JP2010288136A

JP2010288136A - 受信装置

Info

Publication number: JP2010288136A
Application number: JP2009141211A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Ogushi; 憲明小串; Toshiharu Hayashi; 俊春林; Yutaka Saito; 豊斉藤; Kazuhisa Itoi; 和久糸井; Kazushi Ishiyama; 和志石山
Original assignee: Takion Co Ltd
Current assignee: Takion Co Ltd
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2010-12-24

Abstract

【課題】ＭＩ素子を受信アンテナとして用いると共に簡易な構成で高感度出力を得ることができる受信装置を提供する。
【解決手段】本発明の受信装置１は、磁気インピーダンス素子３に所定周波数のパルス信号を印加する第１タイミング発生器１３ａと、磁気インピーダンス素子３に磁気結合したピックアップコイル５と、ピックアップコイル５から電気出力信号を受ける周波数混合器６とを備えており、第２タイミング発生器１３ｂは周波数混合器６に第１タイミング発生器１３ａの周波数と同じ周波数で位相がπ／２ずれたパルス信号を印加しており、アナログ／デジタル変換部９で周波数混合器６のアナログ出力信号の振幅を数値化したデジタル信号変換を行い、数値化したものをデジタル信号処理部１１で検波・成形して出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、受信アンテナとして磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）を用いた受信装置に関する。

受信アンテナの小型化を図るため、アンテナ部に磁気インピーダンス素子（以下「ＭＩ素子」という）を用いることが知られている。

この種の技術として特許文献１には、ＭＩ素子を用いた受信装置が開示されている。この特許文献１の技術では、ＭＩ素子が受けた交流信号を整流回路や周波数弁別器等によりアナログ処理している。

特開２０００−１８８５５８号公報

しかし、特許文献１の技術では、ＭＩ素子が受けた交流信号を整流回路や周波数弁別器等によりアナログ処理しているが、所定の感度出力を得るためには各機器に高い精度が要求されると共に回路が複雑になるという問題がある。

本発明は、前記事情に着目してなされたものであり、ＭＩ素子を受信アンテナとして用いると共に簡易な構成で高感度出力を得ることができる受信装置を提供することにある。

請求項１に記載された発明は、ＭＩ素子と、ＭＩ素子に所定周波数のパルス信号を印加する第１タイミング発生器と、ＭＩ素子に磁気結合したピックアップコイルと、ピックアップコイルから電気出力信号を受ける周波数混合器と、周波数混合器に第１タイミング発生器の周波数と同じ周波数で位相がπ／２ずれたパルス信号を印加する第２タイミング発生器と、周波数混合器のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル信号処理部とを備え、アナログ／デジタル変換部は周波数混合器から受けた信号の振幅を数値化し、数値化したものをデジタル信号処理部で検波・成形して出力することを特徴とする。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、第２タイミング発生器の周波数と同じ周波数で第２タイミング発生器の周波数信号に対して位相がπずれた信号を周波数混合器に印加する第３タイミング発生器を備えることを特徴とする。

請求項３に記載された発明は、ＭＩ素子と、ＭＩ素子に磁気結合したピックアップコイルと、ピックアップコイルに並列に接続され各々ピックアップコイルから電気出力信号を受ける２つの周波数混合器と、ＭＩ素子及び一方の周波数混合器に所定周波数のパルス信号を印加する第１タイミング発生器と、他方の周波数混合器に第１タイミング発生器の周波数と同じ周波数で位相がπ／２ずれた周波数の信号を印加する第２タイミング発生器と、各周波数混合器のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル信号処理部とを備え、一方及び他方の周波数混合器の出力信号を各々アナログ／デジタル変換部で振幅を数値化し、数値化したものをデジタル信号処理部で合成し、検波・成形して出力することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ＭＩ素子を第１タイミング発生器のパルス信号により駆動して得られるピックアップコイル出力信号と、第２タイミング発生器により第１タイミング発生器の周波数と同じ周波数で位相がπ／２ずれたパルス信号をデジタル参照信号として周波数混合器にて乗算しているので、図６に示す比較例のような調整回路１５検波回路１７を必要とせずに低ノイズ化、高感度化を図ることができ且つ簡易な構成で小型化を図ることができる。

ＭＩ素子に印加する信号と同じ周波数で位相をπ／２シフトしたパルス信号を参照信号として周波数混合器に印加するので、これらの信号の位相調整を行わなくてもノイズを低減して高感度の受信ができる。即ち、センサとしてＭＩ素子を用いた場合でも、センサ駆動信号に由来するノイズを低減して高感度な受信装置を実現したものである。

本発明において、周波数混合器からの信号を、アンチエイリアスフィルタとしてのローパスフィルタに通してからアナログ／デジタル変換して数値処理することが望ましい。この場合、更に高感度化を図ることができ、ソフトウエア（ファームウエア）を差し替えるだけで、容易に改良や仕様変更に対応することができる。

また、センサ駆動信号と参照信号、アナログ／デジタル変換部、デジタル信号処理部は全て同一のクロック発振源により動作することが望ましい。この場合、余分なノイズ源を持たずに簡易な構成でこれらの機能を実現することができる。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１に記載の効果を奏すると共に周波数混合器は位相がπだけシフトした参照信号を持つため、ゲートスイッチングによる周波数混合器に対応し、より簡易な部品で回路を構成できると共に同様の効果を得ることができる。

請求項３に記載された発明によれば、請求項１に記載の発明と同様な効果を奏すると共に、特に地磁気等の磁界の影響により、ピックアップコイル出力信号の位相に若干のずれが生じる場合でも高感度受信性能を保つことができる。特に、位相がシフトし易いＡＭラジオ放送電波等の中波を受信する場合にノイズを低減して高感度の受信ができる。

本発明の第１実施の形態に係る受信装置の構成を示すブロック図である。第１実施の形態において、ＴＣＯ信号のデジタル処理を説明した波形図である。図２に基づいて処理した出力信号のグラフである。第１実施の形態に係る受信装置による検波出力振幅とＭＩ素子に作用する磁界強度との関係を比較例と共に示したグラフである。本発明の第２実施の形態に係る受信装置の構成を示すブロックである。比較例に係る受信装置の構成を示すブロック図である。

以下に、添付図面の図１〜図４を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。本実施の形態に係る受信装置１は、電波時計用信号ＴＣＯ（ＴｉｍｅＣｏｄｅＯｕｔｐｕｔ）信号の受信装置である。

この受信装置１は、図１に示すように、ＭＩ素子（センサ）３と、ＭＩ素子３と磁気結合したピックアップコイル５と、ピックアップコイル５に接続されたトランジスタ増幅器４と、トランジスタ増幅器４から入力アナログ信号を受ける周波数混合器６と、周波数混合器６の出力アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄブロック９と、Ａ／Ｄブロック９で得たデジタル信号をデジタル処理して出力するＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）ブロック１１とから構成されている。

ＤＳＰブロック１１には、ＭＩ素子３に所定周波数ｆ₀の駆動パルス信号を印加する第１タイミング発生器１３ａと、第１タイミング発生器１３ａの周波数信号ｆ₀と同じ周波数で位相が＋π／２ずれたパルス信号を発生する第２タイミング発生器１３ｂと、第１タイミング発生器１３ａの周波数信号ｆ₀と同じ周波数で位相が−π／２ずれたパルス信号を発生する第３タイミング発生器１３ｃとが設けてあり、第２タイミング発生器１３ｂと第３タイミング発生器１３ｃとのパルス信号は各々周波数混合器６に印加している。本実施の形態では、ＭＩ素子３は、所定周波数ｆ₀を基本周波数に持つ信号を受けるものである。

尚、第１〜第３タイミング発生器１３ａ〜１３ｃで発生する信号は基本周波数ｆ₀のパルス波に限らずサイン波であっても良い。

また、図１において、ｆmは外部ＡＣ磁界の周波数であり、ｆsはサンプリング周波数である。

Ａ／Ｄブロック９は、カットオフ周波数がｆｓ／２のローパスフィルタ１９及びＡ／Ｄ変換部２１から構成されており、ローパスフィルタ１９を通過した信号をサンプリング周波数ｆｓでデジタル変換する。

ＤＳＰブロック１１では、アナログ／デジタル変換したデジタル信号をバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２３で周波数ｆmを選択して周波数選択性を持たせ、復調器（Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｅｒ）２５でデジタル信号を復調し、及びスライサ２７により信号波の整形を行った後、ＴＣＯのデジタル信号を出力する。バンドパスフィルタ２３は、ＦＩＲ（ＦｉｎｉｔｅＩｍｐｕｌｓｅＲｅｓｐｏｎｓｅ）又はＩＩＲ（ＩｎｆｉｎｉｔｅＩｍｐｕｌｓｅＲｅｓｐｏｎｓｅ）であり、復調器２５では、例えば、サンプリング周波数毎の振幅を所定の閾値（サンプリング周波数の振幅）よりも大きい場合に「１」を付与し、閾値以下の場合には「０」を付与して数値化する。

本実施の形態では、第１〜第３タイミング発生器１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、Ａ／Ｄブロック９と、ＤＳＰブロックは全て同一のクロック発振源により動作するようになっている。

次に、本実施の形態に係る受信装置１を用いて実験を行ったのでその実験について説明する。図２及び図３にＴＣＯ信号をデジタル処理した実験例を示す。ＴＣＯで振幅変調した４０ｋＨｚ磁界を出力できるようにループアンテナから送信し、上記構成の受信装置１で受信した。尚、通過中心周波数ｆ₀は５ＭＨｚであった。

ＴＣＯ処理では、図２（ａ）に示すＴＣＯのキャリア信号を、図２（ｂ）に示すように、ＴＣＯキャリアの周波数（４０ｋＨｚ又は６０ｋＨｚ）に対してＴＣＯ信号の各デューティ比毎にデューティ２０％が「マーカ」、デューティ５０％が「１」、デューティ８０％が「０」を付与するデジタル処理したところ、図３に示すような１秒周期のデジタルＴＣＯ信号を得ることができた。図３から明らかなように、本実施の形態によれば、ノイズや遅延による影響をほとんど受けないＴＣＯ信号を得ることができた。

また、バンドパスフィルタ２３の選択度を高めたところ、復調可能な最小磁界強度は、９〜０.４ｎＴ（１ｎＴ＝０．０１ｍＧａｕｓｓ）であった。従って、本実施の形態によれば、微弱な交流磁界１０ｎＴ以下でも復調可能である。

次に、本実施の形態に係る受信装置１の検波出力を外部交流磁界ｆmの強度を変えて測定した実験を比較例と共に行ったので、その結果を図４に示す。

尚、図６を参照して比較例で用いた受信装置の構成では、ピックアップコイル５のアナログ出力信号を周波数混合器を用いて処理していないこと、及びピックアップコイル５とＡ／Ｄブロック９との間にバンドパスフィルタ１５とダイオードによる包絡線検波器１７を設けていることが第１実施の形態と異なっている。その他の構成は第１実施の形態と略同じであるが、図６に示す比較例において、第１実施の形態と同一の作用効果を奏する部分には同一の符号を付してある。尚、２５ａは検波器であり、２７ａはローパスフィルタである。

また、図４において、縦軸に示す出力強度は、検波出力をノイズフロアレベルから差し引いた値を示している。

この図４から明らかなように、本実施の形態によれば、磁界の強弱に関わらず、比較例よりも５ｄＢｍ程度高い出力強度を得ることができた。また、増幅後のトータルでは１０ｄＢ程度の感度向上となった。

以上のように、本実施の形態によれば、ＭＩ素子３の受信信号をデジタル信号に変換して処理しているので、従来技術のような調整や復調回路（機器）を必要とせず、プログラムしたソフトウエア（ファームウエア）を搭載するだけで高感度を図ることができ、簡易な構成で小型化を図ることができる。

ＭＩ素子３を第１タイミング発生器１３ａのパルス信号ｆ₀により駆動して得られるピックアップコイル出力信号ｆ₀と、第２タイミング発生器１３ｂにより第１タイミング発生器１３ａの周波数と同じ周波数ｆ₀で位相がπ／２ずれたパルス信号をデジタル参照信号として周波数混合器６にて乗算しているので、図６に示す比較例のような調整回路１５や検波回路１７を必要とせずに低ノイズ化、高感度化を図ることができ、且つ簡易な構成で小型化を図ることができる。

ＭＩ素子３に印加する信号と同じ周波数ｆ₀で位相をπ／２シフトしたパルス信号を参照信号として周波数混合器６に印加するので、これらの信号の位相調整を行わなくてもノイズを低減して高感度の受信ができる。即ちセンサとしてＭＩ素子３を用いた場合でも、センサ駆動信号に由来するノイズを低減して高感度な受信装置を実現することができる。

周波数混合器６からの信号を、アンチエイリアスフィルタとしてのローパスフィルタ１９に通してからアナログ／デジタル変換して数値処理しているので、更に高感度化を図ることができ、ソフトウエア（ファームウエア）を差し替えるだけで、容易に改良や仕様変更に対応することができる。

第１〜第３タイミング発生器１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、Ａ／Ｄブロック９と、ＤＳＰブロックは全て同一のクロック発振源により動作しているので、余分なノイズ源を持たずに簡易な構成でこれらの機能を実現することができる。

周波数混合器６は、位相がπだけシフトした参照信号を持つため、ゲートスイッチングによる周波数混合器に対応し、より簡易な部品で回路を構成できると共に同様の効果を得ることができる。

また、バンドパスフィルタ２３によりデジタル信号を処理することにより、受信周波数帯を特定できるので周波数選択性を持たせることができる。

次に、本発明の他の実施の形態を説明するが、以下に説明する実施の形態において、第１実施の形態と同一の作用効果を奏する部分には同一の符号を付してその部分の詳細な説明を省略し、以下の説明では、上述した第１実施の形態と主に異なる点を説明する。

図５に第２実施の形態に係る受信装置１の回路図を示す。この第２実施の形態は、ＡＭラジオ放送電波のような中波のＡＭ信号を受ける受信装置である。

この受信装置では、ピックアップコイル５が接続されたトランジスタ増幅器４とＡ／Ｄブロック９の間に２つの周波数混合器６ａ、６ｂを並列に設けており、一方の周波数混合器６ａ及びＭＩ素子３に第１タイミング発生器１３ａから所定周波数ｆ₀のパルス信号（Ｉ）を印加し、他方の周波数混合器６ｂには第２タイミング発生器１３ｂから周波数信号ｆ₀と同じ周波数で位相が＋π／２ずれたパルス信号（Ｑ）を印加し、Ａ／Ｄブロック９では、各々の位相の周波数信号Ｉ、Ｑをそれぞれデジタル信号に変換する。

そして、ＤＳＰブロックでは、各々の位相の周波数信号Ｉ、Ｑを合成し、バンドパスフィルタ２３で処理した後、復調器２５で復調した後、Ｄ／Ａ変換器３１でデジタル信号をアナログ信号に変換して出力する。

尚、ＤＳＰブロック１１では、オートゲインコントローラ３３でピックアップコイル５が接続されたトランジスタ増幅器４の出力が最適値になるように調整している。

この第２実施の形態によれば、中波のＡＭアナログ信号を受信した後、デジタル処理により感度を高めてアナログ信号を出力することができる。特に、地磁気等の磁界の影響により、ピックアップコイル５の出力信号の位相に若干のずれが生じる場合でも高感度受信性能を保つことができると共に、位相がシフトし易いＡＭラジオ放送電波等の中波を受信する場合にノイズを低減して高感度の受信ができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

例えば、第１実施の形態において、第２及び第３の２つのタイミング発生器１３ｂ、１３ｃから周波数混合器６に、基本周波数ｆ₀の位相が−π／２ずれた周波数信号ｆ₀と＋π／２ずれた周波数信号ｆ₀を印加したが、何れか一方のタイミング発生器１３ｂ、１３ｃのみを用いてπ／２ずれた周波数信号ｆ₀を印加するものであっても良い。

１受信装置
３ＭＩ素子
５ピックアップコイル
６周波数混合器
９Ａ／Ｄブロック（アナログ／デジタル変換部）
１１ＤＳＰブロック（デジタル信号処理部）
１３ａ第１タイミング発生器
１３ｂ第２タイミング発生器
１３ｃ第３タイミング発生器

Claims

磁気インピーダンス素子と、磁気インピーダンス素子に所定周波数のパルス信号を印加する第１タイミング発生器と、磁気インピーダンス素子に磁気結合したピックアップコイルと、ピックアップコイルから電気出力信号を受ける周波数混合器と、周波数混合器に第１タイミング発生器の周波数と同じ周波数で位相がπ／２ずれたパルス信号を印加する第２タイミング発生器と、周波数混合器のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル信号処理部とを備え、アナログ／デジタル変換部は周波数混合器から受けた信号の振幅を数値化し、数値化したものをデジタル信号処理部で検波・成形して出力することを特徴とする受信装置。
第２タイミング発生器の周波数と同じ周波数で第２タイミング発生器の周波数信号に対して位相がπずれた信号を周波数混合器に印加する第３タイミング発生器を備えることを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
磁気インピーダンス素子と、磁気インピーダンス素子に磁気結合したピックアップコイルと、ピックアップコイルに並列に接続され各々ピックアップコイルから電気出力信号を受ける２つの周波数混合器と、磁気インピーダンス素子及び一方の周波数混合器に所定周波数のパルス信号を印加する第１タイミング発生器と、他方の周波数混合器に第１タイミング発生器の周波数と同じ周波数で位相がπ／２ずれた周波数の信号を印加する第２タイミング発生器と、各周波数混合器のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル信号処理部とを備え、一方及び他方の周波数混合器の出力信号を各々アナログ／デジタル変換部で振幅を数値化し、数値化したものをデジタル信号処理部で合成し、検波・成形して出力することを特徴とする受信装置。