JP2005295594A - ミリ波帯無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 無線伝送距離を確保しつつ、発振器の安定性・位相雑音特性にすぐれたミリ波帯無線通信装置を提供する。
【解決手段】 このミリ波帯無線通信装置では、送信側で、変調信号波と低周波局部発振信号波の多重波である信号波を、送信側局部発振波を用いてミリ波帯へ周波数上昇変換し、周波数上昇変換された信号波を送信し、受信側で、送信されてきた、周波数上昇変換された信号波に含まれる低周波局部発振信号波に同期して受信側局部発振波を再生し、再生された受信側局部発振波を用いて、周波数上昇変換された信号波を周波数下降変換して信号波を生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明はマイクロ波帯・ミリ波帯の無線通信装置に関する。

まず、第１の従来例として、非特許文献１に開示されているミリ波送受信機の構成を図５に示す。

図５（ａ）に示す送信側においては、ＩＦ変調信号源１００によって変調された中間周波数信号１０８ａと、局部発振器１０５により発振された局部発振波１０６が、周波数ミキサ１０１に入力されて周波数上昇変換され、周波数上昇変換された無線信号波１０７のみがバンドパスフィルタ１０２により取り出され、送信用増幅器１０３により、適当なレベルまで増幅されてアンテナ１０４にて放射される。

図５（ｂ）は、局部発振波１０６と無線信号波１０７の周波数の位置関係を示す図である。

図５（ｃ）に示す受信側においては、アンテナ１１２により受信した信号波が低雑音アンプ１１１で適当なレベルまで増幅され、バンドパスフィルタ１０２で、所望波である無線信号波１０７のみが取り出されて周波数ミキサ１１０に入力される。同時に受信側で生成した局部発振器１１４で発生させた局部発振波１０５も周波数ミキサ１１０に入力される。周波数ミキサでは、周波数ダウンコンバートされ中間周波数信号１０８ｂが生成される。

次に、第２の従来のミリ波帯通信装置として、非特許文献２，３に開示されているミリ波自己ヘテロダイン通信システムについて、図６（ａ）〜（ｃ）に示す。第１の従来例と同様な動作・機能するものは同じ番号で示している。

図６（ａ）に示す送信側においては、ＩＦ変調信号源１００によって、変調された中間周波数信号１０８ａが生成され、局部発振器１０５により局部発振波１０６が生成され、当該局部発振波１０６が周波数ミキサ１０１に入力されて周波数上昇変換され、周波数上昇変換された無線信号波１０７と局部発振波１０６がバンドパスフィルタ１０２により取り出され、送信用増幅器１０３により、適当なレベルまで増幅されてアンテナ１０４にて放射される。

受信側においては、アンテナ１１２により受信した信号が低雑音アンプ１１１で適当なレベルまで増幅され、バンドパスフィルタ１０２で、所望波である無線信号波１０７と局部発振波１０６が取り出されて周波数ミキサ１１０に入力される。周波数ミキサのもつ２乗効果によって、前記無線信号波１０７と局部発信波１０６は２乗検波され、受信側で中間周波数信号１０８ｂが生成されて復調器１１３へ入力される。
２０００年電子情報通信学会総合大会ＳＣ３−５の４２３ページから４２４ページ ２０００年電子情報通信学会ソサイエティ大会Ｂ−５−１３７の４２５ページ ２０００年電子情報通信学会 技術報告ＲＣＳ２０００−３０ｖｏｌ．１００、Ｎｏ．８４、２０００−０６

図５の第１の従来例においては、３０ＧＨｚ以上のミリ波帯では、送信側の局部発振器１０５、受信機側の局部発振器１１４に高い周波数安定度を持たせるのが困難であり、かつ、発振器の位相雑音が大きく、変調信号が４相以上の多値位相変調方式やマルチキャリ方式（ＯＦＤＭ）伝送方式でのディジタル無線通信が困難であるという課題があった。

一方、第２の従来例のように、変調信号波と局部発振波を同時に伝送し、受信側の周波数ミキサ１１０において２乗検波するような方式では、ミリ波局部発振器１０５の安定度と位相雑音は周波数ミキサ１１０でキャンセルされるため、上記発振器に対する課題は解決される。

しかしながら、以下に述べる理由により、第２の従来例では、第１の従来例に比較して、無線伝送距離が短くなってしまうという新たな問題が発生する。

図５に示す第１の従来例においては、受信側周波数ミキサでは、周波数ダウンコンバートされ中間周波数信号１０８ｂが生成される。ここで、受信側の局部発振器１１４の出力パワーは一定であり、入力された無線信号波１０７と、変換された中間周波信号１０８ｂの関係は、線形関係にあり、無線信号波が６ｄＢ減衰すれば、出力される中間周波数信号も６ｄＢ減衰する関係にある。

これに対して図６に示すような第２の従来例においては、局部発振波１０６と無線信号波１０７が無線区間を伝送するため、無線伝送区間距離が長くなる距離の２乗に反比例して、局部発振波１０６と無線信号波１０７電力は減衰する。つまり局部発振波１０６と無線信号波１０７の電力は夫々無線伝送距離が２倍になると、６ｄＢずつ劣化する。従って、受信器中の周波数ミキサ１１０は、２乗検波特性を使用するために、距離が２倍になると１２ｄＢずつ減衰する。この減衰は第１の従来例に比較して２倍である。

以上述べたように、第２の従来例では第１の従来例に比較して、減衰が２倍になり、その結果、無線伝送距離が少なくとも１／２となってしまうという問題があった。

加えて、第２の従来例では、略同一パワーの無線信号波１０７と局部発振波１０６である必要があり、無線信号波は通常数ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの広帯域信号であり、局部発振信号波は正弦波であり、帯域幅は１ｋＨｚ以下である。従って、無線信号波１０７と局部発振波１０６の信号波を同一のパワーで無線伝送しようとすると、局部発振波の方が、単位帯域当たりの平均パワーが著しく大きくなり送信用増幅器１０３が歪やすくなる。従って、線形性の高い送信アンプが必要になる、あるいは、アンプの線形動作領域まで全体の送信パワーを下げて伝送しなければならず、さらに伝送距離が短くなるという問題があった。

本発明の目的は、こうした無線伝送距離と、発振器の安定性・位相雑音特性の課題を解決し、無線伝送距離を確保しつつ安定で位相雑音特性にすぐれたミリ波帯無線通信装置を提供することにある。

本発明のミリ波帯無線通信装置は、送信側で、変調信号波と低周波局部発振信号波の多重波である信号波を、送信側局部発振波を用いてミリ波帯へ周波数上昇変換し、前記周波数上昇変換された信号波を送信し、受信側で、送信されてきた、前記周波数上昇変換された信号波に含まれる低周波局部発振信号波に同期して受信側局部発振波を再生し、再生された前記受信側局部発振波を用いて前記周波数上昇変換された信号波を周波数下降変換して信号波を生成することを特徴とする。

前記受信側局部発振波を再生する再生回路に注入同期発振器を具備することが好ましい。

または、前記受信側局部発振波を再生する再生回路に自励発振ミキサを具備することが好ましい。

あるいは、前記受信側局部発振波を再生する再生回路に位相同期発振器を具備することが好ましい。

さらに、前記受信側局部発振波を再生する再生回路にミリ波増幅器を具備することが好ましい。

（実施の形態１）
図１に本発明の構成を示す。第１の従来例と同様な動作・機能するものは同一番号で示す。送信側の構成は図１（ａ）に示すように変調信号源１００によって、変調された中間周波数信号１０８ａが生成され、ミリ波帯局部発振器１０５により局部発振波１０６が生成され、当該局部発振波１０６が周波数変換器１０１に入力されて周波数上昇変換され、周波数上昇変換された無線信号波１０７と局部発振波１０６が通過帯域フィルタ１により取り出され、送信用増幅器１０３により、適当なレベルまで増幅されてアンテナ１０４にて放射される。図１（ｂ）は局部発振波１０６と無線信号波１０７の関係を示す図である。

ここで、図２に通過帯域フィルタ１の特性を示す。無線信号波１０７は、通過帯域となっており、局部発振波は一部の信号が抑圧される。無線信号波１０７のトータルパワーよりも、局部発振波のトータルパワーは、３ｄＢ以上小さくコントロールされている。これによって送信アンプ１０３が局部発振波１０６で飽和されることを防いでいる。

一方受信側では、図１（ｃ）に示すように、アンテナ１１２により受信した信号が低雑音アンプ１１１で適当なレベルまで増幅される。分配器６で信号は２分配され、無線信号波１０７はバンドパスフィルタ２００で、帯域通過させ、一方局部発振波１０６の方はバンドパスフィルタ３により、局部発振波のみを帯域通過させる。該帯域通過した局部発振波１０６は、適当なレベルまで増幅器４により増幅された後、注入同期発振器５に入力される。

局部発振波１０６の信号で当該注入同期発振器５を同期させ、送信側の局部発振波１０６を再生させる。該同期信号波は、一定の出力を有しており、局部発振波５０ａとなる。該局部発振波５０ａは、周波数ミキサ１１０に入力され、局部発振信号波５０ａで、無線周波数信号波１０７は、周波数ダウンコンバートされ、中間周波信号１０８ｂを生成する。当該中間周波信号１０８ｂは、復調器１１３へ入力される構成となる。

該注入同期発振器５の同期幅が、通常数１０ＭＨｚ以上であり、局部発振信号１０６の帯域幅（１ｋＨｚ以下）に比較して、局部発振同期信号５０ａは、十分に狭いため、送信側の局部発振器１０５の周波数と位相に同期し、送信側の局部発振波１０６が再生される。従って、該ダウンコンバートされた中間周波信号１０８ｂは、ミリ波帯局部発振器１０５の周波数安定性、位相雑音の影響は受けず、受信側周波数ミキサ１１０内部では、局部発振器の周波数安定性と位相雑音は、ほぼ完全にキャンセルされる。

つまり、送信側の無線信号波１０７の周波数ｆＲＦは、次式（１）で表される。
ｆＲＦ＝（ｆＬＯ＋ΔｆＬＯ）＋ｆＩＦａ …（１）
ただし、ｆＬＯは送信側の局部発振信号１０６の周波数であり、ΔｆＬＯは周波数不安定性にもとづく局部発振信号の周波数変動分であり、ｆＩＦａは送信側の中間周波信号１０８ａの周波数である。また、無線信号波１０７の周波数ｆＲＦには、局部発振器１０５の周波数変動ΔｆＬＯが含まれている。

一方、受信側のダウンコンバートされた中間周波信号１０８ｂの周波数ｆＩＦｂは、次式（２）で表される。

ｆＩＦｂ＝ｆＲＦ−（ｆＬＯ＋ΔｆＬＯ）＝ｆＩＦａ …（２）
したがって、周波数変動成分は送受間で完全にキャンセルされる。加えて、位相も同期しているため同期した局部発振波は、位相の揺らぎ成分（位相雑音成分）も、送信側と受信側では同期がとれ、同じ位相角となり、受信側でダウンコンバート時には、位相雑音成分もキャンセルされてしまう。

加えて、受信側の注入同期発振器５の出力パワーは一定であり、入力された無線信号波１０７と、変換された中間周波信号１０８ｂの関係は、線形関係にあり、無線信号波が６ｄＢ減衰すれば、出力される中間周波信号も６ｄＢ減衰する関係にある。つまり、第２の従来例のような少なくとも１２ｄＢ減衰する関係になく、伝送距離が短くなることを防ぐことが可能となる。

ここでは中間周波信号源として変調信号波を発生する変調信号源１００を用いて説明したが、当該信号波は、ＴＶの無線信号、ＣＡＴＶの伝送信号、衛星放送の中間周波信号であってもよい。同時に、受信側の復調器１１３は、地上波・ＣＡＴＶ・衛星放送用ＴＶチューナであっても構わない。

上記の構成で、注入同期発振器５の代わりに増幅器を用いて多重波中の局部発振波１０６を再生しても構わない。

さらに、上記の構成では、送信側の局部発振器１０５からの信号を局部発振信号波１０６としたが、場合によっては、送信側の中間周波数の中間周波数信号１０８ａを、変調信号波と低周波局部発振波の多重波で構成し、当該中間周波数の多重信号波が、ミリ波帯へ周波数上昇変換されたミリ波無線多重波信号波が送信され、受信側で、ミリ波帯へ上昇変換された局部発振波成分に同期した信号波が増幅・再生されてミリ波局部発振信号波５０ａとなり、周波数ミキサ１１０で周波数ダウンコンバータされて周波数下降変換されて、中間周波数の中間周波信号１０８ｂを生成しても構わない。この場合、送信側のミリ波局部発振波１０６はバンドパスフィルタ２００で抑圧されている。

（実施の形態２）
第２の実施形態を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。第１の実施形態とは図３（ａ）に示す送信側の構成，図３（ｂ）に示す局部発振波１０６、無線信号波１０７の関係は同じであり、受信側のみが異なるので、この異なる部分を説明する。

第１の実施の形態では、周波数ミキサ１１０と周波数再生手段２ａを注入同期発振器で構成した例で示したが、第２の実施形態では、周波数ミキサを自励発振ミキサ２０で構成する。動作は、アンテナより受信した局部発振波１０６と無線信号波１０７を低雑音アンプ１１１で適当なレベルまで増幅し局部発振波１０６と無線信号波１０７を通過帯域フィルタ１０２で取り出し、自励発振ミキサ２０に入力される。該自励発振ミキサとして、例えば、ＩＥＥＥ−Ｓ Ｉｎｔ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐ．Ｄｉｇ．，１９９８，ｐｐ．１１３５−１１３８に示されているＳｅｌｆ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ Ｍｉｘｅｒｓを利用することができる。

当該自励発振ミキサ２０は、送信側の局部発振周波数１０６付近で自由発振しており、当該自励発振ミキサ２０を受信機への入力された局部発振信号波１０６で同期する構成である。該当該自励発振ミキサ２０を受信機への入力された局部発振信号波１０６で注入同期をとると同時に、入力無線信号波１０７の信号波で周波数混合され、ダウンコンバートされた中間周波信号１０８ｂを生成する構成である。

当該中間周波信号１０８ｂは、復調器１１３へ入力される構成となる。この場合も第１の実施形態と同様に、該ダウンコンバートされた中間周波信号１０８ｂは、ミリ波発振器１０５の周波数安定性、位相雑音の影響は受けず、受信側の自励発振周波数ミキサ２０内部では、ほぼ完全にキャンセルされる。

加えて、受信側の自励発振器２０の出力パワーは一定であり、入力された無線信号波１０７と、変換された中間周波信号１０８ｂの関係は、線形関係にあり、無線信号波１０７が６ｄＢ減衰すれば、出力される中間周波信号１０８ｂも６ｄＢ減衰する関係にあり、第２の従来例のような少なくとも１２ｄＢ減衰する関係になく、伝送距離が短くなることも防ぐことが可能となる。

（実施の形態３）
第３の実施形態を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。第１の実施形態とは図４（ａ）に示す送信側の構成，図４（ｂ）に示す局部発振波１０６、無線信号波１０７の関係は同じであり、受信側のみが異なるので、この異なる部分のみ説明する。

第１の実施の形態では、周波数ミキサ１１０と第１の周波数再生手段２ａを注入同期発振器５で構成した例で示したが、第３の実施形態では、第２の周波数再生手段２ｂとして、位相同期発振器２ｂが構成される。

動作は、アンテナにより受信した局部発振波１０６と無線信号波１０７を適当なレベルまで増幅し、分配器６で２分配し、無線信号波１０７のみをバンドパスフィルタ２００で、帯域通過し、一方局部発振波１０６の方は、当該信号波１０６のみをバンドパスフィルタ３により、帯域通過させ、適当なレベルまで増幅器４により増幅した後、位相比較器１０に入力させる。

一方送信側の局部発振周波数１０６付近で自由発振している電圧制御発振器１２の信号の一部が位相比較器１０に入力される。この位相比較器１０は誤差信号１５を生成し、ループフィルタにより帯域制限と位相制御されたあと電圧制御発振器１２へ入力することによって位相同期ループを構成する。当該位相同期ループにより、電圧制御発振器１２は受信器に入力された局部発振波１０６に位相同期し、周波数と位相は完全に同期する。当該同期信号波５０ｂは一定の出力を有しており、周波数ミキサ１１０に入力され、当該局部発振信号波５０ｂで、周波数ダウンコンバートされ、中間周波信号１０８を生成する。当該中間周波信号１０８ｂは、復調器１１３へ入力される構成となる。

該ダウンコンバートされた中間周波信号１０８ｂは、送信側の局部発振器１０５の周波数安定性、位相雑音の影響は受けず、受信側周波数ミキサ１１０内部では、ほぼ完全にキャンセルされる。

加えて、受信側の位相同期発振器２ｂからの出力信号５０ｂの出力パワーは一定であり、入力された無線信号波１０７と、変換された中間周波信号１０８ｂの関係は、線形関係にあり、無線信号波１０７が６ｄＢ減衰すれば、出力される中間周波信号も６ｄＢ減衰する関係にあり、第２の従来例のような少なくとも１２ｄＢ減衰する関係になく、伝送距離が短くなることも防ぐことが可能となる。

以上のように、この発明によれば、受信装置側で、送信装置の局部発振器に同期した信号を再生して周波数ダウンコンバートするので、受信装置からの出力信号中間周波信号は、送信側の局部発振器の周波数安定性、位相雑音の影響は受けず、受信側周波数ミキサ内部では、ほぼ完全にキャンセルされる。

また、受信側の位相同期発振器からの出力パワーは一定であり、入力された無線信号波と、変換された中間周波信号の関係は、線形関係にあり、無線信号波が６ｄＢ減衰すれば、出力される中間周波信号も６ｄＢ減衰する関係にあり、第２の従来例のような少なくとも１２ｄＢ減衰する関係になく、伝送距離が短くなることも防ぐことが可能となる。

加えて、送信側の局部発振波の出力を制御しているために、送信アンプの歪を少なくでき、より長距離伝送が可能となる。以上のように、当該ミリ波通信装置は、受信側でミリ波局部発振波再生手段を有しているため、無線伝送に対して周波数安定度と位相雑音特性に関して厳しい性能が要求される地上波ディジタル放送等に使用されているＯＦＤＭ伝送やＣＡＴＶ等で使用されている６４ＱＡＭ〜２５６ＱＡＭの多値変調波信号に対してもミリ波無線接続することが可能となる。

本発明の第１の実施形態を示すミリ波通信装置のブロック図である。 本発明の第１の実施形態の送信側バンドパスフィルタ特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示すミリ波通信装置のブロック図である。 本発明の第３の実施形態を示すミリ波通信装置のブロック図である。 第１の従来例を示す図である。 第２の従来例を示す図である。

符号の説明

１ バンドパスフィルタ、２ａ 第１の周波数再生手段、２ｂ 第２の周波数再生手段、３ バンドパスフィルタ、４ 増幅器、５ 注入同期発振器、６ 分配器、１２ 電圧制御発振器、１３ 増幅器、１５ 誤差信号、２０ 自励発振ミキサ（セルフオシレーティングミキサ）、５０ａ 局部発振波、５０ｂ 同期信号波、１００ 変調信号源、１０１ 周波数変換器、１０２ バンドパスフィルタ、１０３ 送信アンプ、１０４ 送信アンテナ、１０５ 局部発振器、１０６ 局部発振波、１０７ 無線信号、１０８ｂ 中間周波信号、１１０ 周波数ミキサ、１１２ 受信アンテナ、１１３ 復調器、２００ バンドパスフィルタ。

Claims (5)

1. 送信側で、変調信号波と低周波局部発振信号波の多重波である信号波を、送信側局部発振波を用いてミリ波帯へ周波数上昇変換し、前記周波数上昇変換された信号波を送信し、受信側で、送信されてきた、前記周波数上昇変換された信号波に含まれる低周波局部発振信号波に同期して受信側局部発振波を再生し、再生された前記受信側局部発振波を用いて前記周波数上昇変換された信号波を周波数下降変換して信号波を生成することを特徴とするミリ波帯無線通信装置。
2. 前記受信側局部発振波を再生する再生回路に注入同期発振器を具備することを特徴とする請求項１記載のミリ波帯無線通信装置。
3. 前記受信側局部発振波を再生する再生回路に自励発振ミキサを具備することを特徴とする請求項１記載のミリ波帯無線通信装置。
4. 前記受信側局部発振波を再生する再生回路に位相同期発振器を具備することを特徴とする請求項１記載のミリ波帯無線通信装置。
5. 前記受信側局部発振波を再生する再生回路にミリ波増幅器を具備することを特徴とする請求項１記載のミリ波帯無線通信装置。

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