DE19819038C2 - Frequenzumsetzeranordnung für Hochfrequenzempfänger oder Hochfrequenzgeneratoren - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Frequenzumsetzeranordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Frequenzumsetzeranordnungen dieser Art sind bekannt (DE 27 44 432, DE 40 21 294 sowie japanische Patentabstracts 60-28330 A und 61-252720 A). Als Frequenzteiler wird ein in ganzzahligen Teilungsverhältnissen einstellbarer Frequenzteiler benutzt; der Referenzoszillator ist ein auf einer festen Frequenz abgestimmter Oszillator. Mit den bekannten Anordnungen soll bei Fernsehkanalwählern eine gegenseitige Beeinflussung der aufeinanderfolgenden Überlagerungsstufen vermieden werden.

Der erste Überlagerungsoszillator bestimmt das Phasenrauschen der Gesamtanordnung, da dieser die höchste Frequenz besitzt und über den Synthesizer abgestimmt wird. Das Phasenrauschen wird bei den bekannten Anordnungen außerdem durch das Phasenrauschen des phasengeregelten Oszillators und dem Vervielfachungsfaktor bestimmt. Bereits bei der kleinsten Empfangsfrequenz ist dieser Vervielfachungsfaktor schon halb so groß, wie der bei der höchsten Empfangsfrequenz. Das Phasenrauschen des ersten Überlagerungsoszillators ist damit bei einer Empfangsfrequenz nahe Null nur um 6 dB besser, als bei der höchsten Empfangsfrequenz. Dies ist für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend. Entsprechendes gilt für Signalgeneratoren, bei denen in zwei aufeinanderfolgenden Überlagerungsstufen mit fester bzw. variabler Überlagerungsfrequenz die Ausgangsfrequenz erzeugt wird, wie dies bei modulierbaren Signalgeneratoren der Fall ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Frequenzumsetzeranordnung für Empfänger, Spektrumanalysatoren bzw. Signalgeneratoren mit minimalem Phasenrauschen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Frequenzumsetzeranordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung wird anstelle eines Referenzoszillators mit fester Frequenz ein in feinen Frequenzschritten einstellbarer Synthesizer benutzt; damit kann die dem Phasendetektor zugeführte Referenzfrequenz so eingestellt werden, daß die Differenz aus dem Referenzsignal und dem durch den Frequenzteiler erzeugten Signal minimales Rauschen besitzt. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Frequenzteiler als fraktionalen N-Teiler mit Einfachintegration auszubilden, denn damit kann dann auch das Teilungsverhältnis des Frequenzteilers jeweils auf einen minimalen Teilungsfaktor und damit minimales Rauschen eingestellt werden. Gemäß der Erfindung wird also eine Frequenzumsetzeranordnung geschaffen, die minimales Phasenrauschen besitzt. Anstelle einer Regelung auf die Differenzfrequenz ist auch eine Regelung auf die Summenfrequenz der beiden Überlagerungsoszillatoren denkbar, je nachdem, wie die Frequenzlagen der Frequenzumsetzungen gewünscht werden.

Das gleiche Prinzip kann sowohl bei einem Empfänger oder Spektrumanalysator als auch bei einem Hochfrequenzgenerator angewendet werden. In beiden Fällen wird die Summe des Phasenrauschens gegenüber herkömmlichen Frequenzumsetzerkonzepten wesentlich verbessert. Bei kleinen Empfangsfrequenzen wird das Phasenrauschen beispielsweise um 20 dB besser als bei einer bekannten Anordnung; bei der höchsten Empfangsfrequenz sind es immerhin noch bis zu 6 dB.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips bei einem Spektrumanalysator, bei dem eine Eingangsfrequenz f_e nach Durchlaufen eines Tiefpasses 11 in einem ersten Mischer 3 mit einer einstellbaren, ersten Überlagerungsfrequenz f1 in eine feste Zwischenfrequenz ZF1 umgesetzt wird, die nach Durchlaufen eines Bandpasses 12 in einem zweiten Mischer 4 mit einer festen, zweiten Überlagerungsfrequenz f2 in eine niedrigere, zweite Zwischenfrequenz ZF2 umgesetzt wird. Beispielhaft sind in der Fig. 1 entsprechende konkrete Frequenzwerte im GHz-Bereich eingetragen.

Die erste Überlagerungsfrequenz f1 wird in einem ersten Überlagerungsoszillator 1 erzeugt; die zweite Überlagerungsfrequenz f2 in einem zweiten Überlagerungsoszillator 2. Der zweite Überlagerungsoszillator 2 wird über eine einfache Regelschleife auf eine hochkonstante Quarzfrequenz synchronisiert. Der erste Überlagerungsoszillator 1 wird über einen Phasenregelkreis auf die Frequenz f5 eines Synthesizers 7 synchronisiert, der in bekannter Weise nach dem Prinzip der direkten, digitalen Synthese (DDS) oder der fraktionalen N-Synthese arbeitet. In einem Mischer 5 wird die Differenzfrequenz f3 aus den beiden Überlagerungsfrequenzen f1 und f2 gebildet und über einen einstellbaren Frequenzteiler 6 dem Phasendetektor 8 des Phasenregelkreises für den Oszillator 1 als geteilte Frequenz f4 zugeführt. Der im Teilungsverhältnis einstellbare Frequenzteiler 6 ist vorzugsweise ein fraktionaler N-Frequenzteiler, dessen Teilungsverhältnis durch Umschaltung auf ein gebrochenes, rationales Teilungsverhältnis N, F einstellbar ist, wobei N der ganzzahlige Anteil und F ein Nachkommaanteil ist. Dieses gebrochene Teilungsverhältnis ist über eine Einstellvorrichtung 10 als Digitalwert einstellbar. Über diese Einstellvorrichtung 10 ist außerdem der Synthesizer 7 in seiner Ausgangsfrequenz f5 in kleinen Schritten von beispielsweise nur 0,1 Hz einstellbar. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 8 synchronisiert über ein Regelschleifenfilter 9 den ersten Überlagerungsoszillator 1 auf die am Synthesizer 7 eingestellte Frequenz f5, die im Phasendetektor mit der geteilten Differenzfrequenz f4 verglichen wird.

Der fraktionale N-Teiler besitzt beispielsweise eine Auflösung von 1/16 und arbeitet mit Einfachintegration. Sein Teilungsverhältnis wird so eingestellt, daß die Frequenz f4 etwa in dem Frequenzbereich liegt, in welchem der Synthesizer 7 mit seiner Ausgangsfrequenz f5 einstellbar ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Synthesizer nur in einem schmalen Frequenzbereich von 10 MHz zwischen 220 und 230 MHz in 0,1-Hz-Schritten einstellbar. Der Teilungsfaktor N, F wird also wie folgt gewählt und durch die Einstellvorrichtung 10 eingestellt:

Da der Teilungsfaktor N, F nicht exakt einstellbar ist, muß er so abgerundet werden, wie es die Einstellgenauigkeit des Teilers vorgibt. Die tatsächliche Einstellung des Synthesizers 7 errechnet sich dann aus diesem tatsächlich eingestellten Teilungsfaktor zu:

Auf diese Weise wird durch den Phasenvergleich zwischen dem Ausgangssignal des Synthesizers und der geteilten Differenzfrequenz der erste Überlagerungsoszillator so geregelt, daß die Differenz aus beiden Signalen minimales Rauschen besitzt.

Fig. 2 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips bei einem mit einer Modulationsfrequenz f_m modulierbaren Signalgenerator. Hier dient der zweite Überlagerungsoszillator 22 mit seiner festen Überlagerungsfrequenz f2 zum Erzeugen einer festen, modulierten Zwischenfrequenz ZF2, die anschließend in einem zweiten Mischer 23 mit der einstellbaren Überlagerungsfrequenz f1 eines in kleinen Frequenzschritten einstellbaren ersten Überlagerungsoszillators 21 auf die gewünschte Ausgangsfrequenz f_a umgesetzt wird. In Fig. 2 ist für die Erzeugung der ersten Zwischenfrequenz ZF2 ein Mischer 33 vorgesehen; in der Praxis erfolgt die Modulation mit der Frequenz f_m jedoch vorzugsweise unmittelbar durch entsprechende Steuerung des spannungsgesteuerten, zweiten Überlagerungsoszillators 22; ein gesonderter Mischer 33 ist also überflüssig. In einem Mischer 25 wird wieder die Differenzfrequenz f3 aus den beiden Überlagerungsfrequenzen f1 und f2 gebildet, die nach Teilung in einem einstellbaren, fraktionalen N- Teiler 26 als Frequenz f4 mit der Ausgangsfrequenz eines in kleinen Frequenzschritten einstellbaren Synthesizers 27 in einem Phasendetektor 28 verglichen wird. In Fig. 2 wird die Ausgangsfrequenz f5 des Synthesizers 27 noch über einen zwischengeschalteten Frequenzteiler 30 dem Phasendetektor 28 zugeführt. Dieser Frequenzteiler 30 ist auf ganzzahlige Teilungsverhältnisse N über die Steuerlogik 31 zusammen mit der Einstellung des fraktionalen N-Teilers 26 und dem Synthesizer 27 einstellbar.

Für höhere Frequenzen beispielsweise oberhalb 500 MHz wird der Frequenzteiler 30 auf den Teilungsfaktor N = 1 eingestellt, der erste Überlagerungsoszillator 21 wird also über das Schleifenfilter 32 auf die am Synthesizer 27 eingestellte Frequenz f5 synchronisiert genau so, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ist. Um das erfindungsgemäße Prinzip auch bei niederen Frequenzen unterhalb 500 MHz anwenden zu können, kann der Frequenzteiler 30 über die Steuerlogik 31 beispielsweise unterhalb 500 MHz auf einen solchen Teilungswert N eingestellt werden, daß die geteilte Ausgangsfrequenz f6 etwa ein Viertel der Ausgangsfrequenz f_a ist. Damit kann dann auch für niedere Frequenzen der fraktionale N-Teiler 26 über die Steuerlogik 31 wieder so eingestellt werden, daß die Ausgangsfrequenz f4 wieder im Frequenzbereich von f6 liegt und damit auch für niedere Frequenzen der erste Überlagerungsoszillator 21 auf die am Synthesizer 27 eingestellte Frequenz synchronisiert wird.

Claims (4)

1. Frequenzumsetzeranordnung mit mindestens zwei aufeinanderfolgenden Überlagerungsstufen, von denen eine ein Eingangssignal mit einer einstellbaren, ersten Überlagerungsfrequenz (f1) eines in feinen Frequenzschritten einstellbaren, ersten Überlagerungsoszillators (1) auf eine erste Zwischenfrequenz (ZF1) umsetzt und eine zweite Überlagerungsstufe ein Eingangssignal mit einer festen, zweiten Überlagerungsfrequenz (f2) eines zweiten Überlagerungsoszillators (2, 22) auf eine zweite Zwischenfrequenz (ZF2) umsetzt, wobei die Differenzfrequenz (f3) zwischen erster und zweiter Überlagerungsfrequenz (f1, f2) mit einem einstellbaren Frequenzteiler (6, 26) auf eine niedrigere Frequenz (f4) umgesetzt wird, die in einem Phasendetektor (8, 28) mit der Ausgangsfrequenz (f5) eines Referenzoszillators verglichen wird, und der erste Überlagerungsoszillator (1) über einen Phasenregelkreis mit dem Ausgangssignal dieses Phasendetektors auf die Ausgangsfrequenz (f5) des Referenzoszillators synchronisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzoszillator ein in feinen Frequenzschritten einstellbarer Synthesizer (7, 27) ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Frequenzteiler ein fraktionaler N-Teiler (6, 26) mit Einfachintegration ist.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Anwendung bei einem Hochfrequenzempfänger oder Spektrumanalysator, wobei das zu empfangende Eingangssignal (f_e) in einem Überlagerungsoszillator (1) als erste Überlagerungsstufe mit einer in feinen Frequenzschritten einstellbaren Überlagerungsfrequenz (f1) auf eine erste, konstante Zwischenfrequenz (ZF1) umgesetzt wird, die anschließend mit einer festen zweiten Überlagerungsstufe mit einer Überlagerungsfrequenz (f2) auf eine niedrigere, zweite Zwischenfrequenz (ZF2) umgesetzt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ihre Anwendung bei einem modulierbaren Hochfrequenzgenerator, wobei das Modulationssignal (f_m) in einer ersten Überlagerungsstufe mit einer festen Überlagerungsfrequenz (f2) in eine Zwischenfrequenz (ZF2) umgesetzt wird, die anschließend in einer zweiten Überlagerungsstufe mit einer in feinen Frequenzschritten einstellbaren Überlagerungsfrequenz (f1) auf die gewünschte Ausgangsfrequenz (fa) umgesetzt wird (Fig. 2).