DE19680092C2 - Spektrumanalysator - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Spektrumanalysator, der die Kosten einer als Lokaloszillator zu verwendenden Signalquelle senken kann.

Aus der DE 23 31 150 B2 ist ein Frequenzanalysator mit einem Oszillator bekannt, dessen Frequenz durch eine Steuerspannung verstellbar ist.

Eine Vorrichtung zum Verbessern der Linearität eines spannungsgesteuerten Oszillators in einem Wobbelgenerator ist in der US 4,129,832 beschrieben. Diese Vorrichtung weist einen Speicher auf, welcher vor einen Analog-Digital-Wandler geschaltet ist.

Bei der herkömmlichen Technik wird als Lokaloszillator für einen Spektrumanalysator oft ein YIG (Yttrium-Eisen-Granat) verwendet. Fig. 6, 7 und 8 zeigen ein Beispiel eines bekannten Spektrumanalysators.

Wie in einem Blockschaltbild von Fig. 6 gezeigt weist dieser Typ von Spektrumanalysator einen Frequenz Umsetzer 50, eine Wobbel-Steuerung 70, einen Detektor 62, eine Anzeige-Arithmetikeinheit 64 sowie eine Anzeige 68 auf.

Der Frequenz-Umsetzer 50, wie er normalerweise bei Spektrumanalysatoren verwendet wird, erhält ein Eingangssignal 100, das analysiert werden soll, und setzt das Eingangssignal in ein Zwischenfrequenzsignal um, wenn der Lokaloszillator einen vorbestimmten Frequenzbereich wobbelt. Das Zwischenfrequenzsignal wird auf vorbestimmte Bandeigenschaften durch einen BPF (Bandpaßfilter) gefiltert und zu dem Detektor 62 gegeben. Der Detektor 62 erfaßt das durch das Wobbeln des Lokaloszillators erhaltene Signal. Die erfaßten Signale werden in digitale Signale umgesetzt und zu der Anzeige-Arithmetikeinheit 64 gegeben. Der Frequenz-Umsetzer 50 weist einen Lokaloszillator 30 auf, der seine Frequenz wobbelt, wenn er ein Wobbel-Rampensignal 76 _wob erhält.

Die Wobbel-Steuerung 70 gibt ein analoges Rampensignal zu dem Lokaloszillator 30, um die Oszillationsfrequenz zu wobbeln. Wenn die Wobbel-Steuerung 70 ein Wobbel- Startsignal 70 _stt erhält, gibt ein Rampensignalgenerator 72 sequentiell Codedaten zu einem D/A-Umsetzer 74 in einem Zeitintervall entsprechend einer Wobbelgeschwindigkeit. Die Codedaten geben eine Steigung des Rampensignales abhängig von einem Frequenzbereich (Wobbel-Frequenzbereich) wieder. Die Codedaten werden in eine analoge Stufenwellenform umgesetzt, die durch ein TPF (Tiefpaßfilter) zur Bildung eines Rampensignales 76 _wob mit einer linearen Steigung gefiltert wird. Das Rampensignal 76 _wob wird zu dem Lokaloszillator 30 gegeben.

Der Lokaloszillator 30 ist ein Oszillator, der seine Frequenz in einem Wobbel- Frequenzbereich wobbelt, wenn er das Rampensignal 76 _wob erhält. Der Lokaloszillator 30 enthält wie in Fig. 7 gezeigt Teiler 34, 37, einen Phasenkomparator 36, einen Integrator 35, einen Addierer 38 und einen YTO (YIG-abgestimmten Oszillator) 40.

Vor der Frequenzwobbelung wird der YTO 40 auf eine Mittenfrequenz f₀ der Wobbelfrequenz durch Bildung einer PLL (phasenverriegelten Schleife) verriegelt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spannung des Rampensignales 76 _wob gleich Null.

Wenn die Frequenzwobbelung gestartet wird, wird der Integrator 35 so gesteuert, daß er in einen Haltezustand geschaltet ist, so daß eine analoge Spannung 35 _vosc an dem Ausgangsintegrator 35 gehalten wird. In dieser Situation wird die PLL- Verriegelungsschleife freigegeben und der Lokaloszillator ist in einem Freilaufzustand, in dem er mit der Mittenfrequenz f₀ oszilliert. Dann wird das Rampensignal 76 von der Wobbelsteuerung 70 zu einem Eingang des analogen Addierers 38 gegeben, wo es zu der analogen Spannung 35 _vosc addiert wird. Durch Weitergabe der sich ergebenden Kontrollspannung 38 _vosc zu dem YTO 40 wird die Oszillationsfrequenz, die durch das Rampensignal gewobbelt wird, durch den YTO 40 erzeugt. Während der Wobbelung wird nämlich der YTO in den Freilaufzustand gesetzt und die analoge Spannung, die mit dem Rampensignal addiert wird, wird zu einem spannungsgesteuerten Oszillations-Eingang gegeben. Daher muß der YTO eine ausgezeichnete Linearität aufweisen, um mit einer Frequenz proportional zu der analogen Spannung zu oszillieren.

Der interne Schaltungsaufbau des YTO 40, der ein VCO (spannungsgesteuerter Oszillator) ist, wird bezugnehmend auf Fig. 8 erläutert.

Der YTO 40 ist ein spannungsgesteuerter Oszillator mit einem YIG-Resonator. Der YTO 40 ist ein Oszillator mit einer guten Linearität zwischen dem durch eine Spule 42b fließenden Strom und der sich ergebenden Oszillationsfrequenz. Durch die Eingabe der Steuerspannung 38 _vosc von dem Addierer 38 setzt ein IV-Umsetzer 41 die Spannung entsprechend zu dem Strom um und gibt den Strom zu der Spule 42b zur Erzeugung eines Magnetfeldes für den YIG-Resonator 42. Somit wird der YIG-Resonator 42 auf eine Frequenz proportional zu dem Magnetfeld abgestimmt. Der YIG-Resonator 42 wird als eine Resonanzschaltung zur Bildung einer Oszillatorschaltung in Kombination mit einer Schaltung 49 mit negativem Widerstand verwendet, die einen Transistor, einen in Reihe geschaltetes Rückführelement 44 und ein Ausgangs-Ausgleichnetzwerk (MN) 46 aufweist. Die Schaltung 49 mit negativem Widerstand wird mit geeigneten Parametern für jedes darin vorgesehene Bauteil versehen, um den negativen Widerstand über den gesamten Oszillations-Frequenzbereich, wie beispielsweise 4 bis 8 GHz zur Aufrechterhaltung der Oszillation aufrechtzuerhalten. Das Oszillationssignal von der Oszillationsschaltung wird durch einen Pufferverstärker 48 verstärkt und wird als ein Oszillations-Frequenzsignal 40 _osc ausgegeben.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel von Spannungsantwortkurven des Oszillations-Frequenzsignales 40 _osc bezüglich der Steuerspannung 38 _vosc. Durch Betrieb des Oszillators in einem Bereich mit einer guten Linearität, beispielsweise in einem Bereich B, können Wobbelfrequenzen mit ausgezeichneter Linearität erzeugt werden, was zur Ausführung einer genauen Hochfrequenzmessung durch den Spektrumanalysator nützlich ist.

Wie zuvor ausgeführt wird beim Wobbeln des Lokaloszillators 30 der Lokaloszillator in den Freilaufzustand gesetzt und die analoge Spannung, die zu dem Rampensignal addiert wird, wird zu dem Spannungssteuereingang des Oszillators eingegeben. Somit wird bei dem bekannten Spektrumanalysator der VCO mit dem YIG-Resonator verwendet, da er eine bessere Linearität bezüglich der erzeugten Frequenzen proportional zu der analogen Spannung aufweist. Indessen ist der YIG-Resonator verhältnismäßig teuer, und daher trägt er einen beachtlichen Anteil der Kosten des Spektrumanalysators bei.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spektrumanalysator mit niedrigeren Kosten zu schaffen, indem eine verhältnismäßig billige VCO-Schaltung mit einer schlechteren Linearität für einen Lokaloszillator verwendet wird, wobei die Linearität des Lokaloszillators korrigiert wird.

Die Aufgabe wird gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Die Erfindung wird in den Unteransprüchen weitergebildet.

Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt einen Aufbau eines Lokaloszillators 30 und eine Wobbel-Steuerung 70 gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Aufbau eines varaktorabgestimmten Oszillators VCO 20 gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel von Spannungs-Sensitivitätskurven von Oszillationsfrequenzen von variablen Kapazitätsdioden 24.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel von Spannungs-Sensitivitätskurven von Oszillationsfrequenzen von YTOs 40.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Korrekturfaktors 79 _dat.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild eines bekannten Spektrumanalysators.

Fig. 7 zeigt einen Gesamtaufbau eines bekannten Lokaloszillators 30.

Fig. 8 zeigt einen Aufbau eines bekannten YTO 40.

Das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird bezugnehmend auf die Zeichnungen erläutert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Lokaloszillator aus einem varaktorabgestimmten VTO gebildet. Dieses Ausführungsbeispiel wird bezugnehmend auf Fig. 1 und 2 erläutert.

Der allgemeine Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung ist im wesentlichen der gleiche wie der herkömmliche in Fig. 6 gezeigte, indessen wurde der Aufbau innerhalb eines Lokaloszillators 30 in einem Frequenzumsetzer 50 und ein Wobbel-Controller 70 modifiziert. Bei dem Lokaloszillator 30 ist wie in Fig. 1 gezeigt der YTO 40 durch den varaktorabgestimmten VCO 20 ersetzt. Weiterhin ist in dem Wobbel-Controller 70 ein Linearitäts-Korrekturteil 78 vor dem D/A-Umsetzer 74 vorgesehen.

Der varaktorabgestimmte VCO 20 weist wie in Fig. 2 gezeigt eine variable Resonanzschaltung 21, eine Schaltung 49 mit negativem Widerstand und einen Pufferverstärker 48 auf. Die Schaltung 49 mit negativem Widerstand und der Pufferverstärker 48 sind die gleichen wie bei der bekannten Technik.

Die variable Resonanzschaltung 21 weist eine Diode 24 mit variabler Kapazität auf. Die variable Resonanzschaltung weist vereinte Kenngrößen auf, d. h. eine Äquivalenz-Resonanzspule 29 und einen Äquivalenz- Resonanzkondensator 28 in der Zeichnung. In der Realität wird, da es sich um ein Mikrowellen-Frequenzband handelt, dieser Teil der Resonanzschaltung aus verteilten Kenngrößen aus Mikrostreifenleitungen gebildet. Die variable Kapazitätsdiode 24 ist eine Abstimmungs-Diodenspitze, die beispielsweise aus Galliumarsenid (GaAs) gefertigt ist, das bis zu mehreren GHz verwendbar ist.

Die variable Kapazitätsdiode 24 ist mit dem Resonanzkondensator 28 durch einen in Reihe geschalteten Kondensator 26 zur Bildung einer Resonanzschaltung insgesamt verbunden. Die Steuerspannung 38 _vosc, die eine Gleichspannung ist, wird zu der variablen Kapazitätsdiode 24 durch einen Widerstand 22 gegeben.

Die Oszillationsfrequenz abhängig von der Steuerspannung 38 _vosc, die zu der variablen Kapazitätsdiode 24 gegeben wird, ist in Fig. 3. gezeigt, die ein Beispiel von Spannungs- Sensitivitätskurven zeigt. Wie durch Proben A und B beispielsweise dargestellt, zeigt jede variable Kapazitätsdiode eine andere nichtlineare Kurve. Somit wird die Steuerspannung 38 _vosc von dem Wobbel-Controller 70 so vorgesehen, daß sie die nichtlineare Kurve so korrigieren kann, daß diese eine gerade Linie, wie später beschrieben, wird.

Der Wobbel-Controller 70 weist wie in Fig. 1 gezeigt einen Rampensignalgenerator 72, einen Linearitäts-Korrekturteil 78, einen D/A-Umsetzer 74 und ein TPF 76 auf. Durch den Linearitäts-Korrekturteil 78 wird ein Datenumsetzvorgang zur Korrektur der Linearität des varaktorabgestimmten VCOs 20 erreicht.

In einer Linearitäts-Korrekturtabelle 79 in dem Linearitäts-Korrekturteil 78 sind Korrekturdaten 79 _dat gespeichert, die aus der Beziehung zwischen der Frequenz-Kennlinie und der Steuerspannung 38 _vosc ermittelt werden.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel von Korrekturdaten 79 _dat.

Zuerst werden die Oszillationsfrequenzen durch ein Meßinstrument, wie beispielsweise einen Frequenzzähler gemessen.

Es sei angenommen, daß die Steuerspannung 38 _vosc auf eine Spannung V1 eingestellt ist und die gemessene Oszillationsfrequenz F1 ist.

Dann wird eine Spannung (V1 - ΔV2) zum Einstellen einer Sollfrequenz V2 festgelegt. Nach diesem Vorgang wird die Differenzspannung -ΔV1 als Korrekturdaten 79 _dat gespeichert. In gleicher Weise werden weitere Korrekturdaten 79 _dat für weitere Spannungen V erhalten und in der Tabelle 79 gespeichert.

Im Betrieb werden durch Erhalten der Codedaten 72 _cod von dem Rampengenerator 72 als Adressendaten die Korrekturdaten 79 _dat in der Korrekturtabelle 79 ausgelesen, so daß der Umsetzcode 78 _cod zur Korrektur der Linearität zu dem D/A-Umsetzer 74 gegeben wird.

Als Ergebnis kann der varaktorabgestimmte VCO 20 mit einer linearen Wobbelung oszillieren, die eine konstante Frequenzsteigung aufweist. In dieser Situation benötigt die Speicherung der Korrekturdaten für sämtliche Codedaten von dem Rampengenerator 72 in der Korrekturtabelle 79 einen Speicher mit großer Kapazität. Da in der Praxis die Linearitäts-Korrektur von weniger als ±0,1% ausreichend ist, können die Korrekturdaten für vorbestimmte Intervalle von Codedaten 72 in der Korrekturtabelle gespeichert werden und die Linearitäts-Korrektur für einen Bereich zwischen diesen Intervallen wird durch Berechnung der Korrektur-Codedaten durch einen linearen Interpolationsvorgang erhalten.

Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist erläutert, daß die Korrekturdaten 79 _dat zuvor erhalten werden und in der Linearitäts-Korrekturtabelle 79 gespeichert werden. In dem Fall, daß der Spektrumanalysator einen Frequenzzähler enthält, der die Oszillationsfrequenz des Lokaloszillators zählen kann, ist es ebenfalls möglich, daß die Korrekturdaten 79 _dat in Echtzeit berechnet werden, während die Oszillationsfrequenz gemessen wird und die Korrekturdaten in der Linearitäts-Korrekturtabelle 79 gespeichert werden, und dann wird die korrigierte Wobbelung unter Verwendung der Korrekturdaten wie oben beschrieben ausgeführt.

Das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird bezugnehmend auf die Zeichnungen erläutert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht der Lokaloszillator aus einem herkömmlichen YTO 40 und der oben genannte Linearitäts-Korrekturteil 78 wird in Kombination mit dem Lokaloszillator verwendet.

Die Oszillations-Frequenzeigenschaften des YTO 40 bezüglich der Steuerspannung 38 _vosc, die an den YTO 40 angelegt wird, sind in Fig. 4 gezeigt, die ein Beispiel von Spannungs- Sensitivitätskurven darstellt. Wie durch eine Probe C und eine Probe D beispielsweise dargestellt, weist jeder YTO eine andere nichtlineare Kurve auf. Bei beiden Proben zeigt ein Zwischenbereich, d. h. ein Bereich B eine außergewöhnlich gute Linearität. Indessen ist die Linearität in anderen Bereichen, d. h. Bereichen A und C schlechter.

Bei dem bekannten Spektrumanalysator wird der Lokaloszillator nur in dem Bereich B betrieben, bei dem die Linearität gut ist, indessen nicht in den Bereichen A oder C.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Steuerspannung 78 _vosc von dem Wobbel-Controller 70 so vorgesehen, daß sie die nichtlineare Kurve so korrigieren kann, daß sie eine gerade Linie wird.

Der Wobbel-Controller 70 weist wie in Fig. 1 gezeigt einen Rampengenerator 72, den Linearitäts-Korrekturteil 78, den D/A-Umsetzer 74 und den TPF 76 auf. Durch den Linearitäts-Korrekturteil 78 wird ein Datenumsetzvorgang zur Korrektur der Linearität des YTO 40 erreicht.

In der Linearitäts-Korrekturtabelle 79 in dem Linearitäts-Korrekturteil 78 sind Korrekturdaten 79 _dat gespeichert, die aus der Beziehung zwischen der Frequenz-Kennlinie und der Steuerspannung 38 _vosc ermittelt werden.

Die Korrekturdaten 79 _dat werden durch den oben bezugnehmend auf das erste Ausführungsbeispiel beschriebenen Vorgang erhalten.

Zuerst werden die Oszillationsfrequenzen durch ein Meßinstrument, wie beispielsweise einen Frequenzzähler gemessen.

Es sei angenommen, daß die Steuerspannung 38 _vosc auf eine Spannung V1 eingestellt ist und die gemessene Oszillationsfrequenz F1 ist.

Dann wird eine Spannung (V1 - ΔV2) zur Einstellung einer Sollfrequenz F2 festgelegt. Nach diesem Vorgang wird die Differenzspannung -ΔV1 als Korrekturdaten 79 _dat gespeichert. In gleicher Weise werden sämtliche weitere Korrekturdaten 79 _dat für weitere Spannungen V erhalten und in der Tabelle 79 gespeichert.

Im Betrieb werden beim Erhalten der Codedaten 72 _cod von dem Rampengenerator 72 als Adreßdaten die Korrekturdaten 79 _dat in der Korrekturtabelle 79 ausgelesen, so daß der Umsetzcode 78 _cod zur Korrektur der Linearität zu dem D/A-Umsetzer 74 gegeben wird.

Als Ergebnis kann der YTO 40 in einer linearen Wobbelung mit einer konstanten Frequenzsteigung oszillieren.

Daher kann der YTO 40 selbst in nichtlinearen Bereichen des YTO 40 wie beispielsweise den Bereichen A und C von Fig. 4 Wobbelfrequenzen mit einer ausreichenden Linearität erzeugen.

Daher kann der Spektrumanalysator gemäß der vorliegenden Erfindung eine größere Frequenzspanne (Wobbel-Frequenzbereich) mit niedrigen Kosten abdecken.

Da die vorliegende Erfindung wie zuvor ausgeführt aufgebaut ist, ergeben sich die folgenden Wirkungen:

Der Linearitäts-Korrekturteil 78 in dem Wobbel-Controller 70 korrigiert, wenn er in Verbindung mit dem varaktorabgestimmten VCO 20 verwendet wird, die Nicht-Linearität in der Oszillationsfrequenz des varaktorabgestimmten VCO 20, um eine korrigierte Linearitäts-Wobbelung mit einer Oszillationsfrequenz mit einer konstanten Frequenz- Anstiegsrate zu schaffen.

Bei Verwendung in Verbindung mit dem YTO 40 korrigiert der Linearitäts-Korrekturteil 78 die Nichtlinearität des YTO 40, so daß der Lokaloszillator die Wobbelung mit korrigierter Linearität mit einer Oszillationsfrequenz mit einer konstanten Frequenz- Anstiegsrate geschaffen wird.

Wenn daher die Diode 24 mit variabler Kapazität in einem VCO als variables Resonanzelement verwendet wird, kann solch ein Lokaloszillator 30 eine Frequenzgenauigkeit bei der Spektrumsmessung erreichen, die der der bekannten Technik gleichwertig ist, indem die Korrektur-Codedaten zur Korrektur der Oszillations-Linearität verwendet werden, die durch den Linearitäts-Korrekturteil 78 in dem Wobbel-Controller 70 erzeugt werden.

Weiterhin, selbst wenn die nichtlinearen Bereiche des YTO in einem VCO verwendet werden, kann solch ein Lokaloszillator 30 eine Frequenzgenauigkeit bei der Spektrumsmessung erreichen, die der bekannten Technik gleichwertig ist, indem die Korrektur-Codedaten zur Korrektur der Oszillations-Linearität verwendet werden, die durch den Linearitäts-Korrekturteil 78 in dem Wobbel-Controller 70 erstellt werden.

Daher schafft die vorliegende Erfindung Lokaloszillatoren für Spektrumanalysatoren mit geringeren Kosten als die bekannten.

Claims (3)

1. Spektrumanalysator,
mit einem Lokaloszillator (30) zum Erzeugen einer Oszillationsfrequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators (20), und
mit einer Wobbel-Steuerungsvorrichtung (70) zum Wobbeln des Lokaloszillators (30), wobei die Wobbel-Steuerungsvorrichtung (70) einen Rampensignalgenerator (72) aufweist, dessen Ausgangssignal über einen D/A-Umsetzer (74) dem spannungsgesteuerten Oszillator (20) des Lokaloszillators (30) zugeführt ist,
und bei dem die Wobbel-Steuerungsvorrichtung (70) ein zwischen den Rampensignalgenerator (72) und den D/A-Umsetzer (74) geschaltetes Linearitäts- Korrekturteil (78) umfaßt, welches eine Linearitäts-Korrekturtabelle (79) aufweist, in der für verschiedene Werte des Ausgangssignals des Rampensignalgenerators (72) entsprechende Korrekturdaten zur Korrektur von Linearitätsfehlern gespeichert sind, wobei das Linearitäts-Korrekturteil (78) bei Empfang des Ausgangssignals des Rampensignalgenerators (72) Korrekturdaten aus der Linearitäts-Korrekturtabelle (79) ausliest und auf das Ausgangssginal des Ramensignalgenerators (72) anwendet, um somit dem D/A-Umsetzer (74) ein mit den ausgelesenen Korrekturdaten überarbeitetes Ausgangssignal des Rampensignalgenerators (72) zuzuführen,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Linearitäts-Korrekturtabelle (79) des Linearitäts-Korrekturteils (78) die Korrekturdaten für eine bestimmte Anzahl von unterschiedlichen Werten des Ausgangssignals des Rampensignalgenerators (72) gespeichert sind, wobei das Linearitäts-Korrekturteil (78) bei Empfang eines Werts des Ausgangssignals des Rampensignalgenerators (72), welcher zwischen diesen bestimmten Werten liegt, die dem augenblicklichen Ausgangssignal des Rampensignalgenerators (72) zugeordneten Korrekturdaten durch Interpolation von aus der Linearitäts-Korrekturtabelle (79) ausgelesenen Korrekturdaten gewinnt und auf das Ausgangssginal des Ramensignalgenerators (72) anwendet.

2. Spektrumanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteuerte Oszillator (20) des Lokaloszillators (30) eine Diode (24) mit einer variablen Kapazität umfaßt.

3. Spektrumanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteuerte Oszillator (20) des Lokaloszillators (30) einen YTO- Oszillator (40) umfaßt.