JP2008501289A - デジタイザ構成 - Google Patents

Abstract

アナログ信号をデジタル信号に変換するデジタイザ構成であって、その構成は、アナログ信号の周波数より低い第１のサンプリング率でアナログ信号を第１のデジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器と、高周波アナログ信号を前記アナログ信号より低い第２のサンプリング率で第２のデジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換器と、前記第１と第２のデジタル信号を組み合わせて、前記第１と第２のサンプリング率の少なくとも倍数である第３のサンプリング率で第３のデジタル信号を生成する手段を有する。

Description

本発明は、高解像度／高サンプリング率のデジタイザの新しい構成に関する。そのデジタイザはデジタル信号処理を行う無線受信機で用いられることが意図されており、特に、無線発信器を検出しその位置を突き止める方位検出システムで使用するのに適している。

現代の無線受信器はしばしば受信信号を処理するのにデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を用いる。そのような受信器は受信チェインのどこかにアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を備えたアナログフロントエンドを用いる。理想的にはＡ／Ｄ変換器はビット率とビット解像度の両方でできる限り高い解像度をもち、例えば、受信器ではわずかな変換ステップで高周波信号をサンプルしたり、或は、広い周波数帯域をカバーすべきである。

商業的に利用可能なＡ／Ｄ変換器の性能は着実に高まっているが、サンプリング率は高速であるがそのサンプリング解像度は数ビットであるＡ／Ｄ変換器を用いるか、或は、サンプリング率は低速であるが解像度は高いＡ／Ｄ変換器を用いるかの選択の問題に依然として直面する。

いわゆる“利得測距（gain-ranging）”技術において、Ａ／Ｄ変換器の前段にはプログラム可能な利得をもつ増幅器が置かれる。論理ユニットはその増幅器の利得を制御してデジタイザシステムのダイナミックレンジを拡張する。他の解決策では、多数の高速／ビット低解像度のＡ／Ｄ変換器を積み重ね、ビット解像度の高い合成高速変換器を構成する。このことは複数の変換器を異なる利得をもつ多数の増幅器に接続し、これら変換器からの出力信号をビットスタックすることによりなされる。Ｓｔａｇｅｔｅｃｈという会社はそのようなデジタイザシステムをオーディオで用いるために販売しており、それは海洋での水深探査器でも知られている。

本発明の目的は、従来のシステムと比較してより優れた効率でアナログ信号をデジタル信号に変換するデジタイザを提供することにある。

上記目的は本願に添付した請求の範囲に記載の構成により達成される。

特に、本発明は異なるサンプリング周波数をもつ２つのスタックされたＡ／Ｄ変換器を用いたデジタイザに関する。

次に、本発明を添付図面を参照して詳細に説明する。

最初に、本発明を適用することができる方位検出システムの概要を説明する。図１に示されているように、方位検出システムは数多くの発信源からのＲＦ信号を受信するアンテナユニット１を含み、それは図の左側に示されている。信号は図の中央にあるＲＦユニット２に伝えられ、そこで信号が増幅され、ベースバンドへとダウンコンバートされ復調される。復調された信号は処理ユニット３に伝えられて処理解析される。アンテナユニット１は“アンテナ構成（An antenna arrangement）”という名称の係属中の特許出願にその詳細が記載されている。一方、ＲＦユニットの詳細は“方位検出システムにおけるチャネル受信の構成（Arrangements for receiving channels in a direction-finding syste,）”という名称の係属中の特許出願に開示されている。

簡単に言えば、そのアンテナ構成は、２×２の関係で設置された４つのアンテナパネルとともに、そのアンテナユニットの中心に設置されても良い無指向性のガードアンテナとを含む。

図２は、図１の方位検出システムにおける受信器とプロセッサとを示している。受信器部は４つの位相チャネルと１つのガードチャネルとを有している。その図は受信器チェインに含まれる主な構成要素、即ち、増幅器２１、ミキサ２２、バンドパスフィルタ２３を示している。バンドパスフィルタ２３の後段で、信号が本発明に従うデジタイザ２４においてデジタル化される。そのデジタル信号は、主なデータ削減を実行するゲートアレイ２５と最終的な信号解析を実行する全てのチェインに共通のＣＰＵとを含む後続のプロセッサチェインで処理される。図２に図示された受信器は１つの中間周波数をもつスーパヘテロダイン方式の受信器である。しかしながら、もっと多くの変換段をもつ受信器が用いられても良い。通常は、ベースバンドにおけるバンド幅は約２００ＭＨｚである。デジタイザは理想的には少なくとも４００ＭＨｚのサンプリング周波数でサンプルを行い、ナイキストの定理（Nyquist theorem）を満たすべきである。

図３に図示されたデジタイザシステムはその入力部にアンチアライアシングフィルタ３１を含んでいる。そのフィルタは、後段のデジタイザに入る信号周波数をそのデジタイザの実効サンプリング率の半分に制限する遮断周波数ｆ３をもつように設計されている。フィルタ３１を通過した信号は２つのＡ／Ｄ変換器３２、３３に並行にフィードされる。Ａ／Ｄ変換器３２、３３は異なるサンプリング周波数でサンプルを行う（次の例では、そのサンプリング周波数を夫々、７０ＭＨｚ、５０ＭＨｚと仮定している）。これは信号が最大１５ＭＨｚの典型的なバンド幅をもつという事実を利用し、そのシステムが５００ＭＨｚ（全バンド幅の２．５倍）のサンプリング率をもつ１個のＡ／Ｄ変換器よりも実質的に低いデータ率で動作することを可能にしている。低減したサンプリング周波数で最大１４ビット（８４ｄＢ）の解像度をもつ複数のＡ／Ｄ変換器が利用可能であり、一方、５００ＭＨｚではその解像度は通常８ビット（４８ｄＢ）である。そのデジタイザは連続的にその帯域をサンプルし、約１２０ＭＳ／秒のデータストリームで信号処理データアレイにフィードする。信号処理データアレイは２つのＡ／Ｄ変換器からの信号を組み合わせて解像度が１４ビットでサンプリング周波数が３５０ＭＨｚの単一信号を生成する。その新しいサンプリング率は２つのサンプリング率の倍数であるか、これよりさらに大きい倍数であるべきである。従って、７０ＭＨｚと５０ＭＨｚのデジタイザを用いた場合、最小サンプリング率は３５０ＭＨｚとなる。

サンプリングが不十分な（アンダーサンプリングな）信号がＡ／Ｄ変換器のパス帯域内でより周波数の低いものとして現れる。図４は本発明の原理を図示している。その図は、パス帯域が０からｆ₃に拡がった受信器内で信号ｆ_iを示している。ここで、ｆ₃はアンチアライアシングフィルタ３１の遮断周波数である。サンプリングが不十分なために、ｆ_iは、Ａ／Ｄ変換器３２、３３夫々のパス帯域へと折り畳まれるであろう。これらＡ／Ｄ変換器のパス帯域は、濃い影と淡い影とが付された三角形により表現される。その三角形はサンプリング周波数の半分（即ち、ナイキスト周波数）について対称形である。折り畳みはナイキスト周波数の約倍数で発生する。淡い影の付された三角形は負の周波数の領域を表現している。

もし、Ａ／Ｄ変換器が１つだけなら、元々の信号がその変換器のパス帯域の外側にあるのかどうかと、サンプルされた“見かけ上の”周波数に関する折り畳み率（folding ratio）は分からない。しかしながら、２つの変換器を用いることにより、その信号周波数は不明瞭なところなく再構成される。

“再構成”過程はまず２つのチャネルにおける対応する信号を識別することにより実行されると良い。信号ペアはチャネル間の一致を検出することにより識別される。積分時間１／ｆ₃にわたり０．９以上の相関係数をもつ信号は正当なペアと考えられるが、小さな値の相関係数をもつ信号はミュートされる。与えられた信号ペアの２つの周波数、即ち、周波数の絶対的な値とそれら周波数の相対的な差とにより、正しいファクタを識別する情報が保持され、その信号をその正しい周波数にアップコンバートして戻すときに用いられるであろう。そのスペクトラムは図示されているように、個別の周波数帯域１、２、３……へと分割される。これら帯域各々において、Ａ／Ｄチャネル１と２における周波数間に特定の関係があり、信号ｆ_iの再構成のための規則を適用する。周波数シフトファクタｎは次の関係により与えられる。

ｆ_r1＝（ｆ_i−ｎｆ₁），ｎ＝０，１，２，３……
ｆ_r2＝（ｆ_i−ｍｆ₂），ｍ＝｛ｎ ｎ＋１｝
ここで、ｆ_iは入力信号の周波数であり、ｆ₁はＡ／Ｄ変換器１のサンプリング率であり、ｆ₂はＡ／Ｄ変換器２のサンプリング率であり、ｆ_r1はＡ／Ｄ変換器１により登録された入力信号の見かけ上の周波数であり、ｆ_r2はＡ／Ｄ変換器２により登録された入力信号の見かけ上の周波数である。

ｎの値はｆ_r1とｆ_r2がどの帯域にあるのかに依存する。図４に示された例では、次の２つの場合を考慮する必要があるだけである。即ち、見かけ上の信号が、両方のチャネルの下方側の濃い影が付けられた三角形内にあるなら、即ち、ｆ_r1とｆ_r2が帯域１内にあるなら、ｍ＝ｎである。他の場合とは、見かけ上の信号の１つが帯域１内にあり、他のものが帯域２内にある場合である。このことは図４に示されている通りである。他の場合は考慮しない。

従って、Ａ／Ｄチャネル１における信号は、知られた周波数シフトファクタｎを用いてアップコンバートされる一方、Ａ／Ｄチャネル２における信号は、知られた、しかしおそらくは異なる周波数シフトファクタｍを用いてアップコンバートされる。これらの信号がアップコンバートされたとき、Ａ／Ｄチャネル１とＡ／Ｄチャネル２からの信号が加算される。或は、これらのチャネルの１つでの信号のみがアップコンバートされる。しかしながら、両方の信号を用いることで、より改善された信号雑音比が得られる。

図４では図示された例では２つのＡ／Ｄ変換器を利用しているが、本発明のデジタイザはより多くのＡ／Ｄ変換器を用いても良い。別の態様とは、この明細書の導入部で述べた従来の多重結合方法と本発明でのスタックキングとを組み合わせ、Ａ／Ｄ変換器のマトリクスを得ることである。この組み合わせにより高いビット率と高い解像度の両方が得られるかもしれない。

方位検出システムの受信器チェインにおける本発明のデジタイザの適用を示す図である。 本発明に従うデジタイザを含む受信器システムの構成を示す図である。 ２つのスタックされたＡ／Ｄ変換器を含んだ、本発明に従うデジタイザを示す図である。 異なるサンプリング周波数をもつ２つのＡ／Ｄ変換器により入力信号のサンプリングがどのように不十分であるかを周波数領域で示す図である。

Claims (8)

1. 高周波アナログ信号をデジタル化する方法であって、
   前記アナログ信号を第１のサンプリング周波数（ｆ₁）で第１のデジタル信号に変換する工程と、
   前記アナログ信号を前記第１のサンプリング周波数とは異なり、互いが非調和の関係にある第２のサンプリング周波数（ｆ₂）で第２のデジタル信号に変換する工程と、
   前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号の相関関係を求める工程と、
   前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号の周波数比を識別する工程と、
   前記周波数比から第１の移行（transponation）比（ｎ）を決定する工程と、
   前記第１の移行比（ｎ）で前記第１のデジタル信号をより高い周波数へと移行させる工程とを有することを特徴とする方法。
2. 前記周波数比から第２の移行（transponation）比（ｍ）を決定する工程と、
   前記第２の移行比（ｍ）で前記第２のデジタル信号をより高い周波数へと移行させる工程と、
   前記移行された第１の信号を前記移行された第２の信号に加算する工程とをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１と第２のサンプリング周波数（ｆ₁，ｆ₂）の倍数に等しい周波数ｆ₃の逆数である１／ｆ₃の積分時間にわたり０．９をこえる相関値をもつ信号を保持する工程と、
   より低い相関比をもつ信号をミュートする工程とをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記変換前に、前記第１と第２のサンプリング周波数（ｆ₁，ｆ₂）の倍数に等しい遮断周波数（ｆ₃）をもつアンチ−アライアシングフィルタで前記アナログ信号をフィルタする工程をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. アナログ信号をデジタル化するデジタイザであって、
   前記アナログ信号を、前記アナログ信号の周波数（ｆ_i）より低い第１のサンプリング周波数（ｆ₁）で第１のデジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器（３２）と、
   前記アナログ信号を、前記アナログ信号の周波数（ｆ_i）より低く、前記第１のサンプリング周波数とは異なり、互いが非調和の関係にある第２のサンプリング周波数（ｆ₂）で第２のデジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換器（３３）と、
   前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号とを結合して、少なくとも前記第１と第２のサンプリング周波数の倍数である第３のサンプリング周波数（ｆ₃）で第３のデジタル信号を生成する手段とを有することを特徴とするデジタイザ。
6. 前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号の相関関係を求める手段をさらに有し、
   該手段は、前記第１と第２のサンプリング周波数（ｆ₁，ｆ₂）の倍数に等しい周波数ｆ₃の逆数である１／ｆ₃の積分時間にわたり０．９より低い相関係数をもつ信号をミュートすることを特徴とする請求項５に記載のデジタイザ。
7. 前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号の対応信号ペアを識別する手段と、
   前記信号ペアの周波数に基づいて第１の変換係数（ｎ）を決定する手段と、
   前記第１の変換係数（ｎ）で前記第１のデジタル信号の周波数を前記第３のデジタル信号へと移行させる手段とをさらに有することを特徴とする請求項６に記載のデジタイザ。
8. 前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号の対応信号ペアを識別する手段と、
   前記信号ペアの周波数に基づいて第１の変換係数（ｎ）を決定する手段と、
   前記第１の変換係数（ｎ）で前記第１のデジタル信号の周波数を第４のデジタル信号へと移行させる手段と、
   前記信号ペアの周波数に基づいて第２の変換係数（ｍ）を決定する手段と、
   前記第２の変換係数（ｍ）で前記第１のデジタル信号の周波数を第５のデジタル信号へと移行させる手段と、
   前記第４のデジタル信号を前記第５のデジタル信号に加算し、前記第３のデジタル信号を取得する手段とをさらに有することを特徴とする請求項６に記載のデジタイザ。