DE69423197T2 - Überlagerungsoszillator - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET:
• Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen von Oszillatorfrequenzen in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
• Funkkommunikationsausrüstungsgegenstände nützen in großem Umfang Empfänger vom Doppelüberlagerungstyp. Dies bedeutet, dass das empfangene Hochfrequenzsignal in zwei Stufen mit Lokaloszillatorsignalen gemischt wird, die durch den Empfänger erzeugt werden, und zwar mit Frequenzen, die so ausgewählt werden, dass die Frequenzen der Mischprodukte (Zwischenfrequenzen) niedriger als diejenigen des Empfangssignals sind, wodurch ein Verstärken oder eine Behandlung des Signals in anderer Weise einfacher wird.
• Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für Funkverbindungen, sind die Empfänger für den Empfang einer Zahl von festen Frequenzen (Funkkanälen) konstruiert. Die Funkkanäle unterscheiden sich im Hinblick auf die Frequenz um einen bestimmten, definierten Wert (oder ein Vielfaches dieses Werts). Das Schalten zwischen Empfang dieser Kanäle erfolgt durch Ändern der Frequenz des Lokaloszillatorsignals an den ersten Mischer derart, dass die Zwischenfrequenz dieselbe bleibt. Aufgrund dieser Tatsache muss das lokal erzeugte Signal an den zweiten Mischer nicht verändert werden.
• Die lokale erzeugten Signale werden oft mit Hilfe von spannungsgesteuerten Oszillatoren erzeugt, die mit einem Referenzoszillator phasenverriegelt sind. Bei dem momentanen Stand der Technik lässt sich ein derartiger Lokaloszillator für Frequenzen bis zur Größe von 2 GHz aufbauen. Sind höhere Frequenzen gewünscht, beispielsweise 10 GHz, so ist ein fester Multiplizierer an den Ausgang des Lokaloszillators anzufügen.
• Ein fester Multiplizierer bedeutet andererseits, dass jede Frequenzänderung, die in dem Lokaloszillator auszuführen ist, mit einem bestimmten Faktor multipliziert wird. Für bestimmte Kanaldistanzen impliziert dies, dass die Frequenz des Lokaloszillators die Fähigkeit haben muss, in kleineren Schritten - verglichen mit dem Fall ohne einen festen Multiplizierer - angeglichen zu werden. Diese wiederum impliziert, dass die Zeit zum Verriegeln des Lokaloszillators bei einem Frequenzübergang zwischen unterschiedlichen Kanälen sich proportional erhöht. Kanaldistanzen und Verriegelungszeiten sind umgekehrt proportional zueinander.
• Lokaloszillatoren für Empfänger des Doppelüberlagerungstyps sind natürlicherweise bereits früher bekannt. Das amerikanische Patent US 4 491 976 offenbart ein Beispiel einer derartigen Einrichtung. Das Patent beschreibt jedoch nicht irgendwelche Maßnahmen zum Reduzieren der Verriegelungszeit des Lokaloszillators, sondern es behandelt lediglich die Temperaturstabilisierung des Oszillators.
• Auch die britische Patentanmeldung GB 2 171 570 beschreibt eine Lokaloszillatoreinrichtung für einen Doppelüberlagerungsempfänger. Zum Erzeugen von Lokaloszillatorsignalen an die zwei Mischer liegen zwei Oszillatoren vor, die mit einem gemeinsamen Referenzoszillator phasenverriegelt sind. Durch Aufnahme von Frequenzteilern in die jeweilige Oszillatorschleife, deren Teilerzahl sich variieren lässt, lassen sich die Oszillatorfrequenzen der zwei Oszillatoren steuern. Diese Steuerungsmöglichkeit wird in der beschriebenen Einrichtung durch unterschiedliche Kombinationen der Lokaloszillatorfrequenzen verwendet, zum Vermeiden nicht gewünschter Mischprodukte, die eine Interferenz bewirken können. Die Patentanmeldung spricht jedoch nicht das Problem im Hinblick auf die Verriegelungszeit bei schnellem Schalten zwischen nahe beieinander liegenden Frequenzen an.
• Auch in der britischen Patentanmeldung GB 2 067 865 ist eine Lokaloszillatoreinrichtung beschrieben. Die Einrichtung dient für einen Doppelüberlagerungsempfänger für Frequenzen bis zu einer Größe von 30 MHz. Der Zweck der Einrichtung ist anscheinend in dem Ersetzen früherer kapazitiv abgestimmter Oszillatoren zu sehen, und zwar mit moderneren, digital gesteuerten Ausrüstungsgegenständen. Die britische Anmeldung erwähnt jedoch nicht die Probleme, die dann entstehen, wenn Lokaloszillatorfrequenzen in den Mikrowellenband zu erzeugen sind, und ebenso wenig die Schwierigkeiten, die die Anforderung an kurze Verriegelungszeiten dann bedeuten, wenn zwischen unterschiedlichen Frequenzkanälen geschaltet wird.
• Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach in der Bereitstellung einer Lokaloszillatoreinrichtung für einen Doppelüberlagerungsempfänger, die kurze Verriegelungszeigen dann ermöglicht, wenn Frequenzen im Zusammenhang mit dem Schaltempfang zwischen unterschiedlichen Funkkanälen geändert werden, selbst wenn die Frequenzdistanz zwischen den Kanälen gering ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
• Die technische Aufgabe wird mittels einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt, und die kennzeichnenden Merkmale derselben ergeben sich anhand des angefügter Patentanspruchs 1.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine Lokaloszillatoranordnung gemäß dem Stand der Technik; und
• Fig. 2 eine Ausführungsform einer Lokaloszillatoreinrichtung gemäß der Erfindung.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN:
• Nachfolgend wird die Erfindung in der Form eines Beispiels für eine Ausführungsform beschrieben. Jedoch wird zum Vereinfachen des Verständnisses der Funktion gemäß der Erfindung in einleitender Weise eine Lokaloszillatoreinrichtung gemäß dem Stand der Technik unter Bezug auf die Fig. 1 beschrieben.
• Die Fig. 1 zeigt zwei Mischer 1 (MIX 1) und 2 (MIX 2), die in Serie in einem Doppelüberlagerungsempfänger angeschlossen sind. Filter und Verstärkungseinrichtungen (nicht gezeigt) lassen sich zwischen den Mischern platzieren. Die Bandbreite dieser Einrichtungen ist an die Frequenzdistanz zwischen den Funkkanälen angepasst, für die der Empfänger gedacht ist. Eine Einrichtung 3 für das Erzeugen der Lokaloszillatorsignale an den Mischer enthält einen ersten Oszillator 6 (PLL), einen Frequenzmultiplizierer 5 (MULT) und einen zweiten Oszillator 4 (OSC) mit einer festen Frequenz. Die Frequenz des ersten Oszillators 6 lässt sich mit Hilfe eines Steuersignals von einer Frequenzsteuereinheit (nicht gezeigt) steuern, die mit dem Steuereingang 7 verbunden ist.
• Ein empfangenes Hochfrequenzsignal ist mit dem Signaleingang 8 verbunden, und es wird in dem ersten Mischer 1 mit einem ersten Lokaloszillatorsignal LO1 gemischt. LO1 besteht aus dem Ausgangssignal von dem Oszillator 6, nachdem dieses Signal um das k-fache in dem Multiplexer 5 frequenzmultipliziert wird. Der Grund für die Frequenzmultiplikaton kann darin bestehen, dass die erforderliche Frequenz des Lokaloszillatorsignals so hoch ist, dass es nicht möglich ist, dieses direkt mit einem phasenverriegelten spannungsgesteuerten Oszillator zu erzeugen.
• Das Ausgangssignal von dem ersten Mischer 1, das ein Zwischenfrequenzsignal bildet, dessen Frequenz normalerweise niedriger ist als diejenige des Empfangssignals, wird nach einem möglichen Filtern und Verstärken dem zweiten Mischer 2 zugeführt. In diesem Mischer wird das Zwischenfrequenzsignal mit einem zweiten Lokaloszillatorsignal LO gemischt, das aus dem Ausgangssignal von dem zweiten Oszillator 4 aufgebaut ist. Das Ausgangssignal von dem zweiten Mischer wird mit dem Ausgang 9 verbunden.
• Der erste Oszillator 6 enthält einen Referenzoszillator und einen spannungsgesteuerten Oszillator, bei dem die Frequenz des Ausgangssignals nach einer Frequenzteilung mit der Frequenz des Referenzoszillators verglichen wird. Die Frequenz des Referenzoszillators lässt sich auch vor dem Vergleich frequenzteilen. Das Ergebnis des Vergleichs - die Frequenzdifferenz - kann ein Fehlersignal aufbauen, das die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators steuern. Die hierdurch gebildete Schleife bewirkt ein Phasenverriegeln der geteilten Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators und der (geteilten) Frequenz des Referenzoszillators. Durch Ändern der Zahl, mit der die Frequenzteilung ausgeführt wird, lässt sich demnach die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators ändern. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators bildet auch das Ausgangssignal von dem ersten Oszillator 6.
• Da die beschriebene Einrichtung in einem Empfänger verwendet wird, in dem der Empfang bei einer Zahl vorgegebener und bekannter Kanäle mit nahe aneinanderliegenden Frequenzen erfolgt, sind die folgenden Aussagen gültig:
• Beträgt die Frequenzdistanz zwischen zwei nahe beieinanderliegenden Kanälen Δf (oder ein Vielfaches von Δf), so muss die "Kanaldistanz" des ersten Oszillators 6 den Wert Δf/k aufweisen. Eine grobe Regel, die währen dem Aufbau phasenverriegelter Schleifen verwendet wird, besteht darin, dass ihre Schleifenbandbreite (BW) weniger als ein Zehntel der Kanaldistanz betragen muss. Wird diese Regel nicht befolgt, so erhöht sich die Wahrscheinlichkeit für unechte Oszillationen und dafür, dass sich der Oszillator auf dem falschen Kanal verriegelt. Dies führt zu der Beziehung
• BW < (&Delta;f/k)/10 (A)
• Für die Beziehung zwischen der Übergangszeit t der Schleife und der Schleifenbandbreite existiert eine andere Daumenregel, für die gilt
• t = 3/BW (B)
• Eine Kombination der Ausdrücke A und B führt zu dem Ergebnis
• t > 30 * k/&Delta;f (C)
• Der Ausdruck C bedeutet dann, dass für eine gegebene Kanaldistanz eine kürzeste Verriegelungszeit vorliegt, und mit kurzen Kanaldistanzen werden die Übergangszeiten sehr groß.
• Bei vielen Anwendungen, beispielsweise bei Funkverbindungen, bei denen das Schalten zwischen unterschiedlichen Kanälen schnell ausgeführt werden muss, oder in Radarstationen, bei denen sich die Frequenz zwischen jedem übertragenen Puls ändert, können diese langen Verriegelungszeiten nicht akzeptiert werden.
• Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Diejenigen Teile, die in dieser Einrichtung enthalten sind und deren Funktionen denen im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebenen entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet, wie diejenigen gemäß Fig. 1. Gemäß der Erfindung enthält der Lokaloszillator 10 zwei Oszillatoren 11 (PLL 3) und 12 (PLL 2), und beide weisen denselben Entwurf auf, wie der zuvor beschriebene Oszillator 6, d. h., es handelt sich um einen spannungsgesteuerten Oszillator, der mit einem Referenzoszillator phasenverriegelt ist und dessen Frequenz sich durch Ändern der Zahl angleichen lässt, durch die die Frequenz vor der Phasenverriegelung geteilt wird. Die Frequenz des Oszillators 11 und 12 lässt sich individuell mit dem Steuersignal steuern, das mit dem Steuereingang 7 verbunden ist. Wie bei der zuvor beschriebenen Einrichtung 3, ist in dem Lokaloszillator 10 ein Multizierer 5 enthalten, der die Frequenz des Oszillators 11 mit der Zahl k multipliziert.
• Gemäß der Erfindung erfolgt ein Ändern der Frequenz des Oszillators 22 (LO1), sowie der Frequenz des Oszillators 12 (LO2) bei einem Kanalschalten. LO1 wird in relativ großen Schritten geändert, wohingehend LO2 in kleinen Schritten geändert wird, wodurch die Bandbreite für das Filtern und die Verstärkungseinrichtungen zu erhöhen ist, die zwischen den Mischern platziert sind. Für die mögliche Frequenzänderung für den Oszillator 12 wird angenommen, daß sie der Frequenzdifferenz der n Kanäle entspricht. Für die Kanaldistanz wird - wie zuvor - ein Wert von &Delta;f angenommen, was bedeutet, dass sich die Frequenz für den Oszillator 12 und LO2 in Stufen gemäß &Delta;f ändern lässt. Diese bedeutet, dass LO1 lediglich in Stufen von n * &Delta;f zu ändern ist, da das "Feinangleichen" mit dem Oszillator 12 und LO2 erfolgt. Die entsprechende Frequenzänderung für den Oszillator 11 wird dann n * &Delta;f/k.
• Wird für die Schleifenbandbreite für die Oszillatoren 11 und 12 ein gleicher Wert zu BW angenommen, so wird die Übergangszeit t' für den Oszillator 12, analog zu der Herleitung des Ausdrucks C,
• t' > 30/&Delta;f (D)
• und für die Übergangszeit t" für den Oszillator 11 gilt
• t" > 30 * k/(n * &Delta;f) (E).
• Der Frequenzfehler für den gesamten Empfänger ist somit der Fehler für LO1 und LO2. Da die Frequenz von LO1 viel höher ist als diejenige von LO2, ist der Frequenzfehler von LO1 der dominierende. Der Fehlerbeitrag von LO2 kann demnach außer Betracht gelassen werden. Dies bedeutet, dass für die Lokaloszillatoreinrichtung gemäß der Erfindung die Beziehung zwischen der Übergangszeit und der Kanaldistanz durch den Ausdruck E bestimmt ist. Wird dieser Ausdruck mit dem Ausdruck C verglichen, so kann man schließen, dass aufgrund der Erfindung die kürzestmögliche Übergangszeit mit einer vorgegebenen Kanaldistanz über einen Faktor von n reduziert ist.
• Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern sie kann frei innerhalb des Schutzbereichs der angefügten Patentansprüche variiert werden.

Claims (4)

1. Lokaloszillatoreinrichtung (10) in einem Empfänger zum Empfangen von Signalen mit Frequenzen in dem Mikrowellenbereich oder höher mit einer kurzen Verriegelungszeit, um hierdurch den Empfänger mit der Fähigkeit auszustatten, schnell zwischen vorgegebenen Kanälen zu schalten, derart, daß der Frequenzabstand zwischen den Kanälen einen festen Wert ( f) aufweist oder ein Mehrfaches des festen Werts und derart, daß der Empfänger einen ersten (1) und einen zweiten (2) Mischer aufweist, und der erste Mischer (1) zum Mischen eines ersten Signals (LO1) mit den Empfangssignalen ausgebildet ist, um hierdurch ein Zwischenfrequenzsignal zu bilden, und daß der zweite Mischer (2) zum Mischen eines zweiten Signals (LO2) mit dem Zwischenfrequenzsignal ausgebildet ist, und die Lokaloszillatoreinrichtung (10) enthält:

einen Frequenzvervielfacher (25) für eine Frequenzvervielfachung eines Oszillatorsignals gemäß der Zahl k, um hierdurch das erste Signal (LO1) zu erzeugen,

einen zweiten Oszillator (11) zum Erzeugen des Oszillatorsignals,

einen zweiten Oszillator (12) zum Erzeugen des zweiten Signals (LO2),

dadurch gekennzeichnet daß

sich die Frequenz des ersten Signals (LO1) gemäß einer Zahl von Frequenzstufen ändern läßt, derart, daß jede Frequenzstufe des ersten Signals (LO1) einem Vielfachen (n * f) des festen Werts ( f) zugeordnet ist;

die Frequenz des Oszillatorsignals gemäß einer Zahl von Frequenzstufen veränderbar ist, und jede Frequenzstufe des Oszillatorsignals der Frequenzstufe des ersten Signals (LO1) geteilt durch k entspricht;

die Frequenz des zweiten Signals (LO2) gemäß einer Zahl von Stufen veränderbar ist, derart, daß jede Frequenzstufe des zweiten Signals dem festen Wert ( f) zwischen den Kanälen entspricht,

wodurch das Schalten zwischen vorgegebenen Kanälen durch eine Kombination der Änderung der Frequenz des Oszillatorsignals und der Frequenz des zweiten Signals erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Zeit für das Ändern des Empfangs zwischen unterschiedlichen Kanälen hauptsächlich durch die Einschwingzeit (t") des ersten Oszillators (11) bestimmt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oszillator (11) und/oder der zweite Oszillator (12) einen spannungsgesteuerten Oszillator enthält, dessen Frequenz zu der Frequenz eines Referenzoszillators phasenstarr ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der empfangenen Signale höher als diejenige der Zwischenfrequenz ist.