JP2013200135A - レーダ送受信機 - Google Patents
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Abstract
【課題】 周波数分解能を上げるようにPLLシンセサイザの分周器で発振器の信号を分周すると、分周器が出す位相雑音より下回った場合は分周器の位相雑音が支配的となり劣化する。一方、位相雑音を低く抑えると、周波数分解能が粗くなり所望の周波数差の中心周波数のオフセットした送信信号を生成できないという問題があった。
【解決手段】 PLLシンセサイザにフラクショナル−N方式の位相同期ループ形の周波数シンセサイザを用いることで、位相雑音を低く抑え、周波数分解能を上げて離隔周波数の自由度を上げることが可能となる。また、周波数合成回路にローカル信号の2倍波と合成をした周波数を出力する偶高調波周波数合成回路を用いることで、帯域通過フィルタで不要波の抑圧が容易になる。
【選択図】 図1
【解決手段】 PLLシンセサイザにフラクショナル−N方式の位相同期ループ形の周波数シンセサイザを用いることで、位相雑音を低く抑え、周波数分解能を上げて離隔周波数の自由度を上げることが可能となる。また、周波数合成回路にローカル信号の2倍波と合成をした周波数を出力する偶高調波周波数合成回路を用いることで、帯域通過フィルタで不要波の抑圧が容易になる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、ダイレクトディジタルシンセサイザを有したレーダ送受信機に関するものである。
従来、変調信号及び搬送波信号を生成するダイレクトディジタルシンセサイザ(DDS;Direct Digital Synthesizer)を備え、中心周波数を変化させるレーダ送受信機が知られている(例えば特許文献1参照)。この種のレーダ送受信機は、システムクロックの整数倍で変調信号を生成し、中心周波数を変調するが、その用途によってはシステムクロックの整数倍で構成できない離隔の周波数オフセットが必要となることがある。この場合は、複数の周波数を生成できる位相同期ループ形のPLL(Phase Locked Loop)シンセサイザを用いて、送受信の各々の信号と同じ符号で周波数合成させて周波数ホッピングすることで、変調信号特性に影響を与えずに、中心周波数を所望の離隔での周波数の切り替えを行うことができる。
DDSとPLLシンセサイザを用いたレーダ送受信機において、全ての信号の周波数を1つの発振器で生成するように構成した場合は、システムクロック周波数の整数倍で同期を取ることとなるが、離隔周波数がシステムクロックの整数倍でないときには、PLLシンセサイザの分周数の値を大きくして周波数分解能を上げることで、所望の周波数差の中心周波数をオフセットした送信信号を生成することが可能となる。
図5は、PLLシンセサイザ19の典形的な構成例を示す図である。PLLシンセサイザ19は、分周数Rの分周回路22と、位相検波器23と、ループフィルタ24と、電圧制御発振器25と、分周数Mの分周回路26と、制御回路27から構成される。PLLシンセサイザ19は、R分周した信号を基準信号源に、位相同期したM倍の周波数の信号を電圧制御発振器25から出力する。各信号の周波数の関係は、入力周波数をfr、電圧制御発振器25の出力周波数をf0とすると、次の数1式のようになり、Rを大きくすることで分解能を上げることが可能となる。
このときの各信号の位相雑音を図6に示す。図6は、PLLシンセサイザの位相雑音特性を示す図であり、縦軸はSSB位相雑音量、横軸はオフセット周波数を示している。入力信号の位相雑音をSψ,xo(f)とすると、R分周後の位相雑音Sψ,xo,r(f)は、次の数2式となる。
この雑音量が基準となり、M逓倍と等価であるPLLシンセサイザ19の出力信号の位相雑音量Sψ,xo,pll(f)は、次の数3式となる。
但し、Rを大きくしていくと、R分周後の位相雑音Sψ,xo,r(f)は分周回路の持つ位相雑音量Sψ,div(f)より小さくなり、分周回路の位相雑音量が支配的となることから、PLLシンセサイザ19の出力信号の位相雑音量Sψ,div,pll(f)は、次の数4式となり、PLLシンセサイザ出力の位相雑音が劣化する。
このようにPLLシンセサイザ出力の位相雑音が劣化することで、レーダ送受信機の出力信号の位相雑音が劣化し、結果的に、レーダ送受信機の出力信号から目標探知を行うレーダ装置に関して探知性能の劣化につながる、という課題が生じる。
一方、探知性能を維持するために位相雑音を低く抑えると、R値を小さくできないことで周波数分解能が粗くなり、所望の周波数差の中心周波数のオフセットした送信信号を生成できない、といった課題があった。
また、オフセット周波数によっては、周波数合成の際に変調信号の帯域近傍に電力の大きいPLLシンセサイザ19の周波数成分が不要波として漏れこんでくることで、変調信号の帯域を広げることが困難になるという問題があった。
本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、所望の変調信号における位相雑音の劣化を抑えるとともに、所望の変調信号帯域への不要波の漏れこみを抑えることを目的とする。
本発明によるレーダ送受信機は、発振器と、上記発振器の出力に基いて変調信号を生成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の出力を第1逓倍数で周波数逓倍する第1周波数逓倍器と、上記発振器の出力に基いてローカル変調信号を生成するフラクショナル−N方式の位相同期ループ形の周波数シンセサイザと、上記第1周波数逓倍器の出力に、上記周波数シンセサイザの出力の2倍波を合成する第1偶高調波周波数合成回路と、上記第1偶高調波周波数合成回路の出力の所定帯域を通過させる第1帯域通過フィルタと、上記発振器の出力を第2逓倍数で周波数逓倍する第2周波数逓倍回路と、上記第2周波数逓倍器の出力に、上記周波数シンセサイザの出力の2倍波を合成する第2偶高調波周波数合成回路と、上記第2偶高調波周波数合成回路の出力の所定帯域を通過させる第2帯域通過フィルタと、上記第2帯域通過フィルタの出力に基いて第1帯域通過フィルタの出力を検波する検波回路と、上記発振器の出力を所定分周数で分周する周波数分周器と、上記周波数分周器の出力に基づいて、上記ダイレクトディジタルシンセサイザ、及び周波数シンセサイザを制御する制御器と、を備えたものである。
本発明によれば、PLLシンセサイザにフラクショナル−N方式の位相同期ループ形の周波数シンセサイザを用いることで、位相雑音を低く抑え、周波数分解能を上げて離隔周波数の自由度を上げることができる。
実施の形態1.
図1は、この発明に係る実施の形態1によるレーダ送受信機の構成を示す図である。
図において、実施の形態1のレーダ送受信機は、発振器1と、ダイレクトディジタルシンセサイザ(DDS;Direct Digital Synthesizer)2と、第1周波数逓倍器である逓倍数Aの周波数逓倍器3と、逓倍数M/Rのフラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLL(Phase Locked Loop)シンセサイザ4と、第1偶高調波周波数合成回路である偶高調波周波数合成回路5と、第1帯域通過フィルタである帯域通過フィルタ6と、経路切替スイッチ7と、送受信信号端子8と、第2周波数逓倍器である逓倍数Bの周波数逓倍器9と、第2偶高調波周波数合成回路である偶高調波周波数合成回路10と、第2帯域通過フィルタである帯域通過フィルタ11と、検波回路12と、第3周波数逓倍器である逓倍数Cの周波数逓倍器13と、A/D変換回路14と、ビデオ信号出力端子15と、分周数Kの分周器16と、タイミング制御器17と、設定信号入力端子18を備えている。
図1は、この発明に係る実施の形態1によるレーダ送受信機の構成を示す図である。
図において、実施の形態1のレーダ送受信機は、発振器1と、ダイレクトディジタルシンセサイザ(DDS;Direct Digital Synthesizer)2と、第1周波数逓倍器である逓倍数Aの周波数逓倍器3と、逓倍数M/Rのフラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLL(Phase Locked Loop)シンセサイザ4と、第1偶高調波周波数合成回路である偶高調波周波数合成回路5と、第1帯域通過フィルタである帯域通過フィルタ6と、経路切替スイッチ7と、送受信信号端子8と、第2周波数逓倍器である逓倍数Bの周波数逓倍器9と、第2偶高調波周波数合成回路である偶高調波周波数合成回路10と、第2帯域通過フィルタである帯域通過フィルタ11と、検波回路12と、第3周波数逓倍器である逓倍数Cの周波数逓倍器13と、A/D変換回路14と、ビデオ信号出力端子15と、分周数Kの分周器16と、タイミング制御器17と、設定信号入力端子18を備えている。
発振器1はクロック信号源となる種信号を発振し生成する。発振器1の生成した出力信号は、全ての信号の基準として送受信の信号の同期を取るために分配され、DDS2、周波数逓倍器9、フラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ4、周波数逓倍器13、分周器16に入力する。
分周器16は、発振器1の出力信号を分周数Kで分周してシステムクロックを生成する。タイミング制御器17は、設定信号入力端子18から入力された周波数、変調種類、変調タイミング等の情報を基にして制御信号を生成し、DDS2、フラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ4、経路切替スイッチ7、及びA/D変換回路14に制御信号を出力する。DDS2は、発振器1の出力信号をクロック信号源として、タイミング制御器17が出力する制御信号により周波数、変調種類等の情報を設定し、所望の変調を施した信号を周波数逓倍器3に出力する。周波数逓倍器3は、DDS2の出力信号の搬送波信号周波数、および変調帯域幅を第1逓倍数のA倍に逓倍して、変調された送信種信号を偶高調波周波数合成回路5に出力する。
フラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ4は、発振器1の信号に同期してM/R倍した信号を、偶高調波周波数合成回路5と偶高調波周波数合成回路10とにそれぞれ出力する。
図2は、フラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ4の1構成例を示す図である。フラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ4は、位相検波器23と、ループフィルタ24と、電圧制御発振器25と、分周数N.nの分周回路28と、フラクショナル制御回路29とから構成され、分周数を非整数とし、発振周波数が連続的に変化するようにしたものである。分周回路28は、フラクショナル制御回路29からの制御信号に基づいて、電圧制御発振器25の出力信号を分周数N.nで分周し、位相検波器23に入力する。位相検波器23は、分周回路28の出力信号に基づいて発振器1の出力信号の位相を検波する。ループフィルタ24は、位相検波器23の出力信号について交流成分をカットし、電圧制御発振器25に入力する。かくして、フラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ4は、発振器1からの入力信号について、その入力周波数frと位相雑音量を変えることなく基準信号源として、位相同期したN.n倍の出力周波数f0の信号を電圧制御発振器25から出力する。各信号の周波数の関係は、次の数5式のようになる。
ここで、再び図6を用いて、各信号の位相雑音について述べる。入力信号の位相雑音をSψ,xo(f)とすると、この雑音量が基準となり、等価的にN.n逓倍されるフラクショナル−N方式のPLLシンセサイザ4の出力信号の位相雑音量Sψfpll(f)は、Sψ,xo,pll(f)と等価となる。
このようにフラクショナル−N方式のPLLシンセサイザ4を用いることで、位相雑音量を劣化させることなく、設定可能な分解能まで上げることが可能となり、レーダ送受信機の出力信号の位相雑音を劣化させることがなく、探知性能を維持することができる。
フラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ4は、発振器1の信号に同期してM/R倍した信号を偶高調波周波数合成回路5と偶高調波周波数合成回路10とに出力する。
偶高調波周波数合成回路5は、周波数逓倍器3からの変調された送信種信号と、ローカル信号としてのフラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ4からの信号の2倍波とを、周波数合成して変調された送信信号を帯域通過フィルタ6に出力する。
図3は偶高調波周波数合成回路の出力信号の周波数特性図である。偶高調波周波数合成回路5からの信号は不要波を含んでいるが、逓倍回路3の変調信号出力を入力信号1、フラクショナル−N方式のPLLシンセサイザ4出力を入力信号2とすると、電力の大きい入力信号2は所望とする出力信号の帯域から離れた周波数成分として存在することになり、帯域近傍には電力の小さい入力信号2の2倍波が存在するだけとなって、帯域通過フィルタ6で抑圧することが容易になる。
帯域通過フィルタ6は、偶高調波周波数合成回路5の出力信号の所定帯域を通過させ、不要波を除去した変調された送信信号を、経路切替スイッチ7に出力する。経路切替スイッチ7は、タイミング制御器17からの制御信号により制御が行われる。その制御信号が送信時に対応した信号であるときに、経路切替スイッチ7は帯域通過フィルタ6に接続され、帯域通過フィルタ6からの変調された送信信号は、送受信信号端子8に出力される。また、その制御信号が送信時に対応した信号であるときに、経路切替スイッチ7は検波回路12に接続され、送受信信号端子8からの受信信号は検波回路12に出力される。
周波数逓倍器9は、発振器1の信号を第2逓倍数のB倍に逓倍して偶高調波周波数合成回路10に出力する。
偶高調波周波数合成回路10は、周波数逓倍器9からの信号と、ローカル信号としてのフラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ4からの信号の2倍波とを、周波数合成して帯域通過フィルタ11に信号を出力する。偶高調波周波数合成回路10からの出力信号は不要波を含んでいる。帯域通過フィルタ11は、偶高調波周波数合成回路10の出力の所定帯域を通過させ、不要波を除去した信号を検波回路12に出力する。
偶高調波周波数合成回路10は、周波数逓倍器9からの信号と、ローカル信号としてのフラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ4からの信号の2倍波とを、周波数合成して帯域通過フィルタ11に信号を出力する。偶高調波周波数合成回路10からの出力信号は不要波を含んでいる。帯域通過フィルタ11は、偶高調波周波数合成回路10の出力の所定帯域を通過させ、不要波を除去した信号を検波回路12に出力する。
検波回路12は、帯域通過フィルタ11からの信号を基準に経路切替スイッチ7からの受信信号を検波し、アナログビデオ信号をA/D変換回路14に出力する。周波数逓倍器13は、発振器1の出力信号を第3逓倍数のC倍に逓倍してA/D変換回路14に出力する。A/D変換回路14は、周波数逓倍器13からの出力信号を基準に検波回路12からの検波信号をディジタル信号に変換し、デジタルビデオ信号をビデオ信号出力端子15より出力する。
このように、実施の形態1によるレーダ送受信機は、全ての信号を発振器1より生成したシステムクロック周波数の整数倍となるように構成することで、送受信系として安定して同期したレーダ送受信機を得ることができる。また、他機器との電波干渉を回避するために、変調帯域幅を狭くして中心周波数を帯域内でシフトする場合は、設定信号入力端子18からの入力情報を基にタイミング制御器17にて変調帯域幅を狭くするための制御信号を生成し、ダイレクトディジタルシンセサイザ2とフラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ4とにこの制御信号を設定する。これにより、帯域を絞って変調を行い、中心周波数を干渉しない周波数にオフセットした送信信号を生成することができる。
このようにレーダ送受信機において、フラクショナル−N方式の位相同期ループ形の周波数シンセサイザを用いることで、位相雑音を低く抑え、周波数分解能を上げて離隔周波数の自由度を上げることが可能となる。
また、偶高調波周波数合成回路5に、ローカル信号の2倍波と合成をした周波数を出力する偶高調波周波数合成回路を用いることで、変調信号の帯域近傍の電力の大きいPLLシンセサイザの周波数成分が、変調帯域から離れることになり、帯域通過フィルタ6で不要波を容易に抑圧することが可能となる。
なお、図4は、比較例として示すレーダ送受信機の周波数特性図である。この比較例は、図1のフラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ4を、図5に示す典型的な位相同期ループ形のPLLシンセサイザ19に置き換えるとともに、偶高調波周波数合成回路5及び偶高調波周波数合成回路10を、通常の1倍波と合成を行う周波数合成回路に置き換えて、その場合における周波数合成回路の出力信号の周波数特性を示している。この場合、周波数逓倍器3の変調信号出力を入力信号1、PLLシンセサイザ19の出力を入力信号2とすると、所望とする出力信号の近傍に電力の大きい入力信号2の成分が存在することで、帯域通過フィルタ6による抑圧を行うことができず、変調信号の帯域を広げることが困難となることがわかる。
以上により、実施の形態1によるレーダ送受信機は、発振器1と、上記発振器1の出力に基いて変調信号を生成するDDS2と、上記DDS2の出力を第1逓倍数で周波数逓倍する第1周波数逓倍器9と、上記発振器1の出力に基いてローカル変調信号を生成するフラクショナル−N方式の位相同期ループ形の周波数シンセサイザ4と、上記第1周波数逓倍器9の出力に、上記周波数シンセサイザ4の出力の2倍波を合成する第1偶高調波周波数合成回路5と、上記第1偶高調波周波数合成回路5の出力の所定帯域を通過させる第1帯域通過フィルタ6と、上記発振器1の出力を第2逓倍数で周波数逓倍する第2周波数逓倍回路9と、上記第2周波数逓倍器9の出力に、上記周波数シンセサイザ4の出力の2倍波を合成する第2偶高調波周波数合成回路10と、上記第2偶高調波周波数合成回路10の出力の所定帯域を通過させる第2帯域通過フィルタ11と、上記第2帯域通過フィルタ11の出力に基いて第1帯域通過フィルタ6の出力を検波する検波回路12と、上記発振器1の出力を所定分周数で分周する周波数分周器16と、上記周波数分周器16の出力に基づいて、上記DDS2、周波数シンセサイザ4を制御するタイミング制御器17と、を備えたことを特徴とする。
また、第1帯域通過フィルタ6と検波回路12との接続を切替える経路切替スイッチ7と、発振器1からの出力を第3逓倍数で周波数逓倍する第3周波数逓倍器13と、第3周波数逓倍器13からの出力を基準に、検波回路12からの出力をディジタル信号に変換するA/D変換回路14と、を備えたことを特徴とする。
このように、PLLシンセサイザとして、フラクショナル−N方式の位相同期ループ形の周波数シンセサイザ4を用いることで、位相雑音を低く抑え、周波数分解能を上げて離隔周波数の自由度を上げることが可能となる。また、周波数合成回路として、ローカル信号の2倍波と合成した周波数を出力する偶高調波周波数合成回路5、10を用いることで、変調信号の帯域近傍に漏れ込みを生じる電力の大きいPLLシンセサイザの周波数成分が、変調帯域から離れることになり、帯域通過フィルタで不要波を抑圧することが容易になる。
1 発振器、2 ダイレクトディジタルシンセサイザ、3 周波数逓倍器、4 フラクショナル−N方式の位相同期ループ形のPLLシンセサイザ、5 偶高調波周波数合成回路、6 帯域通過フィルタ、7 経路切替スイッチ、8 送受信信号端子、9 周波数逓倍器、10 偶高調波周波数合成回路、11 帯域通過フィルタ、12 検波回路、13 周波数逓倍器、14 A/D変換回路、15 ビデオ信号出力端子、16 分周器、17 タイミング制御器、18 設定情報入力端子、19 典型的な位相同期ループ形のPLLシンセサイザ、20 周波数合成回路、22 分周器、23 位相検波回路、24 ループフィルタ、25 電圧制御発振器、26 分周器、27 制御回路、28 分周器、29 フラクショナル制御回路。
Claims (2)
- 発振器と、
上記発振器の出力に基いて変調信号を生成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の出力を第1逓倍数で周波数逓倍する第1周波数逓倍器と、
上記発振器の出力に基いてローカル変調信号を生成するフラクショナル−N方式の位相同期ループ形の周波数シンセサイザと、
上記第1周波数逓倍器の出力に、上記周波数シンセサイザの出力の2倍波を合成する第1偶高調波周波数合成回路と、
上記第1偶高調波周波数合成回路の出力の所定帯域を通過させる第1帯域通過フィルタと、
上記発振器の出力を上記第2逓倍数で周波数逓倍する第2周波数逓倍回路と、
上記第2周波数逓倍器の出力に、上記周波数シンセサイザの出力の2倍波を合成する第2偶高調波周波数合成回路と、
上記第2偶高調波周波数合成回路の出力の所定帯域を通過させる第2帯域通過フィルタと、
上記第2帯域通過フィルタの出力に基いて第1帯域通過フィルタの出力を検波する検波回路と、
上記発振器の出力を所定分周数で分周する周波数分周器と、
上記周波数分周器の出力に基づいて、上記ダイレクトディジタルシンセサイザ、及び周波数シンセサイザを制御する制御器と、
を備えたレーダ送受信機。 - 上記第1帯域通過フィルタと検波回路との接続を切替える経路切替スイッチと、
上記発振器からの出力を第3逓倍数で周波数逓倍する第3周波数逓倍器と、
上記第3周波数逓倍器からの出力を基準に、上記検波回路からの出力をディジタル信号に変換するA/D変換回路と、
を備えた請求項1記載のレーダ送受信機。
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