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Dokumentenidentifikation DE102006017277A1 08.02.2007
Titel Spektrumanalysator und Verfahren zum Korrigieren von Frequenzfehlern
Anmelder Agilent Technologies, Inc. (n.d.Ges.d.Staates Delaware), Palo Alto, Calif., US
Erfinder Guilford, John H., Stanwood, Wash., US
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 12.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006017277
Offenlegungstag 08.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.02.2007
IPC-Hauptklasse G01R 23/16(2006.01)A, F, I, 20060412, B, H, DE
Zusammenfassung Ein Spektrumanalysator korrigiert innere Frequenzfehler in einem Referenzoszillator unter Verwendung eines Zeisteuersignals. Der Referenzoszillator liefert ein Referenzsignal bei einer Referenzfrequenz. Eine Fehlererfassungsschaltung bestimmt einen Fehler in der Referenzfrequenz unter Verwendung des Zeitsteuersignals und erzeugt ein Fehlerkorrektursignal für die Verwendung durch eine Frequenzumwandlungsvorrichtung beim Einstellen einer Ausgangsfrequenz derselben zum Ausgleich des Frequenzfehlers in der Referenzfrequenz.

Beschreibung[de]

Spektrumanalysatoren enthalten im Allgemeinen einen Master- oder Referenzoszillator, der eine präzise Oszillationsfrequenz erzeugt, um die Zeit- und Messfrequenz des Analysators zu steuern. Daher kann die Leistungsfähigkeit des Spektrumanalysators durch Frequenzfehler in dem Referenzoszillator erheblich verschlechtert werden. Der Referenzoszillator ist typischerweise ein Kristalloszillator, der eine relativ stabile Oszillationsfrequenz liefert. Kristalloszillatoren zeigen jedoch häufig eine thermische Schwankung bei der Oszillationsfrequenz. Als Folge kann die Oszillationsfrequenz eines Kristalloszillators mit der Umgebungstemperatur schwanken. Der Betrag der thermischen Instabilität wird typischerweise in Teilen je Million Teilen gemessen und wird verwendet, um die Frequenzgenauigkeit des Kristalloszillators zu spezifizieren. Von der Frequenzgenauigkeit kann der Frequenzfehler, der von dem Kristalloszillator erwartet wird, bestimmt werden.

Als ein Beispiel hat ein Kristalloszillator mit einer Nennbetriebsfrequenz von 10 MHz mit einer Frequenzgenauigkeit von 1 Teil pro Million Teilen(ppm) einen erwarteten Frequenzfehler von ± 1 kHz. Obwohl diese Frequenz im Vergleich zu der Nennbetriebsfrequenz klein ist, kann der Fehler bei frequenzempfindlichen Anwendungen unannehmbar sein. Wenn beispielsweise Schmalbandsignale unter Verwendung von lokalen Oszillatoren gemessen werden, deren Frequenzen von dem Referenzoszillator abgeleitet werden, kann ein 1-kHz-Frequenzfehler in dem Referenzoszillator die Messgenauigkeit des Spektrumanalysators erheblich reduzieren.

Derzeit sind eine Anzahl von Techniken erhältlich, um Frequenzfehler in dem Referenzoszillator zu korrigieren. Eine übliche Technik ist das Verriegeln des Referenzoszillators mit einem genaueren Signal bei der gewünschten Betriebsfrequenz (z. B. einem extern erzeugten 10-MHz-Referenztaktsignal), um Schwankungen bei der Oszillationsfrequenz zu korrigieren. Beispielsweise kann der Referenzoszillator mit dem externen Signal „verriegelt" werden, durch Vergleichen der Frequenz des Referenzoszillators mit der Frequenz des externen Signals, um einen Frequenzfehler oder -versatz zu bestimmen, der verwendet wird, um die Referenzoszillatorfrequenz zu korrigieren.

Solche automatischen Frequenzkorrektur- (AFC-) Techniken erfordern jedoch, dass der Referenzoszillator einstellbar ist (z. B. ein spannungsgesteuerter Oszillator), was die Kosten des Referenzoszillators erhöht. Somit ist bei Spektrumanalysatoren mit unaufwändigen Festfrequenzreferenzoszillatoren eine Frequenzkorrektur unter Verwendung verfügbarer AFC-Techniken nicht möglich. Außerdem kann es sein, dass Spektrumanalysatoren keinen Zugriff zu einem externen Signal haben und daher nicht in der Lage sind, die Oszillationsfrequenz des Referenzoszillators zu korrigieren. Als Folge gibt es einen Bedarf an einem Spektrumanalysator, der in der Lage ist, Frequenzfehler in dem Referenzoszillator zu korrigieren, ohne zu erfordern, dass der Referenzoszillator mit einem genauen Signal verriegelt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spektrumanalysator und ein Verfahren zum Korrigieren von Frequenzfehlern in einem Spektrumanalysator mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Analysator gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liefern einen Spektrumanalysator, der interne Frequenzfehler unter Verwendung eines Zeitsteuersignals korrigiert. Der Spektrumanalysator umfasst einen Referenzoszillator zum Liefern eines Referenzsignals bei einer Referenzfrequenz, und eine Fehlererfassungsschaltung zum Bestimmen eines Fehlers in der Referenzfrequenz unter Verwendung des Zeitsteuersignals. Die Fehlererfassungsschaltung erzeugt ferner ein Fehlerkorrektursignal für die Verwendung durch eine Frequenzumwandlungsvorrichtung beim Einstellen einer Ausgabefrequenz derselben zum Ausgleichen des Frequenzfehlers in der Referenzfrequenz.

Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Frequenzumwandlungsvorrichtung einen lokalen Oszillator, der verbunden ist, um das Referenzsignal und das Fehlerkorrektursignal zu empfangen. Der lokale Oszillator wandelt das Referenzsignal bei der Referenzfrequenz unter Verwendung des Fehlerkorrektursignals in ein Betriebssignal bei einer Betriebsfrequenz um. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel umfasst der lokale Oszillator beispielsweise: (i) einen Phasen- und Frequenzdetektor, der das Referenzsignal oder ein Rückkopplungssignal empfängt, und ein Fehlersignal erzeugt, das einen Unterschied bei der Phase oder Frequenz zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal anzeigt; (ii) einen Spannungsgenerator, der das Fehlersignal und das Fehlerkorrektursignal empfängt und eine Steuerspannung proportional zu einer Kombination des Fehlersignals und des Fehlerkorrektursignals erzeugt; und (iii) einen spannungsgesteuerten Oszillator, der die Steuerspannung empfängt und das Betriebssignal basierend auf der Steuerspannung erzeugt.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst der Spektrumanalysator ferner eine zusätzliche Frequenzumwandlungsvorrichtung, die ein Hochfrequenz- (HF-) Signal und ein lokales Oszillationssignal, das von dem Referenzsignal erzeugt wird, empfängt, und das HF-Signal unter Verwendung des lokalen Oszillationssignals in ein Zwischenfrequenz- (ZF-) Signal umwandelt, einen Analog-/Digital-Wandler zum Umwandeln des ZF-Signals in ein digitales Signal und einen Prozessor, der die Frequenzumwandlungsvorrichtung zum Verarbeiten des digitalen Signals unter Verwendung des Fehlerkorrektursignals umfasst. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel umfasst die Frequenzumwandlungsvorrichtung beispielsweise ein Frequenzeinstellmodul zum Einstellen der Frequenz des digitalen Signals als eine Funktion des Fehlerkorrektursignals zum Erzeugen eines korrigierten digitalen Signals.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Zeitsteuersignal Zeitsignale, die durch bekannte Zeitintervalle getrennt sind, und die Fehlererfassungsschaltung umfasst eine Zählerschaltung zum Zählen von Zyklen des Referenzsignals, die zwischen aufeinanderfolgenden Zeitsignalen auftreten, um einen Zählwert zu erzeugen, der die Referenzfrequenz anzeigt. Die Fehlererfassungsschaltung umfasst ferner einen Prozessor zum Bestimmen der Referenzfrequenz von dem Zählwert, Bestimmen des Fehlers in der Referenzfrequenz als einen Unterschied zwischen der Referenzfrequenz und einer gewünschten Frequenz, und zum Erzeugen des Fehlerkorrektursignals zum Ausgleichen des Fehlers in der Referenzfrequenz. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel sind die Zeitsignale beispielsweise Pulse eines GPS-Taktsignals (GPS = Global Positioning System = globales Positionsbestimmungssystem), das als eine Geschwindigkeit von einem Puls pro Sekunde erzeugt wird.

Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Fehlererfassungsschaltung einen Phasenkomparator zum Erfassen einer Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Zeitsteuersignal, und einen Prozessor zum Bestimmen der Referenzfrequenz von der Phasendifferenz, Bestimmen des Fehlers in der Referenzfrequenz als eine Differenz zwischen der Referenzfrequenz und einer gewünschten Frequenz, und zum Erzeugen des Fehlerkorrektursignals zum Ausgleichen des Fehlers in der Referenzfrequenz.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Blockdiagramm, das einen Spektrumanalysator gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt;

2 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Fehlererfassungsschaltung zum Erfassen von Frequenzfehlern in einem Referenzoszillator des Spektrumanalysators von 1 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;

3 ein Blockdiagramm einer weiteren beispielhaften Fehlererfassungsschaltung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;

4 ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften lokalen Oszillators des Spektrumanalysators, der eine Ausgabe liefert, die Frequenzfehler in dem Referenzoszillator ausgleicht, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;

5 ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften Prozessors des Spektrumanalysators, der eine Frequenzeinstellkomponente umfasst, die in einem Digitalsignal Frequenzfehler in dem Referenzoszillator korrigiert, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;

6 ein schematisches Blockdiagramm einer beispielhaften Frequenzeinstellkomponente gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und

7 einen beispielhaften Prozess zum Korrigieren von Frequenzfehlern in einem Spektrumanalysator gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.

1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das einen beispielhaften und vereinfachten Spektrumanalysator 10 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt. Der in 1 gezeigte Spektrumanalysator 10 kann beispielsweise beispielhafte Komponenten eines AGILENT TECHNOLOGIES, INC., Modell E4440, PSR-Reihe-Spektrumanalysators darstellen.

Der Spektrumanalysator 10 umfasst einen rauscharmen Verstärker (LNA) 30, einen Mischer 50, einen oder mehrere lokale Oszillatoren 130 (von denen der Zweckmäßigkeit halber nur einer gezeigt ist), einen Analog-/Digital-Wandler 70, Prozessor 90 und Anzeige 100. Beim Betrieb verstärkt der LNA 30 ein Eingangs-HF-Signal 20 zum Erzeugen eines verstärkten Eingangs-HF-Signals 30. Der LNA 30 liefert das verstärkte HF-Signal 40 in den Mischer 50, der das verstärkte Eingangs-HF-Signal 40 direkt in ein niedriges Eingangs-ZF-Signal 60 umwandelt, basierend auf einem lokalen Oszillationssignal 140, das durch den lokalen Oszillator 130 geliefert wird. Das lokale Oszillationssignal 140 legt die Mittenfrequenz CF für die Messungen fest, die durch den Spektrumanalysator 10 durchgeführt werden.

Das niedrige Eingangs-ZF-Signal 60 wird über den Analog-/Digital-Wandler 70 von analog zu digital umgewandelt, zum Erzeugen eines digitalen Signals 80. Der Prozessor 90 verarbeitet das digitale Signal 80 und gibt Anzeigedaten 95 an die Anzeige 100 für die Anzeige auf demselben aus. Der Prozessor 90, und allgemeiner, wie er hierin verwendet wird, umfasst der Begriff „Prozessor" jeden Typ von Verarbeitungsvorrichtung, wie z. B. einen Mikroprozessor, einen Mikro-Controller, einen Digital-Signalprozessor, einen Mikro-Computer, eine zentrale Verarbeitungseinheit, ein feldprogrammierbares Gatterarray, eine programmierbare Logikvorrichtung, eine Zustandsmaschine, eine Logikschaltungsanordnung, eine analoge Schaltungsanordnung, eine digitale Schaltungsanordnung und/oder jede Vorrichtung, die Signale (analog und/oder digital) auf der Basis von Betriebsbefehlen manipuliert. Der Betrieb eines herkömmlichen Spektrumanalysators ist beispielsweise beschrieben in Spectrum Analysis Basics, Application Note 150, bereitgestellt von AGILENT TECHNOLOGIES, INC., Palo Alto, Kalifornien, USA.

Der in 1 gezeigte Spektrumanalysator 10 umfasst ferner einen Referenzoszillator 110 und eine Fehlererfassungsschaltung 150. Der Referenzoszillator 110 ist ein hochgenauer Oszillator, wie z. B. ein Kristalloszillator, der ein Referenzsignal 120 bei einer Referenzfrequenz (z. B. 10 MHz) liefert, um den lokalen Oszillator 130 zu treiben. Der Referenzoszillator 110 und der lokale Oszillator 130 können jeweils einen spannungsgesteuerten Oszillator oder eine andere Oszillationsvorrichtung umfassen. Der lokale Oszillator 130 wandelt das Referenzsignal 120 bei der Referenzfrequenz zu dem lokalen Oszillationssignal 140 um, bei einer Messfrequenz (z. B. CF) des Spektrumanalysators 10. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der lokale Oszillator 130 ein Phasenregelschleifen- (PLL-) Frequenzsynthesizer einer Translationsschleife, bei der die ZF-Frequenz des lokalen Oszillationssignals 140, das durch den PLL-Frequenzsynthesizer erzeugt wird, verwendet wird, um das verstärkte Eingangs-Signal 30 unter Verwendung des Mischers 50 von HF zu der gewünschten ZF-Frequenz „zu übersetzen".

Die Frequenz des Referenzsignals 120, das durch den Referenzoszillator 110 erzeugt wird, kann jedoch von der spezifizierten oder programmierten Oszillationsfrequenz abweichen, aufgrund verschiedener Faktoren, wie z. B. der Umgebungstemperatur. Obwohl beispielsweise die Spezifikationen des Spektrumanalysators 10 anzeigen können, dass die Mittenfrequenz des Referenzoszillators 110 10 MHz ist, kann die tatsächliche Mittenfrequenz beim Betrieb variieren, basierend auf der Frequenzgenauigkeit des Referenzoszillators 110. Solche Frequenzfehler bei dem Referenzoszillator 110 können die Messgenauigkeit des Spektrumanalysators 10 erheblich reduzieren.

Daher erfasst die Fehlererfassungsschaltung 150 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Referenzoszillationsfrequenzfehler und korrigiert dieselben unter Verwendung eines Zeitsteuersignals 160, das durch den Spektrumanalysator 10 empfangen oder erzeugt wird. Das Zeitsteuersignal 160 umfasst jeden Typ von genauem oder präzisem Signal. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Zeitsteuersignal 160 beispielsweise ein GPS-Taktsignal, das durch einen GPS-Empfänger (nicht gezeigt) in dem Spektrumanalysator 10 erzeugt wird. GPS-Empfänger sind entworfen, um GPS-Funkwellen von einem Navigationssatelliten zu empfangen und ein 1-Puls-pro-Sekunde- (pps-) Ausgangssignal zu liefern, das entweder mit GPS- oder UTC-Zeit synchronisiert ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist das Zeitsteuersignal 160 ein extern erzeugtes präzises Signal, wie z. B. ein IEEE-1588-Zeitsynchronisationspaket, das über ein lokales Netz (LAN) gesendet wird.

Die Fehlererfassungsschaltung 150 empfängt sowohl das Referenzsignal 120, das durch den Referenzoszillator 110 erzeugt wird, als auch das Zeitsteuersignal 160, und verwendet das Zeitsteuersignal 160 zum Schätzen des Frequenzfehlers in dem Referenzsignal 120. Bei einem Ausführungsbeispiel bestimmt beispielsweise die Fehlererfassungsschaltung 150 die tatsächliche Frequenz des Referenzsignals 120 von dem Zeitsteuersignal 160 und vergleicht die tatsächliche Frequenz mit der gewünschten Frequenz, um den Frequenzfehler in dem Referenzsignal 120 zu schätzen, wie es nachfolgend in Verbindung mit 2 näher beschrieben ist. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel erfasst die Fehlererfassungsschaltung 150 eine Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal 120 und dem Zeitsteuersignal 160, um den Frequenzfehler in dem Referenzsignal 120 zu schätzen, wie es nachfolgend in Verbindung mit 3 näher beschrieben ist.

Die Fehlererfassungsschaltung 150 erzeugt ferner ein Fehlerkorrektursignal 170 zu dem lokalen Oszillator 130 und/oder Prozessor 90 für die Verwendung beim Korrigieren oder anderweitigen Ausgleichen des Frequenzfehlers in dem Referenzoszillator 110. Falls die Fehlererfassungsschaltung 150 beispielsweise bestimmt, dass der Referenzoszillator 110 5,6 ppm langsamer ist als er sein sollte, und die gewünschte Mittenfrequenz des lokalen Oszillators 130 1,0 GHz ist, kann das Fehlerkorrektursignal 170, das an den lokalen Oszillator 130 geliefert wird, verwendet werden, um den lokalen Oszillator 130 auf eine Mittenfrequenz zu programmieren, die 5,6 ppm höher ist als 1,0 GHz oder 1,0000056 GHz. Als Folge wäre die tatsächliche Mittenfrequenz, die durch den lokalen Oszillator 130 erzeugt wird, die gewünschten 1,0 GHz. Als weiteres Beispiel kann das Fehlerkorrektursignal 170, das an den Prozessor 90 geliefert wird, den geschätzten Frequenzfehler anzeigen. Der Prozessor 90 kann den geschätzten Frequenzfehler verwenden, um nicht-korrigierte Messdaten, die in dem Digitalsignal 80 empfangen wurden, nachzuverarbeiten, um die falsche Mittenfrequenz in den Messdaten zu korrigieren.

Mit Bezugnahme auf 2 ist eine beispielhafte Fehlererfassungsschaltung 150 dargestellt, zum Erfassen von Frequenzfehlern in dem Referenzoszillator des Spektrumanalysators von 1. Die Fehlererfassungsschaltung umfasst eine Zählerschaltung 200 und einen Prozessor 250. Die Zählerschaltung 200 ist verbunden, um sowohl das Zeitsteuersignal 160 als auch das Referenzsignal 120 zu empfangen, die von dem Referenzoszillator ausgegeben werden. Die Zählerschaltung 200 ist konfiguriert, um die Anzahl von Zyklen in dem Referenzsignal 120 zu zählen, die zwischen jedem zusammenhängenden Paar von Pulsen in dem Zeitsteuersignal 160 auftreten. Bei einem Ausführungsbeispiel ist jedes Paar von Zeitpulsen in dem Zeitsteuersignal 160 durch eine GPS-Sekunde getrennt. Als Folge ist die Anzahl von gezählten Zyklen äquivalent zu der Mittenfrequenz über dem Zählintervall des Referenzsignals 120.

Bei 2 umfasst die Zählerschaltung 200 einen Zähler 220, der verbunden ist, um das Referenzsignal 120 zu empfangen, und eine Steuerung 210 zum Steuern des Zählers 220 basierend auf dem Zeitsteuersignal 160. Auf den Empfang jedes Zeitpulses in dem Zeitsteuersignal 160 hin löst die Steuerung 210 ein Steuersignal 230 an den Zähler 220 aus, der die Anzahl von Zyklen zwischenspeichert, die durch den Zähler 220 seit dem vorhergehenden Zeitpuls gezählt wurden. Der Zähler 220 gibt einen Zählwert 240, der die gezählte Anzahl von Zyklen umfasst (d. h. die gemessene Frequenz des Referenzoszillators), an den Prozessor 250 aus, und die Steuerung 210 setzt den Zähler 220 zurück, nachdem der Zählwert 240 ausgegeben wurde, um das Zählen der Zyklen in dem Referenzsignal 120 neu zu starten.

Der Prozessor 250 bestimmt die Referenzfrequenz des Referenzsignals 120 von dem Zählwert 240 und vergleicht die gemessene Referenzfrequenz mit einer gewünschten oder spezifizierten Frequenz (z. B. benutzergesteuerte Frequenz oder programmierte Frequenz) des Referenzoszillatoxs, um den Frequenzfehler in dem Referenzoszillator zu bestimmen. Von dem Frequenzfehler erzeugt der Prozessor 250 das Fehlerkorrektursignal 170 zum Ausgleichen des Fehlers in der Referenzfrequenz. Das Fehlerkorrektursignal 170 zeigt beispielsweise bei einem Ausführungsbeispiel eine Mittenfrequenz an, die in den lokalen Oszillator programmiert werden soll, um den Fehler in dem Referenzoszillator zu versetzen. Als weiteres Beispiel zeigt das Fehlerkorrektursignal 170 den geschätzten Frequenzfehler an, der bei dem nachfolgenden Verarbeiten von digitalen Daten zu verwenden ist, die durch den Spektrumanalysator erfasst werden, um den Frequenzfehler zu korrigieren.

3 ist ein Blockdiagramm einer weiteren beispielhaften Fehlererfassungsschaltung 150 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die Fehlererfassungsschaltung 150 umfasst einen Taktgenerator 300, einen Phasenkomparator 320 und einen Prozessor 340. Der Taktgenerator 300 ist verbunden, um das Referenzsignal 120 von dem Referenzoszillator zu empfangen. Der Taktgenerator 300 erzeugt ein Rechteckwellentaktsignal 310 und gibt das Taktsignal 310 in den Phasenkomparator 320 ein. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Taktgenerator 300 eine Zählerschaltung, die entworfen ist, um die Anzahl von Zyklen in dem Referenzsignal 120 zu zählen, und gibt einen Taktpuls aus, sobald eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen gezählt wurde. Wenn beispielsweise angenommen wird, dass die gewünschte Frequenz des Referenzsignals 120 „f" ist, gibt der Taktgenerator 300 jede „f" Anzahl von Zyklen einen Taktpuls aus. Wenn somit die Referenzfrequenz des Referenzsignals 120 exakt „f" ist (d. h. es gibt keinen Fehler in dem Referenzsignal 120), dann gibt der Taktgenerator 300 jede Sekunde einen Taktpuls aus.

Der Phasenkomparator 320 ist verbunden, um das Zeitsteuersignal 160 und das Taktsignal 310 zu empfangen. Der Phasenkomparator 320 ist konfiguriert, um die Phasen des Zeitsteuersignals 160 und des Taktsignals 310 zu vergleichen und ein Phasendifferenzsignal 330 an den Prozessor 340 auszugeben, mit einer Pulsbreite, die die Phasendifferenz zwischen dem Zeitsteuersignal 160 und dem Taktsignal 310 anzeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Zeitsteuersignal 160 aus Zeitpulsen gebildet, die durch eine GPS-Sekunde getrennt sind. Der Phasenkomparator 320 misst die Differenz bei der Phase zwischen einem Zeitpuls in dem Zeitsteuersignal 160 und einem entsprechenden Taktpuls in dem Taktsignal 310, um das Phasendifferenzsignal 330 zu erzeugen.

Bei einem Ausführungsbeispiel gibt der Prozessor 340 das Phasendifferenzsignal 330 direkt als das Fehlerkorrektursignal 170 aus. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel verwendet der Prozessor 340 das Phasendifferenzsignal 330 als Frequenzfehler, wenn er das Fehlerkorrektursignal 170 erzeugt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel bestimmt der Prozessor 340 die tatsächliche Referenzfrequenz des Referenzsignals 120 von dem Phasendifferenzsignal 330 und vergleicht die tatsächliche Referenzfrequenz mit der gewünschten Frequenz des Referenzoszillators, um den Frequenzfehler in dem Referenzoszillator zu bestimmen. Von dem Frequenzfehler erzeugt der Prozessor 250 das Fehlerkorrektursignal 170, um den Fehler in der Referenzfrequenz auszugleichen. Bei einem Ausführungsbeispiel zeigt das Fehlerkorrektursignal 170 beispielsweise eine Mittenfrequenz an, die in den lokalen Oszillator programmiert werden soll, um den Fehler in dem Referenzoszillator auszugleichen. Als weiteres Beispiel zeigt das Fehlerkorrektursignal 170 den geschätzten Frequenzfehler an, der beim nachfolgenden Verarbeiten von digitalen Daten zu verwenden ist, die durch den Spektrumanalysator erfasst werden, um den Frequenzfehler zu korrigieren.

4 ist ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften lokalen Oszillators 130 des Spektrumanalysators, der eine Ausgabe liefert, die Frequenzfehler in dem Referenzoszillator 110 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung korrigiert. Der lokale Oszillator 130 ist verbunden, um sowohl das Referenzsignal 120 von dem Referenzoszillator 110 als auch das Fehlerkorrektursignal 170 von der Fehlererfassungsschaltung 150 zu empfangen. Der lokale Oszillator 130 umfasst einen Phasen- und Frequenzdetektor (PFD) 410, einen Summierknoten 430, einen Spannungsgenerator 450, einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 470 und einen Frequenzteiler 480 in einem Rückkopplungsweg, der ein Ausgangssignal (d, h, lokales Oszillationssignal 140) des VCO 470 durch ein Teilungsverhältnis dividiert, das entworfen ist, um ein Rückkopplungssignal 490 bei einer gewünschten Referenzfrequenz zu erzeugen.

Beim Betrieb werden das Referenzsignal 120 und das Rückkopplungssignal 490 in den PFD 410 eingegeben. Das Ausgangssignal des PFD 410 ist ein Fehlersignal 420, das den Fehler (in Phase und/oder Frequenz) zwischen dem Referenzsignal 120 und dem Rückkopplungssignal 490 anzeigt. Das Fehlersignal 420 ist bei dem Summierknoten 430 mit dem Fehlerkorrektursignal 170 kombiniert, um ein Korrektursignal 440 zu erzeugen, das in den Spannungsgenerator 450 eingegeben wird. Der Spannungsgenerator 450 erzeugt eine Ausgangsspannung, die als die „Steuerspannung" 460 von dem Korrektursignal 440 bezeichnet wird.

Die Oszillationsfrequenz des VCO 470 wird durch die Steuerspannung 460 bestimmt. Daher ist das Fehlerkorrektursignal 170 eingestellt, um eine Steuerspannung 460 zu erzeugen, die bewirkt, dass die Oszillationsfrequenz des VCO 470 den Frequenzfehler in dem Referenzsignal 120 ausgleicht. Das Ausgangssignal des VCO 470 ist das lokale Oszillationssignal 140, das von dem lokalen Oszillator 130 ausgegeben wird, das auch in den Frequenzteiler 480 eingegeben wird, um das Rückkopplungssignal 490 zu erzeugen, das in den PFD 410 eingegeben wird.

5 ist ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften Prozessors 90 des Spektrumanalysators zum Korrigieren von Frequenzfehlern in dem Referenzoszillator gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Der Prozessor 90 umfasst eine Frequenzeinstellverarbeitungskomponente 500 und andere Verarbeitungskomponenten 520. Die Frequenzeinstellverarbeitungskomponente 500 ist verbunden, um das digitale Signal 80, das von dem ADC ausgegeben wird, und das Fehlerkorrektursignal 170 zu empfangen. Die Frequenzeinstellverarbeitungskomponente 500 stellt die Frequenz des digitalen Signals ein, basierend auf dem Fehlerkorrektursignal 170, um ein korrigiertes digitales Signal 510 zu erzeugen. Das korrigierte digitale Signal 510 wird bei nachfolgenden Verarbeitungsschritten durch andere Verarbeitungskomponenten 520 des Prozessors 90 verwendet.

Beispielsweise zeigt bei einem Ausführungsbeispiel das Fehlerkorrektursignal 170, das an die Frequenzeinstellverarbeitungskomponente 500 geliefert wird, den geschätzten Frequenzfehler des Referenzoszillators an. Die Frequenzeinstellverarbeitungskomponente 500 verwendet den geschätzten Frequenzfehler zum Korrigieren von Daten in dem digitalen Signal 80, zum Erzeugen von Daten mit der entsprechenden Frequenz in dem korrigierten digitalen Signal 510. Das Fehlerkorrektursignal 170 kann in Echtzeit an die Frequenzeinstellverarbeitungskomponente 500 angelegt werden oder kann in einem Speicher (nicht gezeigt) gespeichert werden, zusammen mit den Daten in dem digitalen Signal 510 für eine nachfolgende Verarbeitung durch die Frequenzeinstellverarbeitungskomponente 500.

6 ist ein schematisches Blockdiagramm einer beispielhaften Frequenzeinstellverarbeitungskomponente 500 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die Frequenzeinstellverarbeitungskomponente 500 umfasst einen Kombinationsknoten 600, der verbunden ist, um das digitale Signal 80 und das Fehlerkorrektursignal 170 zu empfangen. Der Kombinationsknoten 600 arbeitet, um das digitale Signal 80 mit dem Fehlerkorrektursignal 170 zu kombinieren (z. B. durch Addition, Multiplikation durch ein Exponentialsignal und/oder eine andere mathematische Kombination), um das korrigierte digitale Signal 510 zu erzeugen. Somit umfasst das Fehlerkorrektursignal 170 einen Frequenzversatz, der entworfen ist, um die Frequenz des digitalen Signals 510 zu der gewünschten Frequenz zu verschieben.

7 stellt einen beispielhaften Prozess 700 zum Verbinden von Frequenzfehlern in einem Spektrumanalysator gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dar. Bei Block 710 wird ein Referenzsignal erzeugt durch einen Referenzoszillator des Spektrumanalysators bei einer Referenzfrequenz. Bei Block 720 wird ein Zeitsteuersignal empfangen, und bei Block 730 wird das Zeitsteuersignal verwendet, um einen Frequenzfehler bei der Referenzfrequenz zu bestimmen. Beispielsweise ist das Zeitsteuersignal bei einem Ausführungsbeispiel ein GPS-Taktsignal, das mit dem Referenzsignal verglichen wird, um Phasen- und/oder Frequenzdifferenzen zwischen denselben zu bestimmen. Bei einem Ausführungsbeispiel liefern die Phasen- und/oder Frequenzunterschiede direkt den Frequenzfehler. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Phasen- und/oder Frequenzunterschiede verwendet, um die tatsächliche Frequenz des Referenzsignals zu bestimmen, die mit der gewünschten Frequenz des Referenzsignals verglichen werden kann, um den Frequenzfehler zu bestimmen.

Von dem bestimmten Frequenzfehler wird bei Block 740 ein Fehlerkorrektursignal erzeugt, für die Verwendung beim Einstellen einer Ausgangsfrequenz einer Frequenzumwandlungsvorrichtung zum Ausgleichen des Frequenzfehlers bei der Referenzfrequenz bei Block 750. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Frequenzumwandlungsvorrichtung ein lokaler Oszillator, der direkt oder indirekt durch den Referenzoszillator getrieben wird. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Frequenzumwandlungsvorrichtung ein digitaler Prozessor, der konfiguriert ist, um die Frequenz von digitalen Daten einzustellen, die durch den Spektrumanalysator gemessen werden.

Wie es durch Fachleute auf diesem Gebiet erkannt wird, können die erfindungsgemäßen Konzepte, die bei der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, über einen großen Bereich von Anwendungen modifiziert und variiert werden.

Folglich sollte der Schutzbereich des Patentgegenstands nicht auf eine der spezifischen beispielhaften erörterten Lehren beschränkt werden, sondern ist statt dessen durch die folgenden Ansprüche definiert.


Anspruch[de]
Spektrumanalysator (10), der folgende Merkmale umfasst:

einen Referenzoszillator (110) zum Liefern eines Referenzsignals (120) bei einer Referenzfrequenz;

eine Fehlererfassungsschaltung (150), die verbunden ist, um das Referenzsignal (120) und ein Zeitsteuersignal (160) zu empfangen, und wirksam ist, um einen Fehler in der Referenzfrequenz unter Verwendung des Zeitsteuersignals zu bestimmen, und um ein Fehlerkorrektursignal (170) für die Verwendung beim Korrigieren des Fehlers zu erzeugen;

eine Frequenzumwandlungsvorrichtung, die verbunden ist, um das Fehlerkorrektursignal (170) zu empfangen, und wirksam ist, um eine Ausgangsfrequenz unter Verwendung des Fehlerkorrektursignals einzustellen, um den Fehler in der Referenzfrequenz auszugleichen.
Spektrumanalysator (10) gemäß Anspruch 1, bei dem die Frequenzumwandlungsvorrichtung einen lokalen Oszillator (130) umfasst, der verbunden ist, um das Referenzsignal (120) und das Fehlerkorrektursignal (170) zu empfangen, wobei der lokale Oszillator wirksam ist, um das Referenzsignal (120) bei der Referenzfrequenz unter Verwendung des Fehlerkorrektursignals (170) zu einem lokalen Oszillationssignal (140) bei einer Messfrequenz umzuwandeln. Spektrumanalysator (10) gemäß Anspruch 2, bei dem der lokale Oszillator (110) einen spannungsgesteuerten Oszillator (470) umfasst, der verbunden ist, um eine Steuerspannung (460) zu empfangen, die von dem Fehlerkorrektursignal (170) erzeugt wurde, und wirksam ist, um das lokale Oszillationssignal (140) basierend auf der Steuerspannung (460) zu erzeugen. Spektrumanalysator (10) gemäß Anspruch 3, bei dem der lokale Oszillator (110) ferner einen Phasen- und Frequenzdetektor (410), der verbunden ist, um das Referenzsignal (120) und ein Rückkopplungssignal (490) zu empfangen, und wirksam ist, um ein Fehlersignal (420) zu erzeugen, das eine Differenz bei der Phase oder Frequenz zwischen dem Referenzsignal (120) und dem Rückkopplungssignal (490) anzeigt, und einen Spannungsgenerator umfasst, der verbunden ist, um das Fehlersignal und das Fehlerkorrektursignal (170) zu empfangen, und wirksam ist, um die Steuerspannung proportional zu einer Kombination des Fehlersignals (420) und des Fehlerkorrektursignals (170) zu erzeugen. Spektrumanalysator (10) gemäß Anspruch 4, bei dem der spannungsgesteuerte Oszillator (470) ferner wirksam ist, um das Rückkopplungssignal als das lokale Oszillationssignal (140) zu erzeugen, und wobei der lokale Oszillator (110) ferner einen Frequenzteiler umfasst, der verbunden ist, um das Rückkopplungssignal zu empfangen, und das Rückkopplungssignal durch ein Teilungsverhältnis zu dividieren, und wobei das Rückkopplungssignal, das durch den spannungsgesteuerten Oszillator (470) erzeugt wird, das lokale Oszillationssignal (140) ist, das die Messfrequenz gleich dem Produkt der Referenzfrequenz des Referenzsignals (120) und des Teilungsverhältnisses aufweist. Spektrumanalysator (10) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, der ferner folgendes Merkmal umfasst:

eine zusätzliche Frequenzumwandlungsvorrichtung (50), die verbunden ist, um ein Hochfrequenz- (HF-) Signal (40) und das lokale Oszillationssignal zu empfangen, und wirksam ist, um das HF-Signal unter Verwendung des lokalen Oszillationssignals in ein Zwischenfrequenz- (ZF-) Signal (60) umzuwandeln.
Spektrumanalysator (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, der ferner folgende Merkmale umfasst:

eine zusätzliche Frequenzumwandlungsvorrichtung (50), die verbunden ist, um ein Hochfrequenz- (HF-) Signal und ein lokales Oszillationssignal zu empfangen, das von dem Referenzsignal (120) erzeugt wurde, und wirksam ist, um das HF-Signal unter Verwendung des lokalen Oszillationssignals (140) in ein Zwischenfrequenz- (ZF-) Signal umzuwandeln;

einen Analog-/Digital-Wandler, der verbunden ist, um das ZF-Signal zu empfangen, und wirksam ist, um das ZF-Signal (60) in ein digitales Signal (80) umzuwandeln; und

einen Prozessor (90), der die Frequenzumwandlungsvorrichtung umfasst und verbunden ist, um das digitale Signal und das Fehlerkorrektursignal (170) zu empfangen;

wobei der Prozessor wirksam ist, um das digitale Signal unter Verwendung des Fehlerkorrektursignals (170) zu verarbeiten.
Spektrumanalysator (10) gemäß Anspruch 7, bei dem die Frequenzumwandlungsvorrichtung eine Frequenzeinstellkomponente (500) umfasst, die wirksam ist, um eine Frequenz des digitalen Signals als eine Funktion des Fehlerkorrektursignals (170) einzustellen, um ein korrigiertes digitales Signal (510) zu erzeugen. Spektrumanalysator (10) gemäß Anspruch 8, bei dem die Frequenzeinstellkomponente einen Summierknoten umfasst, der verbunden ist, um das digitale Signal mit dem Fehlerkorrektursignal (170) zu kombinieren, um das korrigierte digitale Signal zu erzeugen. Spektrumanalysator (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Zeitsteuersignal (160) Zeitsignale umfasst, die durch bekannte Zeitabstände getrennt sind, und bei dem die Fehlererfassungsschaltung (150) folgende Merkmale umfasst:

eine Zählerschaltung (220), die verbunden ist, um das Referenzsignal (120) zu empfangen, und wirksam ist, um Zyklen des Referenzsignals (120) zu zählen, die zwischen aufeinanderfolgenden Zeitsignalen auftreten, um einen Zählwert (240) zu erzeugen, der die Referenzfrequenz anzeigt; und

einen Prozessor (250), der verbunden ist, um den Zählwert zu empfangen, und wirksam ist, um die Referenzfrequenz von dem Zählwert zu bestimmen, den Fehler als eine Differenz zwischen der Referenzfrequenz und einer gewünschten Frequenz zu bestimmen, und das Fehlerkorrektursignal (170) zu erzeugen, um den Fehler in der Referenzfrequenz auszugleichen.
Spektrumanalysator (10) gemäß Anspruch 10, bei dem die Zeitsignale Pulse eines Globales-Positionsbestimmungssystem- (GPS-) Taktsignals sind, das bei einer Geschwindigkeit von einem Puls pro Sekunde erzeugt wird. Spektrumanalysator (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Fehlererfassungsschaltung folgende Merkmale umfasst:

einen Phasenkomparator (320), der verbunden ist, um das Referenzsignal (120) und das Zeitsteuersignal zu empfangen, und wirksam ist, um eine Phasendifferenz (330) zwischen dem Referenzsignal (120) und dem Zeitsteuersignal zu erfassen; und

einen Prozessor (340), der verbunden ist, um die Phasendifferenz (330) zu empfangen, und wirksam ist, um den Fehler von der Phasendifferenz zu bestimmen und das Fehlerkorrektursignal (170) zu erzeugen, um den Fehler in der Referenzfrequenz auszugleichen.
Verfahren zum Korrigieren von Frequenzfehlern in einem Spektrumanalysator (10), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Empfangen (710) eines Referenzsignals bei einer Referenzfrequenz;

Bestimmen (730) eines Fehlers in der Referenzfrequenz unter Verwendung eines Zeitsteuersignals; und

Erzeugen (740) eines Fehlerkorrektursignals für die Verwendung beim Einstellen (750) einer Ausgangsfrequenz einer Frequenzumwandlungsvorrichtung zum Ausgleichen des Fehlers in der Referenzfrequenz.
Verfahren gemäß Anspruch 13, das ferner folgenden Schritt umfasst:

Umwandeln des Referenzsignals (120) bei der Referenzfrequenz in ein lokales Oszillationssignal bei einer Messfrequenz unter Verwendung des Fehlerkorrektursignals (170).
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Umwandeln ferner folgende Schritte umfasst:

Erzeugen einer Steuerspannung von dem Fehlerkorrektursignal (170); und

Erzeugen des lokalen Oszillationssignals basierend auf der Steuerspannung.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Erzeugen der Steuerspannung ferner folgende Schritte umfasst:

Empfangen des Referenzsignals und eines Rückkopplungssignals, das von dem lokalen Oszillationssignal erzeugt wird;

Erzeugen eines Fehlersignals, das einen Unterschied bei Phase oder Frequenz zwischen dem Referenzsignal (120) und dem Rückkopplungssignal anzeigt; und

Erzeugen der Steuerspannung proportional zu einer Kombination des Fehlersignals und des Fehlerkorrektursignals (170).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, das ferner folgende Schritte umfasst:

Empfangen eines Hochfrequenz- (HF-) Signals; und

Umwandeln des HF-Signals in ein Zwischenfrequenz- (ZF-) Signal unter Verwendung des lokalen Oszillationssignals.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, das ferner folgende Schritte umfasst:

Empfangen eines Hochfrequenz- (HF-) Signals;

Umwandeln des HF-Signals in ein Zwischenfrequenz- (ZF-) Signal unter Verwendung eines lokalen Oszillationssignals, das von dem Referenzsignal (120) erzeugt wird;

Umwandeln des ZF-Signals in ein digitales Signal; und

Verarbeiten des digitalen Signals unter Verwendung des Fehlerkorrektursignals (170).
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem das Verarbeiten ferner folgenden Schritt umfasst:

Einstellen einer Frequenz des digitalen Signals als eine Funktion des Fehlerkorrektursignals (170) zum Erzeugen eines korrigierten digitalen Signals.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem das Zeitsteuersignal (160) Zeitsignale umfasst, die durch bekannte Zeitintervalle getrennt sind, und wobei das Erzeugen (740) des Fehlerkorrektursignals (170) ferner folgende Schritte umfasst:

Zählen von Zyklen des Referenzsignals (120), die zwischen aufeinanderfolgenden Zeitsignalen auftreten, um einen Zählwert (240) zu erzeugen, der die Referenzfrequenz anzeigt;

Bestimmen der Referenzfrequenz von dem Zählwert; (240)

Bestimmen des Fehlers als eine Differenz zwischen der Referenzfrequenz und einer gewünschten Frequenz; und

Erzeugen des Fehlerkorrektursignals (170) zum Ausgleichen des Fehlers in der Referenzfrequenz.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20, bei dem das Erzeugen (740) des Fehlerkorrektursignals (170) ferner folgende Schritte umfasst:

Erfassen einer Phasendifferenz (330) zwischen dem Referenzsignal (120) und dem Zeitsteuersignal;

Bestimmen des Fehlers von der Phasendifferenz (330); und

Erzeugen des Fehlerkorrektursignals (170) zum Ausgleichen des Fehlers in der Referenzfrequenz.






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