DE19619408C2 - Frequenzsyntheseschaltung mit verkürzten Umschaltzeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Frequenzsyntheseschaltung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruches 1.

Bei dem Entwurf einer Frequenzsyntheseschaltung tritt häufig das Problem auf, gegen­ sätzliche technische Forderungen zu berücksichtigen, wie beispielsweise ein möglichst feinstufiges, schnelles und störungsfreies Einstellen der Frequenzen und ein rauscharmes, von nichtharmonischen Störsignalen befreites Signal zu schaffen. Darüber hinaus sollen auch kaufmännisehe Aspekte (z. B. kostengünstige Fertigung) beachtet werden. Je nach Anwendung der Frequenzsynthese können die verschiedenen Eigenschaften gezielt op­ timiert werden. Eine einschleifige Frequenzsynthese wird man dann wählen, wenn eine besonders preisgünstige Lösung gesucht wird, bei der die Einschwingzeit der Regel­ schleife nur eine untergeordnete Rolle spielt und das Frequenzraster relativ grob ist. Bei feinerem Frequenzraster und gleichzeitig höheren Anforderungen an die Umschaltge­ schwindigkeit wird man sich für eine mehrschleifige Lösung entscheiden, wobei jedoch wegen des oder der Mischer als Verbindungsglied der einzelnen Regelkreise mit stören­ den Mischsignalen zu rechnen ist. Kommt es auf sehr hohe Schaltgeschwindigkeit, wei­ tem Frequenzbereich und geringem Seitenbandrauschen an, so bietet sich ein digitaler Synthesizer an, der außerdem eine extrem feine Auflösung ermöglicht allerdings auch nichtharmonische Störlinien erzeugt, die für viele Anwendungen nicht tragbar sind.

Wie oben erwähnt, werden aber auch Frequenzsyntheseschaltungen benötigt, bei denen mehrere Eigenschaften optimiert sein müssen, beispielsweise bei Einsatz in Messgeräten oder in hochwertigen Funkempfängern.

Bei Einsatz einer Frequenzsyntheseschaltung in modernen Funkempfängern ist neben stark gedämpfter Nebenlinien, geringem Seitenbandrauschen - insbesondere bei mehrka­ naligen Empfängern - hohe Umschaltgeschwindigkeit gefordert. Zur Verkürzung der Umschaltzeiten einer Frequenzsyntheseschaltung werden häufig frequenzempfindliche Phasendetektoren ("three-state phase detector") eingesetzt, die gegenüber Phasendetekto­ ren ohne Frequenzempfindlichkeit das Einschwingverhalten erheblich verbessern. Eine weitere Verkürzung der Umschaltgeschwindigkeit kann mit Hilfe eines zusätzlichen Fre­ quenzdetektors erreicht werden, wie aus verschiedenen Literaturstellen zu entnehmen ist, beispielsweise aus "Phaselock Techniques", Floyd M. Gardner, 1979, S. 84 bis 87, oder aus "Phaselocked Loop Circuit Design", Dan H. Wolaver, 1991, in der auf den Seiten 174 bis 183 eine Einschwinghilfe mit einem "slip detector" beschrieben wird. Des weiteren sind diverse Schaltungen mit einem Frequenzdetektor als Einschwinghilfe bekannt. In der DE 34 07 582 A1 wird eine Regelschleife mit einem AFC- und Costas-Phasendetektor und einem gemeinsamen Integrator-Schleifenfilter angegeben. Die DE 24 03 892 C2 beschreibt eine Verkürzung der Umschaltzeit durch Erweiterung des Fangbereiches, in­ dem zusätzlich zum Phasendetektor in der Regelschleife ein Frequenzdiskriminator an den Ausgang des Phasendetektors gekoppelt ist, der feststellt, ob die Frequenz des Aus­ gangssignales des spannungsgesteuerten Oszillators innerhalb eines vorbestimmten Fangbereiches liegt, und der dementsprechend das Ausgangssignal des Phasendetektors beeinflusst. Bekannt ist gemäß EP 0 599 609 A1 auch eine Frequenzsynthese, bei der in der Rückführung der Regelschleife zwischen dem spannungsgesteuerten Oszillator und dem Phasendetektor ein direkter digitaler Frequenzsynthesizer (DDS) anstelle eines pro­ grammierbaren Frequenzteilers eingesetzt wird. Hier dient der DDS der Erzeugung eines feinstufig in der Frequenz einstellbaren Ausgangssignales jedoch nicht der Unterstützung des Einschwingverhaltens.

Auch andere Verfahren zur Erhöhung der Umschaltgeschwindigkeit sind bekannt, wie z. B. das Verfahren mit gebrochenen Teilungsverhältnissen (Fractional-N-Technik).

Bei diesem Verfahren kann trotz feinstufiger Frequenzeinstellung eine hohe Regelband­ breite realisiert werden, die neben verbessertem Seitenbandrauschen schnelles Ein­ schwingen ermöglicht. Allerdings ist hierbei zu beachten, dass eine Kompensation der durch das gebrochene Teilungsverhältnis bedingten Phasenstörungen erforderlich wird.

In der DE 34 36 926 C2 wird ein Frequenzgenerator angegeben, bei dem anstelle eines Frequenzteilers mit gebrochenem Teilungsverhältnis in der Rückführung des Regelkrei­ ses ein Mikrorechner eingesetzt wird, der die Funktion eines sich selbst passend einstel­ lenden Frequenzteilers übernimmt. Damit wird es möglich, bei gebrochenen Teilungsver­ hältnissen zwischen dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators und der Vergleichsfrequenz am Phasendetektor die notwendige Impulsunterdrückungsschaltung zur Kompensation der Phasenstörungen zu realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Frequenzsyntheseschaltung der ein­ gangs genannten Art die Umschaltzeiten zu verkürzen, ohne dass das Seitenbandrauschen oder nichtharmonische Nebenlinien in ihrer Intensität erhöht werden, was durch Vergrö­ ßern der Regelbandbreite immer der Fall ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Erfindung geht dabei von der bekannten Möglichkeit aus, die Umschaltgeschwindig­ keit durch Einsatz einer zusätzlichen Regelschleife mit einem Frequenzdetektor zu erhö­ hen. Der Frequenzdetektor in der zusätzlichen Regelschleife erhält als Vergleichssignale einerseits das Referenzsignal der Frequenzsynthesesschaltung und andererseits das Aus­ gangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators, dessen Frequenz mit Hilfe einer digi­ talen Frequenzsynthese geteilt wird. Diese digitale Frequenzsynthese wird jedoch im Ge­ gensatz zur üblichen Anwendung invers betrieben, d. h. das in der Frequenz normaler­ weise konstante Taktsignal ist hierbei variabel - es ist das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators - und das errechnete (und ggf. über einen D/A-Wandler umgeformte) - Ausgangssignal der digitalen Frequenzsynthese ist konstant (im einge­ schwungenen Zustand der Regelschleife). Am Ausgang des Frequenzdetektors erscheint je nachdem, ob die Frequenzdifferenz positiv oder negativ ist, ein entsprechend gepoltes Signal, das das Ausgangssignal des Phasendetektors beeinflusst, beispielsweise in der Art, wir in der o. a. Literaturstelle über die Einschwinghilfe mit einem "slip detector".

Die Erfindung ist in Fig. 1 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Der konventio­ nelle und bekannte 1. Phasenregelkreis zur Erzeugung von Frequenzen in einem be­ stimmten Raster besteht aus einem Referenzgenerator (1), einem Vorteiler (2) mit dem Teilungsfaktor M, einem (frequenzempfindlichen) Phasendetektor (3), einem Schleifen­ filter (4), einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) (5) und einem programmierba­ ren Frequenzteiler (6) in der Rückführung mit dem Teilungsfaktor N. Erweitert wird die Frequenzsynthese durch einen 2. Phasenregelkreis mit einem Frequenzdetektor (7), der das erste Eingangsignal vom Referenzgenerator und das zweite Eingangssignal von einer direkten digitalen Frequenzsynthese (DDS) (8) erhält. Das VCO-Signal dient der digita­ len Frequenzsynthese als Taktsignal.

Der Vorteil gegenüber der oben angegebenen Technik zur Erhöhung der Umschaltge­ schwindigkeit mit Frequenzdetektoren liegt im wesentlichen darin, dass nicht die Fre­ quenzdifferenz der über den programmierbaren Teiler in der Rückführung herunterge­ teilten Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators mit dem Eingangssignal am (fre­ quenzempfindlichen) Phasendetektor gebildet wird, sondern dass die Frequenzdifferenz aus der Referenzfrequenz der Frequenzsyntheseeinrichtung und der um einen im allge­ meinen sehr viel geringeren Faktor (als in der Rückführung der Phasenregelschleife) her­ untergeteilten Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators abgeleitet wird. Die auf diese Weise erzeugte Differenzfrequenz (die natürlich nur während der Einschwingphase des Regelkreises auftritt) ist im Allgemeinen wesentlich größer als die Frequenzdifferenz, die an den Eingängen des (frequenzempfindlichen) Phasendetektors gleichzeitig anliegt. Ein Zahlenbeispiel soll diesen Sachverhalt verdeutlichen: Der spannungsgesteuerte Os­ zillator soll den Frequenzbereich 40 MHz bis 50 MHz mit einem Frequenzraster von 40 kHz abdecken. Der programmierbare Teiler (N) in der Rückführung teilt das Oszilla­ torsignal auf 40 kHz (Phasenvergleichsfrequenz) und nimmt demzufolge Werte von 1000 bis 1250 ein. Die Referenzfrequenz betrage 10 MHz, der Vorteiler M für den Phasende­ tektor habe den Wert 250. Soll nun beispielsweise ein 40 kHz-Schnitt von 45,0 MHz auf 45,04 MHz erfolgen, so erscheint am (frequenzempfindlichen) Phasendetektor zunächst eine Frequenzdifferenz von 40 kHz: 1126 = 35,5 Hz, am zusätzlichen Frequenzdetektor dagegen eine Frequenzdifferenz von 40 kHz: 4,504 = 8,88 kHz. Mit anderen Worten:
Die Verkürzung der Einschwingzeit einer Frequenzsyntheseschaltung mit einem zusätz­ lichen Frequenzdetektor und einer (invers betriebenen) digitalen Frequenzsynthese ge­ mäß der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Frequenzdifferenz der zu vergleichen­ den Signale am zusätzlichen Frequenzdetektor erheblich höher ist als am Phasendetektor. Die Ausgangsspannung des Frequenzdetektors ist direkt proportional dem Verhältnis des Teilungsfaktors N in der 1. Phasenregelschleife zu der Teilung, die durch die digitale Synthese dargestellt wird. Ein weiterer Vorteil gegenüber einer Frequenzsynthese nach dem Fractional-N-Verfahren besteht darin, dass eine Einrichtung zur Kompensation von Phasenstörungen nicht erforderlich ist.

Fig. 2 zeigt einen Vergleich der Einschwingzeiten einer Frequenzsyntheseschaltung in Abhängigkeit von der Höhe des Frequenzsprunges, wobei deutlich zu sehen ist, dass ein zusätzlicher Frequenzdetektor in Verbindung mit einer digitalen Frequenzsynthese die Einschwingzeiten erheblich reduzieren kann

Claims (3)

1. Frequenzsyntheseschaltung mit einer 1. Regelschleife, bestehend aus einem Refe­ renzgenerator (1), einem Vorteiler (2), einem Phasendetektor (3), einem Schleifenfilter (4), einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) (5) und einem programmierbaren Teiler (6), dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche 2. Regelschleife, be­ stehend aus einem Frequenzdetektor (7) und einer den Frequenzdetektor ansteuernden direkten digitalen Frequenzsynthese (DDS) (8), das Einschwingverhalten unterstützt.

2. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des spannungsgesteuerten Oszillators (5) der direkten digitalen Frequenz­ synthese (8) als variables Taktsignal dient und das Ausgangssignal der direkten digitalen Frequenzsynthese konstant ist.

3. Frequenzsyntheseschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die direkte digitale Frequenzsynthese (8) derart gesteuert wird, daß die am Frequenz­ detektor (7) in der zusätzlichen 2. Regelschleife anliegenden Signale höherfrequent sind als die am Phasendetektor der 1. Regelschleife.