JP2007251989A - 送信装置及び受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信制御の高精度化、高安定化を図る。
【解決手段】送信装置１０は、情報信号である第１信号波と、無変調波である第２信号波とを、搬送波信号でミキシングして、第１信号波と第２信号波とを無線周波数で送信する。受信装置２０は、第１信号波と第２信号波の無線周波数をミキシングする。受信装置２０側では、無線周波数に含まれていた周波数ずれや位相ノイズ等を含んだΔｆ成分が相殺されて、送信装置１０側での不安定成分を除去して、情報を抽出する。
【選択図】図１

Description

本発明は送信装置及び受信装置に関し、特に無線通信を行う送信装置及び受信装置に関する。

近年、携帯電話機をはじめとする移動体通信サービスの需要が急速に増加しており、高度情報化社会の中で無線通信技術の重要性はますます増大している。
無線通信の基本的な方式としては、送信機側において、情報により変調されたＩＦ（Intermediate Frequency）信号を、局部発振器から発振される局発信号とミキシングすることにより周波数を上げて、ＲＦ（Radio Frequency）信号を発生し、アンテナより送信する。

また、受信機側では、アンテナにより受信したＲＦ信号を、局部発振器から発振される局発信号とミキシングして再びＩＦ信号に戻す。この場合、送信機及び受信機で使用される局発信号は、同一の周波数であることが通信の前提となる。

図１７は従来の無線通信システムを示す図である。無線通信システム３００は、送信機６００及び受信機７００から構成される。送信機６００は、ミキサ６０１、局部発振器６０２、アンプ６０３、アンテナ６０４から構成され、受信機７００は、アンテナ７０４、アンプ７０３、ミキサ７０１、局部発振器７０２から構成される。

送信機６００に対し、ミキサ６０１は、入力されるＩＦ信号ＩＦ_in（周波数ｆ_IFの変調波）に、局部発振器６０２から発振される局発信号Ｌｏａ（周波数ｆ_L）を掛け合わし、周波数ｆ_RF（＝ｆ_IF＋ｆ_L）のＲＦ信号を出力する。そして、アンプ６０３で増幅した後、アンテナ６０４より電波として空中に放出する。

受信機７００に対し、送信機６００から送信されたＲＦ信号をアンテナ７０４で受信し、アンプ７０３で増幅する。ミキサ７０１は、増幅された信号と、局部発振器７０２から発振される局発信号Ｌｏｂ（送信側と同一の周波数ｆ_L）とを掛け合わし、周波数ｆ_IF（＝ｆ_RF−ｆ_L＝（ｆ_IF＋ｆ_L）−ｆ_L）のＩＦ信号ＩＦ_outとして出力する。

このように、ミキサ７０１より出力されるＩＦ信号ＩＦ_outが、送信機６００より送られたＩＦ_inと同一の信号となり通信が成立するためには、送信機６００、受信機７００各々が持つ局部発振器６０２、７０２の局発信号Ｌｏａ、Ｌｏｂの周波数が一致していることが条件である。そのため、一般に局部発振器には、ＰＬＬ（Phase-Locked Loop）回路等が付加された高安定で低位相ノイズの発振器が使用されることが多い。

一方、近年の無線通信の分野では、ミリ波帯（３０ＧＨｚから３００ＧＨｚの周波数領域）及びそれよりやや低い準ミリ波帯の応用が注目を集めている。特に車々間通信などのＩＴＳ（Intelligent Transport Systems）や無線ＬＡＮなどに代表される高度な無線近距離通信を実現するためには、帯域幅を広くとることができ（大容量通信が可能）、しかも現在ほとんど未使用であるミリ波帯の利用が有望視されている。また、このようなミリ波帯無線通信を行う民生機器の小型化、低価格化を求める声も多い。

しかし、上記で説明したような従来の無線通信システム３００では、局発信号が３ＧＨｚ程度までの局部発振器では、通信に必要な安定度が比較的容易に確保できるが、ミリ波帯の無線通信を行う送信機及び受信機を対象にした場合、ミリ波周波数領域の局発信号を常時安定して高精度に動作させることは困難であるといった問題があった。

すなわち、３０ＧＨｚを超える発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）に対して、これに付加されるＰＬＬ回路を構成するための分周器や位相比較器を開発することは困難であり、このためミリ波帯における小型で安価、かつ高精度なＶＣＯは現状では存在しない。

また、数ＧＨｚ程度で安定に発振させた信号源を、逓倍器により所望の周波数まで上げるといった制御を行ったとしても、位相ノイズが増加して正常な通信が成り立たないといった問題が生じる。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高精度、高安定の無線通信を行う送信装置を提供することを目的とする。また、高精度、高安定の無線通信を行う受信装置を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような、送信装置１０及び受信装置２０が提供される。ここで、送信装置１０は、情報信号である第１信号波と、無変調波である第２信号波とを搬送波信号でミキシングして、第１信号波と第２信号波とを無線周波数で送信する。受信装置２０は、第１信号波と第２信号波の無線周波数をミキシングする。受信装置２０側では、無線周波数に含まれていた周波数ずれや位相ノイズ等を含んだΔｆ成分が相殺されて、送信装置１０側での不安定成分を除去して、情報を抽出する。

本発明の送信装置では、情報信号で変調された第１信号波と、無変調波である第２信号波とを、搬送波信号でミキシングする送信ミキサを備えて、第１信号波と第２信号波とを無線周波数で送信する構成とした。これにより、高精度、高安定の無線通信を行うことが可能になる。

また、本発明の受信装置では、情報信号で変調された第１信号波と、無変調波である第２信号波とを、１つの送信ミキサを用いて送信無線周波数の搬送波信号で同時にミキシングすることで、第１信号波と第２信号波とを送信無線周波数にアップコンバートして送信された送信無線周波数の信号が受信入力され、送信無線周波数の第１信号波の信号と第２信号波の信号のミキシングをなす受信ミキサを備えることで、入力された送信無線周波数の信号のダウンコンバートを行う構成とした。これにより、高精度、高安定の無線通信を行うことが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は送信装置及び受信装置（無線通信システム）の原理図である。図に示すように、送信装置１０側で、情報信号である第１信号波と、無変調波である第２信号波とを搬送波信号でミキシングしている。これによって、第１信号波と第２信号波とが無線周波数で送信されるが、それぞれの無線周波数には、Δｆが含まれる。Δｆは、周波数ずれや位相ノイズ等を含んだ周波数の不安定部位を表している。受信装置２０では、第１信号波と第２信号波の無線周波数をミキシングすることで、Δｆ成分が相殺され、送信装置１０側での不安定成分が除去される。

なお、この図において、受信装置２０で復調された成分は、ｓ１−ｓ２であるが、第２信号波ｓ２は、無変調波であるので、受信装置２０側で補正することは容易であり、例えばｓ２に相当する発振器を使用すればよい。

このように、第１信号波と第２信号波（無変調）とをそれぞれ搬送波でミキシングし、受信側では、第１信号波と第２信号波の無線信号波をミキシングして差成分を取り出す構成である。したがって、受信側では、ミキシングによって取り出された周波数差成分は、既知の第２信号波との差が現れているだけなので、ユーザはこれをそのまま利用することも可能である（または、第２信号波とのミキシング以外の方法で第１信号波を再生することも可能）。

次に構成及び動作について詳しく説明する。図２は送信装置及び受信装置（無線通信システム）の構成図である。送信装置１０に対し、第１端子１１ａは、送信情報を含む、第１の中間周波数（＝ｆ_IF1）の変調信号ＩＦ１が入力される。第２端子１１ｂは、第２の中間周波数（＝ｆ_IF2）の一定周期の正弦波信号ＩＦ２が入力される。

送信局部発振器１２は、送信局発信号Ｌｏ１を発振する。送信ミキサ１３は、変調信号ＩＦ１と正弦波信号ＩＦ２に、送信局発信号Ｌｏ１をミキシングしてＲＦ帯にアップコンバートし、無線周波信号ＲＦ１（＝周波数ｆ_RF1）、ＲＦ２（＝周波数ｆ_RF2）の２つの信号を生成する。演算式は、後述の式（１ａ）、（１ｂ）で示す。

送信アンプ１４は、これらの無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２を増幅する。そして、増幅された無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２は、送信アンテナ１５から、２波の電波として放出される。

受信装置２０に対し、受信アンテナ２５は、２波の電波を受信し、受信アンプ２４は、受信した信号を増幅する。
受信局部発振器２２は、送信装置１０で用いられた正弦波信号ＩＦ２の第２の中間周波数と同一周波数（＝ｆ_IF2）である受信局発信号Ｌｏ２を発振する。受信ミキサ２３は、受信アンプ２４で増幅された無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２に、受信局発信号Ｌｏ２をミキシングしてダウンコンバートし、送信情報を含んだ変調信号ＩＦ１を再生する。

なお、この例では、中間周波数の信号を搬送波とミキシングしているが、中間周波数の信号（おおもとの信号（＝ベースバンド信号）を中間周波信号とミキシングしたもの）ではなく、ベースバンド信号そのものを使用してもよい。

次に動作（無線通信方法）について詳しく説明する。なお以降では、ミリ波帯無線通信（すなわち、送信側では、情報を含む中間周波数のＩＦ信号に、ミリ波周波数単位の局発信号をミキシングして、ＲＦ帯の電波を送信し、受信側で復調する無線通信）に適用するものとして説明する。

送信装置１０に対し、送信局部発振器１２は、ミリ波帯（＝ｆ_Lo）の送信局発信号Ｌｏ１を発振する発振器である。この送信局部発振器１２は、ＰＬＬ等で安定化されたものである必要はない。

そのため、送信局発信号Ｌｏ１の実際の周波数成分はｆ_LO±Δｆとなる。Δｆは、周波数ずれや位相ノイズ等を含んだ周波数の不安定部位を表している（安定化制御が施されていない高周波の発振器には、このような周波数不安定部位Δｆが出力される）。

また、第１端子１１ａと第２端子１１ｂのそれぞれの端子を通じて、中間周波数ｆ_IF1の変調信号ＩＦ１と、中間周波数ｆ_IF2の正弦波信号ＩＦ２とが入力される。その後、送信ミキサ１３は、変調信号ＩＦ１及び正弦波信号ＩＦ２のそれぞれに送信局発信号Ｌｏ１を掛け合わす。

すると、送信ミキサ１３からは、無線周波数ｆ_RF1の無線周波信号ＲＦ１と無線周波数ｆ_RF2の無線周波信号ＲＦ２が出力される。周波数ｆ_RF1、ｆ_RF2は以下の式で表される。
ｆ_RF1＝ｆ_IF1＋ｆ_LO±Δｆ （１ａ）
ｆ_RF2＝ｆ_IF2＋ｆ_LO±Δｆ （１ｂ）
その後、無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２は、送信アンプ１４で増幅され、送信アンテナ１５を通じて電波として放出される。ここで、送信ミキサ１３からの出力は、実際には上記の無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２の他に、イメージ信号及び送信局部発振器１２からの漏洩信号が出力されるが、これらの信号は本発明の特徴により、バンドパスフィルタで容易に除外することができる（図５で後述する）。

一方、受信装置２０に対し、無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２は、受信アンテナ２５で受信され、受信アンプ２４で増幅される。また、受信局部発振器２２は、正弦波信号ＩＦ２と同一周波数（＝ｆ_IF2）の受信局発信号Ｌｏ２を発振する。このように、受信装置２０では、ミリ波帯の局部発振器を必要とせず、低周波の発振器が設置されている。

受信ミキサ２３は、無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２に受信局発信号Ｌｏ２をミキシングする。すると、受信ミキサ２３からは、（ｆ_RF1−ｆ_RF2＋ｆ_IF2）の周波数成分を持つ信号が出力される。この周波数成分は、
ｆ_RF1−ｆ_RF2＋ｆ_IF2＝（ｆ_IF1＋ｆ_LO±Δｆ）−（ｆ_IF2＋ｆ_LO±Δｆ）
＋ｆ_IF2
＝ｆ_IF1−ｆ_IF2＋ｆ_IF2
＝ｆ_IF1 （２）
となる。式（２）からわかるように、送信装置１０の送信局発信号Ｌｏ１に含まれていた通信の妨げとなるΔｆが除外されている。さらに、周波数ｆ_IF2の受信局発信号Ｌｏ２信号と乗算されるため、送信情報を含んだ変調信号ＩＦ１（＝ｆ_IF1）のみが受信ミキサ２３より出力されることがわかる。

このように、送信情報を含むＩＦ信号の他に、参照信号となるＩＦ信号をさらに追加して通信制御を行うことで、効率のよいミリ波帯無線通信の実現を可能にした。したがって、従来のように、今までミリ波帯発振器に求められていた困難な高安定性を追求する必要がなく、回路の簡素化、低価格化を実現することが可能になる。

なお、上記の説明では、１本の第１端子１１ａを設けて、１つの送信情報を含む変調信号を伝送したが、複数の第１端子を設けることで、複数の送信情報を伝送することもできる。

例えば、２本の第１端子１１ａ−１、１１ａ−２を設けて、第１端子１１ａ−１で、音声情報を含む変調信号ＩＦ１−１を受信し、第１端子１１ａ−２で、画像情報を含む変調信号ＩＦ１−２を受信する。そして、上記で説明した制御をそれぞれの変調信号ＩＦ１−１、ＩＦ１−２に施すことにより、２つの送信情報の伝送制御を行うことが可能になる。

次に本発明と従来技術との差異について説明する、本発明では、送信側から２波の信号を送信し、受信側でその２波を加算する技術を用いている。類似の技術が「自己ヘテロダイン検波を用いたミリ波通信システムに関する一検討」1999年電子情報通信学会通信ソサエティ大会，B−5−135に報告されている。

図３は従来技術の構成を示す図である。（Ａ）は送信機４００、（Ｂ）は受信機５００である。従来技術である自己ヘテロダイン検波方式は、送信機４００に対し、中間周波数（＝ｆ_IFa）の変調信号ＩＦａを、局部発振器４０２から発振される高周波ｆ_Lの局発信号によりアップコンバートして無線周波信号ＲＦａを出力し、フィルタ４０３を介して、アンテナ（垂直偏波）４０４ａより放出する。同時に、局発信号の一部である搬送波（以下、局発信号の漏洩信号を搬送波と呼ぶ）Ｌａを偏波の直交するアンテナ（水平偏波）４０４ｂより放出する。

一方、受信機５００に対し、偏波が互いに直交するアンテナ（垂直偏波）５０４ａ、アンテナ（水平偏波）５０４ｂで電波を受信した後、各々の信号は、アンプ５０５ａ、５０５ｂと、フィルタ５０３ａ、５０３ｂを通過して、ミキサ５０１に入力する。ミキサ５０１は、２つの入力信号（無線周波信号ＲＦａ、搬送波Ｌａ）を掛け合わすことで、２つの入力信号の差成分の周波数成分を出力する。これにより、元の変調信号ＩＦａを得ることができる。

ここで、受信機５００には、ミリ波帯の発振器が必要でない。また、送信機４００で用いた局発信号の漏洩信号である搬送波Ｌａで、ミキサ５０１によりダウンコンバートされるため、局発信号による位相雑音（上述したΔｆに該当）が除去されることが提案されている。しかし、このような従来技術を、低価格で小型化した製品として実現することは、以下の点で難しいといった問題がある。

一般に、ミキサによりＩＦ信号（＝ｆ_IF）を局発信号（＝ｆ_Lo）によりアップコンバートする場合、ミキサから出力される信号は、ＲＦ信号（＝ｆ_IF＋ｆ_Lo）と、局部発振器から漏洩する搬送波（＝ｆ_Lo）と、イメージ信号（＝ｆ_Lo−ｆ_IF）とが出力される。

従来技術の方式では、搬送波及びＲＦ信号をアンテナから放出し、イメージ信号は放出させない必要がある。イメージ信号を放出しないための代表的な方法としては、フィルタによる阻止を行う。

図４は従来技術の周波数の配置イメージを示す図である。縦軸は信号強度、横軸は周波数である。ここで、ミリ波帯でもっとも占有帯域を許されている６０ＧＨｚ帯（６０ＧＨｚ帯は、干渉が起こりにくい物理的特性を持っており、大容量で低コストの多様な無線システムによる利用が期待されている帯域である）を例にとると、１チャネル当たりのＲＦ帯域は、電波法により２．５ＧＨｚと定められている。

したがって、従来技術を６０ＧＨｚ帯無線通信に適用した場合、搬送波Ｌａと無線周波信号ＲＦａの２波を送信しているので、２．５ＧＨｚのＲＦ帯域幅の中に、搬送波Ｌａ及び無線周波信号ＲＦａを入れなければならない。そして、この場合、局発信号である搬送波Ｌａを中心として対称な位置に、無線周波信号ＲＦａのイメージ信号が現れる。

例えば、周波数５９．０ＧＨｚの局発信号で、変調信号ＩＦａを送信する場合、変調信号ＩＦａの中間周波数は２．５ＧＨｚ以下でなければならない。したがって、２．４５ＧＨｚの変調信号ＩＦａとすると、搬送波Ｌａと無線周波信号ＲＦａ間のＲＦ帯域は、５９．０ＧＨｚから６１．５ＧＨｚの間の２．５ＧＨｚの帯域となる。この場合、イメージ信号は、５６．５ＧＨｚから５８．９５ＧＨｚの間に現れる。

従来技術では、ＲＦ帯域の中に、搬送波Ｌａが含まれるため、図に示すように、ＲＦ帯域と非常に近接した位置にイメージ信号が現れることになる。したがって、このイメージ信号を除去するためには、特性のよい導波管フィルタを用いることが必須となるが、導波管フィルタは高価で大型であり、このため、従来技術を低価格かつ小型化された、例えば半導体デバイスのような製品として実現することは困難である。

図５は本発明の周波数の配置イメージを示す図である。縦軸は信号強度、横軸は周波数である。本発明では、２．５ＧＨｚのＲＦ帯域の中に、無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２の２波が含まれることになる。

例えば、周波数５９．０ＧＨｚの送信局発信号Ｌｏ１で、中間周波数が４ＧＨｚの正弦波信号ＩＦ２と、中間周波数が５．１ＧＨｚの変調信号ＩＦ１を送信する場合、無線周波信号ＲＦ２と無線周波信号ＲＦ１の間のＲＦ帯域は、６３．０ＧＨｚから６５．５ＧＨｚの間の２．５ＧＨｚの帯域となる。この場合、イメージ信号は、５２．５ＧＨｚから５５．０ＧＨｚの間に現れる。

本発明では、アップコンバージョンを行う際に使用した送信局発信号Ｌｏ１の位置は、ＲＦ帯域から離れた位置に配置できる。すると、送信局発信号Ｌｏ１を中心として対称な位置に現れる、無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２のイメージ信号及び送信局発信号Ｌｏ１の漏洩信号である搬送波も、実際の信号が伝送されるＲＦ帯域から離れた位置に現れる（図では、局発信号とＲＦ帯が一例として４ＧＨｚ離れているが、これ以上離すことも可能である）。

このため、通常の特性を持つバンドパスフィルタで、これらのイメージ信号及び搬送波を抑圧することができる。例えば、誘電体基板上に平面回路で実現した平面フィルタを用いることで、十分にこれらの搬送波やイメージ信号を除去することが可能である。

したがって、６０ＧＨｚなどのミリ波帯無線通信に対し、本発明の送信装置を適用することで、導波管フィルタのような高価で大型なフィルタは不要となり、高精度かつ低価格で小型化された製品を実現することが可能になる。

次に具体的な数値を用いて動作について説明する。図６は第１の実施の形態の送信装置の構成を示す図である。送信装置１０−１は、第１端子１１ａ、第２端子１１ｂ、送信局部発振器１２、送信ミキサ１３、送信フィルタ１６、送信アンプ１４、送信アンテナ１５から構成される。

ここで、送信局部発振器１２、送信ミキサ１３、送信アンプ１４は、同一基板上に作られたＭＭＩＣ（Microwave Monolithic IC）により構成されている。また、送信フィルタ１６は、セラミック基板上に導電性膜を形成して作った平面フィルタであり、送信アンテナ１５は、石英基板上に導電性膜を形成して作った平面アンテナである。また、第１端子１１ａと第２端子１１ｂは、外部端子に該当する。

送信装置１０−１に対し、第１端子１１ａにより、１５６Ｍｂｐｓ、４ＰＳＫの変調信号ＩＦ１（ｆ_IF1＝５．１ＧＨｚ）が入力される。また、第２端子１１ｂにより、正弦波信号ＩＦ２（ｆ_IF2＝４．０ＧＨｚ）が入力される。

送信局部発振器１２は、送信局発信号Ｌｏ１（ｆ_Lo1＝５６．０±Δｆ_TＧＨｚ）を発振する（送信局部発振器１２は、ＰＬＬ等の周波数安定化が施されていないため、Δｆ_Tの周波数揺らぎ成分を有する）。そして、送信ミキサ１３は、変調信号ＩＦ１、正弦波信号ＩＦ２、送信局発信号Ｌｏ１をミキシングする。

ミキシングされた無線周波信号は、無線周波信号ＲＦ１（ｆ_RF1＝６１．１±Δｆ_TＧＨｚ）と、無線周波信号ＲＦ２（ｆ_RF2＝６０．０±Δｆ_TＧＨｚ）となる。また、同時にそれぞれのイメージ信号２波（５０．９±Δｆ_TＧＨｚ、５２．０±Δｆ_TＧＨｚ）と送信局発信号Ｌｏ１の漏洩信号である搬送波が出力される。

これらイメージ信号及び搬送波は、図５で上述したように、送信フィルタ１６により十分抑圧される。送信アンプ１４は、送信フィルタ１６からの出力信号を例えば１０ｄＢｍまで増幅する。送信アンテナ１５は、増幅した無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２を空中に放出する。

図７は第１の実施の形態の受信装置の構成を示す図である。受信装置２０−１は、受信アンテナ２５、受信アンプ（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）２４、受信ミキサ２３、受信局部発振器２２から構成される。

ここで、受信局部発振器２２、受信ミキサ２３、受信アンプ２４は、同一基板上に作られたＭＭＩＣにより構成されている。また、受信アンテナ２５は、石英基板上に導電性膜を形成して作った平面アンテナである。

受信装置２０−１に対し、無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２は、受信アンテナ２５で受信され、受信アンプ２４で増幅される。受信局部発振器２２は、送信側の正弦波信号ＩＦ２と同一周波数の受信局発信号Ｌｏ２（ｆ_Lo2＝ｆ_IF2＝４．０ＧＨｚ）を発振する。

受信ミキサ２３は、無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２、受信局発信号Ｌｏ２をミキシングする。演算式を以下に示す。
ＲＦ１−ＲＦ２＋Ｌｏ２＝ｆ_RF1−ｆ_RF2＋ｆ_Lo2
＝（６１．１±Δｆ_T）−（６０．０±Δｆ_T）＋４．０
＝５．１ＧＨｚ（＝ｆ_IF1） （３）
したがって、受信ミキサ２３より、元の変調信号ＩＦ１（１５６Ｍｂｐｓ、４ＰＳＫ）の情報が出力される。

次に第２の実施の形態について説明する。図８は第２の実施の形態の受信装置の構成を示す図である。送信装置は、第１の実施の形態と同じ構成なので説明は省略する。
第２の実施の形態の受信装置２０−２は、受信アンテナ２５、受信アンプ２４、差成分検出ミキサ２６、受信ミキサ２３、受信局部発振器２２から構成される。

受信アンテナ２５より入力された無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２は、受信アンプ２４により増幅され、差成分検出ミキサ２６に入力される。差成分検出ミキサ２６は、以下の式（４）のように、無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２の差成分を検出して出力する。

ＲＦ１−ＲＦ２＝ｆ_RF1−ｆ_RF2＝（６１．１±Δｆ_T）−（６０．０±Δｆ_T）
＝１．１ＧＨｚ （４）
式（４）からわかるように、送信側の送信局部発振器１２による周波数揺らぎ成分Δｆ_Tが差成分検出ミキサ２６によりまず除去されている。その後、差成分検出ミキサ２６の出力信号は、受信ミキサ２３に入力され、送信側の正弦波信号ＩＦ２と同一周波数の受信局発信号Ｌｏ２からの信号によりアップコンバージョンされて、５．１ＧＨｚの変調信号ＩＦ１（１５６Ｍｂｐｓ、４ＰＳＫ）が出力される。このように、第２の実施の形態では、低い周波数に一度落とした後にさらにミキシングを行うことで、処理負荷の分散を行っている。

次に第３の実施の形態について説明する。図９は第３の実施の形態の受信装置の構成を示す図である。送信装置は、第１の実施の形態と同じ構成なので説明は省略する。
第３の実施の形態の受信装置２０−３は、受信アンテナ２５、受信アンプ２４、差成分検出ミキサ２６、受信ミキサ２３、受信局部発振器２２、レベル検出手段２７ａ、ゲイン調整手段（オートゲインコントローラ）２７ｂから構成される。

受信アンテナ２５より入力された無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２は、受信アンプ２４により増幅され、差成分検出ミキサ２６に入力される。一方、第３の実施の形態では、レベル検出手段２７ａにおいて、受信アンプ２４からの出力信号のレベルを検出し、検出信号をゲイン調整手段２７ｂへ送信する。

そして、ゲイン調整手段２７ｂは、この検出信号にもとづいて、差成分検出ミキサ２６のミキシング変換効率が最大になるように、受信アンプ２４の出力ゲインを調整する。このような制御を行うことで、より高精度な処理を実現することが可能になる。なお、差成分検出ミキサ２６の出力以降は、第２の実施の形態と同様なので説明は省略する。

なお、第２、第３の実施の形態では、差成分検出ミキサ２６の後段処理にミキシングを行って、中間周波数の変調信号ＩＦ１を受信装置２０−３の出力としているが、差成分検出ミキサ２６で検出した差成分（１．１ＧＨｚ）には、情報が含まれており、これをそのまま受信装置２０−３の出力としてもよい。

次に第４の実施の形態について説明する。図１０は第４の実施の形態の受信装置の構成を示す図である。送信装置は、第１の実施の形態と同じ構成なので説明は省略する。
第４の実施の形態の受信装置２０−４は、受信アンテナ２５、受信アンプ２４、前段側周波数変換手段２８、受信フィルタ２９、受信ミキサ２３、受信局部発振器２２から構成される。前段側周波数変換手段２８は、前段ミキサ２８ａと変換用局部発振器２８ｂから構成される。

受信アンテナ２５より入力された無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２は、受信アンプ２４により増幅される。変換用局部発振器２８ｂは、送信側の送信局部発振器１２と同一周波数５６．０ＧＨｚの局発信号を発振する。ただし、ＰＬＬにより安定化を施していないため、局発信号Ｌｏ３の発振周波数ｆ_Lo3は５６．０±Δｆ_Rとなる（Δｆ_Rは、変換用局部発振器２８ｂの周波数揺らぎ成分である）。

前段ミキサ２８ａは、無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２、局発信号Ｌｏ３をミキシングして、ダウンコンバージョンされた５．１±Δｆ_T±Δｆ_RＧＨｚと、４．０±Δｆ_T±Δｆ_RＧＨｚの信号を発生する。なお、変換用局部発振器２８ｂは、前段ミキサ２８ａのミキシング変換効率が最大となるような一定電力を発生している。

その後、受信フィルタ２９により不要波の抑圧をした後、受信ミキサ２３は、５．１±Δｆ_T±Δｆ_RＧＨｚの信号と、４．０±Δｆ_T±Δｆ_RＧＨｚの信号と、受信局発信号Ｌｏ２とをミキシングする。演算式を以下の式（５）に示す。

（５．１±Δｆ_T±Δｆ_R）−（４．０±Δｆ_T±Δｆ_R）＋ｆ_IF2
＝１．１＋４．０＝５．１ＧＨｚ （５）
この結果、受信ミキサ２３より、変調信号ＩＦ１（１５６Ｍｂｐｓ、４ＰＳＫ）の情報が出力される。

次に第５の実施の形態について説明する。図１１は第５の実施の形態の送信装置の構成を示す図である。送信装置１０−５は、第１端子１１ａ、送信局部発振器１２ａ、第１の送信ミキサ１３ａ、第２の送信ミキサ１３ｂ、送信局部発振器１２ｂ、送信フィルタ１６、送信アンプ１４、送信アンテナ１５から構成される。

送信局部発振器１２ａは、４.０ＧＨｚ（＝ｆ_IF2）の局発信号ＩＦ２を発振する。また、第１端子１１ａにより、１５６Ｍｂｐｓ、４ＰＳＫの変調信号ＩＦ１（ｆ_IF1＝１．１ＧＨｚ）が入力される。第１の送信ミキサ１３ａは、変調信号ＩＦ１と局発信号ＩＦ２をミキシングし、５．１ＧＨｚまでアップコンバージョンした中間周波信号ＩＦ１ａを発生する。

送信局部発振器１２ｂは、送信局発信号Ｌｏ１（ｆ_Lo1＝５６．０±Δｆ_TＧＨｚ）を発振する（送信局部発振器１２は、ＰＬＬ等の周波数安定化が施されていないため、Δｆ_Tの周波数揺らぎ成分を有する）。そして、第２の送信ミキサ１３ｂは、中間周波信号ＩＦ１ａ、局発信号ＩＦ２、送信局発信号Ｌｏ１をミキシングする。

ミキシングされた無線周波信号は、無線周波信号ＲＦ１（ｆ_RF1＝６１．１±Δｆ_TＧＨｚ）と、無線周波信号ＲＦ２（ｆ_RF2＝６０．０±Δｆ_TＧＨｚ）となる。また、同時にそれぞれのイメージ信号２波（５０．９±Δｆ_TＧＨｚ、５２．０±Δｆ_TＧＨｚ）と送信局発信号Ｌｏ１の漏洩信号である搬送波が出力される。

これらイメージ信号及び搬送波は、送信フィルタ１６により十分抑圧される。送信アンプ１４は、送信フィルタ１６からの出力信号を増幅する。送信アンテナ１５は、増幅した無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２を空中に放出する。

図１２は第５の実施の形態の受信装置の構成を示す図である。受信装置２０−５は、受信アンテナ２５、受信アンプ２４、受信ミキサ２３から構成される。
無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２は、受信アンテナ２５で受信され、受信アンプ２４で増幅される。受信ミキサ２３は、無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２をミキシングする。なお、演算式は上述の式（４）と同じである。したがって、送信装置１０−５の周波数揺らぎ成分Δｆ_Tは、受信装置２０−５にて相殺される。そして、受信ミキサ２３から中間周波数が１．１ＧＨｚの変調信号ＩＦ１（１５６Ｍｂｐｓ、４ＰＳＫ）が出力される。

このように、第５の実施の形態では、第１端子１１ａは、送信情報を含む変調信号として、放出すべき２波の無線周波信号の周波数差分値と同一の中間周波数の変調信号を受信する。上記の例では、無線周波信号ＲＦ１、ＲＦ２の周波数差分値１．１ＧＨｚ（＝６１．１−６０．０）の変調信号を受信する。

そして、この変調信号を低周波で周波数変換した後に、ミリ波の高周波で周波数変換する。送信装置をこのような構成にすることで、受信側でミキシングする際、無線周波信号の差成分がそのまま元の変調信号の中間周波数を出力することになる。このため、受信装置では局部発振器が不要となる。

ここで、上記で説明したように、送信装置から出力される第１信号波と第２信号波の周波数差成分を検出（演算）したものが復調信号として取り扱われる。
したがって、異なる複数の送信装置からの無線通信波を選択的に復調するためには、各送信装置において、第１信号波と第２信号波との周波数の差が異なっている必要がある（周波数の差を情報チャネルに対応させる）。

このため、送信装置１０には、第１信号波と第２信号波との周波数差を可変とする周波数可変機能（例えば、第２端子１１ｂを複数設けて、スイッチング制御により、周波数を切り替えるなど）を搭載する。これにより、混信防止が可能になる。

また、上記の説明では、第２信号波を正弦波としたが、矩形波を使用することもできる。第２信号波が矩形波の場合、受信装置で第１信号波の無線周波数成分と第２信号波の無線周波数成分とをミキシングして復調する場合に、正弦波と矩形波との差分にあたる成分が、第１信号波成分とのミキシングにおいて歪むが、矩形波成分が受信装置において既知であれば、この歪を補正することが可能である。

すなわち、送信側で変調波及び矩形波を搬送波でミキシングすると、矩形波のフーリエ変換成分によりスペクトルが広がることになる。このため、受信側では、送信側と同期がとれている矩形波でミキシングして、広がったスペクトルを元のスペクトルに戻し、差成分をとって、変調信号を復元する。

なお、この場合、スペクトラム拡散通信のようなＰＮ符号を用いてのミキシングではなく、送信側及び受信側で矩形波の立ち上がりまたは立ち下りのいずれかを合わせればよいので、同期を取るのを容易に行うことができる。

さらに、第２信号波は、第１信号波と実質的に同じ周波数であってもよい。第１信号波と第２信号波が実質的に同じ周波数である場合、無線信号波は、第１信号波と第２信号波の合成波に搬送波がミキシングされたものとなる（なお、第２信号波が正弦波である場合には、帯域の中心周波数が正弦波成分で歪み、また、矩形波である場合には、帯域が拡散して広がりを持つが、受信装置により、これらは除去できる）。

また、上記の説明では、第１信号波は、情報信号の帯域であるベースバンド信号を一旦、中間周波数信号に変換したものを使って搬送波周波数とミキシングしているが、このミキシングをベースバンド信号のままで行ってもよい。その場合は第２信号波も中間周波数以外の所定の帯域に設定してもよい。

さらに、本発明の送信装置では、多重波信号（例えば、ＴＶ信号）を送信することが可能である。例えば、外部アンテナなどで受信したＴＶ信号を本発明の送信装置により再送信することで、ＴＶ受像機（受信装置が設置されているＴＶ受像機）に対してワイヤレスでＴＶ信号を供給することができる。これにより、家庭内のどこにでもＴＶ受像機を置くことが可能になり、一般に使用されている宅内アンテナ配線が不要になる。

次に送信装置１０及び受信装置２０のモジュール構成について説明する。図１３は半導体デバイスの概観を示す図である。送信デバイス１０ａは、送信装置１０の回路素子が同一基板内に集積化された半導体デバイスである。また、内蔵された平面アンテナからの電波を放出する電波送信窓１０ａ−１が設けられている。

受信デバイス２０ａは、受信装置２０の回路素子が同一基板内に集積化された半導体デバイスである。また、内蔵された平面アンテナで電波を受信するための電波受信窓２０ａ−１が設けられている。

ここで、送信デバイス１０ａの入力ピンＰｉｎ１から変調信号ＩＦ１が入力し、入力ピンＰｉｎ２から正弦波信号ＩＦ２が入力する。そして、内部で処理されたミリ波帯の電波が電波送信窓１０ａ−１から空中へ放出される。受信デバイス２０ａでは、電波受信窓２０ａ−１を通じて、ミリ波帯の電波を受信する。そして、内部で処理した後に、出力ピンＰｏｕｔから、送信された元の変調信号ＩＦ１を出力する。

図１４は半導体デバイスの構造を示す図である。半導体デバイス（送信デバイス１０ａまたは受信デバイス２０ａ）１ａは、外部ピンが設けられた基板５上に、アンテナ素子用基板３と、半導体回路４とが形成される。また、アンテナ素子用基板３にはアンテナ素子（平面アンテナ）２が形成される。半導体回路４は、ミリ波帯の信号を駆動処理する半導体の回路素子であり、アンテナ素子２と接続している。

一方、アンテナ素子２と半導体回路４を気密封止するように、基板５には導電性のパッケージ６が取り付けられる。さらに、パッケージ６のアンテナ素子２に対向する領域に対し、非導電性の電波窓７が設けられる。

次に本発明の適用例について説明する。図１５、図１６は適用例を示す図である。図１５は無線ＬＡＮへの適用例を示している。無線ＬＡＮ１００に対し、無線ＬＡＮカード１０７にサーバ１０４、プリンタ１０５、ディジタル多機能電話機１０６、ビル間通信ユニット１０８が接続している。また、パソコン１０１〜１０３は、無線ＬＡＮカード１０７と無線で接続する。

パソコン１０１〜１０３、無線ＬＡＮカード１０７、ビル間通信ユニット１０８は、例えば、６０ＧＨｚ帯のミリ波帯無線通信を行うための送信装置１０及び受信装置２０を有している。

無線ＬＡＮカード１０７は、パソコン１０１〜１０３をＬＡＮに無線接続するためのネットワーク・インタフェース・カードである。また、ビル間通信ユニット１０８は、離れた建物に設置されているＬＡＮを高速通信で接続する屋外無線ユニットである。

図１６は車々間通信システムへの適用例を示している。車々間通信システム２００に対し、車両の前後に送信装置１０及び受信装置２０を含む無線通信機２００ａが取り付けられる。無線通信機２００ａは、適度な車間距離を保持するための制御や危険情報を走行中の前後の車両に伝送する制御等を行う。

このように、本発明の送信装置を用いた無線システムは、ミリ波帯無線通信として、例えば、家庭、オフィス等の屋内での高速無線ＬＡＮやビル間等を結ぶ高速無線回線、さらに安全走行支援のための車々間通信システム等に応用することが可能である。

以上説明したように、本発明の送信装置１０では、情報信号で変調された第１信号波と無変調波である第２信号波と、搬送波信号とをミキシングする送信ミキサを備えて、第１信号波と第２信号波とを無線周波数で送信し、受信装置２０では、第１信号波と第２信号波の無線周波数信号をミキシングする受信ミキサを備えて、周波数差分を復調する構成とした。

これにより、送信側の局部発振器の周波数揺らぎが受信側に影響しないので、送信側の局部発振器の精度（安定性，位相ノイズ）が低くても、高精度の無線通信を行うことが可能になる。

また、受信装置２０では、送信側の局部発振器を再現する（高精度な）発振器が不要である。このことは、取り扱う周波数に関わらないので、ミリ波帯より低い周波数の無線通信に対しても有効である。

さらに、本発明の送信装置では伝送帯域から離れた位置に局発信号を配置して、２波の信号を送信しているので、イメージ波や搬送波を導波管フィルタのような大型のフィルタを用いなくても、通常のバンドパスフィルタで抑圧することができ、回路の簡素化及び低価格化が可能になる。

なお、上記ではミリ波帯域への適用を中心に説明したが、本発明を適用した無線システムは使用周波数帯域に左右されるものでなく、ミリ波帯域以外の無線通信に対して広く適用することが可能である。

また、解決すべき課題としてミリ波帯域での安定したＶＣＯが困難であることを挙げたが、本発明の送信装置を用いた無線システムは、安定な発振器を使っている場合でも効果を発揮できる。すなわち、送信機や受信機にＰＬＬなど安定した発振器が搭載可能な場合であっても、完全に同じ発振器を送信機と受信機で用意することはできない。

したがって、送信される無線信号波には固有のゆらぎ成分など、受信機側では再現困難な成分が含まれることが多いが、本発明の送信装置を用いた無線システムを採用することで、送信された無線信号波に含まれるゆらぎ成分などが除去されるので、このようなケースであっても本発明を採用することにより効果を発揮することができる。

送信装置及び受信装置の原理図である。 送信装置及び受信装置の構成図である。 従来技術の構成を示す図である。（Ａ）は送信機、（Ｂ）は受信機である。 従来技術の周波数の配置イメージを示す図である。 本発明の周波数の配置イメージを示す図である。 第１の実施の形態の送信装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態の受信装置の構成を示す図である。 第２の実施の形態の受信装置の構成を示す図である。 第３の実施の形態の受信装置の構成を示す図である。 第４の実施の形態の受信装置の構成を示す図である。 第５の実施の形態の送信装置の構成を示す図である。 第５の実施の形態の受信装置の構成を示す図である。 半導体デバイスの概観を示す図である。 半導体デバイスの構造を示す図である。 適用例を示す図である。 適用例を示す図である。 従来の無線通信システムを示す図である。

符号の説明

１０ 送信装置
２０ 受信装置

Claims (36)

1. 第１無線周波数信号と第２無線周波数信号とをミキシングによってダウンコンバートすることを受信側で実現するための送信装置であって、
   情報信号で変調された第１信号波と、無変調波である第２信号波とが入力され、前記第１信号波と前記第２信号波とを、送信無線周波数の搬送波信号で同時にミキシングする１つの送信ミキサを備え、前記第１信号波と前記第２信号波とを前記送信無線周波数にアップコンバートし、それぞれ前記第１無線周波数信号と前記第２無線周波数信号として送信することを特徴とする送信装置。
2. 前記第２信号波は、正弦波信号であることを特徴とする請求項１記載の送信装置。
3. 前記第２信号波は、矩形波信号であることを特徴とする請求項１記載の送信装置。
4. 前記第２信号波は、前記第１信号波とは周波数が異なることを特徴とする請求項１記載の送信装置。
5. 前記第２信号波は、前記第１信号波と周波数が実質等しいことを特徴とする請求項１記載の送信装置。
6. 前記送信ミキサは、周波数の異なる複数の前記第１信号波を前記第２信号波とともに前記搬送波信号とミキシングするものであることを特徴とする請求項１記載の送信装置。
7. 前記ミキシングされた信号から前記無線周波数成分以外の不要成分を除去するフィルタを備えることを特徴とする請求項１記載の送信装置。
8. 前記送信ミキサと前記フィルタとが、同一半導体チップに集積化されることを特徴とする請求項７記載の送信装置。
9. 前記ミキシングされた信号を増幅する送信アンプを備えることを特徴とする請求項１記載の送信装置。
10. 前記送信ミキサと前記送信アンプとが、同一半導体チップに集積化されることを特徴とする請求項９記載の送信装置。
11. 前記ミキシングされた信号を放出するアンテナを備えることを特徴とする請求項１記載の送信装置。
12. 前記送信ミキサと前記アンテナとが、同一半導体チップに集積化されることを特徴とする請求項１１記載の送信装置。
13. 前記搬送波信号を発生する送信局部発振器を備えることを特徴とする請求項１記載の送信装置。
14. 前記送信ミキサと前記送信局部発振器とが、同一半導体チップに集積化されることを特徴とする請求項１３記載の送信装置。
15. 前記第１信号波は、情報信号を中間周波数信号とミキシングすることで生成されるものであることを特徴とする請求項１記載の送信装置。
16. 前記送信ミキサは、前記第２信号波として前記中間周波数信号が入力されることを特徴とする請求項１５記載の送信装置。
17. 前記中間周波数信号を発生する中間周波数信号発振器を備えることを特徴とする請求項１５記載の送信装置。
18. 前記送信ミキサと前記中間周波数信号発振器とが、同一半導体チップに集積化されることを特徴とする請求項１７記載の送信装置。
19. 前記第１信号波と前記第２信号波との周波数差が可変であることを特徴とする請求項１記載の送信装置。
20. 第１無線周波数信号と第２無線周波数信号とをミキシングによってダウンコンバートすることを受信側で実現するための送信装置であって、
    ベースバンド信号である第１信号波と、無変調波である第２信号波とが入力され、前記第１信号波と前記第２信号波とを、送信無線周波数の搬送波信号で同時にミキシングする１つの送信ミキサを備え、前記第１信号波と前記第２信号波とを前記送信無線周波数にアップコンバートし、それぞれ前記第１無線周波数信号と前記第２無線周波数信号として送信することを特徴とする送信装置。
21. 情報信号で変調された第１信号波と、無変調波である第２信号波とを、１つの送信ミキサを用いて送信無線周波数の搬送波信号で同時にミキシングすることで、前記第１信号波と前記第２信号波とを前記送信無線周波数にアップコンバートして送信された前記送信無線周波数の信号が受信入力され、前記送信無線周波数の第１信号波の信号と第２信号波の信号のミキシングをなす受信ミキサを備えることで、前記入力された前記送信無線周波数の信号のダウンコンバートをなすことを特徴とする受信装置。
22. 前記第２信号波は、前記第１信号波とは周波数が異なることを特徴とする請求項２１記載の受信装置。
23. 前記第２信号波は、前記第１信号波と周波数が実質等しいことを特徴とする請求項２１記載の受信装置。
24. 前記受信ミキサの前段に受信ゲインアンプが設けられ、無線周波数信号のレベル検知結果から、前記受信ゲインアンプを制御することで、前記受信ミキサのミキシング効率を制御することを特徴とする請求項２１記載の受信装置。
25. 前記受信ミキサと前記受信ゲインアンプとが、同一半導体チップに集積化されることを特徴とする請求項２４記載の受信装置。
26. 前記受信装置は、周波数差分に加えて当該第２信号波をミキシングすることを特徴とする請求項２１記載の受信装置。
27. 前記周波数差分と前記第２信号波とのミキシングは、前記受信ミキサでなされることを特徴とする請求項２６記載の受信装置。
28. 前記周波数差分と前記第２信号波とのミキシングは、前記受信ミキサとは別に設けられた補正ミキサでなされることを特徴とする請求項２６記載の受信装置。
29. 前記受信ミキサと前記補正ミキサとが、同一半導体チップに集積化されることを特徴とする請求項２８記載の受信装置。
30. 前記受信ミキサと前記第２信号波を発振する発振器とが、同一半導体チップに集積化されることを特徴とする請求項２６記載の受信装置。
31. 入力された前記第１信号波と前記第２信号波の無線周波数信号を増幅する受信アンプを備えることを特徴とする請求項２１記載の受信装置。
32. 前記受信ミキサと前記受信アンプとが、同一半導体チップに集積化されることを特徴とする請求項３１記載の受信装置。
33. 前記第１信号波と前記第２信号波の無線周波数信号を受信するアンテナを備えることを特徴とする請求項２１記載の受信装置。
34. 前記受信ミキサと前記アンテナとが、同一半導体チップに集積化されることを特徴とする請求項３３記載の受信装置。
35. 設定された周波数差に位置する前記第１信号波と前記第２信号波から、差成分を抽出する信号選択部を有することを特徴とする請求項２１記載の受信装置。
36. 前記受信ミキサと前記信号選択部とが、同一半導体チップに集積化されることを特徴とする請求項３５記載の受信装置。

Images