JP2009284074A - チャープ信号発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＤＤＳを用いて、低雑音チャープ信号と広帯域チャープ信号とを出力するチャープ信号発生装置を得る。
【解決手段】 ＤＤＳから出力されるチャープ信号を分周する分周器と、分周器により分周されたチャープ信号と第二局部発振信号発生器の出力信号を周波数合成するミクサとを有した分周系と、ＤＤＳから出力されるチャープ信号を逓倍する逓倍器を有した逓倍系と、経路切換え信号に基づいて分周系の出力信号と逓倍系の出力信号を時系列に順次切換えて出力するスイッチを設けることで、所定のデューティ比で低雑音チャープ信号と広帯域チャープ信号を得る。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ダイレクトディジタルシンセサイザ（ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ：以下ＤＤＳ）を用いて、チャープ信号を発生するチャープ信号発生装置に関するものである。

従来のチャープ信号発生装置としては、ＤＤＳと局部発振信号とを周波数合成させ、ＤＤＳの量子化雑音に起因するスプリアスを劣化させることなく、チャープ信号を生成する装置が知られている（例えば、特許文献1参照）。

特開２０００−１０６５０６号公報（図１）

次に、従来のチャープ信号発生装置の構成および動作について図を用いて説明する。図４は従来のチャープ信号発生装置の構成を簡略化して示した図であり、図５はＤＤＳの各部の信号波形を説明するための図であり、図６はＤＤＳの位相データと振幅データの関係の一例を示す図である。

図において、従来のチャープ信号発生装置は、基準クロックを発生する基準信号発振器１と、チャープデータ関数発生部３と、ＤＤＳ４と、ミクサ７と、例えば直接方式シンセサイザから構成される第一局部発振信号発生器９とから、構成されている。ＤＤＳ４は、位相アキュムレータ１２と、メモリ１３と、Ｄ−Ａ変換器１４と、フィルタ１５から構成されている。チャープデータ関数発生部３は、チャープ設定データを受けて指定されたチャープ波形を生成するためのチャープデータ関数を発生し、周波数設定データを出力する。ミクサ７は、ＤＤＳ４の出力と第一局部発振信号発生器９の出力を周波数合成する。

ＤＤＳ４内の位相アキュムレータ１２は、図５（ａ）の基準信号出力図で示される基準信号発生器からの基準クロックのタイミングを基準として、チャープデータ関数発生部３
からの周波数設定データを累積加算し、図５（ｂ）の位相アキュムレータ出力図で示されるようなディジタル値を出力する。この際、位相アキュムレータ１２は累積加算された位相が２πになると位相を０にリセットして、０〜πの値を繰返し出力する。この基準クロックは出力信号の１周期に２回以上のクロックが含まれるように構成されている。

メモリ１３は、図６に示すように位相アキュムレータから出力されるディジタルデータをアドレスデータとして、位相に対応した波形データ（振幅データ）をテーブルとして保持している。図６に示すように、位相データは、メモリに格納された振幅データに対応した位相を表しているが、同時にメモリのアドレスを表しており、これによって振幅データを読み出す。メモリ１３から読み出された振幅データは、Ｄ−Ａ変換器１４に入力され、Ｄ−Ａ変換器１４によってアナログ値に変換される。Ｄ−Ａ変換器１４から出力されたアナログ信号はフィルタ１５を通過することで不要波が除去され、必要な周波数成分のみを取り出すことができる。かくして、フィルタ１５を通過した後、図５（ｃ）のＤＤＳ出力信号図に示す正弦波信号が出力され、ミクサ７に入力される。

ＤＤＳ４の出力周波数ｆＤＤＳは、基準信号周波数をｆｒ、ＤＤＳ４の周波数設定可能ビット数をＡ、実際の周波数設定データの１０進数換算値をＢとすると、式（１）にて表される。これにより、ＤＤＳ４の出力周波数は、周波数設定データにより基準信号発振器１の周波数の１／２以下の範囲において設定が可能となり、外部より更新レートに同期して周波数設定データを入力することにより、チャープ波形を形成できる。

式（１）で表されるチャープ信号は、ディジタルＩＣであるＤＤＳ４で生成されるため出力周波数に制限があり、比較的低周波数であるため、ミクサ７により第一局部発振信号と周波数合成して高周波化される。

上記のような従来のチャープ信号発生装置では、正弦波の振幅データを量子化しメモリに格納している。そのため量子化に伴う波の歪みによりスプリアスを発生するという欠点がある。

また、このようなスプリアスを伴う信号を分周した場合、その出力信号にもスプリアスが出力される。ここで、ＤＤＳの出力での搬送波とスプリアスとの電力比をＳｉとすると、分周後の搬送波とスプリアスの電力の比Ｓｏｉは数２で表される。

ここで、Ｍは分周数である。式（２）より、分周した場合にスプリアスを低減することが可能であることが分かる。しかし、ＤＤＳのディジタルＩＣに周波数限界があることと、分周により出力周波数と周波数帯域がＭ分の１となるため、出力周波数が低くなり、周波数帯域を広くとれない欠点がある。

この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、低雑音でかつ広帯域なチャープ信号を得ることを目的とする。

この発明によるチャープ信号発生装置は、入力される基準信号およびチャープ設定データに基づいて、所望のチャープ信号を出力するダイレクトディジタルシンセサイザと、上記ダイレクトディジタルシンセサイザから出力されるチャープ信号を分周する分周器と、上記分周器により分周されたチャープ信号と入力される第２の局部発振信号を周波数合成するミクサと、を有した分周系と、上記ダイレクトディジタルシンセサイザから出力されるチャープ信号を逓倍する逓倍器を有した逓倍系と、上記チャープデータ関数発生部からの経路切換え信号に基づいて、分周系の出力信号と逓倍系の出力信号を時系列に順次切換えて出力するスイッチと、入力される第１の局部発振信号と上記スイッチの出力信号を周波数合成するミクサとを備えたものである。

この発明によれば、時系列に低雑音なチャープ信号と広帯域なチャープ信号を切換えて出力することで、低雑音でかつ広帯域なチャープ信号を得ることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るチャープ信号発生装置の構成を示すブロック図である。図１において、チャープ信号発生装置は、時系列に低雑音のチャープ信号と広帯域のチャープ信号を切換えて生成するため、基準信号発振器１、チャープデータ関数発生部２、スイッチ３ａ,３ｂ、２つのＤＤＳ４ａ,４ｂ、Ｍ分周器５、第二局部発振信号発生器６、ミクサ７ａ,７ｂ、Ｎ逓倍器８、第一局部発振信号発生器９とを備えて構成される。ＤＤＳ４ａ,４ｂについては、図４で説明した従来のＤＤＳ４と同一構成のため、ここでは説明を省く。

図１に示すチャープ信号発生装置は、基準信号発振器１の出力をスイッチ３ａにより二経路に分岐し、各々の経路にＤＤＳ４ａ,４ｂを接続する。また、各々のＤＤＳ（４ａ,４ｂ）の後段に、分周系を構成するＭ分周器５と、逓倍系を構成するＮ逓倍器８とを接続する。Ｍ分周器５は分周数Ｍ（Ｍは２以上の整数）の分周器によりスプリアスを低減させる
。Ｎ逓倍器８は逓倍数Ｎ（Ｎは２以上の整数）の逓倍器によりチャープ帯域を広げる。

図の例では、上側のＤＤＳ４ａ（第１のＤＤＳ）の経路にＭ分周器５を接続し、下側のＤＤＳ４ｂ（第２のＤＤＳ）の経路にＮ逓倍器８を接続している。Ｍ分周器５の後段に、第二局部発振信号発生器６からの発振信号（第２の局部発振信号）が入力されるミクサ７ａの入力端を接続する。ミクサ７ａの出力段はスイッチ３ｂの一方の入力端子に接続される。ミクサ７ａは、ＤＤＳ４ａの出力と第二局部発振信号発生器６からの第２の局部発振信号を周波数合成する。分周系は、Ｍ分周器５とミクサ７ａと第二局部発振信号発生器６とから構成される。

また、Ｎ逓倍器８の出力段はスイッチ３ｂの他方の入力端子に接続される。スイッチ３ｂは一方の入力端子と他方の入力端子を切換えて出力端子に接続する。スイッチ３ｂの出力端子は第一局部発振信号発生器９からの発振信号（第１の局部発振信号）が入力されるミクサ７ｂの入力端に接続される。チャープデータ関数発生部２はチャープ設定データおよび経路切換え信号を出力する。スイッチ３ａ,３ｂは、チャープデータ関数発生部２からの経路切換え信号を受け、上側と下側のいずれかの経路を選択することにより、上側経路の分周系と下側経路の逓倍系を、所定のデューティ比で時系列に順次切換える。ミクサ７ｂは、スイッチ３ｂの出力信号と第一局部発振信号発生器９からの第１の局部発振信号を周波数合成する。

次に、動作について説明する。
まず、低雑音なチャープ信号を生成するチャープ信号発生装置の動作を説明する。ＤＤＳ４ａ,４ｂの内部動作は従来例に示したＤＤＳ４と同様である。

チャープデータ関数発生部２は、基準信号発振器１からの基準クロックが入力される経路として、上側のＤＤＳ４ａを選択するための経路切換え信号を、スイッチ３ａ、３ｂに出力し、経路が下側に切換えられる。また、チャープデータ関数発生部２は、チャープ開始周波数、ステップ周波数、周波数更新時間等から成るチャープ設定データをＤＤＳ４ａに出力する。ＤＤＳ４ａはチャープ設定データおよび基準信号発振器１からの基準クロックに基づいてチャープ信号ｆＤＤＳｎを出力する。ここで、チャープ信号ｆＤＤＳｎは、中心周波数をｆｃｎ、チャープ帯域をｂｎとすると、式（３）にて表される。

ＤＤＳ４ａから出力されるチャープ信号はＭ分周器５に出力され、Ｍ分周器５はＤＤＳ４ａの出力信号をＭ分周して、ＤＤＳ４ａの量子化雑音に起因するスプリアスを式（２）のように低減する。

ここで、ディジタルＩＣであるＤＤＳ４ａの出力周波数には制限があり、比較的低周波数であるが、Ｍ分周器５で分周することにより更に低周波数となるので、Ｍ分周器５の出力信号は第二局部発振信号発生器６と周波数合成することで高周波化される。更に、ミクサ７ａで周波数合成された出力信号は、スイッチ３ｂを介してミクサ７ｂに入力され、ミクサ７ｂにより第一局部発振信号発生器９と周波数合成して高周波化する。

次に、広帯域なチャープ信号を生成するチャープ信号発生装置の動作を説明する。ＤＤＳ４ｂの内部動作は従来例に示した通りである。

チャープデータ関数発生部２は、基準信号発振器１からの基準クロックが入力される経路として、下側のＤＤＳ４ｂを通過する経路を選択するための経路切換え信号を、スイッチ３ａ、３ｂに出力し、経路が下側に切換えられる。また、チャープデータ関数発生部２は、チャープ開始周波数、ステップ周波数、周波数更新時間等から成るチャープ設定データをＤＤＳ４ｂに出力することで、ＤＤＳ４ｂは基準信号発振器１からの基準クロックに基づいてチャープ信号ｆＤＤＳｗを出力する。チャープ信号ｆＤＤＳｗは、中心周波数をｆｃｗ、チャープ帯域をｂｗとすると、式（４）にて表される。

ＤＤＳ４ｂから出力されるチャープ信号はＮ逓倍器８に出力され、Ｎ逓倍器８は式（４）で表されるＤＤＳ４ｂの出力をＮ逓倍する。ここで、Ｎ逓倍器８出力のチャープ信号ｆｍｌｔｗは、式（５）にて表される。

Ｎ逓倍器８の出力は、スイッチ３ｂを介してミクサ７ｂに入力され、ミクサ７ｂにより第一局部発振信号発生器９と周波数合成して高周波化する。

このような構成をとることによって、実施の形態１によるチャープ信号発生装置は、チャープデータ関数発生部２で生成するチャープ設定データを受けて、ＤＤＳ４ａを通過する経路とＤＤＳ４ｂを通過する経路を時系列に順次切換え、ＤＤＳ４ａを通過する経路では式（３）で表されるＤＤＳ４ａの出力をＭ分周し、ＤＤＳ４ｂを通過する経路では式（４）で表されるＤＤＳ４ｂの出力をＮ逓倍する。このようにすることで、ＤＤＳ４ａの量子化雑音に起因するスプリアスを低減したチャープ信号と、ディジタルＩＣで出力周波数とチャープ帯域幅に制限のあるＤＤＳ４ｂ出力のチャープ帯域幅を広げたチャープ信号とを時系列に順次出力する。

かくして、分周系からの低雑音なチャープ信号と逓倍系からの広帯域なチャープ信号を、スイッチ３ｂにより時系列に順次切換えてミクサ７ｂに出力することで、ミクサ７ｂの出力信号として低雑音でかつ広帯域なチャープ信号を得ることができる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２を示すチャープ信号発生装置の構成図である。この実施の形態１によるチャープ信号発生装置は、基準信号発振器１と、チャープデータ関数発生部２と、ＤＤＳ４と、Ｍ分周器５と、第二局部発振信号発生器６と、ミクサ７と、Ｎ逓倍器８と、第一局部発振信号発生器９とを備えて構成される。この実施の形態では１つの共通のＤＤＳ４を、スイッチ３ａ,３ｂにより上側の分周系と下側に逓倍系に切換えて接続することを特徴とする。なお、実施の形態１と同一部には同一の符号を付している。

このチャープ信号発生装置は、基準信号発振器１の出力をＤＤＳ４する。ＤＤＳ４の出力信号は後段のスイッチ３ａにより上側端子と下側端子の二経路に分岐する。また、各々のスイッチ３ａ,３ｂの後段に、分周数Ｍの分周器によりスプリアスを低減させる分周系を構成するＭ分周器５と、逓倍数Ｎの逓倍器によりチャープ帯域を広げる逓倍系を構成するＮ逓倍器８とを接続する。

図の例では、スイッチ３ａの上側端子の経路にＭ分周器５を接続し、スイッチ３ａの下側端子の経路にＮ逓倍器８を接続している。Ｍ分周器５の後段に、第二局部発振信号発生器６からの発振信号（第２の局部発振信号）が入力されるミクサ７ａの入力端を接続する。ミクサ７ａの出力段はスイッチ３ｂの上側の入力端子に接続される。

分周系は、スイッチ３ａの上側端子を介した上側経路を成し、Ｍ分周器５と、第二局部発振信号発生器６とから構成される。ＤＤＳ４の出力信号はスイッチ３ａを介してＭ分周器５でＭ分周される。ミクサ７ａは第二局部発振信号発生器６からの第２の局部発振信号とＭ分周器５によりＭ分周された出力信号を周波数合成する。ミクサ７ａの出力はスイッチ３ｂを介してミクサ７ｂに入力される。

また、逓倍系は、スイッチ３ａの下側端子を介した下側経路を成す。Ｎ逓倍器８の出力段はスイッチ３ｂの下側の入力端子に接続される。ＤＤＳ４の出力信号はスイッチ３ａを介してＮ逓倍器８でＮ逓倍される。Ｎ逓倍器８の出力はスイッチ３ｂを介してミクサ７ｂに入力される。

スイッチ３ｂは上側の入力端子と下側の入力端子を切換えて出力端子に接続する。スイッチ３ｂの出力端子は第一局部発振信号発生器９からの発振信号（第１の局部発振信号）が入力されるミクサ７ｂの入力端に接続される。チャープデータ関数発生部２はチャープ設定データおよび経路切換え信号を出力する。スイッチ３ａ,３ｂは、チャープデータ関数発生部２からの経路切換え信号を受け、上側と下側のいずれかの経路を選択することにより、上側経路の分周系と下側経路の逓倍系を、所定のデューティ比で時系列に順次切換える。
すなわち、スイッチ３ｂは、チャープデータ関数発生部２からの経路切換え信号に基づいて、分周系の出力信号と逓倍系の出力信号を時系列に順次切換えてミクサ７ｂに出力することとなる。

ミクサ７ｂは第一局部発振信号発生器９からの第１の局部発振信号とスイッチ３ｂの出力信号を周波数合成する。

この実施の形態２によるチャープ信号発生装置は、実施の形態１と同様に基準信号発振器１と、チャープデータ関数発生部２と、Ｍ分周器５と、第二局部発振信号発生器６と、ミクサ７と、Ｎ逓倍器８と、第一局部発振信号発生器９とを備えて、実施の形態１と同様に上側経路の分周系と下側経路の逓倍系を時系列に順次切換えるように動作することで、低雑音化と広帯域化の両立を図ることができる。更に、この実施の形態では、実施の形態１のＤＤＳ４ａとＤＤＳ４ｂを共通化してＤＤＳ４とし、ＤＤＳ４出力をスイッチ３ａで切換えることで、チャープ信号発生装置の小型化が実現できる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態２を示すチャープ信号発生装置の構成図である。図において、この実施の形態３では、実施の形態２のチャープ信号発生装置の構成に加えて、Ｌ２逓倍器１０と、Ｌ１逓倍器１１を備えている。Ｌ２逓倍器１０は基準信号発振器１の出力端とミクサ７ａの間に接続される。Ｌ１逓倍器１１は基準信号発振器１の出力端とミクサ７ｂの間に接続される。なお、実施の形態２と同一部には同一の符号を付している。

次に動作について説明する。基準信号発振器１と、チャープデータ関数発生部２と、スイッチ３と、ＤＤＳ４と、Ｍ分周器５と、ミクサ７と、Ｎ逓倍器８は実施の形態２と同一であり、実施の形態２と同様に動作することで、同様の低雑音化と広帯域化と小型化を図ることができる。

一方、この実施の形態のＬ２逓倍器１０とＬ１逓倍器１１は、基準信号発振器１の出力を基準信号として、それぞれＬ１逓倍（Ｌ１は２以上の整数）とＬ２逓倍（Ｌ２はＬ１と異なる２以上の整数）してミクサ７ａと７ｂの局部発振信号とすることで、チャープ信号発生装置のコヒーレント化を実現する。

この発明の実施の形態１に係るチャープ信号発生装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態２に係るチャープ信号発生装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態３に係るチャープ信号発生装置を示すブロック構成図である。 従来のチャープ信号発生装置を示すブロック構成図である。 ＤＤＳの各部の信号波形を説明する図である。 ＤＤＳの位相データと振幅データの関係の一例を示す図である。

符号の説明

１ 基準信号発振器、２ チャープデータ関数発生部、３ スイッチ、４ ＤＤＳ、４ａ （第１の）ＤＤＳ、４ｂ （第２の）ＤＤＳ、５ Ｍ分周器、６ 第二局部発振信号発生器、７ ミクサ、８ Ｎ逓倍器、９ 第一局部発振信号発生器、１０ Ｌ２逓倍器（第２の逓倍器）、１１ Ｌ１逓倍器（第１の逓倍器）、１２ 位相アキュムレータ、１３ メモリ、１４ Ｄ−Ａ変換器、１５ フィルタ。

Claims (3)

1. 入力される基準信号およびチャープ設定データに基づいて、所望のチャープ信号を出力するダイレクトディジタルシンセサイザと、
   上記ダイレクトディジタルシンセサイザから出力されるチャープ信号を分周する分周器と、上記分周器により分周されたチャープ信号と入力される第２の局部発振信号を周波数合成するミクサと、を有した分周系と、
   上記ダイレクトディジタルシンセサイザから出力されるチャープ信号を逓倍する逓倍器を有した逓倍系と、
   上記チャープデータ関数発生部からの経路切換え信号に基づいて、分周系の出力信号と逓倍系の出力信号を時系列に順次切換えて出力するスイッチと、
   入力される第１の局部発振信号と上記スイッチの出力信号を周波数合成するミクサと、
   を備えたチャープ信号発生装置。
2. 基準信号発生器と、
   チャープ設定データおよび経路切換え信号を発生するチャープデータ関数発生部と、
   上記基準信号発生器の出力信号および上記チャープデータ関数発生部から受けるチャープ設定データに基づいて、所望のチャープ信号を出力する第１のダイレクトディジタルシンセサイザと、上記第１のダイレクトディジタルシンセサイザから出力されるチャープ信号を分周する分周器と、上記分周器により分周されたチャープ信号と入力される第２の局部発振信号を周波数合成するミクサと、を有した分周系と、
   上記基準信号発生器の出力信号および上記チャープデータ関数発生部から受けるチャープ設定データに基づいて、所望のチャープ信号を出力する第２のダイレクトディジタルシンセサイザと、上記第２のダイレクトディジタルシンセサイザから出力されるチャープ信号を逓倍する逓倍器と、を有した逓倍系と、
   上記チャープデータ関数発生部からの経路切換え信号に基づいて、分周系の出力信号と逓倍系の出力信号を時系列に順次切換えて出力するスイッチと、
   入力される第１の局部発振信号と上記スイッチの出力信号を周波数合成するミクサと、
   を備えたチャープ信号発生装置。
3. 基準信号発生器と、上記基準信号発生器の出力信号を逓倍して上記第１の局部発振信号を生成する第１の逓倍器と、上記基準信号発生器の出力信号を逓倍して上記第２の局部発振信号を生成する第２の逓倍器とを備えたことを特徴とする請求項１記載のチャープ信号発生装置。

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