JP3560750B2 - 制御可能な応答時間を備えた位相ロックドループ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、応答時間を選択的に制御する制御可能なフィルタを備えた位相ロックドループ（ＰＬＬ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
位相ロックドループは、制御可能な発振器の周波数及び／又は位相を基準信号の周波数及び／又は位相に“ロック”する多様な応用で使用される。例えば、ＰＬＬは、一般的に、局部発振器の周波数を制御するためラジオ及びテレビジョン受信器のような通信機器のチューナに利用される。
【０００３】
位相ロックドループは、制御された発振器信号を発生する制御可能な発振器と、基準信号を発生する水晶発振器のような安定な発振器と、制御された発振器信号と基準信号との間の位相及び周波数関係を表わす誤差信号を発生する位相検波器とを含む。誤差信号、位相検波器の入力信号の間の位相及び周波数の差の向きと、位相及び周波数の差に依存する可変期間とに依存して相対的に正の極性又は相対的に負の極性を有するパルスを含む。誤差信号は、制御信号を発生するため、“ループフィルタ”として周知のフィルタによってフィルタ処理される。制御信号は、帰還的な態様で周波数、即ち、制御された発振器信号の位相を制御するため制御された発振器に結合される。以下に説明するように、ＰＬＬのタイプに依存して、周波数の差、或いは、周波数と位相の両方の差のいずれかが制御信号に応答して最小限に抑えられる。この点で、ＰＬＬは“ロックド（固定された）”と言われる。
【０００４】
チューナにおいて、制御可能な発振器は、チューナの局部発振器として使用され、“プロブラマブル”分周器は、制御可能な発振器と位相検波器との間に接続される。この場合に、誤差信号は、プログラマブル分周器により生成された局部発振器信号の分周されたバージョンと、基準信号との間の位相及び周波数の差を表わす。ＰＬＬがロックされたとき、制御された発振器により発生された局部発振器信号の周波数は、プログラマブル分周器のプログラム可能な分周比（通常、“Ｎ”のように表わされる）で基準信号の周波数に比例する。チューナ内にＰＬＬを使用することにより幾つかの利点が得られる。局部発振器の周波数は基準信号の周波数にロックされるので、局部発振器の周波数は非常に安定である。更に、局部発振器信号の周波数は、例えば、チャンネルを変更するため、プログラマブル分周器のプログラム可能な分周比（Ｎ）をディジタル的に制御することにより容易に制御することができる。
【０００５】
上記の如く、ＰＬＬのタイプに依存して、周波数差、又は、周波数及び位相の両方の差のいずれかが、発振器制御信号に応答して最小限に抑えられる。“タイプＩ”のＰＬＬの場合、誤差信号は単純なローパスフィルタ回路網に結合される。タイプＩのＰＬＬは、位相検波器の入力信号の間の周波数差だけを最小限に抑える。“タイプＩＩ” のＰＬＬの場合に、誤差信号は、フィードバック構造に配置された増幅器とフィルタ部とを含む積分器に結合される。タイプＩＩのＰＬＬは、積分器の帰還ループに起因して位相検波器の入力信号の間の周波数及び位相の両方の差を最小限に抑える。タイプＩＩのＰＬＬは、周波数安定性及び位相安定性の両方が望ましい応用に利用可能である。
【０００６】
ＰＬＬの応答時間を選択的に変更することが望ましい場合がある。タイプＩのＰＬＬにおいて、これは、制御信号に応答してループフィルタを選択的に変更することにより容易に達成される。例えば、ＭＢ１５０７形同調制御ＰＬＬ集積回路（ＩＣ）は、新しいチャンネルに同調するため要求される時間を短縮するため集積回路の誤差信号出力と局部発振器の制御信号入力との間に縦続接続された２個の外部ローパスフィルタ部の中の第１のローパスフィルタ部を、バイパスするためターン“オン”される電気的に制御可能なスイッチを含む。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＰＬＬの基本特性を変えることなく、或いは、ＰＬＬの複雑さを著しく増大させることなく、タイプＩＩのＰＬＬの応答時間を選択的に変更することが非常に難しいことが認識された。その理由は、フィルタ回路網が、位相検波器の出力と直接的に縦続されるのではなく、積分器の帰還路に含まれているからである。別の理由は、位相検波器及び積分器の増幅器を含むＰＬＬの非常に多数の部品は、通常、ＰＬＬ集積回路に収容されるので、変更のためアクセスできないからである。上記の問題は、ＰＬＬの応答時間を短縮するのではなく選択的に増加させることが望まれるとき悪化する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点に鑑みて、本発明の一面によれば、タイプＩＩのＰＬＬ配置の応答時間を選択的に制御する配置、特に、位相検波器と、帰還形の積分器の増幅器とが集積回路内に収容された配置が提案される。より詳細に言うと、付加フィルタ部は、積分器の増幅器と縦続接続され、フィルタ制御部はモード決定制御信号に応答して付加フィルタ部の動作を変更するため付加フィルタ部に接続される。
【０００９】
本発明の他の面によれば、フィルタ制御部は、モード決定制御信号に応答して付加フィルタ部を選択的にバイパスするスイッチング配置よりなる。
本発明の更なる面によれば、付加フィルタ部は、モード決定制御信号に応答してＰＬＬの応答時間を増加させる振幅対周波数応答を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の上記及び他の面は、添付図面を参照してより詳細に説明される。添付図面において、同一又は類似の参照名は、同一又は類似の素子を識別するため使用される。
以下、テレビジョン情報がＭＰＥＧ方式のような所定のディジタル圧縮規格に従って符号化及び圧縮された形式で伝送されるディジタル衛星テレビジョンシステムに関して本発明の説明を行う。ＭＰＥＧ方式は、動画像専門家グループ（Ｍｏｔｉｏｎ Ｐｉｃｔｕｒｅｓ Ｅｘｐｅｒｔ Ｇｒｏｕｐ）により開発された動画像及び関連したオーディオ情報の符号化表現の国際規格である。カリフォルニア州のヒューズ社によって管理されるＤｉｒｅｃｔＴＶ（登録商標）衛星テレビジョン伝送システムは、上記のディジタル衛星テレビジョン伝送システムである。
【００１１】
送信器において、テレビジョン情報は、ディジタル化され、圧縮され、テレビジョン情報のビデオ及びオーディオの各部分に対応したデータパケットの系列又はストリームに構造化される。ディジタルデータは、周知のＱＰＳＫ（直交位相シフトキ−イング）として無線搬送波信号上に変調され、無線周波信号は、地球の軌道にある衛星に伝送され、衛星から地上に再伝送される。ＱＰＳＫ変調において、２個の直交した位相信号Ｉ及びＱの位相は、夫々のディジタルデータストリームのビットに応答して制御される。例えば、位相は、低い論理レベル（“０”）に応答して０度（°）に設定され、位相は、高い論理レベル（“１”）に応答して１８０°に設定される。位相シフト変調後のＩ及びＱ信号は合成され、得られた結果が、ＱＰＳＫ変調された無線周波搬送波信号として伝送される。従って、変調されたＱＰＳＫ搬送波の各サイクルは、４個の論理状態、即ち、００、０１、１０及び１１の中の一つを指定する。
【００１２】
衛星は、典型的に、夫々の変調された無線周波搬送波を受信し、再送信する多数のトランスポンダを含む。従来の地上テレビジョンシステムにおいて、各無線周波搬送波又は“チャンネル”は、同時に１個のテレビジョン番組だけに対する情報を含む。従って、１個の番組を観るため、対応する無線周波信号だけを選択する必要がある。ディジタル衛星テレビジョンシステムの場合に、変調された各無線周波搬送波は、数個の番組に対する情報を同時に搬送する。各番組は、番組を識別するパケットに付加された固有のヘッダにより区別されたビデオパケット及びオーディオパケットのグループに対応する。従って、番組を観るため、対応する無線周波信号と、対応するパケットの両方を選択する必要がある。
【００１３】
図１に示されたディジタル衛星テレビジョン受信器において、衛星（図示しない）により送信されたビデオ及びオーディオ情報を表わすディジタル信号で変調された無線周波信号は、パラボラ状アンテナ１により受信される。（例えば、１２．２乃至１２．７ＧＨｚのＫｕ周波数域に収まる）比較的高周波の受信無線周波信号は、無線周波増幅器３−１と、ミキサ３−３と、発振器３−５とを含むブロック変換器３によって、（例えば、９５０乃至１４５０ＭＨｚのＬ帯域に収まる）比較的低周波の無線周波信号に変換される。増幅器３−１は、“低ノイズ”増幅器であるので、ブロック変換器３は、屡々、“低ノイズブロック変換器”を表わす“ＬＮＢ”のように略記される。アンテナ１及び低ノイズブロック変換器３は、受信システムの所謂“屋外ユニット”５に収容される。受信器の残りの部分は、所謂“屋内ユニット”７に含まれる。
【００１４】
屋内ユニット７は、屋外ユニット５から受信された複数の無線周波信号の中から所望の番組に対するパケットを格納する無線周波信号を選択し、選択された無線周波信号を対応する低い方の中間周波（ＩＦ）信号に変換する同調システム９を含む。以下、同調システム９の構造に関係した本発明の一面を詳細に説明する。
【００１５】
屋内ユニット７の残りの部分は、所望の番組に対応したディジタルビデオ及びオーディオサンプルのストリームを生成するため、中間周波信号によりＱＰＳＫ変調形式で搬送されたディジタル情報を復調、復号化、及び圧縮解除し、次いで、ディジタルサンプルストリームを、再生又は記録のため適当なアナログビデオ及びオーディオの各信号に変換する。より詳細に言うと、ＱＰＳＫ復調器１１は、送信器において発生させられた位相シフト変調後のＩ及びＱ信号により表わされたデータに対応するデータビットの夫々のストリームを含む２個のパルス信号ＩＰ及びＱＰを生成するため、中間周波信号を復調する。復号器１３は、ＩＰ及びＱＰ信号のビットをデータブロックに構造化し、送信器の送信されたデータに埋め込まれた誤差コードに基づいてデータブロック内の伝送誤差を補正し、伝送されたＭＰＥＧ方式のビデオパケット及びオーディオパケットを再生成する。ビデオパケット及びオーディオパケットは、輸送ユニット１５により、データ処理ユニット１７の夫々のビデオ及びオーディオ部に供給され、データ処理ユニットにおいて、ビデオパケット及びオーディオパケットは、圧縮解除され、夫々のアナログ信号に変換される。マイクロプロセッサ１９は、屋内ユニット１７の種々の部分の動作を制御する。しかし、本発明の一実施例の説明に必要とされるマイクロプロセッサ１９により生成され、受信された制御信号だけが、図１に示される。
【００１６】
上記のディジタル衛星テレビジョン受信器は、インディアナ州インディアナポリスのトムソン コンシューマ エレクトロニクス社から商業的に入手可能なＲＣＡ（登録商標）形のＤＳＳ（登録商標）ディジタル衛星システムテレビジョン受信器に類似する。
上記の如く、本発明の一面は同調システム９の構造に関係する。同調システム９は、低ノイズブロック変換器３によって入力９０１に供給された無線周波信号を受信する。無線周波入力信号は、広帯域フィルタ９０３によりフィルタ処理され、無線周波増幅器９０５により増幅され、調整可能帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）９０７によりフィルタ処理される。調整可能帯域通過フィルタ９０７は、所望の無線周波信号を選択し、所望されていない無線周波信号を排除する。得られた無線周波信号はミキサ９０９の第１の入力に結合される。局部発振器（ＬＯ）９１１により生成された局部発振器信号は、ミキサ９０９の第２の入力に結合される。ミキサ９０９の出力は、増幅器９１３により増幅され、表面音響波装置からなる中間周波フィルタ９１５の入力に結合される。中間周波フィルタ９１５の出力は同調システム９の出力９１７に結合される。
【００１７】
局部発振器９１１の周波数は、位相ロックドループ（ＰＬＬ）集積回路（ＩＣ）９２１と、外部周波数基準水晶９２３と、外部フィルタ回路網９２５とからなる位相ロックドループ（ＰＬＬ）配置９１９により制御される。局部発振器信号の周波数は、マイクロプロセッサ１９により発生されたデータに従ってＰＬＬ９１９により制御される。ＰＬＬ９１９の細部は図２に示される。
【００１８】
図２に示されているように、ＰＬＬ集積回路９２１は、プログラマブル分周器（÷Ｎ）９２１−３が後に続く局部発振器信号の周波数を分割する“プリスケーラ”分周器９２１−１を含む。ＰＬＬ集積回路は、増幅器９２１−５を更に有し、増幅器９２１−５は、外部水晶９２３と共に、基準周波数発振器を構成する。基準周波数発振器の出力は、基準周波数分周器（÷Ｒ）９２１−７の入力に結合される。プログラマブル分周器（÷Ｎ）９２１−３及び基準分周器（÷Ｒ）９２１−７の出力信号は、位相検波器９２１−９の各入力に結合される。位相検波器９２１−９の出力信号は、プログラマブル分周器（÷Ｎ）９２１−３の出力に生成された局部発振器信号の分周された周波数バージョンと、基準分周器（÷Ｒ）９２１−７の出力に生成された基準信号との間の周波数差及び位相差を表わす誤差信号である。誤差信号は、位相検波器９２１−９の入力信号の間の位相差及び周波数差の向きに依存する相対的に正又は相対的に負のいずれかの極性と、位相差及び周波数差の大きさに依存する可変期間とを有するパルスを含む。誤差信号は増幅器９２１−１１に結合され、増幅器９２１−１１は、外部フィルタ回路網９２５と共に、局部発振器９１１用の同調制御電圧を生成するため誤差信号をフィルタ処理するループフィルタ９２７を構成する。同調制御電圧は、調整可能帯域通過フィルタ９０７を制御する。以下に詳細に説明するループフィルタ９２７は、本発明の一面に従って構成される。
【００１９】
動作中に、プログラマブル分周器（÷Ｎ）９２１−３の出力に生成された局部発振器信号の分周されたバージョンの周波数及び位相が、基準分周器（÷Ｒ）９２１−７の出力に生成された基準信号の周波数及び位相と実質的に一致するまで、局部発振器信号の周波数は同調電圧に応答して制御される。その時点で、位相ロックドループは“ロックされ”、局部発振器信号の周波数は、プログラマブル分周器（÷Ｎ）９２１−３のプログラム可能な分周比（Ｎ）で、基準周波数分周器（÷Ｒ）９２１−７により生成された基準周波数信号の周波数と比例的な関係がある。プログラム可能な分周比Ｎは、無線周波周波数を制御するため、マイクロプロセッサ１９によって発生されたデータに応答して制御される。
【００２０】
コスト的な理由のため、同調システム９は以下の三つの特徴を有することが望ましい。即ち、（１）同調システム９には中間周波フィルタ段の前に単一の変換段しかない。（２）同調システム９は、表面音響波装置が通常の中間周波フィルタリングと共に、所謂“ディジタル シンボル シェーピング”のため使用され得るように十分に低い周波数を中間周波信号に与える。（３）同調システム９は、放送及びケーブル受信器のために従来使用されたＰＬＬ同調制御集積回路を用いて構成することができる。基本的に上記の目標は、（１）ブロック変換器から受信された無線周波信号の最高周波数（例えば、１４５０ＭＨｚ）と、従来の地上放送及びケーブル同調制御ＰＬＬ集積回路を利用することにより得られる最高局部発振器周波数（例えば、１３００ＭＨｚのオーダーに収まる）との差のオーダー（例えば、１４０ＭＨｚ）に収まる中間周波中心周波数を選択し、（２）受信された無線周波信号の周波数域よりも高い方ではなく、低い方の周波数域と共に局部発振器周波数を利用することにより達成される。上記実施例の同調システムにおいて、中間周波信号の中心周波数は１４０ＭＨｚである。しかし、上記のガイドラインを利用して別の中間周波周波数を実現することが可能である。
【００２１】
比較的低い、例えば、１４０ＭＨｚのオーダーの中間周波中心周波数によって、中間周波フィルタ部の前に、高価な２重変換チューナではなく単一変換チューナが使用可能になる。更に、通常の中間周波フィルタ処理と共に、所謂“ディジタル シンボル シェーピング”を提供する表面音響波装置が使用され得る。ディジタル伝送システムにおいて、所謂“ディジタル シンボル シェーピング”は、伝送帯域幅の制限に起因するシンボル間の干渉を低減するため送信器において行われる。更に、送信器で行われたディジタルシンボルシェーピングを補うため、受信器においてディジタルシンボルシェーピングを行うことが望ましい。その上、中間フィルタは、別個のディジタルフィルタが必要にならないように、通常の中間周波フィルタリング機能と共に、シンボルシェーピング機能を提供することが望ましい。例えば、ディジタルフィルタ技術において“ルート レイズドコサイン（ｒｏｏｔ ｒａｉｓｅｄ ｃｏｓｉｎｅ）”として知られる応答は、ディジタルシンボルシェーピングに適当である。中間周波表面音響波フィルタ９１５はかかる応答を有する。表面音響波フィルタ９１５の振幅対周波数特性は図１に示されている。表面音響波フィルタ９１５は、１４０ＭＨｚの中心周波数と、受信された無線周波信号の帯域場と対応するかなり平坦な約２４ＭＨｚの通過域とを有する。リチウムタンタレートの基板を利用する上記特性を備えた表面音響波フィルタは、１９９５年６月６日にケー ジェー リヒター（Ｋ． Ｊ． Ｒｉｃｈｔｅｒ） 、エム エー プゲル（Ｍ． Ａ． Ｐｕｇｅｌ） 、及び、ジェー エス スチュワート（Ｊ． Ｓ． Ｓｔｅｗａｒｔ） により出願され、本願出願人に譲受された発明の名称“ディジタル衛星受信器のチューナ用の表面音響波フィルタ”の米国特許出願第０８／４６７，０９５号明細書に詳細に記載される。
【００２２】
更に、１４０ＭＨｚの中間周波中心周波数と、９５０乃至１４５０ＭＨｚの範囲の無線周波入力周波数域の場合に、局部発振器周波数域は８１０乃至１３１０ＭＨｚである。局部発振器信号の８１０乃至１３１０ＭＨｚの周波数域により、衛星受信器のため特別に設計されたＰＬＬ同調制御集積回路ではなく、放送及びケーブル受信器に従来より広く使用され、即ち、比較的に低価格のＰＬＬ同調制御集積回路の方を使用することが可能になる。かかる放送及びケーブルＰＬＬ同調制御集積回路は、オランダ国のフィリップスセミコンダクタから商業的に入手可能なＴＳＡ５５１５Ｔ等である。ＴＳＡ５５１５Ｔ及び類似した集積回路を用いて得られる最大の局部発振器周波数は、１３００ＭＨｚの適切なオーダーに収まる。
【００２３】
同調システム９の中の上記の部分は、１９９５年６月６日にエム エー プゲル及びケー ジェー リヒターにより出願され、本願出願人に譲受された発明の名称“ディジタル衛星受信器のチューナ”の米国特許出願第０８／４６７，０９７号明細書の課題である。本発明は、以下に説明するように、特に、捕捉及び細かい同調動作の間に局部発振器９１１を制御する装置に関係する。
【００２４】
衛星により送信され、アンテナ１により受信された無線周波信号の搬送波は、“公称”値を持続する非常に安定な周波数を有する。従って、低ノイズブロック３の発振器３−５の周波数が安定であり、かつ、その公称値を維持する限り、屋内ユニット７の同調システム９により受信される無線周波信号の搬送波の周波数は、その公称値である。残念ながら、発振器３−５の周波数は、時間及び温度と共に変化する。発振器３−５のその公称周波数に関する周波数オフセットは、同調システム９により受信された無線周波信号の搬送波周波数の対応するオフセットを生じさせる。上記の周波数オフセットを補償するため、同調システム９の局部発振器９１１の周波数は、二つの探索動作中にＱＰＳＫ復調器から受信された周波数状態情報に応答してマイクロプロセッサ１９の制御下で変更される。上記の探索動作を含む同調システム９のマイクロプロセッサ１９の制御プログラムのフローチャートは、図３に示される。
【００２５】
第１の探索は、新しい番組が最初に選択された後の捕捉モード中に行われる。新しい番組が選択されたとき、マイクロプロセッサ１９は、局部発振器周波数を、新しい番組に対するトランスポンダの公称無線周波周波数に対応する公称局部発振器周波数に設定する。次いで、ＱＰＳＫ復調器１１により発生されたロック信号ＬＯＣＫの状態が監視される。ロック信号ＬＯＣＫは、ＱＰＳＫ復調器１１が中間周波信号により搬送されたディジタルデータを復調するため正確に動作しているかどうかを示す。例えば、ロック信号ＬＯＣＫは、ＱＰＳＫ復調器１１がディジタルデータを適切に復調していないとき低い論理レベルを有し、ＱＰＳＫ復調器１１がディジタルデータを適切に復調しているとき高い論理レベルを有する。局部発振器周波数が選択されたトランスポンダに対する公称局部発振器周波数に設定された後、ロック信号ＬＯＣＫが低い論理レベルを有するならば、局部発振器９１１の周波数は、ロック信号ＬＯＣＫが高い論理レベルを有するまで公称局部発振器周波数の周囲の範囲で変更される。ロック信号ＬＯＣＫの発生は、同調システム９の安定状態動作モードの開始を示す。
【００２６】
安定状態モードの間に、ＱＰＳＫ復調器１１により発生された周波数信号ＦＲＥＱＵＥＮＣＹは、中間周波信号の搬送波の周波数が中間周波表面音響波フィルタ９１５の通過域内の中心に置かれているかどうか、即ち、上記の実施例において、中間周波信号の搬送波の周波数が公称中間周波中心周波数、例えば、１４０ＭＨｚであるかどうかを判定するため監視される。中間周波搬送波の周波数が公称中心周波数の周辺の所定の範囲の外側に外れたならば、ＱＰＳＫ復調器１１の性能は低下し、誤差が発生する。周波数信号ＦＲＥＱＵＥＮＣＹが所定の周波数オフセットを超えていないことを示すならば、局部発振器９１１の周波数は、捕捉モードの間に確定された初期値から左側に変更される。しかし、周波数信号ＦＲＥＱＵＥＮＣＹが所定の周波数オフセットが超えたことを示すならば、局部発振器９１１の周波数は、第２又は“細かい同調”探索モードの間に、状況が訂正されるまで、変更される。以下に説明するように、本発明の一面は細かい同調モードの間に発生する問題の解決を目的としている。
【００２７】
地上放送及びＰＬＬ集積回路９２１からなる同調システム９は、殆どの状況下で非常に満足できる性能を発揮する。しかし、地上の同調ＰＬＬ集積回路９２１には、ビデオ及び／又はオーディオ情報の一時的な損失を生じる制限がある。位相ロックドループにより制御された局部発振器の最小周波数変化のサイズは、プログラマブル分周器（÷Ｎ）のプログラム可能な分周比（Ｎ）の最小の可能な増分の値と、ＰＬＬ集積回路９２１の基準信号の周波数とに関係する。ＴＳＡ５５１５Ｔのような地上同調ＰＬＬ集積回路は、局部発振器信号の周波数を、比較的大きい増加的な周波数の刻み幅、例えば、６２．５ｋＨｚで変更させ得る。その結果として、二つの探索動作中に、中間周波信号の搬送波の周波数は、同一の比較的大きい刻み幅で変化する。残念ながら、ＱＰＳＫ復調器１１は、かかる比較的大きい周波数の刻み幅に追従できないので、適当な復調動作の中断と、ビデオ及びオーディオデータの損失とを生じさせる可能性がある。
【００２８】
第１の探索モードが捕捉モード中に発生するならば、新しい番組の捕捉処理にある程度の時間が要することを視聴者は予測しているので、データの損失は目立たない。しかし、第２又は細かい同調動作が安定状態モードの間に要求されるならば、現在視聴中の番組のビデオ及び／又はオーディオの応答は中断される。かかる中断の可能性は、ＰＬＬ配置９１９の“スルーレート”、即ち、細かい同調動作中に同調電圧が振幅を変えるレートを低下させることにより減少する。より詳しく言うと、ループフィルタ９２７の応答時間は、マイクロプロセッサ１９により発生された細かい制御信号ＦＩＮＥ ＴＵＮＩＮＧに応じて増加する。以下、図４を参照してこの解決法が向けられた問題を更に詳細に説明する。図４にはＱＰＳＫ復調器１１の実装のブロック図が示される。
【００２９】
図４に示される如く、中間周波表面音響波９１５により生成された中間周波信号は、ミキサ１１０１Ｉ及び１１０１Ｑの夫々の第１の入力に結合される。文字“Ｉ”及び“Ｑ”は、夫々、“同相”及び“直交”を表わす。かなり安定な周波数発振器１１０３の出力信号は、ミキサ１１０１Ｉに直接結合され、９０度（９０°）位相偏移回路網１１０５を介してミキサ１１０１Ｑに間接的に結合される。ミキサ１１０１Ｉは、“同相”、中間周波信号の“近傍”ベースバンド（非常に低い周波数）バージョン（ＩＡ）を生成し、一方、ミキサ１１０１Ｑは、“同相”信号（ＩＡ）に対し９０°偏移させられた“直交”、即ち、中間周波信号のベースバンドの近傍のバージョン（ＱＡ）を生成する。文字“Ａ”は“アナログ”を表わす。
【００３０】
同相アナログ信号ＩＡ及び直交アナログ信号ＱＡは、夫々のアナログ／ディジタル変換器１１０７Ｉ及び１１０７Ｑに結合される。アナログ／ディジタル変換器１１０７Ｉ及び１１０７Ｑは、“タイミング再現ループ”１１０９からクロック信号を受け、ディジタルサンプルＩＤ及びＱＤの各系列を生成する。文字“Ｄ”は“ディジタル”を表わす。クロック信号の周波数及び位相は、ディジタルサンプルの周波数と、アナログ信号ＩＡ及びＱＡに対するディジタル信号ＩＤ及びＱＤのディジタルサンプルの位相とを定める。タイミング再現ループ１１０９は、制御された発振器（図示しない）を含み、そこからＡ／Ｄ変換器１１０７Ｉ及び１１０７Ｑのクロック信号が得られる。制御された発振器は、ディジタル位相ロックドループ（図示しない）により制御されるので、ディジタルサンプルは、対応するアナログ信号ＩＡ及びＱＡの振幅レベル、即ち、アナログ信号の最大及び最小振幅に対応する最大及び最小サンプル値と同期させられる。換言すると、タイミング再現ループ１１０９は、Ａ／Ｄ変換器１１０７Ｉ及び１１０７Ｑのサンプリング動作を中間周波信号と同期させる。
【００３１】
同相ディジタル信号ＩＤ及び直交ディジタル信号ＱＤは、“搬送波再現ループ”１１１１に結合される。搬送波再現ループ１１１１は、夫々のパルス信号ＩＰ及びＱＰを形成するため、アナログ信号ＩＡ及びＱＡの位相偏移が表わされたディジタルサンプル信号ＩＤ及びＱＤを復調する。各パルス信号ＩＰ及びＱＰは、データビットに対応するパルスの系列を含む。上記データビットは、伝送されたＱＰＳＫ無線周波搬送波の信号Ｉ及びＱの０°及び１８０°の位相偏移のいずれかに夫々対応する論理的ロー（“０”）レベル又は論理的ハイ（“１”）レベルを有する。信号成分ＩＰ及びＱＰは復号器１３に結合され、復号器１３において種々のデータビットはＭＰＥＧ方式データパケットに形成される。
【００３２】
搬送波再現ループ１１１１は、制御された発振器１１１１−１と、位相検波器１１１１−３と、ループフィルタ１１１１−５とからなるディジタル位相ロックドループ（ＰＬＬ）を含む。位相検波器１１１１−３は、信号ＩＤ及びＱＤに応答して位相誤差信号を発生する。制御された発振器１１１１−１の公称周波数及び公称位相は、中間周波信号の公称周波数及び公称位相、従って、アナログ信号ＩＡ及びＱＡの公称周波数及び位相と、対応するディジタルサンプル信号ＩＤ及びＱＤとに対応する。
【００３３】
動作中に、信号ＩＤ及びＱＤにより表わされた信号の位相偏移は、中間周波信号の位相及び周波数が正確な場合に位相誤差信号から容易に判定される。しかし、信号ＩＡ及びＱＡの位相及び周波数が正しくないならば、検出された位相偏移は０°及び１８０°ではなく、それらの値から偏移させられる。本質的に、位相誤差は、所謂データの“配置”内の理想的な２ビットのデータの位置に対し、２ビットの変調されたデータの“位置”の“チルト”を生じさせる。例えば、選択された無線周波信号の低ノイズブロックにより生じた周波数オフセットに起因した周波数誤差は、時間に関しＱＰＳＫ信号の２ビットの復調されたデータの位置の所謂“回転”を生じさせる。図４に示されているように、ＱＰＳＫ変調のデータ配置は、信号Ｉ及びＱの２個の実現可能な位相偏移の値により表わされた４個の可能な論理的組合せ（００，０１，１０及び１１）に対応する４点を有する。位相検波器１１１１−３は、データ配置内の理想的な位置に対する復調されたデータの位置を測定する。データの回転とチルトを補正するため、制御された発振器１１１１−１の周波数、従って、位相は、回転が停止し、チルトが除去されるまで、位相検波器１１１１−３の出力信号に応答して変えられる。この点で復調されたデータは信頼性が高く、ループは“ロックされた”と言われる。高い論理レベルの信号ＬＯＣＫは、データが高い信頼性で復調され、復号化が可能であることを示すため発生させられる。信号ＬＯＣＫは、位相誤差の変化が所定の限界よりも低下したとき、位相誤差信号の微係数を調べることにより発生させられる。上記の如く、捕捉モードの間に、信号ＬＯＣＫはマイクロプロセッサ１９により監視され、局部発振器９１１の周波数は、信号ＬＯＣＫが高い論理レベルを有するまで、マイクロプロセッサ１９により調整される。
【００３４】
限界の範囲内で、搬送波再現ループ１１１１は、中間周波数の周波数、従って、信号ＩＡ及びＱＡの周波数が不正確又はオフセットしているときでも、ＱＰＳＫデータを復調することができる。しかし、周波数オフセットが非常に大きいならば、中間周波信号の周波数スペクトルの一部は、表面音響波フィルタ９１５の中心周波数に対する中間周波信号の偏移に起因して、表面音響波フィルタ９１５の通過域の外側に逸れる。これにより、受信器のＳＮ比の劣化が生じる。従って、上記の如く、マイクロプロセッサ１９は、中間周波信号の周波数オフセットを知らせるため、搬送波再現ループ１１１１により発生させられた信号ＦＲＥＱＵＥＮＣＹを監視する。周波数オフセットが所定の限界を超えたとき、マイクロプロセッサ１９は、細かい同調モードの間に周波数オフセットを減少させるため、局部発振器周波数を調整することが可能になる。信号ＦＲＥＱＵＥＮＣＹは、位相検波器１１１１−３により検出された位相誤差を積分することにより発生される。
【００３５】
上記の如く、局部発振器信号の周波数、従って、中間周波信号の周波数は、比較的大きな周波数の刻み幅、例えば、６２．５ｋＨｚで変化し、ＱＰＳＫ復調器１１は、このような比較的大きい周波数の刻み幅を追従し得ない。その結果として、適当な復調動作の中断と、ビデオ及びオーディオデータの損失が生じる。ＱＰＳＫ復調器１１が比較的大きい周波数の変化を追従し得る可能性は、搬送波再現ループ１１１１のループ帯域幅、より詳しく言うと、ループフィルタ１１１１−５の応答の関数である。搬送波再現ループ１１１１のループ帯域幅は、応答時間を短縮するため任意に大きくするべきではない。その理由は、増加したループ帯域幅は、受信器のＳＮ比、即ち、受信器が低レベルの信号を受信する能力を劣化させるからである。更に、応答時間を縮小するためＰＬＬ９１９のループ帯域幅を減少させることは望ましくない。その理由は、応答時間の短縮により、新しいトランスポンダの周波数が選択されたとき、過度に長い捕捉時間が生じるからである。上記の如く、細かい同調動作中に復調処理の中断の可能性を低下させるため、同調制御ＰＬＰ９１９の応答時間は、同調電圧、従って、局部発振器９１１の周波数が細かい同調動作中に変更され得るレートを短縮するため、選択的に増加させられる。以下、この解決法を説明する。
【００３６】
再度、図２、特に、上記の“ループフィルタ９２７”という名前の回路をを参照するに、ループフィルタ９２７は、ＰＬＬ集積回路９２１内の増幅器９２１−１１と、外部フィルタ回路網９２５とを含む。外部フィルタ回路網は、内部増幅器９２１−１１と局部発振器９１１との間に縦続接続された第１のフィルタ段９２５−１と、第２の制御可能なフィルタ段９２５−２とを含む。
【００３７】
第１のフィルタ段９２５−１と、ＰＬＬ集積回路９２１の増幅器９２１−１１は、積分器を形成する。より詳細に言うと、第１のフィルタ段９２５−１は、コモンエミッタ増幅器として設けられたバイポーラトランジスタＱ１を含む。トランジスタＱ１のベースは、集積回路端子を介して増幅器９２１−１１の出力に接続される。トランジスタＱ１のエミッタは信号接地に接続される。負荷抵抗Ｒ６は、トランジスタＱ１のコレクタと、電源電圧源（＋ＶＣＣ）との間に接続される。抵抗Ｒ１と、キャパシタＣ１及びＣ２とを含むフィルタ部は、積分器を完成するため、集積回路端子を介してトランジスタＱ１のコレクタと増幅器９２１−１１との間の負帰還路に接続される。コモンエミッタ構造のトランジスタＱ１により与えられる信号の反転のため、帰還は負帰還である。
【００３８】
負帰還構造の形で接続された増幅器９２１−１１と第１のフィルタ段９２５−１とからなる積分器の使用は、ＰＬＬ回路９１９をタイプＩＩの位相ロックドループを形成する。タイプＩＩの位相ロックドループは、プログラマブル周波数分周器（÷Ｎ）９２１−３の出力に発生された局部発振器信号の分周されたバージョンと、基準周波数分周器（÷Ｒ）９２１−７の出力に発生された基準周波数信号との間の位相及び周波数の両方の差を最小限に抑えるので、局部発振器９１１の位相及び周波数の両方を安定化させる。
【００３９】
第２のフィルタ段９２５−２は、抵抗Ｒ２、Ｒ４及びＲ５と、キャパシタＣ３及びＣ４とからなる２重の極、２重の零点のフィルタ部と、電界効果トランジスタＱ２と比較的小さい値の抵抗Ｒ３とからなる電気的に制御されたスイッチ部とを含む。トランジスタＱ２の導通状態は、マイクロプロセッサ１９により発生させられた細かい同調信号ＦＩＮＥ ＴＵＮＥに応答して制御される。第２のフィルタ部９２５−２は、２重の極、２重の零点のフィルタ部（Ｒ２、Ｒ４、Ｒ５、Ｃ３及びＣ４）を効果的にバイパスするか、或いは、第１のフィルタ部９２５−１と局部発振器９１１との間に２重の極、２重の零点のフィルタ部を含むため選択的に制御される。より詳細に言うと、同調システム９が細かい同調の動作モードではないとき、信号ＦＩＮＥ ＴＵＮＥは低い論理レベルを有し、トランジスタＱ２の導通チャンネルは、低インピーダンス状態、又は、“オン”にされる。その結果として、第２のフィルタ部９２５−２の要素の抵抗Ｒ２、Ｒ４及びＲ５と、キャパシタＣ４及びＣ５は、“オン”状態のトランジスタＱ２と比較的小さい値の抵抗Ｒ３とに起因して効果的にバイパスされる。細かい同調モードにおいて、信号ＦＩＮＥ ＴＵＮＥは、高い論理レベルを有し、トランジスタＱ２の導通チャンネルは、高インピーダンス状態、又は、“オフ”にされる。その結果として、第２のフィルタ部９２５−２の抵抗Ｒ２、Ｒ４及びＲ５と、キャパシタＣ４及びＣ５は、第１のフィルタ部９２５−１と局部発振器９１１との間の経路に接続される。
【００４０】
第２のフィルタ９２５−２のボード式振幅対周波数特性が図５に特性＃１として示されている。振幅レベルはデジベル（ｄＢ）で表わされ、周波数軸は対数目盛である。特性＃１は、２個の“極”Ｐ１及びＰ２と、２個の“零点”Ｚ１及びＺ２とを有し、極Ｐ１、零点Ｚ１、零点Ｚ２及び極Ｐ２が順次に周波数が高くなる順番に現れる。極Ｐ１は抵抗Ｒ２及びキャパシタＣ４に起因し、零点Ｚ１は抵抗Ｒ２及びキャパシタＣ３に起因し、零点Ｚ２は抵抗Ｒ５及びキャパシタＣ４に起因し、極Ｐは抵抗Ｒ５及びキャパシタＣ３に起因する。
【００４１】
ＰＬＬ９１９の全体の一巡応答の２個のボード式振幅対周波数特性が図５に示される。特性＃２は、同調システム９が細かい同調モードではなく、ループフィルタ９２７が第１のフィルタ段９２５−１だけを含むとき、即ち、第２のフィルタ段９２５−２の２重の極、２重の零点のフィルタ部（Ｒ２、Ｒ４、Ｒ５、Ｃ３及びＣ４）がバイパスされたときのループ応答である。特性＃３は、同調システム９が細かい同調モードであり、ループフィルタ９２７が縦続接続された第１のフィルタ段９２５−１と、第２のフィルタ段９２５−２の２重の極、２重の零点のフィルタ部（Ｒ２、Ｒ４、Ｒ５、Ｃ３及びＣ４）とを含むときの一巡応答である。特性＃２は、特性の重なり合いを回避するため特性＃１及び＃２に関して振幅の点で明確にスケーリングされていない。
【００４２】
縦続された２段の全体の振幅対周波数特性は、二つの個別の特性の乗算的な積、或いは、振幅がデシベル（ｄＢ）レベルで表わされたときには加算的な積を生じ、特性＃３は特性＃１と特性＃２の加算的な結合により得られることに注意する必要がある。特性＃１の極は、特性＃３の（負方向の）勾配の増加を生じさせる。特性＃１の零点は、特性＃３の（負方向の）勾配の減少を生じさせる。極Ｐ１は全体の一巡利得、即ち、全体の一巡帯域幅を減少させる。零点Ｚ１及びＺ２が無い場合に、特性＃３の勾配は、周波数の１ディケード（ｄｅｃａｄｅ）につき２０ｄＢよりも大きい勾配で０ｄＢの振幅レベルと交差し、ループを不安定にされ、これにより、発振しがちになる。極Ｐ２は、抵抗Ｒ５及びキャパシタＣ３を必要とする回路のトポロジーに起因して付随的に生じる。それにもかかわらず、極Ｐ２は、ＰＬＬ９１９の基準周波数信号のような帯域の外側の信号の一巡利得を減少させる（即ち、減衰を増加させる）点で有利である。
【００４３】
同調システム９が細かい同調モードではないとき（特性＃２）、一巡帯域幅はかなり広いので、ＰＬＬ９１９の応答は比較的高速であることが図５から分かる。これに対し、同調システム９が細かい同調モードであるとき（特性＃３）、一巡帯域幅はかなり狭いので、ＰＬＬ９１９の応答はかなり遅い。
図２に示された第２のフィルタ段９２５−２を実現する際に、抵抗Ｒ４は、以下の理由のため、トランジスタＱ１のコレクタで第１のフィルタ段９２５−１の出力をキャパシタＣ４から絶縁することが望ましい。キャパシタＣ４は、かなり大きい容量を有する。抵抗Ｒ４が無い場合（即ち、抵抗Ｒ４が直接接続により置換された場合）に、同調システムが捕捉モードにあり、かつ、スイッチングトランジスタが“オン”状態であるとき、キャパシタＣ４と抵抗Ｒ５の直列接続は、第１のフィルタ段９２５−１の出力と分路内で直接的に接続される。これは、捕捉時間の所望されない増加を生じる傾向がある。しかし、比較的大きい値の抵抗Ｒ４は、第１のフィルタ段９２５−１の出力をキャパシタＣ４から絶縁させ、これにより、キャパシタＣが捕捉時間を著しく増大させることを阻止する。
【００４４】
更に、かなり大きい値が与えられたキャパシタＣ４に関して、捕捉モードがキャパシタＣ４を捕捉モード中に発生させられた同調電圧まで充電（又は放電）させた後、細かい同調動作の開始を許可する前に、所定の時間の遅延を設けることが望ましい。かかる遅延は、図３のフローチャートに示されたようにプログラム制御下のマイクロプロセッサ１９により得られる。
【００４５】
捕捉動作を高速化させるべくＰＬＬ９１９の応答時間を変えるため、図２に示されているように動的な“スピードアップ”回路９２５−３を第１のフィルタ段９２５−１に追加することが望ましい。スピードアップ回路９２５−３は、プッシュ・プル構造の対抗した導通タイプのバイポーラトランジスタＱ３及びＱ４と、抵抗Ｒ７とを含む。共通に接続されたトランジスタＱ３及びＱ４のベースは、キャパシタＣ１の一方の側に接続され、共通に接続されたエミッタは、抵抗Ｒ７ を介してキャパシタＣ１のもう一方の側に接続される。トランジスタＱ３及びＱ４のコレクタは、逆の極性の夫々の電源電圧源＋ＶＣＣ及び−ＶＣＣに接続される。
【００４６】
外部フィルタ回路網９２５の成分値の一例は以下の表に示される。
【００４７】
【表１】

【００４８】
動作中に、新しいトランスポンダ周波数が選択されるときのように大きい周波数変化が生じたとき、大きい誤差信号が発生され、対応する大きい電圧が抵抗Ｒ１の両端に発生する。変化の極性に依存して、トランジスタＱ３又はＱ４の一方がターンオンし、電流を“供給”又は“減少”させる。これにより、一巡利得に有効な増加が生じ（即ち、特性＃２が上方に移動され）、結果的に捕捉時間の短縮が得られる。ＰＬＬ９１９が所望の周波数に接近し、かつ、誤差信号が減少すると共に、“オン”状態のトランジスタはターン“オフ”される。スピードアップ回路９２５−３と類似したスピードアップ回路は、他のスピードアップ回路と共に、１９９５年６月２０日にデビッド エム バッドガー（Ｄａｖｉｄ Ｍ． Ｂａｄｇｅｒ） により出願され、本願出願人に譲受された発明の名称“高速動作制御システム”の米国特許出願第０８／５０４，８４９号明細書に詳細に記載されている。
【００４９】
本発明は、特定の応用の特定の実施例に関する例により説明されたが、他の応用に適合するよう変更がなされることは当業者により認められる。この点に関して、本発明は、フィルタ部が増幅器の帰還路に含まれた負帰還形の積分器を利用する閉ループ配置の応答時間を変更することが望ましいとき利用される。更に、この点に関し、本発明の説明は、ループ応答時間の増加を必要とする応用に関して行われたが、本発明はループの応答時間を短縮させるため利用してもよい。更に、本発明の説明は、特定の回路トポロジーに関して行われたが、本発明は他のトポロジーが利用された場合にも利用可能である。例えば、図２に示された積分器配置の負帰還は共通エミッタ構造のトランジスタＱ１により与えられた信号反転に因るが、帰還を他の方法で与えても構わない。例えば、共通エミッタ構造のトランジスタＱ１は、増幅器９２１−１１が反転増幅器の場合には取り除くことができる。更に、単一入力増幅器９２１−１１の代わりに、非反転及び反転の両方の入力を有する増幅器が利用された場合、負帰還は、抵抗Ｒ１と、キャパシタＣ１及びＣ２とを含むフィルタ部を反転入力に接続することにより与えられ、共通エミッタ構造のトランジスタＱ１を取り除くことが可能である。上記及び他の変更は、特許請求の範囲の請求項により定義された本発明の精神の範囲内に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい一実施例の説明に参照される同調システムを含むディジタル衛星テレビジョン受信器のブロック図である。
【図２】図１に示された同調システムに使用された位相ロックドループ同調制御集積回路のブロック図と、本発明の一面に従って構成された制御可能な位相ロックドループフィルタの回路実装の概略図とを含む図である。
【図３】図１に示された同調システム用のマイクロプロセッサ制御プログラムのフローチャートである。
【図４】図１に示された衛星受信器に使用され、本発明の一面が向けられた問題を理解するために有用なディジタルデータ復調器のブロック図である。
【図５】本発明の一面に従って、図２に示された制御可能な位相ロックドループフィルタと関係した振幅対周波数応答特性のグラフである。
【符号の説明】
１ アンテナ
３ 低ノイズブロック変換器
３−１，９０５ 無線周波増幅器
３−３，９０９，１１０１Ｉ，１１０１Ｑ ミキサ
３−５ 発振器
５ 屋外ユニット
７ 屋内ユニット
９ 同調システム
１１ ＱＰＳＫ復調器
１３ 復号器
１５ 輸送ユニット
１７ データ処理ユニット
１９ マイクロプロセッサ
９０１ 入力
９０３ 広帯域フィルタ
９０７ 調整可能帯域通過フィルタ
９１１ 局部発振器
９１３ 中間周波増幅器
９１５ 中間周波フィルタ
９１９ 位相ロックドループ配置
９２１ 位相ロックドループ集積回路
９２１−１ プリスケーラ分周器
９２１−３ プログラマブル分周器（÷Ｎ）
９２１−５ 発振器増幅器
９２１−７ 基準周波数分周器（÷Ｒ）
９２１−９，１１１１−３ 位相検波器
９２１−１１ 増幅器
９２３ 外部周波数基準水晶
９２５ 外部フィルタ回路網
９２５−１ 第１のフィルタ段
９２５−２ 第２のフィルタ段
９２５−３ スピードアップ回路
９２７ ループフィルタ
１１０３ 発振器
１１０５ 位相偏移回路網
１１０７Ｉ，１１０７Ｑ アナログ／ディジタル変換器
１１０９ タイミング再現ループ
１１１１ 搬送波再現ループ
１１１１−１ 制御された発振器
１１１１−５ ループフィルタ

Claims (1)

1. 発振器制御信号に応答して制御された周波数を有する制御された発振器信号を発生する制御型発振器、基準周波数を表す信号のソース、上記制御された発振器信号と上記基準周波数を表す上記信号との間の位相及び周波数の関係を表す誤差信号を発生する手段、並びに、上記発振器制御信号を発生するため上記誤差信号をフィルタ処理するループフィルタを含む閉ループ装置と、
   上記閉ループ装置の動作モードを制御するモード指定制御信号を発生する手段とにより構成され、
   上記閉ループ装置の上記ループフィルタは、積分器を形成するため負帰還構造に接続された増幅器及び第１のフィルタ部と、上記積分器と縦続接続された第２のフィルタ部と、上記第２のフィルタ部に接続され上記モード指定制御信号に応答して上記第２のフィルタ部の動作を変更するフィルタ制御部とを含み、
   上記フィルタ制御部は、上記モード指定制御信号に応答して上記第２のフィルタ部を選択的にバイバスさせるスイッチング部を含み、
   上記第２のフィルタ部は、上記閉ループ装置の安定性を維持したまま上記閉ループ装置の応答時間を増加させる振幅対周波数応答特性を有し、
   上記振幅対周波数応答特性は、周波数が高くなる順に１番目の極、１番目の零点及び２番目の零点を含む、装置。

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