DE19533123C2 - Signalgenerator zur Erzeugung eines linear frequenzmodulierten Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Signalgenerator zur Erzeugung eines linear frequenzmodulierten Signals.

Aus dem Stand der Technik C. H. Free et al Microwave oscillator control using a switched delay-line technique, IEEE MTT-S Digest, S. 79-82, 1995 ist eine Anordnung zur Stabilisierung der Frequenz eines Oszillators bekannt. Die in diesem Dokument gezeigte Anordnung beschränkt sich jedoch auf die Stabilisierung einer bestimmten Frequenz.

In der DE 33 42 057 C2 ist ein FM-CW-Radargerät beschrieben, bei dem ein Signalgenerator mit einer linearen Modulations­ charakteristik verwendet wird. Dessen Sendeoszillator wird von einem Modulator sägezahnförmig moduliert. Eine Meßeinheit überwacht dabei die Linearität der Frequenzmodulation. Dazu ist in dieser Meßeinheit ein Mischer vorgesehen, dem das fre­ quenzmodulierte Signal an einem Eingang unverzögert und an einem weiteren Eingang zeitlich verzögert zugeführt wird. Eine dem Mischer nachgeschaltete Regeleinheit sorgt dann für die Linearisierung des Sägezahnsignals.

In der DE 41 15 700 A1 ist eine reflektive Verzögerungslei­ tung in Oberflächenwellentechnik beschrieben. Eine derartige Verzögerungsleitung dient z. B. dazu, ein über den Eingangs- /Ausgangs-Interdigitalwandler eingespeistes Hochfrequenzsi­ gnal zu speichern und zu bestimmten Zeiten einen vorgegebenen konstanten Teil der gespeicherten Energie an den Eingangs- /Ausgangs-Interdigitalwandler zu reflektieren. Das hat bei­ spielsweise den Zweck, das eingespeiste Hochfrequenzsignal zu Erkennungszwecken in einen Bit-Code zu überführen.

In der DE 34 38 053 A1 ist eine Vorrichtung zum Kompensieren von Nichtlinearitäten in einem frequenzmodulierten Signal be­ schrieben. Diese Vorrichtung umfaßt ein Verzögerungselement, das das erste Signal empfängt und ein zweites verzögertes Si­ gnal erzeugt, einen Signalmischer, der das erste und das zweite Signal zusammenmischt und ein drittes Signal erzeugt, das Frequenzen aufweist, die die Summe und die Differenz der Frequenzen des ersten und zweiten Signales sind, und eine Einrichtung, die auf das dritte Signal anspricht und ein Ab­ tastsignal mit einer Frequenz erzeugt, die von der Frequenz des dritten Signals abhängt. Dieses Abtastsignal bestimmt die Zeitpunkte, zu denen sich die Frequenz des ersten Signals um einen vorbestimmten Betrag geändert hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Signalgenerator zur Erzeugung eines möglichst linear frequenzmodulierten Signales anzugeben.

Die Aufgabe wird durch einen Signalgenerator gemäß dem Patentan­ spruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Weil die Regelung nach Anspruch 3 analog aufgebaut ist, hat sie gegenüber einer digitalen Regelung den Vorteil in der Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht durch die maximal mögliche Abtastrate begrenzt zu sein. Zusätzlich ist der Schaltungsaufwand geringer.

Eine digitale Verarbeitung gemäß Anspruch 4 bietet im allgemeinen eine höhere Flexibilität in der Regleranpassung. Weiterhin kann eine Nichtlinearität in der Kennlinie des spannungsgesteuerten Oszillators unter Umständen exakter kompensiert werden als dies mit analogen Mitteln möglich ist.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Signalgenerators.

Fig. 2 zeigt ein Frequenz-Zeit-Diagramm in dem ein linear frequenzmoduliertes Signal und dasselbe Signal zeit­ lich verzögert dargestellt sind.

Fig. 3 zeigt ein Frequenz-Zeit-Diagramm in dem ein nicht li­ near frequenzmoduliertes Signal und dasselbe Signal zeitlich verzögert dargestellt sind.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausgestaltungsform des erfin­ dungsgemäßen Signalgenerators.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform des erfindungs­ gemäßen Signalgenerators.

Fig. 6 zeigt beispielhaft den Aufbau des in Fig. 5 verwen­ deten Reglers.

Fig. 7 zeigt eine mögliche Realisierung einer OFW-Ver­ zögerungsleitung, die in den Anordnungen gemäß Fig. 1, 4 und 5 verwendet wird.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung zum hochmischen des in den An­ ordnungen gemäß Fig. 1, 4 und 5 erzeugten linear frequenzmodulierten Signals.

In Fig. 1 ist die prinzipielle Anordnung der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung gezeigt. Ein spannungsgesteuerter Oszillator VCO, im nachfolgenden auch als steuerbare Signalquelle be­ zeichnet, erzeugt ein Trägersignal der Frequenz f_T(t), wel­ ches von dem am steuerbaren Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO anliegenden modulierenden Signal mit der mo­ dulierenden Frequenz f_m abhängig ist. Das Trägersignal mit der Trägerfrequenz f_T(t) liegt an einem Element zur Erzeugung und zum Empfang einer Oberflächenwelle OFW an. Das Oberflä­ chenwellenbauelement OFW dient zur Verzögerung des Trägersi­ gnals um die Zeitdauer τ. Am Mischer M liegt somit sowohl das um die Zeitdauer τ verschobene Trägersignal mit der Träger­ frequenz f_T(t-τ) als auch das Trägersignal mit der Frequenz f_T(t) an. Der Mischer M erzeugt während der Zeit T die Diffe­ renzfrequenz Δf aus den beiden Frequenzen f_T(t-τ) und f_T(t).

Solange die Differenzfrequenz Δf konstant bleibt, liegt am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO ein linear frequenzmoduliertes Trägersignal der Frequenz f_T(t) an. Das vom Regler REG, auch Regeleinheit genannt, erzeugte modulie­ rende Signal mit der Wiederholfrequenz f_m ändert sich während der Zeit T mit konstanter Rate.

Es gilt:

T + τ = 1/f_m
T ≈ 1/f_m

Weicht die Differenzfrequenz Δf von einem konstanten Wert ab, verändert der Regler REG das modulierende Signal mit der Fre­ quenz f_m, was zu einer Änderung des Trägersignals mit der Trägerfrequenz f_T(t) am Ausgang des spannungsgesteuerten Os­ zillators VCO führt. Durch den in Fig. 1 gezeigten Regel­ kreis wird die Abweichung von der Linearität, welche dem Re­ gelfehler entspricht, minimiert.

In Fig. 2 ist in einem Frequenz-Zeit-Diagramm, wobei auf der Ordinate die Frequenz f und auf der Abszisse die Zeit t auf­ getragen sind, das Trägersignal mit der Trägerfrequenz f_T(t) und das um die Zeitdauer τ verschobene Trägersignal mit der Frequenz f_T(t+τ) dargestellt. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, bleibt die Differenzfrequenz Δf = f_T (t) - f_T (t-τ) während der Zeit T konstant. Zur Verdeutlichung sind exemplarisch zu zwei verschiedenen Zeitpunkten Differenzfrequenzen Δf₁ und Δf₂ eingezeichnet. Es gilt: Δf₁ = Δf₂.

In Fig. 3 ist in dem Frequenz-Zeit-Diagramm, wobei auf der Ordinate wiederum die Frequenz f und auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen sind, ein nichtlinear frequenzmoduliertes Trägersignal der Frequenz f_T(t) und das um die Zeitdauer τ verschobene nichtlinear frequenzmodulierte Trägersignal mit der Frequenz f_T(t-τ) dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die Differenzfrequenz Δf während der Zeit T nicht konstant bleibt. Exemplarisch sind hierzu die Differenzfrequenzen Δf₁ und Δf₂ eingezeichnet. Hier gilt: Δf₁ ≠ Δf₂.

Die Fig. 4 stellt eine spezielle Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Signalgenerators dar. Der Regler REG aus Fig. 1 beinhaltet in Fig. 3 den Tiefpaß TP, die Recheneinheit RE und den Modulator MOD. Da das Ausgangssignal des Mischers M neben der Differenzfrequenz Δf = f_T(t) - f_T(t+τ) auch die Summe aus den Frequenzen f_T (t) und f_T(t-τ), enthält, ist dem Mischer M einen Tiefpaß TP nachzuschalten, der die uner­ wünschten hochfrequenteren Signalanteile unterdrückt. In der Praxis besitzt die Regeleinheit REG bzw. Recheneinheit RE zu­ meist inhärent eine Tiefpaßcharakteristik, weswegen auf ein gesondertes Tiefpaßfilter verzichtet werden kann. In der Re­ cheneinheit RE wird die Konstanz der Differenzfrequenz Δf überwacht. Ist die Differenzfrequenz Δf nicht konstant, lie­ fert die Recheneinheit RE am Ausgang ein Korrektursignal, welches am Modulator MOD zu einer Korrektur des modulierenden Signals der Modulatorfrequenz f_m führt. Dieses Signal der Wiederholfrequenz f_m hat zur Folge, daß der spannungsgesteu­ erte Oszillator VCO am Ausgang ein verändertes Trägersignal erzeugt, dessen Linearität (der Frequenzänderung) verbessert ist.

Eine weitere mögliche Ausführungsform des Signalgenerators ist in Fig. 5 gezeigt. Hierbei vergleicht ein Regler R die Differenzfrequenz Δf mit einem Sollwert und verzerrt dement­ sprechend das modulierende Signal f_m vor.

Die Bestimmung der Regelabweichung, d. h. die Abweichung der Differenzfrequenz Δf während der Zeit T von einem konstanten Wert und die Erzeugung des vorverzerrten modulierenden Si­ gnals der Frequenz f_m kann, wie im folgenden beschrieben, er­ folgen:

Gemäß Fig. 6 wird die Differenzfrequenz Δf einem Komparator KOM zugeführt, verstärkt und symmetrisch amplitudenbegrenzt. Das resultierende Signal, ein Rechtecksignal, wird mit dem Integrierer INT integriert und erhält auf diese Weise eine zur Frequenz umgekehrt proportionale Amplitude. Durch ein an­ schließendes Quadrieren mit einem Quadrierer Q ist das Signal nicht mehr mittelwertfrei. Dieser Mittelwert ist umgekehrt frequenzproportional und wird mit dem Tiefpaß TP ausgefil­ tert. Addiert man dieses Signal zu dem vom Modulator MOD stammenden linearen Modulatorsignal mit der Frequenz f_m, so ergibt sich ein Korrektursignal (=Steuersignal) für den span­ nungsgesteuerten Oszillator VCO. Der Quadrierer Q kann bei­ spielsweise ein Diodengleichrichter sein.

Die mit dem Signalgenerator erzeugbare Trägerfrequenz f_T(t) liegt im Bereich von 10 MHz bis 2,5 Ghz. Der Frequenzhub liegt typischer Weise bei 200 MHz.

Eine mögliche Realisierung einer OFW-Verzögerungsleitung zeigt Fig. 6. Das OFW-Element weist eine Komponente zur Er­ zeugung und eine zum Empfang der Oberflächenwelle auf, die sich mit der Geschwindigkeit v ausbreitet. Jeweils ein An­ schluß der beiden Komponenten ist mit Masse verbunden. Der zweite Anschluß der ersten Komponente stellt den Eingang E dar. Der zweite Anschluß der zweiten Komponente stellt den Ausgang A dar.

Die in A. A. Oliner, Acoustic Surface Waves, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, S. 99-103, 1978 angegebenen Hin­ weise bezüglich OFW-Verzögerungsleitungen sind zu beachten.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Anordnung wird das vom span­ nungsgesteuerten Oszillator VCO stammende Signal f_T(t) mit einem zusätzlich an dem zweiten Mischer M2 anliegenden Signal konstanter Frequenz f_OSZ hochgemischt und anschließend mit einem Hochpaß HP gefiltert. Das resultierende Signal hat die Frequenz f_OSZ + f_T(t). Der Vorteil liegt darin, daß die li­ neare Frequenzmodulation in einem handhabbaren Frequenzbe­ reich erfolgen kann und anschließend auf den gewünschten hochfrequenteren Frequenzbereich hochgemischt wird. Als Os­ zillator OSZ zur Erzeugung des Signals der Frequenz f_OSZ ist grundsätzlich jeder Hochfrequenzoszillator geeignet.

Claims (4)

1. Signalgenerator zur Erzeugung eines linear frequenzmodu­ lierten Signals,

• 1. - bei dem ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) zur Er­ zeugung eines frequenzmodulierten Signals (f_T(t)) vorgesehen ist,
• 2. - bei dem eine Meßeinheit zur Überwachung der Linearität der Frequenzmodulation des frequenzmodulierten Signals (f_T(t)) vorgesehen ist, die eine Oberflächenwellenverzögerungsleitung (OFW) und einen ersten Mischer (M) aufweist, wobei dessen er­ ster Eingang mit der Oberflächenwellenverzögerungsleitung (OFW) verbunden ist, und an dessen zweitem Eingang das fre­ quenzmodulierte Signal (f_T(t)) anliegt,
• 3. - bei dem eine Regeleinheit (REG) zur Optimierung der Linea­ rität der Frequenzmodulation vorgesehen ist, die eingangssei­ tig mit dem Ausgang des ersten Mischers (M) verbunden ist, und die ausgangsseitig mit dem spannungsgesteuerten Oszilla­ tor (VCO) verbunden ist.

2. Signalgenerator nach Anspruch 1,

• 1. - bei dem ein ein Hochfrequenzoszillator (OSZ) vorgesehen ist, dessen Ausgang mit dem ersten Eingang eines zweiten Mischers (M2) verbunden ist,
• 2. - bei dem der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) mit dem zweiten Eingang des zweiten Mischers (M2) verbunden ist.

3. Signalgenerator nach Anspruch 1 oder 2,

• 1. - bei dem die Regeleinheit (REG) einen Komparator (KOM), einen Integrator (INT) einen Quadrierer (Q) und einen Tiefpaß (TP) aufweist, welche seriell verbunden sind,
• 2. - bei dem das Ausgangssignal des Tiefpaßes (TP) mit dem Ausgangssignal eines Modulators (MOD) verknüpft das Ausgangssignal der Regeleinheit (REG) bilden.

4. Signalgenerator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Regeleinheit (REG) eine Recheneinheit (RE) auf­ weist.