenz zwischen Oberwellen dieser Frequenzen und der Ausgangsfrequenz auftreten kann und daß jede tieferfrequente Überlagerungsfrequenz, die die Spektraleinheit des Ausgangssignals beeinflussen könnte, nicht auftreten kann.

Claims

1. Generator zum Erzeugen einer Schwingung mit variabler Frequenz, die sich aus einem ganzzahligen Vielfachen PN einer Grundfrequenz P und einem mit einer Frequenzsyntheseschaltung (1) erzeugten Frequenzinkrement zusammensetzt, das seinerseits aus einer Grundfrequenz Fo und einem in kleinen Schritten variablen Inkrement ε zusammengesetzt ist, mit einem ersten, programmierbaren Frequenzteiler (2), der an den Ausgang der Frequenzsyntheseschaltung angeschlossen ist, mit einem ersten Phasenkomparator (3), dessen erster Eingang mit dem Ausgang des ersten Frequenzteilers (2) verbunden ist und dessen Ausgang an den Steuereingang eines spannungssteuerbaren Oszillators (5) führt, mit einem ersten Mischer (4), dessen Eingängen die Grundfrequenz P und die Ausgangsfrequenz des spannungssteuerbaren Oszillators (5) zugeführt wird, mit einem Bandpaßfilter (6), das den Ausgang des ersten Mischers (4) mit dem zweiten Eingang des ersten Phasenkomparators (3) verbindet, und mit einem an den Ausgang des ersten Oszillators angeschlossenen Frequenzvervielfacher, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzvervielfacher als Oberwellengenerator (7) ausgebildet ist, daß eine Rechenschaltung (14) vorgesehen ist zum Erzeugen einer Teilungsverhältnisses NR + M zur Verwendung in dem ersten programmierbaren Frequenzteiler (2), wobei N und M ganzzahlige Variable sind und R eine vorgegebene ganze Zahl ist, daß eine Multiplizierschaltung zum Multiplizieren der Ausgangsfrequenz des ersten spannungssteuerbaren Oszillators (5) mit dem Faktor vorgesehen ist und daß die Ausgangsfrequenz der Multiplizierschaltung als Ausgangsfrequenz des Generators verwendet wird.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene ganze Zahl R ungerade ist.

3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene ganze Zahl R=5 ist.

4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Ausgang des ersten spannungssteuerbaren Oszillators (5) angeschlossene Multiplizierschaltung einen ersten Oberwellengenerator (7) umfaßt, der die Zwischenfrequenz des ersten Oszillators um den Faktor N erhöht und dessen Ausgang an einen Eingang eines zweiten Mischers (9) angeschlossen ist, dessen anderer Eingang von dem Ausgang eines zweiten spannungssteuerbaren Oszillators (8) angesteuert wird, ferner einen zweiten, an den Ausgang des ersten Oszillators (5) angeschalteten Frequenzteiler (13) mit dem Teilungsverhältnis R, an dessen Ausgang ein zweiter Oberwellengenerator (12) angeschaltet ist zum Erzeugen des Vielfachen M der Frequenz Fi/R, und einen zweiten Phasenkomparator (11), der von dem zweiten Oberwellengenerator (12) und dem Ausgang des zweiten Mischers (9) angesteuert ist und dessen Ausgang mit dem Steuereingang des zweiten spannungssteuerbaren Oszillators (8) verbunden ist.

5. Generator nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Frequenzverriegelungsschleife für den zweiten Oszillator (8), die einen dritten Frequenzteiler (22) mit dem Teilungsverhältnis B umfaßt, der an den Ausgang des zweiten Oszillators (8) angeschlossen ist und an den ein vierter Frequenzteiler (23) für das Teilungsverhältnis NR + M angeschaltet ist, dessen Ausgang einen Eingang eines dritten Phasenkomparators (21) ansteuert, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines fünften Frequenzteilers (20) mit dem Teilungsverhältnis B, dessen Eingang an den Ausgang des zweiten Frequenzteilers (13) angeschaltet ist, verbunden ist, und daß der Ausgang des dritten Phasenkomparators (21) mit einem anderen Steuereingang des zweiten Oszillators (8) über einen Schalter (24) verbunden ist.

6. Generator nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene ganze Zahl R gerade ist und daß die Ausgangsfrequenz (Fi) des ersten spannungssteuerbaren Oszillators (5) um den Faktor 2 vervielfacht ist für alle Werte der Ausgangsfrequenz, für die der den Bruchteil M/R I der Ausgangsfrequenz darstellende Anteil der halben Ausgangsfrequenz Fi entspricht.