JP2005151477A - Transmitter and digital quadrature modulation circuit used for the same - Google Patents
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Description
本発明は送信装置及びそれに用いるデジタル直交変調回路に関し、特に周波数安定度を高めたデジタル直交変調方式に関するものである。 The present invention relates to a transmission apparatus and a digital quadrature modulation circuit used therefor, and more particularly to a digital quadrature modulation system with improved frequency stability.
テレビ放送システムや、音声、携帯電話通信システムにおいて、信号変調方式として直交変調方式が広く採用されている(特許文献1,2参照)。この直交変調方式は、送信するベースバンド信号のI,Q成分(直交成分)を、出力搬出波の周波数と等しい周波数を有する一対の直交搬送波を用いて変調する方式である。
In a television broadcasting system, a voice, and a mobile phone communication system, an orthogonal modulation method is widely adopted as a signal modulation method (see
従来の直交変調回路は、規定のサンプリング周波数にてデジタル信号処理されたデジタルベースバンド信号のI,Q成分の各々を、D/Aコンバータによりアナログ変換し、規定の直交搬送波を用いてアナログ変調を行い、規定の出力搬送周波数を有する信号を得るようになっており、アナログ直交変調方式と呼ばれ、この変調方式を用いた送信装置の機能ブロックを図3に示す。 A conventional quadrature modulation circuit analog-converts each of the I and Q components of a digital baseband signal digitally processed at a specified sampling frequency by a D / A converter, and performs analog modulation using a specified orthogonal carrier wave. And a signal having a prescribed output carrier frequency is obtained, which is called an analog quadrature modulation method. FIG. 3 shows a functional block of a transmission apparatus using this modulation method.
図3において、1,2はI,Qベースバンド信号処理部であり、17,18はI,Qベースバンド信号をサンプリング周波数発生部16によるサンプリング周波数(fb)によりアナログ信号へ変換するD/Aコンバータである。19,20はD/Aコンバータ17,18の出力における高周波成分の抑圧を目的としたローパスフィルタ(LPF)であり、21はアナログ直交変調部である。この直交変調部21では、ローカル信号発振器26からのローカル信号(lf)を用いて直交搬送波生成回路24にて一対の直交する搬送波を生成し、ミキサ22,23によりLPF19,20からのベースバンド信号を、この一対の直交搬送波の周波数(lf)へアップコンバートするようになっている。なお、10は合成器である。
In FIG. 3,
ここで、I信号をcosωt、Q信号をsinωt、一対の直交搬送波をcosωct、sinωctとすると、直交変調信号は、
cosωct×cosωt=(1/2){cos(ωct+ωt)+
cos(ωct−ωt)}……(1)
sinωct×sinωt=(1/2){cos(ωct+ωt)−
cos(ωct−ωt)}……(2)
となる。よって、アナログ直交変調部21の出力は、
(1)式+(2)式=cos(ωct−ωt)……(3)
となる。
Here, when the I signal is cos ωt, the Q signal is sin ωt, the pair of orthogonal carriers is cos ωct, and sin ωct, the quadrature modulation signal is
cosωct × cosωt = (1/2) {cos (ωct + ωt) +
cos (ωct−ωt)} (1)
sin ωct × sin ωt = (1/2) {cos (ωct + ωt) −
cos (ωct−ωt)} (2)
It becomes. Therefore, the output of the analog
(1) Expression + (2) Expression = cos (ωct−ωt) (3)
It becomes.
この(3)式から判るように、アナログ直交変調方式における変調出力の周波数安定度は、ローカル信号による直交搬送波の周波数安定度のみに依存している。なお、図4に、図3に示したアナログ直交変調回路における各部の信号の周波数スペクトラムを示しており、ベースバンド信号のI,Q成分を、直接、規定の搬送周波数(FR=lf)へアップコンバートしていることが判る。 As can be seen from Equation (3), the frequency stability of the modulation output in the analog quadrature modulation method depends only on the frequency stability of the orthogonal carrier wave by the local signal. FIG. 4 shows the frequency spectrum of each part of the signal in the analog quadrature modulation circuit shown in FIG. 3. The I and Q components of the baseband signal are directly increased to the specified carrier frequency (FR = lf). It turns out that it is converting.
近年においては、直交変調回路の変調精度に高い精度が要求されてきており、直交変調誤差を低減すべくデジタル信号処理で行うデジタル直交変調方式が採用されている。このデジタル直交変調方式を用いた送信装置の機能ブロック図を図5に示す。図5において、1,2はI,Qデジタルベースバンド信号処理部であり、3,4はI,Qベースバンド信号をオーバサンプリングにより4n倍(nは正の整数)のレートに速度変換を行ってフィルタリングする補間フィルタである。16はサンプリング周波数(fb)発生部であり、5はサンプリングクロックを4逓倍する回路である。
In recent years, high accuracy has been required for the modulation accuracy of the quadrature modulation circuit, and a digital quadrature modulation method that uses digital signal processing to reduce the quadrature modulation error has been adopted. FIG. 5 shows a functional block diagram of a transmission apparatus using this digital quadrature modulation method. In FIG. 5, 1 and 2 are I and Q digital baseband signal processing units, and 3 and 4 perform speed conversion of the I and Q baseband signals to a rate of 4n times (n is a positive integer) by oversampling. Is an interpolation filter for filtering.
6は補間フィルタ3,4の出力信号であるI,Q信号をデジタル直交変調するデジタル直交変調部であり、11はこの変調出力を4逓倍回路5の出力を用いてアナログ信号に変換するD/Aコンバータであり、15はこのD/Aコンバータによるアナログ信号をローカル信号発振器17からのローカル周波数(lf+fb)と混合してアップコンバートするミキサである。
デジタル直交変調部6では、4逓倍回路5の出力から直交搬送波生成回路9により一対の直交搬送波を生成して、ミキサ7,8において、補間フィルタ3,4からのI,Q信号と周波数混合して合成器10により合成することで、直交変調信号が出力されるようになっている。こうして得られた直交変調信号は、D/Aコンバータ11でアナログ信号とされ、ミキサ15において、目的とする出力搬送周波数にアップコンバートされるのである。
In the digital
なお、図6に、図5に示したデジタル直交変調回路における各部の信号の周波数スペクトラムを示しており、I,Qベースバンド信号は、一度デジタル直交変調部6により規定の出力搬送周波数より低い周波数に変換され、その後、ミキサ15により規定の出力搬送周波数FRへアップコンバートされ、2段階の周波数変換されていることが判る。
FIG. 6 shows the frequency spectrum of each part of the signal in the digital quadrature modulation circuit shown in FIG. 5. The I and Q baseband signals are frequencies lower than the specified output carrier frequency by the digital
また、図7は、図5に示したデジタル直交変調回路が、0,1,−1の3値を用いた1/4nのレートでのデジタル直交変調を可能とすることを、参考までに示すものである。すなわち、I,Qデジタルベースバンド信号処理部1,2にてサンプリングレートfbにてI,Q信号が処理された後、レート変換を行うために、補間フィルタ3,4へ入力される。補間フィルタ3,4では、I,Qベースバンド信号のサンプリングレート(fb)とデジタル直交変調部6の出力周波数とを同じにするために、I,Qベースバンド信号のレートを4倍に上げ、デジタル直交変調部6において、I,Q信号が4のn倍数(4nfb)の関係を保つことで、デジタル直交搬送信号が、図7に示す如く、0,1,−1の3値を用いた1/4nのレートでのデジタル直交変調が可能になるのである。
FIG. 7 shows, for reference, that the digital quadrature modulation circuit shown in FIG. 5 can perform digital quadrature modulation at a rate of 1 / 4n using three values of 0, 1, and -1. Is. That is, after the I and Q digital baseband
上述した直交変調方式における第一の問題点としては、信号品質劣化がある。その理由は、上述した直交変調方式における信号品質劣化には、主に2通りがあり、その一つは直交変調誤差による変調精度の劣化であり、もう一つは出力周波数変動による劣化である。直交変調誤差による信号劣化は、直交搬送波生成回路の0,90度の位相差ずれおよび振幅誤差によって発生する。出力周波変動は、ローカル信号発振器の周波数変動により発生する。 The first problem with the above-described quadrature modulation method is signal quality degradation. The reason is that there are mainly two types of signal quality degradation in the above-described quadrature modulation method, one of which is degradation of modulation accuracy due to quadrature modulation error, and the other is degradation due to output frequency fluctuation. The signal degradation due to the quadrature modulation error is caused by a phase difference of 0, 90 degrees and an amplitude error of the quadrature carrier generation circuit. The output frequency fluctuation is caused by the frequency fluctuation of the local signal oscillator.
従来の図3に示したようなアナログ直交変調回路では、I,Qベースバンド信号のデジタル信号処理と直交変調処理とは、互いに独立しており、分離された構成であるために、周波数安定度という性能に関して、デジタル信号処理に特別な配慮は必要ない。従って、出力周波数に高精度な安定度を求める場合、ローカル発振器を外部からの高安定な基準信号に同期させることで実現できるという利点ある。 In the conventional analog quadrature modulation circuit as shown in FIG. 3, the digital signal processing and quadrature modulation processing of the I and Q baseband signals are independent from each other, and are separated from each other. With regard to the performance, no special consideration is required for digital signal processing. Therefore, when obtaining a highly accurate stability for the output frequency, there is an advantage that it can be realized by synchronizing the local oscillator with a highly stable reference signal from the outside.
しかしながら、高いC/N(Carrier to Noise Ratio)を要求されるシステムにおいて、アナログ直交変調回路は搬送波信号のもれ込み(リーク)による性能の劣化や直交誤差といったアナログ直交変調特有な品質劣化が不利となり、デジタルによる直交変調方式が主流となってきている。 However, in a system that requires a high C / N (Carrier to Noise Ratio), the analog quadrature modulation circuit is disadvantageous in terms of quality degradation peculiar to analog quadrature modulation, such as performance degradation and quadrature error due to leakage of a carrier signal. Therefore, digital quadrature modulation has become mainstream.
第二の問題としては、デジタル直交変調においては、サンプリングクロックとローカル信号搬送波の両方が、出力搬送波に影響する点である。その理由は、図5に示したようなデジタル直交変調回路では、デジタルにて直交変調を行うために、アナログ直交変調方式で問題となった搬送波リーク問題や直交変調誤差問題は発生しないが、周波数安定度の問題が浮上することである。これは、先に述べたとおり、デジタル直交変調出力周波数と、規定の搬送波にアップコンバートするためのローカル信号の周波数との合成が、出力搬送波周波数安定度となるために、問題解決には、デジタル信号処理で用いるサンプリングクロック周波数に高い安定度が要求されることになる。 The second problem is that in digital quadrature modulation, both the sampling clock and the local signal carrier affect the output carrier. The reason is that the digital quadrature modulation circuit as shown in FIG. 5 does not cause the carrier leak problem and the quadrature modulation error problem that have occurred in the analog quadrature modulation method because the digital quadrature modulation is performed. The stability issue is emerging. As described above, since the combination of the digital quadrature modulation output frequency and the frequency of the local signal for up-conversion to the specified carrier becomes the output carrier frequency stability, digital High stability is required for the sampling clock frequency used in signal processing.
さらには、通常I,Qデジタルベースバンド信号を処理するためのクロック安定度は出力搬送波に要求されるような高精度の周波数精度はもっていないため、デジタル直交変調処理による周波数安定度と出力搬送波の周波数安定度を分離する必要がある。 Furthermore, since the clock stability for processing the I and Q digital baseband signals does not have the high frequency accuracy required for the output carrier wave, the frequency stability by the digital quadrature modulation processing and the output carrier wave It is necessary to separate the frequency stability.
この他、出力周波数(FR)は電波規定があるために、それを満足する値となっているが、サンプリングクロック(fb)は各システムの処理によって異なり、周波数の規定が細かくなるとシステム毎に水晶の選定、ローカル発振器のPLL(Phase Locked Loop )回路の応答等の検討が必要となってくる。また、システム変更に伴うデジタルサンプリング周波数変更に対して、ローカル信号発振器の周波数変更が必要となってくるという問題もある。 In addition, since the output frequency (FR) has a radio wave regulation, it is a value that satisfies it. However, the sampling clock (fb) varies depending on the processing of each system. It is necessary to examine the response of the PLL (Phase Locked Loop) circuit of the local oscillator. Another problem is that the frequency of the local signal oscillator needs to be changed in response to the digital sampling frequency change accompanying the system change.
本発明の目的は、安定な直交変調性能を必要とする直交変調方式でデジタル直交変調を採用した場合にも、アナログ直交変調方式のように高安定な出力搬送波精度を保った上で、デジタル信号処理に使用するサンプリングクロック周波数の安定度に、アップコンバートするローカル信号の安定度が影響を受けないようにして、周波数高安定度の高い送信装置及びそれに用いるデジタル直交変調回路を提供することである。 The object of the present invention is to maintain a high output carrier accuracy as in the case of the analog quadrature modulation method even when the digital quadrature modulation is adopted in the quadrature modulation method that requires stable quadrature modulation performance, and the digital signal. To provide a transmitter with high frequency stability and a digital quadrature modulation circuit used therefor so that the stability of the sampling signal used for processing is not affected by the stability of the local signal to be up-converted. .
本発明の他の目的は、システム変更に伴うデジタルサンプリング周波数変更に対して、極めて簡単に対応可能な、周波数高安定度の高い送信装置及びそれに用いるデジタル直交変調回路を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a transmitter with high frequency stability and a digital quadrature modulation circuit used therefor that can very easily cope with a digital sampling frequency change accompanying a system change.
本発明による送信装置は、デジタルベースバンド信号を直交変調するデジタル直交変調手段と、この変調出力を送信周波数に変換して出力する周波数変換手段とを含む送信装置であって、前記デジタル直交変調手段における直交搬送波と同期した信号を、前記周波数変換手段のローカル信号の生成に使用することを特徴とする。 A transmission apparatus according to the present invention includes a digital orthogonal modulation means for orthogonally modulating a digital baseband signal, and a frequency conversion means for converting the modulation output into a transmission frequency and outputting the transmission frequency, wherein the digital orthogonal modulation means A signal synchronized with the orthogonal carrier wave is used for generating a local signal of the frequency converting means.
本発明によるデジタル直交変調回路は、デジタルベースバンド信号を直交変調してこの変調出力を周波数変換手段により送信周波数に変換して出力する送信装置におけるデジタル直交変調回路であって、直交搬送波と前記周波数変換手段のローカル信号の生成に用いる信号とが同期するよう構成されてなることを特徴とする。 A digital quadrature modulation circuit according to the present invention is a digital quadrature modulation circuit in a transmission apparatus that quadrature modulates a digital baseband signal and converts the modulation output into a transmission frequency by a frequency conversion means, and outputs the transmission frequency. The conversion unit is configured to be synchronized with a signal used for generating a local signal.
発明の作用を述べる。ベースバンド信号処理用のサンプリングクロックを、デジタル直交変調回路の直交搬送波として用いると共に、直交変調出力のアップコンバート用の周波数変換器のローカル信号生成のためにも使用する。これにより、デジタル直交変調のための直交搬送波と同期した信号がローカル信号生成のためにも使用されることになり、周波数安定度が悪いサンプリングクロックの周波数変動が、アップコンバート用周波数変換器で打ち消され、送信信号である出力搬送波の周波数安定度が良好に維持される。 The operation of the invention will be described. A sampling clock for baseband signal processing is used as a quadrature carrier wave of the digital quadrature modulation circuit, and is also used to generate a local signal of a frequency converter for up-conversion of quadrature modulation output. As a result, the signal synchronized with the quadrature carrier wave for digital quadrature modulation is also used for local signal generation, and the frequency fluctuation of the sampling clock with poor frequency stability is canceled by the up-converter frequency converter. As a result, the frequency stability of the output carrier wave, which is a transmission signal, is maintained well.
本発明によれば、デジタル直交変調に用いる直交搬送波と同期した信号を、出力搬送波を得るためのアップコンバート用のローカル信号発生に用いることにより、直交性能はもとより、周波数性能の問題を解決できるという効果がある。 According to the present invention, by using a signal synchronized with an orthogonal carrier wave used for digital orthogonal modulation for generating a local signal for up-conversion for obtaining an output carrier wave, it is possible to solve the problem of frequency performance as well as orthogonal performance. effective.
以下に、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は本発明の実施の形態を示すブロック図であり、図5と同等部分は同一符号により示している。図1を参照すると、1,2はI,Qベースバンド信号処理部であり、3,4はI,Qベースバンド信号をオーバサンプリングにより4n倍(nは正の整数)のレートに速度変換を行ってフィルタリングするための補間フィルタである。5はサンプリング周波数(fb)発生部16から発生されたクロック信号を、デジタル直交変調用のレート(4fb)に速度変換(周波数変換)する逓倍器である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, and the same parts as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals. Referring to FIG. 1,
6はデジタル直交変調部であり、I,Q信号とデジタルローカル信号とを周波数混合するためのミキサ7,8と、デジタルローカル信号である一対のデジタル直交搬送波を生成する直交搬送波生成回路9と、ミキサ7,8の出力を合成する合成器10とを有している。なお、デジタルローカル信号は逓倍器5の出力である4fbの周波数を有するクロック信号と同期した信号である。
6 is a digital quadrature modulation unit,
11はデジタル直交変調部6の出力をアナログ信号に変換するD/Aコンバータであり、サンプリング周波数発生部16のサンプリングクロックにより動作する。12はローカル信号(周波数lf)を発生するローカル信号発振器であり、13はこのローカル信号とサンプリングクロック(周波数fb)とを周波数混合するミキサである。14はミキサ13の出力から、出力搬送波信号(周波数:FR)を生成するために必要なローカル信号を抽出するBPF(バンドパスフィルタ)であり、15はD/Aコンバータ11の出力とBPF14により抽出されたローカル信号とを周波数混合するミキサである。このミキサ出力が出力搬送波信号(FR)となる。
I,Qデジタルベースバンド信号処理部1,2においてサンプリングレートfbにて処理されたI,Q信号は、レート変換を行うために、補間フィルタ3,4へ入力される。補間フィルタ3,4では、I,Qベースバンド信号のサンプリングレート(fb)と、デジタル直交変調出力周波数とを同じにするために、I,Qベースバンド信号のレートを4n倍とする。デジタル直交変調部6において、I,Q信号が4のn倍数(4n×fb)の関係を保つことで、デジタル直交搬送波信号は、図7に示した如く、0,1,−1の3値を用いた1/4nのレートでのデジタル直交変調が可能となることは、図5の従来例と同じである。
The I and Q signals processed at the sampling rate fb in the I and Q digital baseband
デジタル搬送波発生回路9において、図7に示した如く、cosφとsinφとの信号を生成することにより、お互いに直交関係にあるために、簡単な回路で直交変調が可能となる。
As shown in FIG. 7, the digital carrier
図2は図1の回路における各部信号の周波数スペクトラムを示すものであり、図2を用いて本発明の作用効果について説明する。いまサンプリング周波数発生部16における周波数fbが、例えばプラス側へAだけ変動したとする。このときのデジタル直交変調出力の中心周波数は、(nfb+A)となり、ローカル信号の周波数を出力するミキサ13の出力周波数は、lf+(nfb+A)となる。ミキサ15においては、これ等両者の和成分及び差成が生成される。よって、
和成分=(lf+nfb+A)+(nfb+A)
=lf+2nfb+2A
差成分=(lf+nfb+A)−(nfb+A)
=lf
となる。
FIG. 2 shows the frequency spectrum of each signal in the circuit of FIG. 1, and the operation and effect of the present invention will be described with reference to FIG. It is assumed that the frequency fb in the sampling
Sum component = (lf + nfb + A) + (nfb + A)
= Lf + 2nfb + 2A
Difference component = (lf + nfb + A) − (nfb + A)
= Lf
It becomes.
ミキサ15の出力として、差成分であるlfを出力搬送波信号(FR)とすることにより、サンプリング周波数発生部16における周波数fbに変動Aがあっても、この変動Aは出力搬送波信号には何等影響を与えることなく、安定性の高いデジタル直交変調方式となることが判る。なお、サンプリング周波数fbに、マイナス側の変動があっても、全く同様であることは勿論である。
By using the difference component lf as the output carrier signal (FR) as the output of the
図5に示した従来のデジタル直交変調回路では、ローカル信号発振器17の発振周波数を(lf+fb)とするために、規定の出力周波数lf(FR)とデジタル直交変調周波数fbとを加算した周波数を発生する必要があり、2個の水晶が必要となるが(図5では、簡単化のために1個の水晶発振器17として示している)、本回路では、規定の出力周波数lf(FR)を発生する水晶1個のみで良く、簡単な構成となる。これは、デジタルサンプリングクロック(fb)をローカル信号発振器12の出力(lf)と周波数混合するミキサ13を用いたためである。
The conventional digital quadrature modulation circuit shown in FIG. 5 generates a frequency obtained by adding the specified output frequency lf (FR) and the digital quadrature modulation frequency fb in order to set the oscillation frequency of the
1 Iデジタルベースバンド信号処理部
2 Qデジタルベースバンド信号処理部
3,4 補間フィルタ
5 逓倍回路
6 デジタル直交変調部
7,8,13,15 ミキサ
9 直交搬送波生成回路
10 合成器
11 D/Aコンバータ
12 ローカル信号発振器
14 BPF
16 サンプリング周波数発生部
1 I digital baseband signal processor
2 Q digital baseband signal processor
3,4 interpolation filter
5 multiplier circuit
6
9 Orthogonal carrier wave generation circuit
10 Synthesizer
11 D / A converter
12 Local signal oscillator
14 BPF
16 Sampling frequency generator
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