JP3610343B2 - 測定用受信器のスプリアス信号除去方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、無線周波数受信器に関し、特に、局部発振器が局部発振周波数を発生するのにデジタル周波数シンセサイザを用いる測定用受信器において、基準周波数に基づくスプリアス信号を除去する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
局部発振器が局部発振周波数を発生するのにデジタル周波数シンセサイザを用いる測定用無線周波数（ＲＦ）受信器（例えば、スペクトラム・アナライザの受信器部）において、このデジタル周波数シンセサイザ用の基準周波数信号源の如く、この無線周波数受信器内の信号源により生じ、被測定受信入力信号に無関係の周波数スペクトルを有する周波数スプリアス信号は、ＲＦ設計者にとって絶えず続く問題点である。この基準信号の高い振幅の影響と、多くの調波を発生しようとする傾向とが相まって、この基準信号（調波を含む）が受信器のフロント・エンド（入力部）に漏れるかもしれない。局部発振器が周波数を発生するのにデジタル周波数シンセサイザを用いる測定用無線周波数受信器のブロック図を示す図１において、この漏れ経路の例を示す。基準周波数の複数の調波の１つに近い任意の周波数に受信器が同調されると、周波数スプリアス信号（ｓｐｕｒｉｏｕｓ ｓｉｇｎａｌ 又はｓｐｕｒ）が生じる。今までは、このスプリアス信号が受信器のノイズ・フロア（ノイズ・レベル）以下に抑圧されるまで、ハードウェア設計者は、受信器のハードウェアを遮蔽しなければならなかった。なお、図１については、詳細に後述するが、アナログ入力信号は、フロント・エンド増幅器１２、入力フィルタ１４を介して、第１混合器１６で第１局部発振器２４（ＬＯ１）の周波数と混合され、その出力信号が第１中間周波数フィルタ１８を介して第２混合器２０に供給され、この第２混合器２０で第２局部発振器（ＬＯ２）の周波数と混合され、その出力信号が第２中間周波数フィルタ２２を介してＡ／Ｄ変換器に供給されて、このＡ／Ｄ変換器によりデジタル中間周波数（ＩＦ）信号に変換される。このデジタル中間周波数信号は、その後、デジタル信号プロセッサＤＳＰで、測定に必要な処理がなされる。なお、局部発振器の周波数は、デジタル周波数シンセサイザにより制御され、これらデジタル・シンセサイザは、基準周波数信号源３２からの基準周波数Ｆ_ｒｅｆを整数の乗数で逓倍したデジタル信号を発生して、局部発振器を制御している。また、局部発振器からの出力信号もシンセサイザに供給されて、位相ロック・ループ機能により、局部発振器が所定の局部発振周波数を発生できるようにしている。基準周波数信号源３２の周波数は、デジタル信号プロセッサＤＳＰにより制御される。
【０００３】
局部発振器の周波数を制御するのにデジタル周波数シンセサイザを用いた測定用受信器においては、第１中間周波数段にて、基準周波数Ｆ_refにより生じるスプリアス信号の周波数との関係は、次のようになる。
Ｆ_IF1＝ｎＦ_ref−ｈＦ_ref＝Ｆ_ref（ｎ−ｈ）
なお、Ｆ_IF1は、第１中間周波数（第１中間周波数フィルタの中心周波数）であり、ｎＦ_refは、第１局部発振器の周波数ＬＯ１であり、ｈＦ_refは、スプリアス信号周波数である。第２局部発振器の周波数は、第１中間周波数よりも低いので、第２中間周波数（第２中間周波数フィルタの中心周波数）Ｆ_IF2におけるスプリアス信号周波数との関係は、次のようになる。
Ｆ_IF2＝Ｆ_IF1−ｍＦ_ref＝Ｆ_ref（ｎ−ｈ−ｍ）
なお、ｍＦ_refは、第２局部発振器の周波数であり、ｈは、基準周波数Ｆ_refに対する調波の次数（オーダ）を示す整数である。一方、ｍ及びｎは、整数、又は、有理数、即ち、２つの整数の比のいずれかである。等化時間サンプリング技法を用いた無線周波数システムにおいて、Ａ／Ｄ変換器でアナログ入力信号をデジタル化する際、このＡ／Ｄ変換器に入力する信号の周波数は、ナイキスト周波数（即ち、サンプリング・クロック周波数の２分の１）と、サンプリング・クロック自体の周波数との間の周波数範囲内であるのが一般的である。なお、図１では、サンプリング・クロック周波数は、基準周波数Ｆ_refである。よって、Ａ／Ｄ変換器のデジタル信号出力端における信号の周波数Ｆ_DIFとの関係は、次のようになる。
Ｆ_DIF＝Ｆ_ref−Ｆ_IF2＝Ｆ_ref（１−ｎ＋ｍ＋ｈ）
なお、単位は、Ｈｚである。デジタル領域周波数の観点から、デジタル信号の周波数Ｆ_Digitalは、基準周波数により１サンプル当たりのサイクル数として次のように正規化される。
Ｆ_Digital＝Ｆ_DIF／Ｆ_ref＝（１−ｎ＋ｍ＋ｈ）サイクル／サンプル
このように、デジタル周波数シンセサイザを局部発振器に用いた測定用無線周波数受信器の出力には、基準周波数に基づいたスプリアス信号ｈＦ_refが含まれて、信号測定に悪影響を及ぼす。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、局部発振器の周波数の発生にデジタル周波数シンセサイザを用いた測定用無線周波数受信器において、このデジタル周波数シンセサイザに用いる基準周波数により生じる信号の周波数スペクトルを有するスプリアス信号を除去するための方法が望まれている。
【０００５】
本発明は、局部発振器の周波数の発生にデジタル周波数シンセサイザを用いた測定用無線周波数受信器において、デジタル周波数シンセサイザ用の基準周波数により生じる基準周波数スプリアス信号を除去して、入力信号の測定からスプリアス信号の影響をなくす方法の提供にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、局部発振器（２４）の周波数を発生するために周波数シンセサイザ（２８）を用いた測定用受信器にて基準周波数に基づくスプリアス信号を除去する方法であって；受信器が同調された所定周波数において、入力信号の経路内に生じるスプリアス信号（ｈ＊Ｆ_ref）の原因となる基準周波数（Ｆ_ref）の整数の乗数値のリストを決定し；スプリアス信号のデジタル領域での振幅及び位相を予測し；スプリアス信号がない状態で入力信号の測定を行うために、この入力信号からスプリアス信号の振幅及び位相を差し引くことを特徴としている。なお、本明細書において、振幅及び位相を差し引くとは、位相を考慮して振幅を差し引くベクトル減算ことをいう。
【０００７】
本発明は、局部発振器用に周波数シンセサイザを用いた無線周波数受信器において、基準周波数に基づくスプリアス信号を除去する方法を提供する。そのため、本発明は、基準周波数から得た局部発振器の既知の周波数に対して、基準周波数が入力信号経路に漏れる原因となる整数の乗数の値を決定する。かかる漏洩を生じるこれら乗数の整数値に対して、スプリアス信号の振幅及び位相をデジタル領域で見積り、これら値を入力信号から減算する。これにより、スプリアス信号に近い周波数の狭い範囲から信号を除去する。スプリアス信号に近い周波数で入力信号を維持するために、基準周波数をわずかにオフセットして、上述の処理を繰り返し、２つの測定結果における最大値を入力信号の測定値とする。
【０００８】
本発明の目的、利点及び新規な特徴は、添付図を参照した以下の詳細説明から明らかになろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に示す如く、局部発振器用にデジタル周波数シンセサイザを用いた無線周波数受信器では、入力信号は、増幅器１２により前処理され、入力フィルタ１４により低域通過フィルタ処理される。この前処理した入力信号を、次に、第１混合器１６に供給し、第１中間周波数（ＩＦ）フィルタ１８でろ波し、第２混合器２０に供給し、第２中間周波数フィルタ２２でろ波し、Ａ／Ｄ変換器２４によりデジタル化して、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）に供給して、測定のためのデジタル信号処理を行う。ここで、所望の測定が行われる。なお、本発明では、Ａ／Ｄ変換器の出力信号に基づいて入力信号を測定することは重要であるが、どのような測定を行うかは本発明の要旨ではないので、具体的な測定処理の説明を省略する。第１局部発振器（ＬＯ１）２４の周波数及び第２局部発振器（ＬＯ２）２６の周波数が、対応するデジタル・シンセサイザ２８及び３０に応じて夫々発生する。基準周波数信号源３２からフロント・エンド増幅器１２、ロウパス・フィルタ１４及び第１混合器１６に基準周波数信号が漏れることにより生じるスプリアス信号の周波数は、正確にわかる。すなわち、基準周波数信号源３２が発生させるスプリアス信号は、局部発振器２４、２６を同調するために供給する基準周波数に基づく。スプリアス信号が単純であり、基準周波数としての正弦波トーンが変調されていないので、フロント・エンドにて処理済みで任意のスプリアス信号を含む入力信号がデジタル領域となった後におけるスプリアス信号の振幅及び位相を厳密に予測する（見積もる）ことは単純な処理である。次に、デジタル信号プロセッサＤＳＰにて、デジタル化した信号からスプリアス信号を単に差し引き（減算）して、入力信号の測定からスプリアス信号を除去する。基本的には、最終信号処理をアナログで行っていても、シンセサイザを用いた任意の受信器においても、上述は正しい。かかるアナログ受信器においては、デジタル受信器において減算する代わりに、スプリアス信号を中間周波数信号の形態で且つ負の極性で入力信号に加算する。しかし、実際的な実施においては、デジタル信号処理を基本にした最終信号処理が必要となる。本発明では、この処理作業を良好に行うのに充分な確度が得られる。
【００１０】
基準周波数自体の調波がスプリアス信号であり、第１混合器１６及び第２混合器２０におけるその後の総ての周波数変換は、基準周波数に依存する。上述の式を参照すると、受信器が所定周波数に同調されたときに、局部発振器での乗数ｎ及びｍ（局部発振器の周波数が基準周波数の何倍かを表す数）がよくわかる。さらに、中間周波数フィルタ１８及び２２の帯域幅が既知なので、受信器を基準周波数の調波（その次数：ｈ）に同調させるｎ及びｍの値の候補リストを決定することは容易である。図１に示す例では、６０ＭＨｚの基準周波数信号源３２がＡ／Ｄ変換器を直接的にクロックすると共に、周波数シンセサイザ２８及び３０に基準周波数を供給している。第２局部発振器２６用の周波数シンセサイザ３０は、この第２局部発振器２６の周波数を基準周波数の正確に６０倍である３６００ＭＨｚに設定されている。デジタル信号プロセッサＤＳＰの処理と、第２中間周波数フィルタ２２の処理とにより、受信器の出力に影響する信号周波数範囲が４５ＭＨｚ＋／−５ＭＨｚに制限される。基準周波数が原因のスプリアス信号がこの周波数範囲に入れば、問題が生じる。第２局部発振器２６の周波数が３６００ＭＨｚなので、この周波数範囲は、第１中間周波数フィルタ１８において３６４５ＭＨｚ＋／−５ＭＨｚに対応する。６０ＭＨｚの基準周波数の１次調波を考察すると、この周波数を３６４５ＭＨｚ＋／−５ＭＨｚに変換する第１局部発振器２４の周波数により、基準周波数でのスプリアス信号の問題が生じる。第１周波数シンセサイザ２８は、第１局部発振器２４の周波数を２ＭＨｚステップで変化させるので、第１局部発振器２４の周波数Ｆ_ＬＯ１は、Ｆ_ＬＯ１＝（ｎ／３０）Ｆ_ｒｅｆＭＨｚとなる。これは、以下の表１に示すリストのように限定される。なお、第２局部発振器２６の周波数は、上述のように３６００ＭＨｚで一定である。
【００１１】
【表１】

【００１２】
なお、Ｆ_IF1は、第１中間周波数フィルタ１４の中心周波数であり、Ｆ_IF2は、第２中間周波数フィルタ１８の中心周波数である。よって、基準周波数により生じたスプリアス信号のデジタル表記の周波数は、受信器が同調された周波数に基づいて完全に判る。任意の所定スプリアス信号の位相及び振幅は、既知ではない。これは、振幅は、信号振幅及び漏れ経路の損失が周波数に応じて変動するためであり、位相は、主に周波数シンセサイザ２８、３０の種々の状態が不安定のためである。しかし、多くの技術により、デジタル領域でのスプリアス信号の振幅及び位相を予測する（見積もる）ことができる。例えば、平均化の次の式を用いても、デジタル領域でのスプリアス信号の振幅及び位相を予測できる。

であり、Ｎは、平均化を行う際のサンプルの数であり、ＳＵＭ_n=0~N-1は、ｎが０からＮ−１までの和であり、＊は、乗算を意味し、Ｆ_spurは、スプリアス信号の周波数であり、Ｆ_Sは、入力信号の周波数である。フェーザーは、振幅及び位相に対応するベクトルのため、振幅は（Ａ ² ＋Ｂ ² ） ^1/2 となり、位相は arctan （Ｂ／Ａ）となる。ここで、複素数ｘ（ｎ）を実部ｘ_re（ｎ）と虚部ｘ_im（ｎ）とで表すと、ｘ（ｎ）＝ｘ_re（ｎ）＋ｊ＊ｘ_im（ｎ）である。これは、複素数で表すスプリアス信号成分を０Ｈｚに変換し、サンプルを平均化、即ち、低域通過フィルタ処理して、平均フェーザー値を得ることと等しい。スプリアス信号が判ると、デジタル化した入力信号からスプリアス信号を数的に減算できる。
【００１３】
基本的には、この処理の帯域幅を本質的にゼロにできる。よって、正確な基準周波数にて、正規の、即ち、スプリアスのない入力信号を見つけて、この入力信号からスプリアス信号を除去する可能性は、非常に小さい。基本的には、使用する測定記録長が制限される。したがって、振幅がスプリアス信号よりも小さいか又は大きく、且つ、周波数がスプリアス信号に近い正規の入力信号が存在する場合、この処理により、正規の入力信号（スプリアス信号を含まない入力信号）から部分的に又は完全にスプリアス信号相当分が差し引かれる（減算される）。この状態は、周波数スペクトル図を示す図２において、スプリアス信号Ｓｐｕｒ１として示す。なお、Ｆ_Spur1は、スプリアス信号Ｓｐｕｒ１の周波数である。この問題を避けるために、基準周波数を狭い周波数範囲にわたって同調可能にする。これは、図１に示すように、デジタル信号プロセッサＤＳＰからのデジタル制御信号をＤ／Ａ変換器３４によりアナログ制御信号に変換して、基準周波信号源３２の発振周波数を制御することにより行える。公称周波数値に設定された基準周波数により、１回目の測定を行うが、この際、第１スプリアス信号であるｈ＊Ｆ_ref＝Ｆ_spur1が含まれているとする。第１スプリアス信号を見積り、入力信号からこの第１スプリアス信号を減算するので、この周波数付近での測定が不確実になる（このスプリアス信号が存在しない場合であっても、予測したスプリアス信号が減算されるため）。この状態を、図２にて実線で示す。小さな周波数（Δｆ）だけ基準周波数をシフトするように基準周波数信号源３２を同調すると、スプリアス信号の周波数がｈ＊（Ｆ_ref＋／−Δｆ）＝Ｆ_spur2となり、入力信号もシフトされる。この周波数の移動量は、前もって行った基準周波数信号源の同調特性の校正から判る。この知識に基づき、２回目の測定の際に周波数成分を補正する処理をして、この測定からスプリアス信号を除去する。そして、周波数軸上の正しい位置に補正データをオフセットする。この状態を図２の点線で示す。
【００１４】
周波数軸上の各点での最終測定結果（例えば、周波数に対する振幅の表示）を得るために、実線曲線及び点線曲線の内の最大振幅を最終データとして用いる。この最終測定結果には、基準周波数に基づくスプリアス信号が含まれておらず、入力信号自体の測定を正確に行える。これにより、本発明は、正確な測定を簡単に行うことができる。
【００１５】
【発明の効果】
周波数シンセサイザを用いた測定用受信器においては、局部発振器が周波数シンセサイザにより基準周波数を整数倍する際に、この基準周波数の調波がスプリアス信号として入力信号経路に漏れる。本発明は、基準周波数を整数倍する際における既知の乗数を用いて、スプリアス信号として入力信号経路に漏れる基準周波数の乗数に当たる整数のリストを決定する。そして、デジタル領域におけるスプリアス信号の振幅及び位相を見積もって、デジタル化された入力信号からそのスプリアス信号分を減算する。この減算結果から測定結果を得る。基準周波数をわずかにオフセットして、上述の処理及び測定を再び行い、これら２回の測定における最大振幅の方を選んで、スプリアス信号のない入力信号の最終測定結果を得る。よって、本発明では、測定結果から基準周波数に基づくスプリアス信号を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シンセサイザを用いた測定用無線周波数受信器の一部のブロック図である。
【図２】本発明によるスプリアス信号の除去を説明する周波数スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１２ フロント・エンド増幅器
１４ 入力フィルタ
１６ 第１混合器
１８ 第１中間周波数フィルタ
２０ 第２混合器
２２ 第２中間周波数フィルタ
２４ 第１局部発振器
２６ 第２局部発振器
２８ 第１周波数シンセサイザ
３０ 第２周波数シンセサイザ
３２ 基準周波数信号源
３４ Ｄ／Ａ変換器
Ａ／Ｄ Ａ／Ｄ変換器
ＤＳＰ デジタル信号プロセッサ

Claims (3)

1. 局部発振器の周波数を発生するために周波数シンセサイザを用いた測定用受信器にて基準周波数に基づくスプリアス信号を除去する方法であって、
   受信器が同調された所定周波数において、入力信号の経路内に生じるスプリアス信号の原因となる基準周波数の整数の乗数値のリストを決定し、
   上記スプリアス信号のデジタル領域での振幅及び位相を予測し、
   上記スプリアス信号がない状態で上記入力信号の測定を行うために、上記入力信号から上記スプリアス信号の振幅及び位相を差し引く
   ことを特徴とする測定用受信器のスプリアス信号除去方法。
2. わずかにオフセットされた上記基準周波数の周波数にて、上記決定のステップ、上記予測のステップ及び上記差し引きのステップを行って、上記スプリアス信号のない状態で上記入力信号の２回目の測定を行い、
   ２回の繰り返しから得た上記入力信号の測定結果を組み合わせて、上記スプリアス信号に影響されないで、上記入力信号の測定結果を得ることを特徴とする請求項１の測定用受信器のスプリアス信号除去方法。
3. 上記組み合わせステップは、上記２つの測定結果の最大値を取って、上記入力信号の測定を行うことを特徴とする請求項２の測定用受信器のスプリアス信号除去方法。

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