JP2007049641A - ダイレクトコンバージョン受信機 - Google Patents

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弘 宮城
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裕喜生 小柳
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Abstract

【課題】 連続的に信号を受信した場合であっても直流オフセット電圧を除去することができるダイレクトコンバージョン受信機を提供すること。
【解決手段】 ダイレクトコンバージョン受信機は、低雑音増幅器14、ミキサ16、局部発振器(LO)20、減算器22、ローパスフィルタ(LPF)23、ベースバンド増幅器(第2の増幅器)24、アナログ−デジタル変換器(ADC)26、デジタル−アナログ変換器(DAC)28、32、信号処理部30、スピーカ34、周波数成分分離フィルタ100を備えている。周波数成分分離フィルタ100は、入力データに対して所定個数Nの移動平均を計算し、移動平均の計算対象となっている所定個数Nの入力データの中から中央あるいはその近傍の入力データを取り出して、この入力データの値から移動平均値を減算した結果とともに、移動平均値を出力する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、受信した信号をベースバンド信号に変換して復調処理等を行うダイレクトコンバージョン受信機に関する。
ダイレクトコンバージョン受信機は、受信した高周波信号に対してこの高周波信号と同じ周波数の局部発振信号をミキサで混合することによりベースバンド信号を生成している。このミキサでは、局部発振信号が高周波信号の入力端子側に回り込むことによって、出力信号に直流オフセット電圧が含まれるため、受信感度が劣化する。このため、従来から、ガード区間を利用して直流オフセット電圧の除去を行う受信機が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2001−245006号公報(第5−11頁、図1−10)
ところで、上述した特許文献1に開示された直流オフセット電圧の除去はガード区間を利用して行われるものであるため、AM受信機のように連続して信号を受信する場合には適用することができず、直流オフセット電圧を除去することができないという問題があった。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、連続的に信号を受信した場合であっても直流オフセット電圧を除去することができるダイレクトコンバージョン受信機を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明のダイレクトコンバージョン受信機は、アンテナを介して受信した信号を増幅する第1の増幅器と、受信を希望する信号と同じ周波数を有する局部発振信号を生成する局部発振器と、第1の増幅器によって増幅された信号と局部発振信号とを混合してベースバンド信号を生成するミキサと、ミキサから出力されるベースバンド信号を増幅する第2の増幅器と、第2の増幅器によって増幅された信号をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器と、アナログ−デジタル変換器から出力されるデータに基づいて、ベースバンド信号に含まれる直流オフセット電圧としてのDC成分を抽出するとともに、ベースバンド信号に含まれる直流オフセット電圧を除去した成分を抽出する周波数成分分離フィルタと、周波数成分分離フィルタによって抽出されたDC成分に相当するデータをアナログ電圧に変換するデジタル−アナログ変換器と、ミキサから出力されるベースバンド信号からデジタル−アナログ変換器の出力電圧を減算することにより、ベースバンド信号に含まれる直流オフセット電圧を除去する減算器とを備える。また、周波数成分分離フィルタは、入力データに対して所定個数Nの移動平均を計算する移動平均演算手段と、移動平均の計算対象となっている所定個数Nの入力データの中から中央あるいはその近傍の入力データを取り出して、この入力データの値から移動平均演算手段による計算によって得られた移動平均値を減算する減算手段とを有し、移動平均演算手段による計算結果を第1の出力として、減算手段による減算結果を第2の出力として取り出す。周波数成分分離フィルタは、入力データに対して移動平均を計算することにより、入力データに含まれる低域成分(直流成分)を抽出することができる。また、この低域成分を入力データから減算することにより、入力データに含まれる直流成分を除去することが可能になる。これにより、入力データに含まれる直流成分とそれ以外の周波数成分の両方を同時に取り出すことが可能になる。特に、移動平均と減算のみが行われているため、移動平均の計算対象に対応するような数の乗算手段(あるいはステップ)が不要になり、回路規模の削減や処理内容の簡素化が可能になる。このような周波数成分分離フィルタを用いることにより、連続的に受信した信号に対応するベースバンド信号に含まれる直流オフセット電圧を抽出して除去することが可能になる。
また、上述した移動平均演算手段は、所定個数Nの入力データの値を累積する累積手段と、累積手段によって累積された値に対して1/Nを係数として乗算する係数乗算手段とを有することが望ましい。これにより、移動平均を計算する際の累積処理による丸め誤差の発生を防止することができ、計算精度の低下を抑えることができる。
また、上述した累積手段は、N+1個の入力データを入力順に保持して出力する遅延手段と、入力データに累積値を加算する第1の加算手段と、第1の加算手段による加算結果を入力データの入力間隔に相当する時間保持して出力するデータ保持手段と、データ保持手段から出力されるデータから遅延手段の出力データを減算した結果を累積値として第1の加算手段と係数乗算手段のそれぞれに向けて出力する第2の加算手段とを有することが望ましい。これにより、入力データが入力される毎に、新しい入力データを累積値に加算するとともに最も古い入力データの分を累積値から差し引いて累積値の更新を行うことができ、簡単な回路構成および少ない処理で移動平均を求めることが可能になる。
また、上述した累積手段、第1の加算手段、データ保持手段、第2の加算手段のいずれかの出力を第1の出力に代えて取り出すことが望ましい。これらの処理結果は、累積結果そのものあるいは累積結果と同等であり、係数(1/N)を乗算する前に取り出すことにより、入力データに対して所定の利得で増幅した出力を得ることができる。しかも、係数(1/N)を乗算して下位ビットの情報が欠落する前のデータを取り出すことにより、S/N比やダイナミックレンジを向上させることができる。
また、上述した遅延手段は、(N+1)/2個の入力データを入力順に保持して出力する縦続接続された第1および第2の分割遅延手段を有しており、前段の第1の分割遅延手段から出力されるデータを中央あるいはその近傍の入力データとして減算手段に入力することが望ましい。これにより、移動平均を求めるために使用した遅延手段の一部(第1の分割遅延手段)を用いることが可能になり、回路および処理の共用によるさらなる回路規模の削減および処理内容の簡素化が可能になる。
また、上述した遅延手段は、半導体メモリによって形成されていることが望ましい。これにより、規模の大きな遅延手段を容易に実現することができる。
また、上述した所定個数Nは2のべき乗の数であり、係数乗算手段は、ビット位置をシフトさせることで1/Nを係数とする乗算を行うことが望ましい。N=2m とすると係数1/N=1/2m の乗算は、mビット分下位にビット位置をシフトさせることにより行うことができ、しかもこの係数が固定の場合には、さらに簡単に配線を工夫してデータを取り出すビット位置をmビット分上位側にシフトすることにより実現することができる。これにより、実質的に係数乗算手段を用いない周波数成分分離フィルタを構成することが可能になる。
以下、本発明を適用した一実施形態のダイレクトコンバージョン受信機について詳細に説明する。図1は、一実施形態のダイレクトコンバージョン受信機の基本構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態のダイレクトコンバージョン受信機は、入力回路10、低雑音増幅器(LNA、第1の増幅器)14、ミキサ16、局部発振器(LO)20、減算器22、ローパスフィルタ(LPF)23、ベースバンド増幅器(第2の増幅器)24、アナログ−デジタル変換器(ADC)26、デジタル−アナログ変換器(DAC)28、32、信号処理部30、スピーカ34、周波数成分分離フィルタ100を備えている。この受信機は、AM放送波あるいはFM放送波等の連続的に配信される信号を受信するものであるが、間欠受信を行う受信機に本発明を適用することもできる。また、この受信機は、アンテナ12やスピーカ34あるいはその他のわずかな部品(例えば図示していない信号処理部30や周波数成分分離フィルタ100の動作クロック生成に必要な水晶発振器等)を除くほとんどの部品が、MOSプロセスあるいはCMOSプロセスを用いて半導体基板上に一体形成されている。また、信号処理部30および周波数成分分離フィルタ100は、例えばDSP(デジタル信号処理装置)を用いて実現することができる。
入力回路10は、アンテナ12と低雑音増幅器14のインピーダンス整合を行い、受信を希望する放送波を選択する同調回路あるいはバンドパスフィルタなどを含んで構成されている。低雑音増幅器14は、入力回路10を介して入力された受信信号を増幅する。ミキサ16は、低雑音増幅器14によって増幅された受信信号と局部発振器20から出力される局部発振信号とを混合してベースバンド信号を出力する。局部発振器20は、受信を希望する放送波と同じ周波数を有する局部発振信号を出力する。
減算器22は、ミキサ16から出力されるベースバンド信号からデジタル−アナログ変換器28の出力電圧を減算することにより、ベースバンド信号に含まれる直流オフセット電圧を除去する。ローパルフィルタ23は、減算器22を介して入力されるベースバンド信号に含まれる必要帯域よりも高い周波数成分を除去する。例えば、AM放送波を受信する場合を考えると、音声帯域以上の周波数成分が除去される。ベースバンド増幅器24は、ローパスフィルタ23を介して入力されるベースバンド信号を増幅する。アナログ−デジタル変換器26は、ベースバンド増幅器24から出力される増幅後のベースバンド信号を所定周波数でサンプリングしてデジタルデータに変換する。サンプリング周波数は、必要帯域の2倍以上に設定される。例えば、AM放送波を受信する場合を考えると、音声帯域の上限値の2倍以上の50kHzのサンプリング周波数が用いられる。
信号処理部30は、デジタルデータに変換されたベースバンド信号に対して復調等の信号処理を行って音声データを生成する。デジタル−アナログ変換器32は、信号処理部30から出力されたオーディオデータをアナログのオーディオ信号に変換し、スピーカ34から出力する。
周波数成分分離フィルタ100は、アナログ−デジタル変換器26から出力されるデジタルデータに基づいて、ベースバンド信号に含まれる直流成分(DC成分)を抽出するとともに、この直流成分を除去した後のベースバンド信号を出力する。これにより、例えば10Hz以下の周波数成分と10Hz以上の周波数成分とが分離される。
本実施形態のダイレクトコンバージョン受信機はこのような構成を有しており、次に、ベースバンド信号に含まれる直流オフセット電圧を除去する動作について説明する。ベースバンド増幅器24から出力されるベースバンド信号には、ミキサ16において局部発振信号が受信信号の入力側に回り込むことによって生じるDC成分と、ベースバンド増幅器24において発生するオフセット電圧としてのDC成分とが含まれている。周波数成分分離フィルタ100は、10Hz以下のこれらのDC成分を抽出し、これらのDC成分の電圧レベルに対応するデータを出力する。このデータは、デジタル−アナログ変換器28によって直流オフセット電圧に変換され、減算器22に入力される。減算器22は、ミキサ16から出力されるベースバンド信号から、デジタル−アナログ変換器28から出力される直流オフセット電圧を減算して(除去して)出力する。このように、10Hz以下のDC成分を抽出することができる周波数成分分離フィルタ100を用いることにより、連続的に受信した信号に対応するベースバンド信号に含まれる直流オフセット電圧を抽出して除去することが可能になる。しかも、周波数成分分離フィルタ100では、10Hz以下のDC成分を除去する動作も行われるため、ベースバンド信号に残った直流オフセット電圧についても確実に除去することができる。
次に、周波数成分分離フィルタ100の詳細構成について説明する。図2は、周波数成分分離フィルタ100の構成を示す図である。図2に示す周波数成分分離フィルタ100は、2つの遅延回路110、112と、3つの加算器120、122、124と、1つのD型フリップフロップ130と、1つの係数乗算器132とを含んで構成されている。この周波数成分分離フィルタ100には、例えば50kHzのサンプリング周波数fでサンプリングされた16ビットのデジタルデータ(アナログ−デジタル変換器26から出力されるデジタルデータ)が入力されている。
一方の遅延回路110は、タップ数が2K(=2048)に設定されており、周波数成分分離フィルタ100に入力される16ビットのデジタルデータD1を入力順に2K個保持した後に出力する。同様に、他方の遅延回路112は、タップ数が2Kに設定されており、一方の遅延回路110から出力されるデジタルデータD2を入力順に2K個保持した後に出力する。これら2つの遅延回路110、112は、ともに中間タップを有しないため、シフトレジスタあるいはRAM等の半導体メモリを用いて実現することができる。
加算器120は、周波数成分分離フィルタ100に入力されるデータD1と、後段の加算器122から出力されるデータD3とを加算する。D型フリップフロップ130は、加算器120から出力される加算結果としてのデータD4を1クロック分保持して出力する。加算器122は、D型フリップフロップ130に保持されたデータD5から、後段の遅延回路112から出力されるデータD6を減算した結果を出力する。
係数乗算器132は、係数aが1/(4K−1)=1/4095に設定されており、加算器122から出力されるデータD3をa倍した結果を出力する。加算器124は、前段の遅延回路110から出力されるデータD2から係数乗算器132の出力データD7を減算する。
上述した遅延回路110、112、加算器120、122、D型フリップフロップ130、係数乗算器132が移動平均演算手段に、加算器124が減算手段に、遅延回路110、112、加算器120、122、D型フリップフロップ130が累積手段に、係数乗算器132が係数乗算手段にそれぞれ対応する。2つの遅延回路110、112が遅延手段に、一方の遅延回路110が第1の分割遅延手段に、他方の遅延回路112が第2の分割遅延手段に、加算器120が第1の加算手段に、加算器122が第2の加算手段に、D型フリップフロップ130がデータ保持手段にそれぞれ対応する。
周波数成分分離フィルタ100の動作開始時には、2つの遅延回路110、112およびD型フリップフロップ130がリセットされる。したがって、以後、周波数成分分離フィルタ100が動作クロックに同期して動作を開始すると、最初の4K+1個のデータD1が入力されるまでは、D型フリップフロップ130に保持されたデータD5(=D3)が加算器122を介して加算器120に入力されて入力データD1に加算されて累積される。
次に、4K+1個目のデータD1が入力されてこれに対応する累積値がD型フリップフロップ130に保持されると、このタイミングに同期して後段の遅延回路112からは最初のデータD1が出力される。したがって、加算器122では、それまでの累積値(4K個分の入力データD1の累積値)から最初のデータを差し引いて、2番目の入力データD1から4K+1個目の入力データまでの4K−1(=N)個分の累積値を出力する。このようにして、以後、新たなデータD1が入力される毎に、累積演算の対象となる4K−1個の入力データD1を一つずつずらした累積処理が行われる。この累積処理されたデータD3は係数乗算器132によってa(=1/(4K−1))倍された後に加算器124の一方の入力端に入力される。
また、このような累積処理と並行して、累積演算の対象となった4K−1個の入力データD1の中央のデータD2が遅延回路110から取り出される。このデータD2は、加算器124の他方の入力端に入力される。加算器124では、係数乗算器132から出力されるデータD7を減算した結果を出力する。
ところで、加算器124の一方の入力端に入力されるデータD7は、4K−1個の入力データD1を累積した後a(=1/(4K−1))倍して移動平均をとったものであるため、入力データD1を4K−1個分平滑したものであり、入力データD1の低域成分(直流成分)を抽出したことになる。したがって、加算器124において、データD2からこの低域成分を減算することにより、直流成分を取り除いた高域成分のみを第2の出力として取り出すことができる。また、加算器124の一方の入力端に接続された係数乗算器132からは、入力データから直流成分を抽出して第1の出力として取り出すことができる。
図3は、周波数成分分離フィルタ100の周波数特性をシミュレートした結果を示す図である。図3において、横軸は周波数を、縦軸は振幅値をそれぞれ示している。図3に示すように、本実施形態の周波数成分分離フィルタ100を用いることにより、十数Hz以下の直流成分が除去された出力OUT1と、十数Hz以下の直流成分が抽出された出力OUT2を得ることができた。
このように、周波数成分分離フィルタ100では、データに対して移動平均を計算することにより、入力データに含まれる低域成分(直流成分)を抽出することができる。また、この低域成分を入力データから減算することにより、入力データに含まれる直流成分を除去することが可能になる。これにより、入力データに含まれる直流成分とそれ以外の周波数成分の両方を同時に取り出すことが可能になる。特に、移動平均と減算のみが行われているため、移動平均の計算対象に対応するような数の乗算手段(あるいはステップ)が不要になり、回路規模の削減や処理内容の簡素化が可能になる。
また、上述した移動平均演算は、所定個数Nの入力データの値を累積するとともに、この累積された値に対して1/Nを係数として乗算することにより実現されている。これにより、移動平均を計算する際の累積処理による丸め誤差の発生を防止することができ、計算精度の低下を抑えることができる。特に、この累積処理を行うためには、入力データのビット数よりも12ビット(累積処理の対象となる入力データの数が4K個の場合)多いデータを処理することが可能な加算器120、122、D型フリップフロップ130および係数乗算器132を備える必要があるが、これらによる回路規模の増大は遅延回路110、112の規模等に比べるとわずかであるといえる。
また、遅延回路110、112をRAM等の半導体メモリによって構成することにより、規模の大きな遅延回路を容易に実現することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。図2に示した構成では、係数乗算器132から出力されるデータD7を、入力データに含まれる直流成分として取り出しているが、図2において示すA(加算器122の出力)、B(D型フリップフロップ130の出力)、C(加算器120の出力)のいずれかから累積データあるいはこれと同等のデータを、係数乗算器132から出力されるデータD7の代わりに取り出すようにしてもよい。係数(1/N)を乗算する前のデータを取り出すことにより、入力データに対して所定の利得で増幅した出力を得ることができる。しかも、係数(1/N)を乗算して下位ビットの情報が欠落する前のデータを取り出すことにより、S/N比やダイナミックレンジを向上させることができる。
また、上述した実施形態では、移動計算の対象となっている4K−1個のデータの中の中央のデータD2を取り出して加算器124に入力したが、このデータD2は、中央位置からではなくその近傍から取り出すようにしてもよい。理論上は、リニアな位相特性を実現するためには、4K−1個の中の中央のデータD2を取り出すことが望ましいが、実際にはデータD2を取り出す位置が若干中央からずれても位相特性が極端に悪化せずに周波数特性および位相特性をほぼ維持することができる。しかも、前段の遅延回路110によって保持されるデータ数と後段の遅延回路112によって保持されるデータ数の差を1あるいはその他の奇数に設定することにより、これらの値の合計値を奇数にすることができる。この場合には、係数乗算器132の係数a=1/NのNの値を偶数にすることができるため、さらにこのNを2のべき乗の数にすることにより、係数乗算器132を簡単なビットシフト回路によって、あるいはさらに簡単に配線を工夫してデータを取り出すビット位置を上位側にシフトすることにより実現することができる。例えば、N=4096=212とすると、下位の12ビットの信号線を使用せずに下位から13ビット目より上位の所定ビット数に対応する信号線のみを加算器124の一方端に接続し、これにより係数a=1/212の乗算処理を行うようにしてもよい。これにより、実質的に係数乗算器を用いない周波数成分分離フィルタ100を構成することが可能になる。
一実施形態のダイレクトコンバージョン受信機の基本構成を示す図である。 周波数成分分離フィルタの詳細構成を示す図である。 周波数成分分離フィルタの周波数特性をシミュレートした結果を示す図である。
符号の説明
10 入力回路
14 低雑音増幅器(LNA)
16 ミキサ
20 局部発振器(LO)
22 減算器
23 ローパスフィルタ(LPF)
24 ベースバンド増幅器
26 アナログ−デジタル変換器(ADC)
28、32 デジタル−アナログ変換器(DAC)
30 信号処理部
34 スピーカ
100 周波数成分分離フィルタ
110 遅延回路
120、122 加算器
130 D型フリップフロップ
132 係数乗算器

Claims (8)

  1. アンテナを介して受信した信号を増幅する第1の増幅器と、
    受信を希望する信号と同じ周波数を有する局部発振信号を生成する局部発振器と、
    前記第1の増幅器によって増幅された信号と前記局部発振信号とを混合してベースバンド信号を生成するミキサと、
    前記ミキサから出力されるベースバンド信号を増幅する第2の増幅器と、
    前記第2の増幅器によって増幅された信号をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器と、
    前記アナログ−デジタル変換器から出力されるデータに基づいて、前記ベースバンド信号に含まれる直流オフセット電圧としてのDC成分を抽出するとともに、前記ベースバンド信号に含まれる直流オフセット電圧を除去した成分を抽出する周波数成分分離フィルタと、
    前記周波数成分分離フィルタによって抽出されたDC成分に相当するデータをアナログ電圧に変換するデジタル−アナログ変換器と、
    前記ミキサから出力されるベースバンド信号から前記デジタル−アナログ変換器の出力電圧を減算することにより、ベースバンド信号に含まれる直流オフセット電圧を除去する減算器と、
    を備え、前記周波数成分分離フィルタは、入力データに対して所定個数Nの移動平均を計算する移動平均演算手段と、前記移動平均の計算対象となっている前記所定個数Nの入力データの中から中央あるいはその近傍の入力データを取り出して、この入力データの値から前記移動平均演算手段による計算によって得られた移動平均値を減算する減算手段とを有し、前記移動平均演算手段による計算結果を第1の出力として、前記減算手段による減算結果を第2の出力として取り出すことを特徴とするダイレクトコンバージョン受信機。
  2. 請求項1において、
    前記移動平均演算手段は、前記所定個数Nの入力データの値を累積する累積手段と、前記累積手段によって累積された値に対して1/Nを係数として乗算する係数乗算手段とを有することを特徴とするダイレクトコンバージョン受信機。
  3. 請求項2において、
    前記累積手段の出力を前記第1の出力に代えて取り出すことを特徴とするダイレクトコンバージョン受信機。
  4. 請求項2において、
    前記累積手段は、
    N+1個の前記入力データを入力順に保持して出力する遅延手段と、
    前記入力データに累積値を加算する第1の加算手段と、
    前記第1の加算手段による加算結果を、前記入力データの入力間隔に相当する時間保持して出力するデータ保持手段と、
    前記データ保持手段から出力されるデータから前記遅延手段の出力データを減算した結果を前記累積値として前記第1の加算手段と前記係数乗算手段のそれぞれに向けて出力する第2の加算手段と、
    を有することを特徴とするダイレクトコンバージョン受信機。
  5. 請求項4において、
    前記第1の加算手段、前記データ保持手段、前記第2の加算手段のいずれかの出力を前記第1の出力に代えて取り出すことを特徴とするダイレクトコンバージョン受信機。
  6. 請求項4または5において、
    前記遅延手段は、(N+1)/2個の前記入力データを入力順に保持して出力する縦続接続された第1および第2の分割遅延手段を有しており、
    前段の前記第1の分割遅延手段から出力されるデータを前記中央あるいはその近傍の入力データとして前記減算手段に入力することを特徴とするダイレクトコンバージョン受信機。
  7. 請求項6において、
    前記遅延手段は、半導体メモリによって形成されていることを特徴とするダイレクトコンバージョン受信機。
  8. 請求項2〜7のいずれかにおいて、
    前記所定個数Nは2のべき乗の数であり、前記係数乗算手段は、ビット位置をシフトさせることで1/Nを係数とする乗算を行うことを特徴とするダイレクトコンバージョン受信機。
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