JP2011082667A - 自動周波数制御回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】自動周波数制御回路の動作時の低電力化を実現する。
【解決手段】本発明の自動周波数制御回路1は、ローカル信号の周波数に基づいて、受信信号から変調信号を生成するミキシング部10と、ミキシング部10から入力される変調信号を復調する復調部20と、復調部20から入力される復調信号のDutyに基づいて、周波数誤差信号を生成する誤差判定部30と、前記ローカル信号の周波数設定を保持し、誤差判定部30から入力される周波数誤差信号に基づいて、周波数設定を更新する保持部40と、保持部40から入力される周波数設定に基づいてローカル信号の周波数を制御する発振部50と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、AFC(Auto Frequency Control:自動周波数制御)回路に関し、特に送受信のデータのやり取りの時にのみ電源を立ち上げる間欠動作する周波数同期が必要なFSK(Frequency Shift Keying)変調の送受信機に用いるAFC回路に関する。
間欠動作(送受信のデータのやり取りの時のみ動作)する無線通信の分野において、送受信機の低消費電力化が進んでいる。低消費電力化を実現するために送受信機の動作時の低消費電力化が必要とされる。一般的にAFC回路は、無線通信のデータに付加するパイロット信号を用いて周波数誤差の調整を行っているが、パイロット信号をデータに付加するため送受信機におけるデータ送受信及び処理時間が長くなってしまう。AFC回路は、無線通信の信頼性を高めるために必要であり、AFC回路には動作時の低消費電力化、かつ短いパイロット信号でも周波数誤差の調整が可能であることが望まれている。
そこで、短いパイロット信号でも周波数誤差の調整を行うことが可能な技術が、特許文献1に開示されている。
図4は、特許文献1のAFC回路の構成図である。
AFC回路300は、直交受信器310と、復調器320と、デジタル周波数測定システム330と、ループ340と、を備える。直交受信器310は、乗算器311、312を用いて、FSK変調された入力信号Vin201の周波数とPLL(Phase Locked Loop)343の発振周波数との差となるIF(Intermediate Frequency)周波数に周波数変換し、FSK変調されたアナログ直交入力信号I202とFSK変調されたアナログ直交入力信号Q203を生成する。
デジタル周波数測定システム330は、当該アナログ直交入力信号I202と当該アナログ直交入力信号Q203の中心周波数となるデジタル出力信号204を生成する。
ループ340は、結合回路341と調整回路342を用いて、上述のように周波数変換されたIF周波数と目標とするIF周波数205の周波数誤差となる周波数誤差信号Ferr206を計算する。ループ340は、PLL343に周波数誤差信号Ferr206をフィードバックし、PLL343の発振周波数を調整する。さらにループ340は、入力信号Vin201の周波数とPLL343の発振周波数の差が、目標とするIF周波数205になるようにして、復調器320に出力し、周波数誤差がない出力信号207を出力する。
ここで、デジタル周波数測定システム330を、図5及び6を用いて説明する。
アナログ直交入力信号I202とアナログ直交入力信号Q203の中心周波数は通常、IF周波数となる。IF周波数は0Hz又は0Hz以上の周波数となる。アナログ直交入力信号I202とアナログ直交入力信号Q203の周波数は、IF周波数と周波数偏移Fdevを足した周波数がバイナリデータ208のデータ値"1"(符号209の部分)を示し、IF周波数から周波数偏移Fdevを引いた周波数がバイナリデータ208のデータ値"0"(符号210の部分)を示す。
デジタル周波数測定システム330は、バイナリデータ208を表すアナログ直交入力信号I202とアナログ直交入力信号Q203の中心周波数(IF周波数)を抽出するシステムである。
微分器331の入力信号は、±1の値をもつデジタル信号I211である。微分器331の出力信号は、±2の値をもつ微分信号212である。微分器332の入力信号は、±1の値をもつデジタル信号Q213である。微分器332の出力信号は、±2の値をもつ微分信号214である。
信号処理回路(乗算器)333は、デジタル信号I211と微分信号214を掛け合わせた乗算信号215を出力する。信号処理回路(乗算器)334は、デジタル信号Q213と微分信号212を掛け合わせた乗算信号216を出力する。
減算器335は、乗算信号215から乗算信号216を引き、密度信号217を出力する。密度信号217は、アナログ直交入力信号I202とアナログ直交入力信号Q203の周波数で比例するパルス密度である。例えば、括弧Aと括弧Bで示す期間のパルス密度は、括弧Bの期間のパルス密度が括弧Aの期間のパルス密度より高い。なぜなら、括弧Bの期間はバイナリデータ208のデータ値が"1"であるからである。図5のデジタルフィルタ336は、出力信号Volpf218を出力する。出力信号Volpf218は、密度信号217のパルス密度の値の平均を表す。バイナリデータ208のデータ値が"0"から"1"になると、周波数が増加し、出力信号Volpf218のパルス密度の値の平均が増加する。
包絡線検波器337は、出力信号Volpf218の最大値Vohと出力信号Volpf218の最小値Volの中点を計算し、デジタル信号Voed(デジタル出力信号)204を出力する。デジタル出力信号204は、バイナリデータ208に相当するアナログ直交入力信号I202とアナログ直交入力信号Q203の中心周波数を表し、バイナリデータ208のデータ値の"0"と"1"の2シンボルあれば計算可能である。
次に、ループ340を、図4を用いて説明する。
結合回路341は、アナログ直交入力信号I202とアナログ直交入力信号Q203の中心周波数である、デジタル出力信号204と目標とするIF周波数205の差を計算し、乗算誤差信号220を出力する。
調整回路342は、乗算誤差信号220と基準係数221を乗算し、周波数誤差信号Ferr206を出力する。
AFC制御システム344は、ループ340が安定するように周波数誤差信号Ferr206にフィルタを介して誤差信号222を出力する。
加算器345は、誤差信号222と周波数微調整信号223を加算し、合成入力信号224を出力する。
PLL343は、水晶発振器346から生成されるリファレンス入力信号225と入力N226で決定される周波数から周波数誤差を含んだ合成入力信号224だけずれた周波数で発振し、調整されたローカル発振信号227を出力する。
直交発生器347は、調整されたローカル発振信号227から、コサイン直交信号228とサイン直交信号229を生成し、直交受信器310に出力する。
ちなみに、特許文献2には、復調器で復調された出力信号を用いて、利得可変増幅器への利得を上げるFSK受信機が開示されている。また、特許文献3には、受信フィルタから出力されるオーバーサンプリング周期の検波信号を用いて周波数偏差Δωを求めることで、BTR(Bit Timing Recovery)と独立に動作することができるAFC回路が開示されている。しかし、特許文献2、3の技術は、AFC回路の動作時の低電力化を目的としたものではない。
米国特許公報第7352831号 特開平8−139771号公報 特開平9−83594号公報
特許文献1のAFC回路は、周波数誤差を計算するデジタル周波数測定システム330の回路の動作速度を高くしなければならず、消費電力が高くなるという問題がある。
その理由としては、図4のデジタル周波数測定システム330と復調器320の入力信号となる、アナログ入力信号I202とアナログ入力信号Q203に対してオーバーサンプリングを行っているため、デジタル周波数測定システム330の消費電力が増えてしまうためである。
特に、デジタル周波数測定システム330の消費電力の増加は、アナログ入力信号I202とアナログ入力信号Q203のIF周波数が0HzのゼロIF以外の場合に顕著となる。
ここで、クロックFclkは式1で表される。変調指数m、データレートの周波数Drate、周波数偏移Fdevの関係は式2で表される。但し、目標とするIF周波数をIF、周波数偏移をFdev、周波数誤差信号をFerrで示す。
<式1> Fclk=8(IF±Fdev+Ferr)
<式2> m=2×Fdev/Drate
一般的にIFは、0Hz又はそれ以上(システムにより数100MHzや200MHzの値をとる)の値である。Fdevは、100Hz〜5MHzの値をとる。例えば、m=1、Drate=20kHzの場合、Fdevは10kHzとなり、IF=200kHz、Ferr=5kHzとすると、式1、式2よりFclkは1720kHzとなる。デジタル周波数測定システム330は、復調器320の入力信号を用いて周波数誤差を計算しているため、目標とするIF周波数の200kHzに比べて動作速度が高くなり、消費電力が高くなる。
本発明に係る自動周波数制御回路は、ローカル信号の周波数に基づいて、受信信号から変調信号を生成するミキシング部と、前記ミキシング部から入力される変調信号を復調する復調部と、前記復調部から入力される復調信号のDutyに基づいて、周波数誤差信号を生成する誤差判定部と、前記ローカル信号の周波数設定を保持し、前記誤差判定部から入力される前記周波数誤差信号に基づいて、前記周波数設定を更新する保持部と、前記保持部から入力される前記周波数設定に基づいて前記ローカル信号の周波数を制御する発振部と、を備える。このように、当該自動周波数制御回路は、比較的周波数が低い復調部の復調信号を用いて周波数誤差を計算している。そのため、周波数誤差を計算する誤差判定部の動作速度を低くすることができ、消費電力を低くすることが可能である。よって、自動周波数制御回路の動作時の低電力化を実現できる。
本発明によれば、AFC回路の動作時の低電力化を実現できる。
本発明に係る実施の形態のAFC回路を示したブロック図である。 本発明に係る実施の形態のAFC回路における、IF周波数がずれていない場合の波形を示した図である。 本発明に係る実施の形態のAFC回路における、IF周波数がずれている場合の波形を示した図である。 従来のAFC回路を示したブロック図である。 従来のAFC回路における、デジタル周波数測定システムを示したブロック図である。 従来のAFC回路における、デジタル周波数測定システムの波形を示した図である。
本発明に係る自動周波数制御回路の実施の形態について説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
AFC回路1は、ミキシング部10と、復調部20と、誤差判定部30と、保持部40と、発振部50と、を備える。
ミキシング部10は、発振部50の出力信号(ローカル信号)の周波数に基づいて、受信信号から変調信号を生成する。すなわち、ミキシング部10は、アナログ・デジタル変換器(ADC)11と、乗算器12と、バンドパスフィルタ(BPF)13と、を備える。ADC11は、FSK変調されたアナログ入力信号101が入力され、当該アナログ入力信号101をデジタル変換した後に、乗算器12に出力する。
乗算器12には、ADC11の出力信号と、発振部50の出力信号とが入力される。乗算器12は、乗算信号をバンドパスフィルタ13に出力する。バンドパスフィルタ13は、目標とするIF周波数近傍のみを通す特性のフィルタである。すなわち、バンドパスフィルタ13は、目標とするIF周波数近傍以外の不要な信号を取り除き、復調部20に出力する。
復調部20は、変調方式がCPFSK(Continuous Phase Frequency Shift Keying)、GFSK(Gaussian Frequency-Shift Keying)、GMSK(Gaussian filtered Minimum Shift Keying)等の位相が連続的に変化するFSK変調方式の信号を復調する。復調部20には、ミキシング部10から直交入力信号I102と直交入力信号Q103が入力される。復調部20は、直交入力信号I102と直交入力信号Q103を復調し、復調信号104を生成する。そして、復調部20は、復調信号104を誤差判定部30に出力する。
誤差判定部30は、復調部20から入力される復調信号104のDutyに基づいて、周波数誤差信号を生成する。誤差判定部30は、判定回路31と、調整回路32と、を備える。判定回路31は、遅延回路33、34、35、36と、加算器37と、を備える。遅延回路33、34、35、36は、例えばフリップフロップで構成される。遅延回路33、34、35、36は、入力されるクロック105に基づいて復調信号104をそれぞれ遅延させた信号106、107、108、109を加算器37に出力する。加算器37は、遅延回路33、34、35、36からの出力信号106、107、108、109を加算して周波数誤差信号110を生成して調整回路32に出力する。
調整回路32は、例えば乗算器で構成される。調整回路32には、加算器37から周波数誤差信号110が入力されると共に、基準係数111が入力される。調整回路32は、基準係数111に基づいて、周波数誤差信号110を正規化した周波数誤差信号112を生成して保持部40に出力する。
保持部40は、発振部50におけるローカル信号116、117の周波数設定を保持し、誤差判定部30から入力される、正規化された周波数誤差信号112に基づいて、当該周波数設定を更新する。すなわち、保持部40は、減算器41と、レジスタ42と、を備える。減算器41には、正規化された周波数誤差信号112と、目標とするIF周波数113が入力される。減算器41は、目標とするIF周波数113と正規化した周波数誤差信号112の差を算出して補正値114を生成し、当該補正値114をレジスタ42に出力する。レジスタ42は、減算器41から入力された、当該補正値114に基づいて、発振部50におけるローカル信号116、117の周波数設定を更新し、更新した周波数設定を保持する。そして、レジスタ42は、当該周波数設定を示す信号115を発振部50に出力する。
発振部50は、例えば複素Lo OSC(NCO:数値制御発振器)である。発振部50は、レジスタ42から入力される当該周波数設定を示す信号115に基づいて制御される。つまり、発振部50は、周波数設定を示す信号115に比例した周波数で発振し、乗算器12にローカル信号116、117を出力する。
このようにAFC回路1は、復調部20と誤差判定部30と保持部40を用いて周波数誤差を算出し、当該周波数誤差を発振部50にフィードバックし、直交入力信号I102と直交入力信号Q103のIF周波数が目標とするIF周波数になるように、発振部50を制御している。
ここで、復調部20と誤差判定部30と保持部40の動作を、図2、3を用いて説明する。図2、3の変調信号Iと変調信号Qは、図1の直交入力信号I102と直交入力信号Q103が、線形な周波数の偏移で変調されている場合を周波数で表したものである。
先ず、目標とするIF周波数113と、直交入力信号I102と直交入力信号Q103のIF周波数がずれていない、図2に示す場合について説明する。
復調信号104は、復調部20の出力信号を±1で表したものである。復調部20は、復調信号104として、直交入力信号I102と直交入力信号Q103のIF周波数が、目標とするIF周波数113より高い場合は+1、目標とするIF周波数113より低い場合は−1を出力する。このとき、復調部20は、直交入力信号I102と直交入力信号Q103のIF周波数が、目標とするIF周波数113と等しいため、復調信号104として50%のDutyの信号を出力する。
遅延回路33は、復調信号104をクロック105で同期した出力信号106を加算器37に出力する。遅延回路34は、遅延回路33の出力信号106に対してクロック105の1周期の時間Tclkだけ、遅延した出力信号107を加算器37に出力する。遅延回路35は、遅延回路34の出力信号107に対してクロック105の1周期の時間Tclkだけ、遅延した出力信号108を加算器37に出力する。遅延回路36は、遅延回路35の出力信号108に対してクロック105の1周期の時間Tclkだけ、遅延した出力信号109を加算器37に出力する。
加算器37は、出力信号106、107、108、109を加算した周波数誤差信号110を調整回路32に出力する。周波数誤差信号110は周波数誤差を表している。このとき、遅延回路33、34、35、36には、上述のように周波数誤差が無い場合、50%のDutyの復調信号104が入力されるため、加算器37は、周波数誤差信号110として、"0"を出力する。
次に、目標とするIF周波数113に対して、直交入力信号I102と直交入力信号Q103のIF周波数がずれている、図3の場合を説明する。
復調信号104は、上述の周波数誤差がない場合と同様に、復調部20の出力信号を±1で表したものである。復調部20は、直交入力信号I102と直交入力信号Q103のIF周波数が、目標とするIF周波数113に対してずれているため、Dutyが50%ではない信号を出力する。
遅延回路33、34、35、36及び加算器37は、図2と同様の動作を行う。このとき、遅延回路33、34、35、36には、周波数誤差がある場合、Dutyが50%ではない復調信号104が入力されるため、加算器37は、周波数誤差信号110として、周波数誤差を表す値"2"を出力する。このように、周波数誤差信号110は、図3の期待値が"0"と"1"の2シンボルあれば計算可能であるため、短いパイロット信号でも周波数誤差の調整が可能である。
調整回路32は、周波数誤差信号110を基準係数111で乗算し、正規化した周波数誤差信号112を出力する。
その後、上述したように保持部40は、正規化した周波数誤差信号112と目標とするIF周波数113の差を算出し、発振部50にフィードバックする。発振部50は、当該正規化した周波数誤差信号112と目標とするIF周波数113の差だけずれた周波数で発振し、直交入力信号I102と直交入力信号Q103のIF周波数は、目標とするIF周波数113と略等しくなる。
このように、本実施の形態のAFC回路1は、比較的周波数が低い復調部20の復調信号104を用いて周波数誤差を計算している。そのため、周波数誤差を計算する誤差判定部30の動作速度を低くすることができ、消費電力を低くすることが可能である。
例えば、図2、図3の変調信号のように、線形な周波数の偏移で変調されており、周波数誤差信号110が周波数偏移Fdev以内の場合、図1のクロック105の周波数Fclkは、式3で表される。
<式3> Fclk=Drate/Ferr
このとき、Drate=10kHz、Ferrを5kHzとした場合、Fclkは20kHzとなる。このように、IF周波数に関係のない復調信号104をオーバーサンプリングして周波数誤差を計算している。そのため、消費電力を低く抑えることが可能である。
しかも、周波数誤差がある場合に復調部20の出力のDutyが50%でなくなる現象を利用し、IF周波数112に関係のない復調部20の復調信号104を使い誤差判定部30で周波数誤差を算出する。そのため、誤差判定部30の動作速度が低くても当該周波数誤差を算出可能である。
また、誤差判定部30は、フリップフロップで構成可能な遅延回路33、34、35、36と、遅延回路の数に合わせたビット幅の回路で構成可能な加算器37で構成している。つまり、誤差判定部30は、回路規模が大きくなるデジタルフィルタと包絡線検波器で構成していないので、回路面積を削減できる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
1 自動周波数制御回路(AFC回路)
10 ミキシング部
12 乗算器
13 バンドパスフィルタ
20 復調部
30 誤差判定部、31 判定回路、32 調整回路、33〜36 遅延回路、37 加算器
40 保持部、41 減算器、42 レジスタ
50 発振部
101 アナログ入力信号
104 復調信号
105 クロック
106〜109 遅延回路の出力信号
110 周波数誤差信号
111 基準係数
112 正規化された周波数誤差信号
113 目標とするIF周波数
114 補正値
115 周波数設定を示す信号
116、117 ローカル信号
204 デジタル出力信号
205 目標とするIF周波数
206 周波数誤差信号Ferr
207 出力信号
208 バイナリデータ
211 デジタル信号I
213 デジタル信号Q
212、214 微分信号
215、216 乗算信号
217 密度信号
218 出力信号Volpf
220 乗算誤差信号
221 基準係数
222 誤差信号
223 周波数微調整信号
224 合成入力信号
225 リファレンス入力信号
226 入力信号N
227 ローカル発振信号
228 コサイン直交信号
229 サイン直交信号
300 AFC回路
310 直交受信器
311 乗算器
320 復調器
330 デジタル周波数測定システム、331、332 微分器、333、334 乗算器、335 減算器、336 デジタルフィルタ、337 包絡線検波器
340 ループ、341 結合回路、342 調整回路、344 AFC制御システム、345 加算器、346 水晶発振器、347 直交発生器
102 直交入力信号I、103 直交入力信号Q
202 アナログ直交入力信号I、203 アナログ直交入力信号Q

Claims (3)

  1. ローカル信号の周波数に基づいて、受信信号から変調信号を生成するミキシング部と、
    前記ミキシング部から入力される変調信号を復調する復調部と、
    前記復調部から入力される復調信号のDutyに基づいて、周波数誤差信号を生成する誤差判定部と、
    前記ローカル信号の周波数設定を保持し、前記誤差判定部から入力される前記周波数誤差信号に基づいて、前記周波数設定を更新する保持部と、
    前記保持部から入力される前記周波数設定に基づいて前記ローカル信号の周波数を制御する発振部と、
    を備える自動周波数制御回路。
  2. 前記誤差判定部は、判定回路と、調整回路と、を備え、
    前記判定回路は、入力されるクロックに基づいて前記復調信号を遅延させる、複数個の遅延回路と、前記複数の遅延回路から入力される、遅延した信号を加算して前記周波数誤差信号を生成する加算器と、を有し、
    前記調整回路は、基準係数に基づいて、正規化した周波数誤差信号を生成することを特徴とする請求項1に記載の自動周波数制御回路。
  3. 前記保持部は、減算器と、レジスタと、を備え、
    前記減算器は、目標とするIF周波数と前記正規化した周波数誤差信号との差を算出して補正値を生成し、
    前記レジスタは、前記補正値に基づいて、前記発振器の周波数設定を更新することを特徴とする請求項1又は2に記載の自動周波数制御回路。
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