JP2020191582A

JP2020191582A - 周波数信号発生装置

Info

Publication number: JP2020191582A
Application number: JP2019096901A
Authority: JP
Inventors: 武仁石井; Takehito Ishii; 浩星上; Hiroshi Hoshigami
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-11-26

Abstract

【課題】より高い周波数信号をより低い位相雑音で出力できる周波数信号発生装置を提供する。【解決手段】基準周波数信号を発生する基準周波数源と、入力する制御信号に応じた第１周波数信号を発生する周波数可変発振器と、基準周波数信号および第１周波数信号に基づく制御信号を生成して、第１周波数信号の位相を基準周波数信号の位相に同期させるＰＬＬ回路と、基準周波数信号を逓倍する逓倍部と、逓倍された基準周波数信号の位相雑音の一部を減衰させ、ローカル信号として出力するフィルタ部と、第１周波数信号およびローカル信号をミキシングして第２周波数信号を出力するミキサ部とを備える、周波数信号発生装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、周波数信号発生装置に関する。

安定な基準周波数信号に同期させて、基準周波数信号の周波数よりも高い周波数信号を出力するＰＬＬ（Phase Locked Loop）シンセサイザが知られている。また、ＰＬＬシンセサイザの出力信号と、基準周波数信号を逓倍した信号とをミキシングして、より高い周波数の信号にして出力する周波数信号発生装置も知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開昭６１−２６４９１９号公報

このような周波数信号発生装置は、例えば、数ＧＨｚを超える周波数の周波数信号を、より低い位相雑音で出力できることが望まれている。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、より高い周波数信号をより低い位相雑音で出力する周波数信号発生装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様においては、基準周波数信号を発生する基準周波数源と、入力する制御信号に応じた第１周波数信号を発生する周波数可変発振器と、前記基準周波数信号および前記第１周波数信号に基づく前記制御信号を生成して、前記第１周波数信号の位相を前記基準周波数信号の位相に同期させるＰＬＬ回路と、前記基準周波数信号を逓倍する逓倍部と、逓倍された前記基準周波数信号の位相雑音の一部を減衰させ、ローカル信号として出力するフィルタ部と、前記第１周波数信号および前記ローカル信号をミキシングして第２周波数信号を出力するミキサ部とを備える、周波数信号発生装置を提供する。

前記逓倍部は、直列に接続される第１逓倍器および第２逓倍器を有し、前記フィルタ部は、第１逓倍器および第２逓倍器の間に設けられている第１フィルタと、第２逓倍器の後段に設けられている第２フィルタとを有してもよい。

前記第１周波数信号の周波数は、前記第２周波数信号の周波数の１／２以下の周波数であってもよい。前記周波数信号発生装置は、前記第２周波数信号を逓倍する第３逓倍器を更に備えてもよい。

本発明によれば、周波数信号発生装置において、より高い周波数信号をより低い位相雑音で出力できるという効果を奏する。

本実施形態に係る周波数信号発生装置１０の構成例を示す。本実施形態に係る周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音の第１例を示す。本実施形態に係る周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音の第２例を示す。本実施形態に係る周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音の第３例を示す。本実施形態に係る周波数信号発生装置１０の変形例を示す。

＜周波数信号発生装置１０の構成例＞
図１は、本実施形態に係る周波数信号発生装置１０の構成例を示す。周波数信号発生装置１０は、ＰＬＬシンセサイザと比較して、同一の周波数の出力信号を出力させた場合に、位相雑音をより低くすることができる。周波数信号発生装置１０は、基準周波数源１１０と、周波数可変発振器１２０と、ＰＬＬ回路１３０と、逓倍部１４０と、フィルタ部１５０と、ミキサ部１６０と、出力フィルタ１７０とを備える。

基準周波数源１１０は、基準周波数信号を発生する。基準周波数源１１０は、例えば、水晶振動子等を有し、１０^−６程度以下の周波数精度を有する。基準周波数源１１０は、一例として、周波数が数ｋＨｚ程度から１００ＭＨｚ程度までの範囲内の基準周波数信号を出力する。ここで、基準周波数信号の周波数をｆ_ｒｅｆとする。

周波数可変発振器１２０は、入力する制御信号に応じた第１周波数信号を発生する。周波数可変発振器１２０は、例えば、制御信号の電圧値に応じた周波数の第１周波数信号を発生する電圧制御型の発振器である。制御信号に応じて周波数可変発振器１２０が出力する出力信号の周波数範囲は、一例として、周波数が数百ＭＨｚ程度から数ＧＨｚ程度までの範囲内である。ここで、第１周波数信号の周波数をｆ_ｏｕｔとする。

ＰＬＬ回路１３０は、基準周波数信号および第１周波数信号に基づく制御信号を生成して、第１周波数信号の位相を基準周波数信号の位相に同期させる。ＰＬＬ回路１３０は、分周器１３２と、位相比較器１３４と、ループフィルタ１３６とを有する。

分周器１３２は、周波数可変発振器１２０が出力した第１周波数信号を受け取り、第１周波数信号の周波数を整数分の１にした分周信号を出力する。分周器１３２は、第１周波数信号の周波数を基準周波数信号の周波数ｆ_ｒｅｆ程度の低い周波数に変換して出力する。ここで、分周器１３２の分周比をＮとする。例えば、Ｎは１以上の整数であり、分周器１３２は、第１周波数信号の周波数をＮ分の１にした周波数を有する分周信号を出力する。

位相比較器１３４は、基準周波数信号の位相と、分周器１３２が出力する分周信号の位相とを比較して、比較結果を出力する。位相比較器１３４は、例えば、基準周波数信号および分周信号の位相差に応じた電圧を比較結果として出力する。

ループフィルタ１３６は、不要な雑音成分を低減させ、位相比較器１３４が出力する比較結果を平滑化させて通過させる。ループフィルタ１３６の回路構成および回路定数は、周波数可変発振器１２０およびＰＬＬ回路１３０で構成されるループ内の位相余裕が予め定められた範囲の値となるように定められている。ループフィルタ１３６は、一例として、ラグリードフィルタである。ループフィルタ１３６は、通過させた信号を制御信号として周波数可変発振器１２０に供給する。

以上のＰＬＬ回路１３０は、分周器１３２が出力する分周信号の周波数を基準周波数信号の周波数と一致させるように、周波数可変発振器１２０の周波数を制御信号で調節する。ＰＬＬ回路１３０により、第１周波数信号の位相と基準周波数信号の位相とが同期した場合、ｆ_ｏｕｔ＝Ｎ・ｆ_ｒｅｆとなる。以上のように、基準周波数源１１０、周波数可変発振器１２０、およびＰＬＬ回路１３０は、ＰＬＬシンセサイザを構成する。

逓倍部１４０は、基準周波数信号を逓倍する。逓倍部１４０は、１または複数の逓倍器を有する。図１は、逓倍部１４０が、直列に接続される第１逓倍器１４１および第２逓倍器１４２を有する例を示す。例えば、第１逓倍器１４１は、入力する信号の周波数をＭ_１倍にして出力し、第２逓倍器１４２は、入力する信号の周波数をＭ_２倍にして出力する。この場合、逓倍部１４０は、基準周波数信号の周波数をＭ_１×Ｍ_２倍にした信号を出力する。

フィルタ部１５０は、逓倍された基準周波数信号の位相雑音の一部を減衰させ、ローカル信号として出力する。フィルタ部１５０は、１または複数のフィルタを有する。図１は、フィルタ部１５０が、第１逓倍器１４１および第２逓倍器１４２の間に設けられている第１フィルタ１５１と、第２逓倍器１４２の後段に設けられている第２フィルタ１５２とを有する例を示す。

この場合、第１フィルタ１５１は、第１逓倍器１４１がＭ_１倍にした基準周波数信号の位相雑音の一部を減衰させる。また、第２フィルタ１５２は、第２逓倍器１４２がＭ_１×Ｍ_２倍にした基準周波数信号の位相雑音の一部を減衰させてローカル信号として出力する。即ち、ローカル信号の周波数は、Ｍ_１・Ｍ_２・ｆ_ｒｅｆとなる。第１フィルタ１５１および第２フィルタ１５２は、通過帯域幅が数ｋＨｚから数十ｋＨｚ程度のバンドパスフィルタであることが望ましい。第１フィルタ１５１および第２フィルタ１５２は、例えば、水晶フィルタ（ＭＣＦ：Monolithic Crystal Filter）である。

ミキサ部１６０は、第１周波数信号およびローカル信号をミキシングして第２周波数信号を出力する。ミキサ部１６０は、第１周波数信号の周波数とローカル信号の周波数との和信号および差信号を出力する。例えば、ミキサ部１６０が出力する信号は、周波数がＮ・ｆ_ｒｅｆ＋Ｍ_１・Ｍ_２・ｆ_ｒｅｆの和信号およびＮ・ｆ_ｒｅｆ−Ｍ_１・Ｍ_２・ｆ_ｒｅｆの差信号である。本実施形態において、第２周波数信号が和信号である例を説明する。

出力フィルタ１７０は、ミキサ部１６０が出力する和信号を第２周波数信号として出力する。この場合、出力フィルタ１７０は、差信号の信号レベルを低減させて、和信号を通過させる。出力フィルタ１７０は、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、およびバンドリジェクションフィルタのうち、１または複数のフィルタを有する。

以上の本実施形態に係る周波数信号発生装置１０は、基準周波数源１１０、周波数可変発振器１２０、およびＰＬＬ回路１３０によるＰＬＬシンセサイザからの第１周波数信号と、基準周波数源１１０を逓倍したローカル信号とをミキシングして、第１周波数信号よりも高い周波数の第２周波数信号を出力する。通過帯域が数ｋＨｚから数十ｋＨｚ程度の狭帯域バンドパスフィルタを用いてローカル信号を発生させているので、ローカル信号の位相雑音を低減させることができ、これにより、周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音を低減できる。このような、周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音について、次に説明する。

＜第２周波数信号の位相雑音＞
図２は、本実施形態に係る周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音の第１例を示す。図２は、第２周波数信号の周波数を２．５ＧＨｚに固定して、第１周波数信号およびローカル信号の周波数を変化させた場合の位相雑音の変動を示す。図２の横軸は、第１周波数信号の周波数を示す。なお、第２周波数信号の周波数を２．５ＧＨｚに固定しているので、ローカル信号の周波数は、２．５ＧＨｚから第１周波数信号の周波数を差し引いた値となる。図２の縦軸は、１０Ｈｚのオフセットにおける位相雑音を示す。

図２において、周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音のシミュレーション結果を実線で示す。また、比較対象として、ＰＬＬシンセサイザが２．５ＧＨｚの周波数信号を出力した場合の、１０Ｈｚのオフセットにおける位相雑音を点線で示す。ＰＬＬシンセサイザはミキシングをしていないので、比較対象の位相雑音の値は、図２の横軸とは無関係な一定の値となる。

なお、比較対象であるＰＬＬシンセサイザは、基準周波数源１１０、周波数可変発振器１２０、およびＰＬＬ回路１３０で構成されているものとする。この場合、比較対象の位相雑音は、基準周波数源１１０が出力する基準周波数の位相雑音と周波数可変発振器１２０が出力する第１周波数の位相雑音とで定まる。ここで、周波数信号発生装置１０のローカル信号の周波数を小さくして、第１周波数信号の周波数を２．５ＧＨｚに近づけると、第２周波数信号の位相雑音は、ローカル信号の影響が低減するので、比較対象の位相雑音に近接することになる。

図２より、ローカル信号の周波数を大きくして、第１周波数信号の周波数を２．５ＧＨｚの半分程度にすると、第２周波数信号の位相雑音は３ｄＢ程度改善されることがわかる。また、ローカル信号の周波数を更に大きくして、第１周波数信号の周波数をより低周波側にすると、第２周波数信号の位相雑音は比較対象の位相雑音に近接することがわかる。このような第２周波数信号の位相雑音の傾向は、周波数を２．５ＧＨｚとは異なる周波数に変えても同様の傾向となった。

なお、図２に示す位相雑音において、オフセット周波数は１０Ｈｚであり、ＭＣＦフィルタ等で設計可能な通過帯域幅よりも小さい。したがって、周波数信号発生装置１０のフィルタ部１５０に設けられているフィルタの通過帯域幅を変更しても、図２に示す位相雑音の傾向はほとんど変わらない。したがって、オフセット周波数が１０Ｈｚ程度の、フィルタ部１５０の通過帯域幅と比較して狭い周波数範囲において、周波数信号発生装置１０の位相雑音は、ＰＬＬシンセサイザの位相雑音よりも小さくなる。

図３は、本実施形態に係る周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音の第２例を示す。図３は、１ＭＨｚのオフセットにおける位相雑音を示す。図３は、図２と同様に、第２周波数信号の周波数を２．５ＧＨｚに固定した場合の位相雑音の変動を示し、横軸が第１周波数信号の周波数を、縦軸が位相雑音を示す。

図３は、比較対象として、ＰＬＬシンセサイザが２．５ＧＨｚの周波数信号を出力した場合の、１ＭＨｚのオフセットにおける位相雑音を点線で示す。図２と同様に、比較対象の位相雑音は、横軸とは無関係な一定の値となる。また、周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音のシミュレーション結果を一点鎖線と実線とで示す。

一点鎖線で示す位相雑音は、フィルタ部１５０が設けられていない周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音の例である。フィルタ部１５０がない場合、第２周波数信号の位相雑音は、ＰＬＬシンセサイザの位相雑音よりも小さくなることもあるが、大きくなることもある。特に、ローカル信号の周波数が第１周波数信号の周波数よりも大きくなると、第２周波数信号の位相雑音は、ローカル信号の位相雑音の影響が大きくなるので、比較対象の位相雑音よりも大きくなることがわかる。

これに対して、実線で示す位相雑音は、図１で示すような、フィルタ部１５０が設けられている周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音の例である。フィルタ部１５０は、当該フィルタ部１５０の通過帯域と比較して同程度の範囲および／または広い範囲の周波数範囲において、ローカル信号の位相雑音を低減させる。

したがって、ローカル信号の周波数が第１周波数信号の周波数よりも大きくなって当該ローカル信号の位相雑音の影響が大きくなっても、第２周波数信号の位相雑音は、比較対象の位相雑音よりも小さくなることがわかる。特に、第１周波数信号の周波数が小さくなり、ローカル信号の周波数が第１周波数信号の周波数よりも大きくなればなるほど、第２周波数信号の位相雑音は、比較対象の位相雑音よりも小さくなることがわかる。したがって、本実施形態に係る周波数信号発生装置１０において、第１周波数信号の周波数は、第２周波数信号の周波数の１／２以下の周波数であることが望ましい。

図４は、本実施形態に係る周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音の第３例を示す。図４は、第２周波数信号の周波数を１０ＧＨｚに固定した場合の位相雑音の変動を示す。図４は、図３と同様に、１ＭＨｚのオフセットにおける位相雑音を示し、横軸が第１周波数信号の周波数を、縦軸が位相雑音を示す。

図４は、比較対象として、ＰＬＬシンセサイザが１０ＧＨｚの周波数信号を出力した場合の、１ＭＨｚのオフセットにおける位相雑音を点線で示す。また、一点鎖線で示す位相雑音は、フィルタ部１５０が設けられていない周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音を示す。そして、実線で示す位相雑音は、図１で説明した、フィルタ部１５０が設けられている周波数信号発生装置１０が出力する第２周波数信号の位相雑音を示す。図４に示す第２周波数信号の位相雑音の傾向は、図３に示す第２周波数信号の位相雑音の傾向と同様であることがわかる。

以上のように、本実施形態に係る周波数信号発生装置１０は、通過帯域が数ｋＨｚから数十ｋＨｚ程度の狭帯域なフィルタ部１５０を備えることで、ローカル信号の位相雑音を低減させて、出力する第２周波数信号の位相雑音を低減できる。また、周波数信号発生装置１０は、ＰＬＬシンセサイザが出力する第１周波数信号とローカル信号とをミキシングするので、第１周波数信号よりも高い周波数の第２周波数信号を、より低い位相雑音で出力することができる。

また、狭帯域のフィルタ部１５０をローカル信号の側に設けているので、ＰＬＬ回路１３０を調節するだけで第１周波数信号の周波数を変更することができる。即ち、周波数信号発生装置１０は、周波数可変の信号発生装置として機能することができる。また、周波数信号発生装置１０を、出力周波数を固定させた信号発生装置として機能させる場合は、周波数可変発振器１２０およびミキサ部１６０の間にフィルタ部１５０を更に設けてもよい。これにより、第２周波数信号の位相雑音を更に低減させることができる。

以上の本実施形態に係る周波数信号発生装置１０は、基準周波数信号を逓倍する逓倍部１４０を備える例を説明した。周波数信号発生装置１０は、これに加えて、第２周波数信号を更に逓倍してもよい。このような周波数信号発生装置１０について、次に説明する。

＜周波数信号発生装置１０の変形例＞
図５は、本実施形態に係る周波数信号発生装置１０の変形例を示す。変形例の周波数信号発生装置１０において、図１に示された本実施形態に係る周波数信号発生装置１０の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。変形例の周波数信号発生装置１０は、第３逓倍器２１０および第３フィルタ２２０を更に備える。

第３逓倍器２１０は、第２周波数信号を逓倍する。第３逓倍器２１０は、入力する信号の周波数をＭ_３倍にして出力する。これにより、周波数信号発生装置１０は、より高い周波数の第２周波数信号を出力することができる。

第３フィルタ２２０は、第３逓倍器２１０によって逓倍された信号の位相雑音の一部を減衰させ、第２周波数信号として出力する。第３フィルタ２２０は、例えば、水晶フィルタ等の、通過帯域幅が数ｋＨｚから数十ｋＨｚ程度のバンドパスフィルタであることが望ましい。これにより、周波数信号発生装置１０は、第３逓倍器２１０によって増加する位相雑音の少なくとも一部を低減させて、第１周波数信号よりも高い周波数の第２周波数信号を、より低い位相雑音で出力することができる。

以上の本実施形態に係る周波数信号発生装置１０は、出力フィルタ１７０、第１フィルタ１５１、第２フィルタ１５２、および第３フィルタ２２０を１つずつ備える例を説明したが、これに限定されることはない。例えば、周波数信号発生装置１０は、第３フィルタ２２０の後段に出力フィルタ１７０が更に設けられていてもよい。また、第１フィルタ１５１、第２フィルタ１５２、および／または第３フィルタ２２０が、直列に２つ以上設けられていてもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１０周波数信号発生装置
１１０基準周波数源
１２０周波数可変発振器
１３０ＰＬＬ回路
１３２分周器
１３４位相比較器
１３６ループフィルタ
１４０逓倍部
１４１第１逓倍器
１４２第２逓倍器
１５０フィルタ部
１５１第１フィルタ
１５２第２フィルタ
１６０ミキサ部
１７０出力フィルタ
２１０第３逓倍器
２２０第３フィルタ

Claims

基準周波数信号を発生する基準周波数源と、
入力する制御信号に応じた第１周波数信号を発生する周波数可変発振器と、
前記基準周波数信号および前記第１周波数信号に基づく前記制御信号を生成して、前記第１周波数信号の位相を前記基準周波数信号の位相に同期させるＰＬＬ回路と、
前記基準周波数信号を逓倍する逓倍部と、
逓倍された前記基準周波数信号の位相雑音の一部を減衰させ、ローカル信号として出力するフィルタ部と、
前記第１周波数信号および前記ローカル信号をミキシングして第２周波数信号を出力するミキサ部と
を備える、周波数信号発生装置。
前記逓倍部は、直列に接続される第１逓倍器および第２逓倍器を有し、
前記フィルタ部は、第１逓倍器および第２逓倍器の間に設けられている第１フィルタと、第２逓倍器の後段に設けられている第２フィルタとを有する、
請求項１に記載の周波数信号発生装置。
前記第１周波数信号の周波数は、前記第２周波数信号の周波数の１／２以下の周波数である、請求項１または２に記載の周波数信号発生装置。
前記第２周波数信号を逓倍する第３逓倍器を更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の周波数信号発生装置。