JP2007049682A - 信号変換装置及び信号変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】引込み現象による性能劣化を防止し、小型、低コストで且つ簡単な製造工程により所望の特性の信号を得ることができる信号変換装置及び信号変換方法を提供する。
【解決手段】局部発振器から出力された信号を用いて変換処理を行う信号変換装置において、所定の周波数信号である局部信号を出力する局部発振器１と、局部発振器１から出力された局部信号の位相を変化させる移相器３と、移相器３から出力された局部信号を用いて入力信号の変換処理を行う変換処理器２とを備え、局部信号の発振周波数が変化しないように、局部発振器１と変換処理器２間のインピーダンスを移相器３によって変化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は局部発振器からの局部信号を用いて信号の変換処理を行う信号変換装置に関し、特に、局部発振器の負荷変動による影響を抑制するための技術に関する。

図９は、従来の局部発振器を備えた周波数変換装置の基本構成を示すブロック図である。
周波数変換装置は、局部発振器１０１から出力される所定の周波数ｆ_３の信号と、周波数ｆ_１の入力信号とを混合器１０２により乗算することにより、所望の周波数ｆ_２の出力信号を得ている。図９の周波数変換装置では、ｆ_２として｜ｆ_１＋ｆ_３｜、｜ｆ_１−ｆ_３｜の２周波の信号を出力している。

このような周波数変換装置において、入力信号の電力がある一定の値Ｐ以上になると、入力信号電力の増大に伴って局部発振器１０１からの出力信号周波数ｆ_３が変化してしまう。この現象を引込みという。

図１０は、引込み現象を説明するための説明図であり、横軸は混合器１０２に入力された入力信号の電力、縦軸は出力信号周波数ｆ_２を示している。
図１０に示すように、入力信号の電力が一定の値Ｐになるまでは出力信号の周波数ｆ_２は一定値で安定しているが、入力信号電力が一定の値Ｐを超えると引込み現象が発生し、図１０に示すように出力信号の周波数ｆ_２が上方向或いは下方向に変化してしまう。

図１１は、引込み発生時の局部発振器から見たインピーダンス変化を示したスミスチャートである。
入力信号の電力が一定値以上になって引込み現象が発生すると、図１１中の矢印のように電力の増大につれて局部発振器から見たインピーダンスが変化する。そのため負荷の状態に影響され易い構成の局部発振器１０１では、図１１の矢印で示される負荷変化によって局部発振器１０１の発振周波数が変化してしまう。
そして、このように局部発振器１０１から出力される信号の発振周波数ｆ_３が変化することにより、最終的に混合器１０２から出力される出力信号の周波数ｆ_２が変化し、周波数変換装置の機能が低下してしまう。

また、このような引込み現象は、前述した周波数変換装置だけでなく、変調処理を行う変調装置や復調処理を行う復調装置などの局部発振器を備えた全ての信号変換装置においても同様に発生する。図１２はその一例を示すものであり、局部発振器を有する変調装置の例を示している。なおここでは、入力信号である図中のｆ_１が矩形のパルス波であり、局部発振器１０１から出力される局部信号ｆ_３が単一周波数の正弦波である例を示す。

この場合、変調器２０２から出力される変調信号は２つの状態をとる。この２状態を仮に０,１とすると、変調信号の状態が０の状態と１の状態とで変化することにより、局部発振器１０１から見た変調器２０２の負荷の状態が変化し、局部発振器１０１の発振周波数が０の状態と１の状態で異なってしまう。
そのため、変調出力ｆ_２が理想的なバースト波とならず、チャープ波となってしまい、送信波の占有帯域が広がってしまう。これにより、狭帯域受信機を使用して信号を受信するような場合には受信性能が低下してしまうという問題がある。

そこで、このような引込み現象に対して一般的に次のような対策が行われている。
先ず、発振器自体の負荷変動を抑制して引込み現象の発生を防ぐ技術として、例えば特許文献１に開示の技術がある。これは、発振回路からの発振信号をバッファ回路から出力する発振器において、発振回路のトランジスタとバッファ回路のトランジスタとを、インダクタなどによって構成したインピーダンス変換器を介してカスケード接続したものである。これにより、発振器自体の負荷変動を抑制することができ、引込み現象の発生を防ぐことができる。

しかしながら、このような引込み現象に対する対策がなされた発振器は、その対策がなされていないものに比して高価である。また、発振器自体に対する対策よりも発振器からの出力信号に対して引込み対策を行う方が、設計の自由度を大幅に向上させることができる。そのため、一般的には、発振器からの出力信号に対して引き込み現象への対策が行われている。この発振器からの出力信号に対する対策としては、次のようなものがある。

１つ目の対策（以下、第１の対策と称する。）としては、局部発振器１０１から出力される出力信号の周波数を、負荷の影響を受けないように構成した基準発振器との比較によって安定させる（PLL（位相同期ループ）方式等）対策がある。この第１の対策では、局部発振器１０１からの出力信号周波数を安定させることができるため、図１１に示すインピーダンス変化の影響を受けず、引込み現象の発生を防止することが可能になる。

また、２つ目の対策（以下、第２の対策と称する。）としては、例えば特許文献２に開示のものがある。図１３は、この特許文献２に開示の技術を説明するための説明図である。図１３に示すように、特許文献２に開示の技術は、局部発振器１０１と混合器１０２との間に緩衝増幅器を複数段設けることによって、局部発振器１０１と混合器１０２との結合度を下げている。これにより、局部発振器１０１から見たインピーダンスが入力信号電力によって変化しないようにすることができ、引込み現象を抑制することが可能になる。この現象をスミスチャートで示すと図１４に示すようになり、局部発振器１０１から見たインピーダンスが入力信号の電力によって変化しない（１点から動かない）ようになる。

特開平０５−０５５８２８ 特開２００２−４０１３０

しかしながら、前述の第１の対策では、位相同期処理を行う必要があるため、局部発振器１０１の回路構成が複雑となり、回路規模も大きくなってしまうという問題点を有していた。

また、前述の第２の対策では、局部発振器１０１と混合器１０２間に複数の緩衝増幅器１０３を設けることで対策を行うため、所望の引込み特性が確保されるまで回路規模を大きくせざるを得ないといった問題点を有していた。また、所望の引込み特性が得られる最適な回路配置を得るためには、複雑な調整、評価処理が必要であり、工数が多く、また、現実的に引込み現象の発生を完全に防止することができない場合があるといった問題点もあった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、引込み現象による性能劣化を防止し、小型、低コストで且つ簡単な製造工程により所望の特性の信号を得ることができる信号変換装置及び信号変換方法を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明にかかる信号変換装置は、所定の周波数信号を生成する局部発振器と、前記局部発振器から出力される局部信号の位相を、移相量と引込み量との関係に基づいて変化させる移相器と、前記移相器から出力された局部信号を用いて、入力信号の変換処理を行う変換処理器とを備えたことを特徴とする。これにより、局部信号の発振周波数が変化しないような負荷曲線を積極的に作り出すことができ、小型且つ低コストで、簡単な調整工程により引込み現象の発生を抑制することができる。
ここで、信号変換装置とは、局部発振器から出力された信号を用いて信号の変換処理を行うものをさし、例えば、周波数変換装置、変調装置、復調装置などが考えられる。なお、周波数変換装置の場合には周波数混合器が変換処理器に相当し、変調装置の場合には変調器が変換処理器に相当し、復調装置の場合には復調器が変換処理器に相当する。

前記移相器による移相量の決定手法としては、例えば、移相量の増加に伴って、引込み量の変化周期が短くなるとともに引込み量の変化振幅が減衰していくという関係に基づいて前記移相器による移相量を決定する手法がある。
また、前記移相器による移相量は、局部信号の発振周波数を決定するすべての要因を考慮した局部発振器のインピーダンスにおける、リアクタンス部分の絶対値が変化しないように決定することもできる。
また、これ以外のものとして、例えば、負荷インピーダンスが変化する前後で、下記の条件式

を満たすように前記移相器の移相量を設定する手法もある。

また、本発明の前記移相器は、伝送線路や、集中定数回路、分布定数回路を用いて構成することができ、これにより小型且つ安価な回路構成を実現することが可能になる。

本発明によれば、局部発振器から出力される局部信号の発振周波数が変化しないように、局部発振器と変換処理器間のインピーダンスを変化させる移相器を設け、局部信号の発振周波数が変化しないような負荷曲線を積極的に作り出すことにより、入力信号の電力が大きくなった場合であっても引込み現象の発生を防止することができ、局部発振器を有する信号変換装置の線形性を向上させることができる。また、移相器によって引込み現象の発生を防止することにより、必ずしも能動回路を必要とせず、小型、低コストで且つ簡単な調整工程により所望の特性を有する信号を得ることが可能になる。

また、本発明は、マグネトロン式レーダで使用されるような周波数変換装置に用いる場合に特に有効であり、短時間で信号強度が変化し、周波数も安定していないようなマグネトロンからの信号を扱う場合であっても、引き込み現象の発生を防止することができ、送受信データの信頼性を向上させることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）

本発明の実施の形態１による信号変換装置は、図１に示すように、局部発振器から出力された信号を用いて信号の変換処理を行うものであり、局部発振器１と変換処理器２の間に移相器３を設け、局部発振器１から出力される局部信号の移相量を調節することにより、引込み現象の発生を抑制するものである。以下、信号変換装置の一例として周波数変換装置を例に挙げて説明を行う。

図２は、本発明の実施の形態１による周波数変換装置の構成の一例を示す図である。
図２において、本発明の実施の形態１による周波数変換装置は、局部発振器１と、混合器２１と、移相器３とからなる。

局部発振器１は、所定の発振周波数ｆ_３の局部信号を生成して出力する。この時、局部発振器１からの出力信号レベルが低い場合には、信号レベルを増幅する増幅器（図示せず）を設ければよい。増幅器は、局部発振器１と混合器２１間の何れの場所に設けてもよく、局部発振器１と移相器３の間、混合器２１と移相器３の間、或いはその両方に１段から複数段の増幅器を設けることができる。

混合器２１は、周波数ｆ_１の入力信号と移相器３から出力された周波数ｆ_３の局部信号とを周波数混合し、入力信号ｆ_１の周波数変換を行うものであり、ここでは、｜ｆ_１−ｆ_３｜と｜ｆ_１＋ｆ_３｜という２周波の信号を出力している。

移相器３は、局部発振器１から出力される局部信号の位相を変化させるものであり、伝送線路や、集中定数回路、分布定数回路、又はそれらの組み合わせ等により構成される。なお、移相器３を伝送線路で形成した場合には配線長のみで移相器を簡易に形成することができる。また、移相器３を集中定数回路や分布定数回路で形成した場合には移相器３の小型化を図ることができる。

図３は、移相器による移相量と、引込み量との関係を示す概念図である。
移相量と引込み量との関係を調べたところ、移相量と引込み量との関係は、図３の（ａ）〜（ｃ）に示すように局部発振器の回路構成によって異なる。しかし、図３の（ａ）〜（ｃ）からも分かるように、必ず引込み量が０となるところを通過する形で、移相量の増加に伴って、引込み量の変化周期が小さくなるとともに引込み量の変化振幅が減衰していく現象がみられた。
そのため、スペースに余裕があり、移相器３による信号の減衰分が問題にならないような場合には、単純に可能な限り移相量を大きくすれば引込み現象を解消することができる。なお、このことは移相量の調整工程が不要になることを意味し、線路長をできるだけ長くとるという単純な方法により引込み現象を解消することが可能になる。

次に、移相器３の移相量の調節処理について説明する。
図４は、本発明の実施の形態１による周波数変換装置の局部発振器１の具体的な構成の一例を示す図であり、図５及び図６は、この図４に示す回路を用いて実験を行った際の実験結果を示す図であり、図５は移相量と引込周波数との関係を示す図、図６は移相器による移相量を最適値とした場合の局部発振器１に作用する負荷インピーダンスを示すスミスチャートである。

図５に示すように、移相器３による移相量が小さい範囲では、引込周波数が約１８０度を周期として変化する現象が見られた。なお、この値は局部発振器１の回路構成によっても若干異なるが、他の回路構成をとった場合であっても略同じ特性が得られている。そのため、移相量と引込周波数との関係が正確にわかっていない場合であっても、移相器３による移相量は最悪１８０度（または、±９０度）間の評価工程により最適な値を決定し得る。

また、局部発振器１に作用する負荷インピーダンスについて考えると、図４に示した構成の局部発振器１では、図６に示すように、曲線が等コンダクタンス円上を動くようにすれば発振周波数を変化しないようにすることができた。

すなわち、本発明は、移相器３を挿入して局部発振器１からの出力信号の位相を変化させることにより、発振周波数が変化しないような負荷曲線を積極的に作り出しているといえる。この点において、図１３、図１４を用いて説明した従来の技術、すなわち、局部発振器１０１と混合器１０２との間に緩衝増幅器を複数段設けることにより局部発振器１０１から見たインピーダンスが入力信号の電力によって変化しない（一点から動かない）ようにする技術とは明らかに相違する。

次に、局部発振器１の発振周波数を決定するインピーダンス要因を考慮した移相器３による移相量の調整手法について説明する。
図７は、局部発振器１の発振周波数を決定するインピーダンス要因を示す図である。

局部発振器１の発振周波数を決定するインピーダンス要因は、図７に示すように、大きく３つの要素に分類することができる。具体的には、局部発振器１の発振周波数を決定する真の共振回路は、局部発振器１内の共振回路のインピーダンスＺ_ＯＳＣ、負荷インピーダンスＺ_Ｌ、局部発振器と混合器の間に介在する回路（移相器を含む）のインピーダンスＺ_ＣＫＴにより決定され、負荷インピーダンスＺ_Ｌも共振回路の一部として機能する。そのため、負荷インピーダンスＺ_Ｌの変動によって局部発振器１の発振周波数が変化する。これが引込み現象である。

ここで、負荷インピーダンスＺ_Ｌの変化により、回路全体のインピーダンスがＺ_１からＺ_２へ変化したとする。

このとき回路全体のリアクタンス（またはサセプタンス）がゼロのときに発振条件が成立するため、局部発振器１の発振周波数を変化させないようにするためには、下式の条件を満たせばよい。

すなわち、負荷インピーダンスの変化により回路全体のインピーダンスが変化した場合であっても、その変化前後においてリアクタンス（またはサセプタンス）の絶対値が等しければ局部発振器１の発振周波数は変化しない。従って、理想的には、移相器３の移相量を調節して回路全体のリアクタンスの絶対値が常に変化しないようにすればよい。

また、これを局部発振器１に作用する負荷インピーダンスＺ_Ｌについて整理するため、Ｚ_０＝Ｚ_ＯＳＣ＋Ｚ_ＣＫＴとすると、回路全体のインピーダンスＺは、

となる。

周波数が変動しないためには、

となればよいから、Ｘ'＝±Ｘとなるような変化であれば周波数は変化しない。

負荷のみの変化、すなわち、

でこの条件を満たすには、

という関係式を満たせばよい。

すなわち、移相器３による移相量は、局部発振器１に作用する負荷インピーダンスの変化前後において、近似的に〔数５〕の条件式を満たすような移相量であればよく、この所定の近似範囲内で移相量を設定することにより、実用範囲での引き込み現象の改善を実現することができる。

以上のように、本発明の実施の形態１による周波数変換装置によれば、局部発振器１と混合器２１との間に移相器３を設け、局部発振器１から出力される局部信号の位相を移相器３により変化させることにより、局部信号の発振周波数が変化しないような負荷曲線を積極的に作り出すことができ、引込み現象の発生を防止することが可能になる。

また、本発明の実施の形態１による周波数変換装置によれば、移相器３の位相を最悪でも１８０度移相すれば移相量の最適値を得ることができるため、簡単な調整工程によって引込み周波数を限りなく小さくすることが可能になる。また、周波数によっては配線長のみで調整することも可能であり、特別な回路を追加する必要無く、回路配置と接続経路を変更することのみで引込み周波数を限りなく小さくすることが可能となる。

また、本発明の実施の形態１による周波数変換装置によれば、引込み現象が発生しやすい局部発振器を使用した場合であっても、その出力側に移相器を設けることによって簡単に対策が可能であり、信号変換装置を小型で且つ安価に製造できるとともに、回路の設計自由度を高めることができるという効果も得られる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態１による信号変換装置では、周波数変換装置を例に挙げて説明したが、このような移相器３を用いた引込み現象の抑制処理は、前述した周波数変換装置だけでなく、局部発振器から出力された信号を用いて信号の変換処理を行う他の全ての信号変換装置においても同様に行うことが可能である。
図８はその一例を示すものであり、局部発振器を有する変調装置の例を示している。なおここでは、入力信号である図中のｆ_１が矩形のパルス波であり、局部発振器１から出力される局部信号ｆ_３が単一周波数の正弦波である例を示す。

この場合、変調器２２から出力される変調信号は２つの状態をとる。この２状態を仮に０,１とすると、引込み現象は、変調信号の状態が０の状態と１の状態とで変化することによって局部発振器１から見た変調器２２の負荷の状態が変化することにより発生する。
そのため、移相器３の移相量を実施の形態１で前述した種々の方法により調節し、２つの状態の周波数が等しくなるようにすれば、状態変化中の周波数変化を最小限に抑えることができる。
これにより、変調出力ｆ_２として理想的なバースト波を得ることができ、送信波の占有帯域が広がってしまうなどの問題を発生させずに所望の特性の信号を得ることができる。また、このことは復調装置においても同様である。

本発明の実施の形態１による信号変換装置の構成の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態１による周波数変換装置の構成の一例を示すブロック図 移相器による移相量と、引込み量との関係を示す概念図 本発明の実施の形態１による周波数変換装置の局部発振器の具体的な構成の一例を示す図 移相量と引込周波数との関係を示す図 移相器による移相量を最適値とした場合の局部発振器１に作用する負荷インピーダンスを示すスミスチャート 局部発振器１の発振周波数と局部発振器１に作用する負荷インピーダンスとの関係を説明するための説明図 本発明の実施の形態２による変調装置の構成の一例を示すブロック図 従来の周波数変換装置の基本構成を示したブロック図 引込み現象を説明するための説明図 従来の周波数変換装置による局部発振器から見たインピーダンス変化を示すスミスチャート 従来の変調装置の基本構成を示したブロック図 緩衝増幅器を設けた従来の周波数変換装置の一例を示す図 緩衝増幅器を設けた従来の周波数変換装置による局部発振器から見たインピーダンス変化を示すスミスチャート

符号の説明

１、１０１ 局部発振器
２ 変換処理器
３ 移相器
２１、１０２ 混合器
２２、２０２ 変調器
１０３ 緩衝増幅器

Claims (12)

1. 所定の周波数信号を生成する局部発振器を備え、該局部発振器から出力された局部信号を用いて信号の変換処理を行う信号変換装置であって、
   前記局部発振器から出力される局部信号の位相を、移相量と引込み量との関係に基づいて変化させる移相器と、
   前記移相器から出力された局部信号を用いて、入力信号の変換処理を行う変換処理器とを備えることを特徴とする信号変換装置。
2. 請求項１に記載の信号変換装置において、
   前記移相器の移相量は、移相量の増加に伴って、引込み量の変化周期が短くなるとともに引込み量の変化振幅が減衰していくという関係に基づいて決定されることを特徴とする信号変換装置。
3. 請求項１に記載の信号変換装置において、
   前記移相器の移相量は、前記局部信号の発振周波数を決定するすべての要因を考慮した局部発振器のインピーダンスにおける、リアクタンス部分の絶対値が変化しないような移相量であることを特徴とする信号変換装置。
4. 請求項１に記載の信号変換装置において、
   前記移相器の移相量は、負荷インピーダンスの変化前後で、下記の条件式
   

   

   を満たす移相量であることを特徴とする信号変換装置。
5. 請求項２から４の何れかに記載の信号変換装置において、
   前記移相器は、伝送線路、集中定数回路、或いは分布定数回路を用いて構成することを特徴とする信号変換装置。
6. 請求項１から５の何れかに記載の信号変換装置において、
   前記変換処理器は、入力信号と前記移相器から出力された局部信号とを周波数混合して入力信号の周波数を変換する混合器であることを特徴とする信号変換装置。
7. 請求項１から５の何れかに記載の信号変換装置において、
   前記変換処理器は、入力された信号を、前記移相器から出力された局部信号を用いて変調する変調器であることを特徴とする信号変換装置。
8. 請求項１から５の何れかに記載の信号変換装置において、
   前記変換処理器は、入力された変調信号を、前記移相器から出力された局部信号を用いて復調する復調器であることを特徴とする信号変換装置。
9. 局部発振器から出力された局部信号を用いて信号の変換処理を行う信号変換方法において、
   所定の周波数信号である局部信号を生成する局部信号生成ステップと、
   前記局部信号の位相を、移相量と引込み量との関係に基づいて変化させる移相ステップと、
   前記位相を変化させた後の局部信号を用いて、入力信号の変換処理を行う変換処理ステップとを含むことを特徴とする信号変換方法。
10. 請求項９に記載の信号変換方法において、
    前記移相ステップでは、移相量の増加に伴って、引込み量の変化周期が短くなるとともに引込み量の変化振幅が減衰していくという関係に基づいて決定した移相量を移相することを特徴とする信号変換方法。
11. 請求項９に記載の信号変換方法において、
    前記移相ステップでは、前記局部信号の発振周波数を決定するすべての要因を考慮した局部信号を生成する回路のインピーダンスにおける、リアクタンス部分の絶対値が変化しないような移相量を移相することを特徴とする信号変換方法。
12. 請求項９に記載の信号変換方法において、
    前記移相ステップでは、負荷インピーダンスの変化前後で、下記の条件式
    

    

    を満たす移相量を移相することを特徴とする信号変換方法。

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