JP2643172B2

JP2643172B2 - 多周波数偏移変調器

Info

Publication number: JP2643172B2
Application number: JP62216336A
Authority: JP
Inventors: 耕司戸田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-09-01
Filing date: 1987-09-01
Publication date: 1997-08-20
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JPS6461156A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、多周波数偏移変調器に関し、特に超音波
素子を用いた多周波数偏移変調器に関する。

（従来の技術）センシング技術の多様化に伴ない、検知したデータを
簡単に伝送することが可能な伝送手段が求められてい
る。SAW（Surface Acoustic Wave）素子を用いた周波
数偏移変調方式は、このような要求に答えることが可能
な技術の一つである。SAW素子に代表されるエレクトロ
メカニカル（EM）部品は、各種の信号処理においてフィ
ルタなどに用られており、重要な素子としての地位を占
めるに至っている。

物体を伝搬する音波には、SAWのほかにラム波がある
が、ラム波は薄板状の弾性体を伝搬するときに効果的で
ある。このようなラム波を用いたラム波デバイスは、SA
Wデバイスに比較して大きな電気機械結合係数を有する
ので、SAWデバイスが不得意な低周波分野でも利用装置
の小型化を可能にするものであり、また２つの自由境界
面の利用が可能なことから、センサ、及びフィルタを含
め、高機能の信号処理分野での広範な応用が期待されて
いる。

（発明が解決しようとする問題点）しかし、従来の多チャネル周波数偏移変調器は、周波
数偏移変調に関連して送信側及び受信側にそれぞれ遅延
線、フィルタ、移相器などの信号処理回路を個々に備え
る必要があったので、装置として構成が複雑となる問題
点があった。

この発明は、前記のような従来技術の欠点を除去する
ことを目的とするものであり、変調に関連する信号処理
回路を簡単にすることができる多チャネル周波数偏移変
調器を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段）この発明の多チャネル周波数偏移変調器は、入力デー
タの各ビットの組み合わせに対応させて一つの周波数を
割り付け、前記データに従って多周波による周波数偏移
された変調信号を発生する多周波数偏移変調器におい
て、圧電セラミック板と、前記圧電セラミック板の一方の面において、間隔を置
いて配列され、各ビットに対応して遅延時間長の重み付
けがされた電極指の数を設定している複数のすだれ状電
極、及び該複数のすだれ状電極をはさんでその両側に離
間配置されたすだれ状電極、並びに他方の面において、
前記全てのすだれ状電極に対向する一枚の平板からなる
基準電位用の電極を設けた超音波素子と、前記両側に離間配置されたすだれ状電極の一方の入力
用電極及び他方の出力用電極に接続された増幅器と、前記各ビットにそれぞれ対応する複数のすだれ状電極
の入力用電極及び出力用電極に接続され、前記入力デー
タに従って前記出力用電極の抵抗を変化させる電圧抵抗
変換器とを備えていることを特徴とするものである。

（作用）この発明の多周波数偏移変調器は、前記のように構成
されているので、ラム波素子を伝搬する信号の遅延時間
を入力されるデータに従って変化させ、これによってこ
の遅延時間を含むフィードバック・ループの遅延が増幅
器の入力において前記データに対応して選択されている
周波数を発振させるために必要な位相条件を変化させる
ことにより、データの内容に対応して周波数を変化させ
た多周波数偏移変調信号を得る。

（実施例）第１図はこの発明の一実施例を示す４チャンネル周波
数偏移（16 値FSK）変調器の構成図である。圧電セラミ
ック板１は、NEPEC H−94（20×８×0.15mm）の圧電セ
ラミック薄板からなり、効率よくラム波を励振するため
に、変換効率のよい零次対称モードを用い、超音波の伝
搬速度が3190.5m/s、中心周波数f₀が10.635MHz、中心周
波数がf₀における位相偏差φ_ｓが＋0.1rad、挿入損失が
10dBである。また、圧電セラミック板１は、表面に６組
のすだれ状トランスジューサ（IDT）2a〜2fを有し、ま
たこれらに共通に対向してその裏面に接地されている平
板状電極３を有する。IDT2a〜2fを構成する電極指の周
期は2P＝600μｍであり、その電極指の対数がデータD₀
〜D₃に対応させた2ⁱ倍で重み付けする形式で順次増加し
ている。

両端に位置するIDT2a及び2fは、増幅器４の入出力端
にそれぞれ接続されており、増幅器４と共にフィードバ
ック型発振器を形成している。増幅器４は、単体として
周波数範囲が10634.25kHz〜10635.00kHzのRF増幅器とし
て動作可能なものであり、以下において式を用いて説明
するが、ここで発振回路を形成するのに充分な利得を有
し、その出力信号を多周波数偏移変調信号として出力
し、その出力レベルが8dBmに設定されている。

出力端をIDT2b〜2eに接続している電圧抵抗変換器5a
〜5dは、入力端を図示なしのデータ源に接続してデータ
D₀〜D₃を入力し、出力端をIDT2b〜2eに接続してこれら
を駆動している。

第２図は、電圧抵抗変換器5aの詳細を示す回路図であ
る。なお、電圧抵抗変換器5b〜5dも電圧抵抗変換器5aと
同様の回路構成を有する。第２図において、増幅器６
は、データD₀を入力し、その出力端がツェナー・ダイオ
ード７を介して可変抵抗器８に接続されている。ツェナ
ー・ダイオード７及び可変抵抗器８の接続点半固定抵抗
器９を介して＋5V電源に接続され、また半固定抵抗器10
を介して−5V電源に接続されている。可変抵抗器８の可
動接点端子8aは電界効果トランジスタ11及び12のゲート
Ｇに接続されている。電界効果トランジスタ11及び12の
ソースＳはいずれも接地されている。電界効果トランジ
スタ11のドレインＤは出力端を介して第１図に示すIDT2
b〜2eに接続され、電界効果トランジスタ12のドレイン
Ｄは平板状電極３に接続されている。

次に、動作について説明する。電圧抵抗変換器5a〜5d
にそれぞれ表に示すように変化する４ビットのデータD₀
〜D₃（Ｈ又はＬ）を印加すると、その電圧に対応して電
界効果トランジスタ11及び12のゲートＧとソースＳとの
間に印加される電圧V_G-Sが変化する。

表において、ＨはデータD₀〜D₃の高レベル（１）を示
し、Ｌはその低レベル（０）を示す。データD₀〜D₃は４
ビット構成のために、LLLL〜HHHHまで16通り値を取るこ
とができ、発振周波数f_osoは0.05kHzのステップで1063
5.00〜10634.00kHzに設定されている。

電圧V_G-Sの変化により、電界効果トランジスタ11及び
12の出力端間の抵抗が変化するので、IDT2b〜2eと平板
状電極３との間の抵抗、即ちそれらの間の音響的なイン
ピーダンスが変化し、圧電セラミック板１を介して信号
の位相偏移Δφを変化させる。このことは、圧電セラミ
ック板１が等価的にデータD₀〜D₃に対応して増幅器４の
出力信号を移相させる移相器として機能することを意味
する。IDT2fの出力信号は増幅器４の入力にフィードバ
ックされているので、ここに遅延線発振器が形成され、
従って入力されるデータD₀〜D₃に対応して表に示すよう
な周波数で増幅器４の出力信号の周波数を変化、即ち発
振周波数f_oscを変化させる多周波数偏移変調器が形成さ
れる。

次に、前記実施例のような動作が成立する理由を式を
用いて説明する。

この発明の多周波数偏移変調器が発振器として安定に
動作するためには、次式の条件を満足しなければならな
い。

Ｇ−IL≧０（１） φ_Ａ＋φ_Ｅ＝2nπ （２）ただし、Ｇは増幅器４の利得、ILは遅延線発振器４を
構成する素子の挿入損失、φ_Ａは圧電セラミック板１の
音響的な位相遅延、φ_Ｅは増幅器４の電気的な位相遅延
である。

（１）式は増幅器４の利得の条件を表わし、また
（２）式は増幅器４に信号が正帰還されるための位相条
件を表わしている。この位相遅延φ_Ａには、データD
_i（ｉ＝＝０〜３）に対応して変化する。圧電セラミッ
ク板１の位相偏移Δφが含まれている。位相偏移Δφ
は、電極指の対数を選択することにより、増減できる。
発振周波数f_osc、電圧V_G-S、及びデータD_i間には、次の
ような関係式がある。

ここで、ＬはそれぞれIDT2aとIDT2fとの間の距離、ｖ
はラム波が圧電セラミック板１を伝搬する伝搬速度、φ
_Ｓは、圧電セラミック板１上のアルミ電極の有無に基づ
き発生する速度差からくる中心周波数f_oの位相偏差であ
る。

発振周波数f_oscは（２）及び（３）式に基づき、次式
から求めることができる。

（４）式は４ビットのデータD₀〜D₃によって発振周波
数f_oscが2⁴＝16通りに偏移可能なことを示している。従
って、この発明の多チャネル周波数偏移変調器は、４チ
ャネル（ch）分の２値信号を伝送することが可能な16値
−FSK変調器として動作することが解る。

第３図は電界効果トランジスタ11及び12のゲートＧと
ソースＳとの間の電圧に対する位相遅延φ_Ａの特性図で
ある。図示のように、データD₀〜D₃の入力に対応する位
相遅延φ_Ａは、データD_iによる2ⁱに重み付けされてお
り、1:2:4:8の割合で偏移する。増幅器４にフィードバ
ックされる信号の位相が丁度2nπとなるように、この位
相遅延φ_Ａを調整することにより遅延発振器が形成され
る。導出された実験式は、次の通りであり、諸定数が
（３）式に代入した値と一致する。

第４図はV_G-Sに対する発振周波数f_oscの変化を示す特
性図である。V_G-S＝０のときの周波数は10,635kHzであ
り、この実施例の中心周波数f_oに設定されている。中心
周波数f_oにデータD₀〜D₃に対応する周波数偏移が1:2:4:
8の割合で付加されるので、次のような実験式を求める
ことができる。

V_G-Sを−0.144Vに設定すると、最小シフト量が50Hzと
なるFSK変調が可能である。この場合に、データD₀〜D₃
によって生じる周波数偏移はそれぞれ50、100、200、40
0Hzであり、それらの組み合わせによって16通りの周波
数が得られる。

（発明の効果）以上、詳細に説明したように、この発明によれば、入
力されるデータ信号に従って圧電セラミック板の遅延時
間を変化させ、発振する周波数を変化させることによっ
て周波数偏移変調器を構成しているので、その回路構成
が簡単となり、経済的に装置を構成することができる。

【図面の簡単な説明】第１図は圧電セラミック板の構造を斜視図により示すこ
の発明の一実施例の多チャネル周波数偏移変調器の概要
構成図、第２図は第１図に示す電圧抵抗変換器の回路
図、第３図は電界効果トランジスタのゲートとソースと
の間の電圧（V_G-S）に対する位相遅延（φ_Ａ）の特性
図、第４図は電界効果トランジスタのゲートとソースと
の間の電圧（V_G-S）対周波数の変化を示す特性図であ
る。１……圧電セラミック板、 2a〜2f……IDT、３……平板状電極、４……増幅器、 5a〜5d……電圧抵抗変換器。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入力データの各ビットの組み合わせに対応
させて一つの周波数を割り付け、前記データに従って多
周波による周波数偏移された変調信号を発生する多周波
数偏移変調器において、圧電セラミック板と、前記圧電セラミック板の一方の面において、間隔を置い
て配列され、各ビットに対応して遅延時間長の重み付け
がされた電極指の数を設定している複数のすだれ状電
極、及び該複数のすだれ状電極をはさんでその両側に離
間配置されたすだれ状電極、並びに他方の面において、
前記全てのすだれ状電極に対向する一枚の平板からなる
基準電位用の電極を設けた超音波素子と、前記両側に離間配置されたすだれ状電極の一方の入力用
電極及び他方の出力用電極に接続された増幅器と、前記各ビットにそれぞれ対応する複数のすだれ状電極の
入力用電極及び出力用電極に接続され、前記入力データ
に従って前記出力用電極の抵抗を変化させる電圧抵抗変
換器とを備えていることを特徴とする多周波数偏移変調器。