DE10203378A1

DE10203378A1 - Noise spectra suppression method, by transforming to higher frequency range using mixer and filter, and transforming back to lower frequency range by frequency division

Info

Publication number: DE10203378A1
Application number: DE2002103378
Authority: DE
Inventors: Bodo Harders
Original assignee: C Plath GmbH Nautisch Elektronische Technik
Current assignee: Plath 20097 Hamburg De GmbH
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2003-08-14

Abstract

In a first step, a direct digital synthesizer (DDS) signal (S2) is transformed into a higher frequency range. In a second step, the signal is transformed back to a lower frequency range. The transformation to the higher frequency range is performed using a mixer (10) and a filter (11). The transformation back to lower frequency is performed by frequency division (12). An Independent claim is included for an apparatus for suppressing noise spectra.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Störspektren. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Frequenzsyntheseschaltung zur Unterdrückung von Störspektren. The invention relates to a method and a device for suppressing Noise spectra. In particular, the invention relates to a Frequency synthesis circuit for suppression of interference spectra.

Es ist bekannt, in einer Frequenzsyntheseschaltung direkte digitale Synthesizer (DDS) einzusetzen. Die DDS haben extrem kurze Umschaltzeiten, die Frequenzen können in sehr feinen Schritten und ohne Phasensprünge umgeschaltet werden, ein geringes Seitenbandrauschen, das praktisch nur von der Qualität des Taktoszillators abhängt und einen relativ niedrigen Kaufpreis, der durch die hohe Integrationsrate und eine Massenproduktion erzielt werden kann. Trotz dieser Vorteile ist ein DDS nicht für alle Anwendungen einsetzbar, da eine direkte digitale Frequenzsynthese immer mit einem Störspektrum aus nicht harmonischen Nebenlinien verbunden ist. In "A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis", Analog Devices, Inc., 1999, Section 4 wird die Entstehung dieser Störspektren eingehend behandelt, ebenso in "Synthesizer Products Data Book", Qualcomm, Inc., 1997, Sections 1 und 9. It is known to use direct digital synthesizers (DDS) in a frequency synthesis circuit. The DDS have extremely short switching times, the frequencies can be switched in very fine steps and without phase jumps, a low sideband noise that practically only depends on the quality of the clock oscillator and a relatively low purchase price that can be achieved through the high integration rate and mass production , Despite these advantages, a DDS cannot be used for all applications, since direct digital frequency synthesis is always associated with an interference spectrum from non-harmonic secondary lines. "A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis", Analog Devices, Inc., 1999, Section 4 deals with the origin of these interference spectra in detail, as well as in "Synthesizer Products Data Book", Qualcomm, Inc., 1997, Sections 1 and 9 .

Eine bekannte Frequenzsyntheseschaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Sie besteht aus einem Phasendetektor 3, einem Schleifenfilter 4, einem spannungsgesteuerten Oszillator 5 und einem einstellbaren Frequenzteiler 6 in der Rückführung des Regelkreises. Der Frequenzteiler 6 dient zur Grobeinstellung der Frequenz. Als Referenz dient ein DDS 1 mit einem DDS-Filter 2. In dem Beispiel erzeugt der DDS ein Signal mit einer Frequenz von 9,6 MHz, die zur Feineinstellung veränderbar ist. Der Phasendetektor vergleicht das von der DDS 1 gelieferte Referenzsignal mit dem vom Frequenzteiler 6 frequenzgeteilten Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 5. Der Oszillator 5 liefert ein Ausgangssignal mit einer Frequenz von 40-50 MHz. A known frequency synthesis circuit is shown in FIG. 3. It consists of a phase detector 3 , a loop filter 4 , a voltage-controlled oscillator 5 and an adjustable frequency divider 6 in the feedback loop of the control loop. The frequency divider 6 is used for rough adjustment of the frequency. A DDS 1 with a DDS filter 2 serves as a reference. In the example, the DDS generates a signal with a frequency of 9.6 MHz, which can be changed for fine adjustment. The phase detector compares the reference signal supplied by the DDS 1 with the output signal of the voltage-controlled oscillator 5 frequency-divided by the frequency divider 6 . The oscillator 5 provides an output signal with a frequency of 40-50 MHz.

Wird das Referenzsignal einer Frequenzsynthese durch einen direkten digitalen Synthesizer erzeugt, wie in den Anwendungsbeispielen der genannten Druckschriften angegeben ist und auch aus der US-4965533 zu entnehmen ist, so kann zwar durch die Filterwirkung des Phasenregelkreises das Störspektrum im Bereich außerhalb der Bandbreite des Schleifenfilters reduziert werden, innerhalb des Schleifenfilters tritt jedoch das Störspektrum sogar noch verstärkt um den Faktor 20 log(N) dB auf, wobei N der Teilungsfaktor des Frequenzteilers in der Rückkoppelschleife ist. Zur besseren Unterdrückung des Störspektrums ist gemäß der US-4965533 ein DDS-Filter vor dem Phasenregelkreis angeordnet. Dieser Filter kann zwar weitab liegende Störsignale unterdrücken, nicht aber dicht am Träger liegende oder durch den Träger laufende. Eine Reduzierung dieser Störsignale wäre nur mit einem extrem schmalen DDS-Filter möglich, welcher aber ein schnelles Einschwingen des Phasenregelkreises verhindert. Die Wahl eines solchen Filters ist für das Einschwingverhalten des Phasenregelkreises entscheidend, siehe auch US-4965533, Spalte 8, Zeilen 39-44. If the reference signal of a frequency synthesis is generated by a direct digital synthesizer, as indicated in the application examples of the cited documents and can also be gathered from US Pat. No. 4,965,533, the filter spectrum of the phase-locked loop can reduce the interference spectrum in the range outside the bandwidth of the loop filter within the loop filter, however, the interference spectrum occurs even more by a factor of 20 log (N) dB, where N is the division factor of the frequency divider in the feedback loop. For better suppression of the interference spectrum, a DDS filter is arranged in front of the phase locked loop in accordance with US Pat. No. 4,965,533. Although this filter can suppress distant interference signals, it cannot suppress interference signals that run close to the carrier or pass through the carrier. A reduction of these interference signals would only be possible with an extremely narrow DDS filter, which, however, prevents the phase-locked loop from settling quickly. The choice of such a filter is decisive for the transient response of the phase locked loop, see also US-4965533, column 8 , lines 39-44 .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Störspektren zur Verfügung zu stellen, wobei die Nachteile im Stand der Technik vermieden werden. Dabei soll eine Frequenzsyntheseschaltung, bei der die direkte digitale Synthese als Referenzsignal in Kombination mit einem Phasenregelkreis dient, auch dort eingesetzt werden können, wo außer einer hohen Frequenzumschaltgeschwindigkeit, einer kleinen Schrittweite und niedrigem Phasenrauschen auch eine Reduktion des DDS-Störspektrums gefordert wird. The invention has for its object a method and an apparatus for Suppression of interference spectra available, the disadvantages in State of the art can be avoided. One should Frequency synthesis circuit in which the direct digital synthesis as a reference signal in combination serves with a phase locked loop, can also be used where except a high frequency switching speed, a small step size and low phase noise also a reduction in the DDS interference spectrum is required.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. The object is solved by the features of the claims.

Bei der Lösung geht die Erfindung von folgenden Grundgedanken aus. In the solution, the invention is based on the following basic ideas.

Ein Nutzsignal mit einem Störspektrum wird in einen bedeutend höheren Frequenzbereich ohne Änderung des Störabstandes (Differenz zwischen dem Nutzsignal-Peak und den Peaks des Störspektrums) transformiert. Danach wird das Nutzsignal durch Frequenzteilung in den niederfrequenten Bereich zurücktransformiert, wobei das Störspektrum bezüglich seines Frequenzabstandes zur Nutzfrequenz unverändert bleibt, der Störabstand jedoch um den Teilungsfaktor reduziert wird. A useful signal with an interference spectrum is transformed into a significantly higher one Frequency range without changing the signal-to-noise ratio (difference between the Useful signal peak and the peaks of the interference spectrum) are transformed. After that the useful signal by frequency division in the low-frequency range transformed back, the interference spectrum with respect to its Frequency distance to the useful frequency remains unchanged, but the signal to noise ratio around Division factor is reduced.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. It demonstrate:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Schaltung zum Bereitstellen einer direkten digitalen Synthese als Referenz, Fig. 1 shows an inventive embodiment of a circuit for providing a direct digital synthesis as a reference,

Fig. 2a ein DDS-Signal im Bereich von 14 MHz mit einem typischen Störspektrum, Fig. 2a shows a DDS signal in the range of 14 MHz with a typical interference spectrum,

Fig. 2b das DDS-Signal gemäß Fig. 2a nach der erfindungsgemäßen Verschiebung in dem Bereich von 9,6 MHz, und FIG. 2b, the DDS signal according to Fig. 2a, after the inventive shift in the range of 9.6 MHz and

Fig. 3 eine bekannte Frequenzsyntheseschaltung. Fig. 3 shows a known frequency synthesis circuit .

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform zum Bereitstellen einer direkten digitalen Synthese als Referenz in Kombination mit einem Phasenregelkreis 3, 4, 5 und 6 von Fig. 3. Diese Schaltung ersetzt die Blöcke DDS 1 und DDS-Filter 2 von Fig. 3. Das DDS-Signal ermöglicht weiterhin die Feineinstellung der Frequenzsynthese, lediglich kann der absolute Frequenzbereich gegenüber der Schaltung von Fig. 3 etwas verschoben sein. Diese Schaltung dient zur Durchführung eines Verfahrens zur Unterdrückung von Störspektren. Ein Referenzsignal S₀ (beispielsweise 10 MHz) wird einem Phasenregelkreis mit einem Phasendetektor 7, einem Schleifenfilter 8, einem spannungsgesteuerten Oszillator 9 und einem ersten Frequenzteiler 14 zugeführt. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 9 wird an einem Mischer 10 angelegt. In diesem Beispiel hat das Ausgangssignal des VCO 9 eine Frequenz von 610 MHz und der erste Frequenzteiler 14 hat ein Teilerverhältnis von 1 : 61. Ein DDS 15 liefert ein DDS-Signal S₂, das dem Mischer 10 zugeführt wird. Das DDS-Signal S₂ dient zur Feineinstellung der Frequenz. In dem Beispiel beträgt die Frequenz etwa 14 MHz. Die Transformation des DDS- Signals S₂ erfolgt über den Mischer 10, wobei durch Bildung der Summe oder der Differenz der Frequenz des Signals S₂ mit der Frequenz des Signals aus dem Oszillator 9 ein Mischprodukt gebildet wird. Damit ist das DDS-Signal S₂ einschließlich des Störspektrums ohne Änderung des Störabstands in einen wesentlich höheren Frequenzbereich verschoben. Das Mischprodukt wird einem Bandpassfilter 11 zugeführt, dessen Durchlassband beispielsweise bei etwa 624 MHz liegt. Der Bandpassfilter 11 dient zum Aussieben des gewünschten Signals. Mittels eines zweiten Frequenzteilers 12 wird das ausgesiebte Signal in ein niederfrequenteres Signal S₃ zurücktransformiert. Beispielsweise beträgt das Teilerverhältnis 1 : 65, so daß das Signal S₃ eine Frequenz von etwa 9,6 MHz aufweist. Die Frequenzteilung bewirkt ein Absenken des Störspektrums. Fig. 1 shows an embodiment of the present invention to provide shows a direct digital synthesis as a reference in combination with a phase-locked loop 3, 4, 5 and 6 of Fig. 3. This circuit replaces the blocks DDS 1 and DDS-filter 2 of Fig. 3. The DDS signal also enables the fine adjustment of the frequency synthesis, only the absolute frequency range can be shifted somewhat compared to the circuit of FIG. 3. This circuit is used to carry out a method for suppressing interference spectra. A reference signal S ₀ (for example 10 MHz) is fed to a phase locked loop with a phase detector 7 , a loop filter 8 , a voltage controlled oscillator 9 and a first frequency divider 14 . The output signal of the voltage controlled oscillator (VCO) 9 is applied to a mixer 10 . In this example, the output signal of the VCO 9 has a frequency of 610 MHz and the first frequency divider 14 has a division ratio of 1:61. A DDS 15 supplies a DDS signal S ₂ which is fed to the mixer 10 . The DDS signal S ₂ is used for fine adjustment of the frequency. In the example, the frequency is approximately 14 MHz. The transformation of the DDS signal S ₂ takes place via the mixer 10 , a mixed product being formed by forming the sum or the difference of the frequency of the signal S ₂ with the frequency of the signal from the oscillator 9 . The DDS signal S _2, including the interference spectrum, is thus shifted to a substantially higher frequency range without changing the signal-to-noise ratio. The mixed product is fed to a bandpass filter 11 , the pass band of which is approximately 624 MHz, for example. The bandpass filter 11 serves to filter out the desired signal. The screened signal is transformed back into a lower-frequency signal S _{3 by} means of a second frequency divider 12 . For example, the division ratio is 1:65, so that the signal S _{3 has} a frequency of approximately 9.6 MHz. The frequency division lowers the interference spectrum.

In einer weiterführenden Ausbildung der Erfindung kann die DDS 15 ebenfalls an das Referenzsignal S₀ angebunden sein. Dazu wird vorzugsweise ein weiterer Phasenregelkreis 13 vorgesehen, der das Referenzsignal S₀ erhält und ein phasenstarres Taktsignal S₁ für die Ansteuerung des DDS 15 liefert. In a further embodiment of the invention, the DDS 15 can also be connected to the reference signal S ₀ . For this purpose, a further phase-locked loop 13 is preferably provided, which receives the reference signal S ₀ and supplies a phase-locked clock signal S ₁ for controlling the DDS 15 .

Fig. 2a zeigt ein DDS-Signal im Frequenzbereich von 14 MHz mit einem typischen Störspektrum, wie es am Ausgang des DDS 15 auftritt. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhält man aus dem Signal gemäß Fig. 2a das Signal gemäß Fig. 2b, das in einen niederfrequenten Bereich von 9,6 MHz mit verringertem Störspektrum verschoben ist. Es ist zu erkennen, daß die Peaks der Störspektren deutlich verringert wurden, wobei jedoch der Frequenzabstand zur Nutzfrequenz unverändert bleibt. Der Störabstand a ist jedoch um den Teilungsfaktor der erfindungsgemäßen Frequenzsyntheseschaltung reduziert. FIG. 2a shows a DDS signal in the frequency range of 14 MHz with a typical interference spectrum, as occurs at the output of the DDS 15 . By means of the device according to the invention, the signal according to FIG. 2b is obtained from the signal according to FIG. 2a, which is shifted into a low-frequency range of 9.6 MHz with a reduced interference spectrum. It can be seen that the peaks of the interference spectra have been significantly reduced, but the frequency spacing from the useful frequency remains unchanged. However, the signal-to-noise ratio a is reduced by the division factor of the frequency synthesis circuit according to the invention.

Claims

1. A method for suppressing interference spectra, wherein in a first step a DDS signal (S ₂ ) is transformed into a higher frequency range and in a second step as a signal (S ₃ ) is transformed back into a low frequency range.

2. The method according to claim 1, wherein the transformation of the DDS signal (S ₂ ) into the higher frequency range takes place with the aid of a mixer ( 10 ) and a filter ( 11 ).

3. The method according to claim 1 or 2, wherein the reverse transformation of the mixed and filtered DDS signal into a low frequency range is carried out by frequency division ( 12 ).

4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the mixed signal used for the transformation of the DDS signal and a DDS ( 15 ) which supplies the DDS signal (S ₂ ) are synchronized by a common reference signal (S ₀ ) ,

5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the DDS signal (S ₂ ) is transformed from a frequency range of, for example, 14 MHz into a 20 to 100, preferably about 45 times higher frequency range.

6. Device for suppressing interference spectra, in particular using a method according to one of claims 1 to 5
a DDS ( 15 ) for providing a DDS signal (S ₂ ),
a device ( 10 ) for transforming the DDS signal (S ₂ ) into a higher frequency range, and
a device ( 12 ) which transforms the transformed DDS signal into the low-frequency signal (S ₃ ).

7. The device according to claim 6, with a mixer ( 10 ), which receives a mixed signal for transforming the DDS signal (S ₂ ) and forms the sum or difference of the DDS signal from the DDS ( 15 ) and the mixed signal.

8. The device according to claim 7, with a bandpass filter ( 11 ) for screening a signal from the mixer ( 10 ).

9. Device according to one of claims 6 to 8, with a phase locked loop ( 13 ), which generates a phase-locked clock signal (S ₁ ) for controlling the DDS ( 15 ) from the reference signal (S ₀ ).

10. The device according to one of claims 6 to 9, with a phase locked loop, to which the low-frequency signal (S ₃ ) is supplied, and which:
a phase detector ( 3 ),
a loop filter ( 4 ),
a voltage controlled oscillator ( 5 ), and
an adjustable frequency divider ( 6 )
having.