JP3701306B2 - 調整可能な帯域幅フィルターを有する受信機 - Google Patents

Description

本発明の分野
本発明は無線周波数受信機に関し、より詳細には非限定的にデジタル信号を受信する無線周波数受信機で用いられる調整可能な帯域幅のフィルターに関する。
本発明の背景
例えばデジタル化された会話のようなデジタル信号を受信する通信用の受信機は良く知られており、受信された信号が中間周波数（ｉ．ｆ．）を発生する第一の周波数逓降変換段に先立つ調整可能なゲイン無線周波数（ｒ．ｆ．）増幅器に印加されるアーキテクチャーをしばしば有する。中間周波数はいわゆるＳＡＷフィルターでフィルターされ、濾波された信号は、ｉ．ｆ．信号が直交混合器に名目上印加される他の周波数逓降変換段に印加され、その出力は低域通過フィルターされ、それからデジタル信号処理器（ＤＳＰ）に印加される。図１に典型的な低域通過フィルターの入出力特性を示し、ここで縦軸は振幅をｄｂで表し、横軸は周波数ｆを表す。所望の信号帯域はｆ_wで表され不要なより高い周波数の帯域はｆ_uwで表される。受信機ノイズレベルは水平の破線ＲＮＬにより表される。当業者に知られているようにデジタル信号の正確な値を決定し得るように入力信号の振幅は最小識別可能信号（ＭＤＳ）と呼ばれるレベルより数ｄｂｓ大きいことが必要なだけである。従って非常に多くの電流を消費する結果となる場合には、更により大きな信号を扱うようフィルターを設計するのにほとんど問題がない。
低域通過フィルターに印加された入力信号がこのＭＤＳレベルを顕著に越えねばならない場合にはフィルターはオーバードライブされる。この問題を除去することは実際に必要なよりも更により大きな入力信号のダイナミックレンジに合うよう設計されねばならないフィルターにより電流消費の望ましくない増加を導く。一般にこの問題は自動利得制御信号を利得調整可能無線周波数増幅器にＤＳＰ印加することにより生ずる。
電流節約のために低域通過フィルターは一般に所望の信号の限定されたダイナミックレンジを扱い、低出力を消費するように設計される。しかしながらＤＳＰにより印加されるＡＧＣがないので、強い不要信号がフィルターにより阻止される必要があるときに問題が生じる。フィルターはそのような不要な信号に線形な方法で対処できなければならない。フィルターが大きな不要信号を扱うことができるよう設計されている場合には、これは例えばちょうどそのレベルのすぐ上の信号に対するより２３ｄｂだけＭＤＳレベルより大きな不要信号を扱うよう要求されうるパワーより１４１倍大きな電力消費に顕著な増加を導きうる。
そのような低域通過フィルターは普通でない電圧駆動相互導通体フィルターではない。しかしながらそのようなフィルターが電流駆動相互導通体フィルターからなる場合には例えばガウシアンの場合には６ｄｂフィルターに対してより大きい１４．５ｄｂがフィルターが非線形になることなしに所望の帯域内よりもむしろ阻止帯域で生じうる。この改善がなされたとしても例えばフィルターが非線形になることなしに阻止帯域で２３ｄｂまでのより大きな信号に対抗し、例えば汎ヨーロッパ又はＧＭＳセルラー電話システム及びデジタルヨーロッパコードレス電話（ＤＥＣＴ）システム内で生じるより広帯域の信号に対する狭帯域の信号を選択的に通過することを可能にするための調節可能な帯域幅を有するフィルターを作るという要望がなおある。
本発明の要約
本発明によれば第一のカットオフ周波数を有する第一の受動フィルター手段を含む周波数逓降変換段と、周波数逓降変換段からの第一と第二の出力と、それぞれ第一と第二の出力に結合し、それぞれの電流出力を有する第一と第二の能動デバイスを有する増幅器と、第一と第二の能動デバイスの対応する電極の間を結ぶ抵抗手段と、該第一と第二の能動デバイスからの電流出力を受ける入力を有するフィルター手段とからなり、該フィルター手段は該入力に接続された相互導通手段と該第一の抵抗手段に並列に接続可能な第二の受動フィルター手段とを含み、それにより、該第二の受動フィルター手段が第一の抵抗手段に並列に接続されないときに狭帯域信号がフィルター手段に印加され、該第二の受動フィルター手段が第一の抵抗手段に並列に接続されるときに広帯域信号がフィルター手段に印加される無線周波数受信機が提供される。
周波数逓降変換段及び電流駆動相互導通体フィルター手段内に第一の受動フィルター手段を設けることにより、フィルターが非線形になることなしに扱われうる阻止帯域内の信号のレベルは電流消費を増加させずに１４．５乃至２３ｄｂ増加される。
第二の受動フィルター手段は第二と第三の抵抗値の実質的に等しい抵抗手段からなり、第二と第三の抵抗手段はそれぞれ第一と第二の端を有し、第一の端は第一の抵抗手段と、容量手段と、第二と第三の抵抗手段の第二の端と容量手段との間に結合夫々された第一と第二の切替手段とのそれぞれのはしに結合され、それにより該第一と第二の切替手段が導通している時には第二の受動フィルター手段は第一の抵抗手段をシャントし、該第一と第二の切替手段が非導通の時には第二の受動フィルター手段は第一の抵抗手段とは電気的に非接続とされる。第一と第二の切替手段は電界効果トランジスタからなり、それらを第二と第三の抵抗手段と容量手段との間に配置することによりスイッチ手段を比較的小さなｄ．ｃ．電圧で作動させ、スイッチ手段と基板と第二のスイッチ手段と基板との間の電位の差による非線形性を最小化しうる。また１つよりもむしろ２つのスイッチ手段を用いることは回路の対称性を維持し、そうすることで他の非線形性を導入する危険を回避する。より広帯域信号を選択したときに第二の受動フィルター手段を第一の抵抗手段に並列に接続する配置の利点は狭帯域信号が妥協により損なわれないことである。何故ならば第二と第三のスイッチ手段はオープン（非導通状態）であり、非線形性は現れないからである。
図の説明
図１は、低域通過フィルターの特性を示すグラフである。
図２は、無線周波数受信機のブロックダイアグラムを示す図である。
図３は、混合器と低域通過フィルター配置を示す図である。
図４は、図３で示され、その中でスイッチデバイス７２、７３が電界効果トランジスタからなる電圧／電流変換器５４を示す図である。
図５は、図３で示された電圧／電流変換器５４の変形例を示す図である。
図６は、５次の電流駆動相互導通フィルターの等価回路を示す図である。
図７は、種々の個別及び複合フィルター特性を示すグラフである。
図８は、電源抵抗対周波数（ｆ）の対数関数（ＬｏｇＲ_s）として電圧／電流変換器の雑音指数を示すグラフである。
図では同じ符号は対応する特性を示すために用いられている。
本発明の実施の形態
図２を参照するに受信機は利得調整可能ｒ．ｆ．増幅器１４、１５と、カスケード接続される混合器１６と、混合器１６に接続される第一の局部発振器１８とからなるｒ，ｆ，入力段１２に接続されるアンテナ１０からなる。混合の出力は中間周波数（ｉ．ｆ．）の所望の帯域を選択する帯域通過フィルター２０に供される。第二の周波数逓降段２２はフィルター２０の出力に結合される。段２２はｉ．ｆ．増幅器２４とＤＳＰ２６の入力に接続される２つの名目上の直交関係にある信号路Ｉ及びＱからなる。Ｉ及びＱの信号路は増幅器２４の出力と結合する入力と、それぞれ混合器２８、２９とＤＳＰ２６との間に結合する低域通過フィルター３０、３１とを有するそれぞれ混合器２８、２９からなる。名目上の直交関係にある信号路Ｉ及びＱは混合器２８、２９に対して名目的に直交する局部発信器信号を供給することにより示された受信機内で得られる。これは局部発信器３２の出力を直接混合器２８及び混合器２９に接続される出力を有する名目上のπ／２位相シフター３４に接続することによりなされる。ＤＳＰ２６は信号を回復するために用いられるのみならず、１又は両方の増幅器１４、１５のゲインを制御するためにも用いられ、それにより所望の信号ｆ_w（図１）の振幅はＭＤＳレベルよりも若干大きいだけである。この種の受信機の動作は一般的に知られており、本明細書の前文でも略述した。
図３に混合器２８と切り替え可能な帯域幅を有する低域通過フィルター３０の実施例を示す。混合器２８はそのベース電極が増幅器２４（図２）からの入力信号を受け、そのエミッタ電極が電流源３８と共同で接続されるＮＰＮトランジスタ３６、３７により形成される第一のロングテイル対回路からなる。トランジスタ３６、３７のコレクタ電極はＮＰＮトランジスタ４０、４１及び４２、４３の対により形成されるそれぞれ第二と第三のロングテイル対回路に接続される。トランジスタ４０、４１及び４２、４３の対のエミッタ電極はそれぞれトランジスタ３６、３７のコレクタ電極に接続される。トランジスタ４０、４３のベース電極はトランジスタ４１、４２のベース電極と相互接続される。局部発信器（ＬＯ）源はそれぞれの相互接続に結合される。トランジスタ４０、４２とトランジスタ４１、４３のコレクタ電極は接続点４４、４６でそれぞれ相互接続される。接続点４４、４６はそれぞれ接続点４４、４６と供給ラインＶ＋とシャントコンデンサ５２との間で接続された実質的に等しい値の抵抗デバイス５０、５１により形成される第一の受動フィルター手段４８を介して供給線路Ｖ＋に結合される。
接続点４４、４６に現れる部分的に濾波された出力電圧はＮＰＮトランジスタ５６、５８からなる電圧／電流変換器５４からなる混合器の後段の増幅器に供給され、該トランジスタのベース電極はそれぞれ接続点４４、４６に接続され、それらのエミッタ電極はエミッタ負帰還抵抗デバイス６０により相互接続され、それぞれ電流源６２、６４に接続され、それらのコレクタ電極は図６を参照して説明される電流駆動相互導通体フィルター６６のそれぞれの入力６５、６７に接続される。
第二のスイッチ可能な受動フィルター手段６８は、抵抗デバイス６０に並列に接続可能である。フィルター手段は、トランジスタ５６、５８のエミッタ電極にそれぞれ接続される第一の端を有する２つの実質的に等しい値の抵抗デバイス７０、７１と、コンデンサ素子７４と、抵抗デバイス７０、７１のそれぞれの第二の端とコンデンサ素子７４のそれぞれのプレートとの間に接続されたスイッチデバイス７２、７３とを有する。
図４にスイッチデバイス７２、７３が電界効果トランジスタからなり、それのゲート電極は帯域幅制御入力７５に接続される実施例を示す。スイッチデバイス７２、７３は第二の受動フィルター手段６８が不動作状態であるときに非導通であり、回路全体は狭帯域フィルターとして振る舞い、第二の受動フィルター手段６８がより広帯域フィルターを供するために抵抗デバイス６０をシャントするときに入力７５の信号に応答して導通となる。そのような配置の利点は狭帯域システムは比較的厳密な線形性要求を有する傾向にあり電界効果トランジスタが狭帯域動作に対して非導通であることにより第一の受動フィルター手段の性能を低下させるこれらのトランジスタのオン抵抗の危険性を回避することである。
図５は電圧／電流変換器５４の変形例であり、その中で電流源６２、６４は抵抗６０の中央タップに接続される１つの電流源６３に組込まれる。単一の電流源を用いる利点は、発生したどのようなノイズでもそれがコモンモード信号である故に阻止されることである。しかしながらそのような配置は抵抗６０のそれぞれの部品に亘るｄｃドロップのために低電圧回路には適切ではない。
電流駆動相互導通体低域通過フィルター６６（図６）は入力６５、６７間に接続された抵抗として構成される相互導通体７６と、２つの直列に接続されたインダクタンス７８、７９と３つのシャントコンデンサ素子８０、８１、８２と出力８５、８６に接続される抵抗として構成される相互導通体８４とからなるＬＣフィルターのシミュレーションとからなる。
図７に第二のスイッチ可能な受動フィルター手段がいかにしてより広いフィルター応答に用いられ得るのかを示す。スイッチ７２、７３がオープンではフィルター応答８８は実線で示され、第一の受動フィルター手段で形成される。応答は所望の周波数ｆ_a以上であるが代替的な所望の広帯域信号の周波数ｆ_b以下でカットオフを有する狭帯域応答である。第二の切り替え可能な受動フィルター手段は通常の電圧／電流変換器５４の周波数に依存しない応答を変更し、それによりそれは破線で示される応答９０を有する。スイッチデバイス７２、７３をクローズすると広帯域フィルター応答９２全体は一点鎖線で示されるようになる。抵抗及びコンデンサー素子７０、７１、７４を第一の受動フィルターの部品を構成するために用いられるものと同じ材料にすることにより２つのフィルター応答は相互に追跡する。これは以下の部品に示された値を付与することにより数学的に示しうる：
抵抗５０、５１＝Ｒ_s／２
コンデンサ５２＝Ｃ_s
抵抗６０ ＝Ｒ_d
抵抗７０、７１＝Ｒ_n／２
コンデンサ７４＝Ｃ_n
周波数ｆ_aは積Ｃ_sｘ２（Ｒ_s／２）＝Ｃ_sＲ_sにより決定される。

抵抗、コンデンサ、周波数比の存在はトラッキングが生ずることを確実にする。
上記のように２つのスイッチデバイス７２、７３は対称性を維持するために設けられ、それ故に非線形性の導入を回避する。これらのデバイス７２、７３をコンデンサ素子７４の両側にあるよう配置することにより基板に関する電圧変動の影響は非常に小さいか又は実質的にゼロである。しかしながらスイッチデバイス７２、７３が抵抗素子７０、７１の両側に配置される場合には基板に関する電圧変動の影響は望ましくない非常に大きなものとなる。周波数が増加するとコンデンサ素子７４を横切る電圧は低下し、それによりスイッチデバイス７２、７３相互により近接させ、オン抵抗における基板の影響の差の減少させる。
図８を参照するに実線で示された曲線９４は増幅器の典型的なノイズ特性である。この特性は最良の雑音指数を与える電流抵抗Ｒ_s28の値を示す最小値を有する。図３に示される回路では電圧／電流変換器５４は最適値より小さな混合器２８の出力抵抗（Ｒ_s28）を見る。これは通常の場合であり、抵抗デバイス６０が電圧／電流変換器５４の線形性が適切になるよう比較的大きくなるようにする。Ｒ_sの最適値は典型的には数百キロオームである。第二の受動フィルター手段６８が回路内で切り替えられ、ｆ_sよりも大きな周波数でノイズ特性は縦座標に対してシフトされて破線で示される曲線９６になり、電流源抵抗Ｒ_s28に対して雑音指数は減少する時に特性の一端での動作は利点を有する。電圧／電流変換器のノイズ性能は抵抗デバイス６０、７０、７１とコンデンサ７４とからなるネットワークの全体の正味の有効な抵抗に依存する。スイッチデバイス７２、７３をクローズすることによりスイッチデバイス７２、７３の有効なオン抵抗は抵抗デバイス６０、７０、７１とコンデンサ７４の全体に対しては無視しうるものである。特性のシフトは例えば８０ｋＨｚの周波数ｆ_aより大きい例えば５７６ｋＨｚの周波数ｆ_bでＲ_n（抵抗デバイス７０、７１）の値は上記の式（１）を参照して

の比に対する値Ｒｄ（抵抗デバイス６０）より小さい。斯くして曲線は電源抵抗を減少する方向に動かされ、結果としてＲ_s28と同じ値に対して雑音指数はより低い。従って混合器の出力での信号の振幅はより高い周波数で減少し、雑音指数は改善されると電圧／電流変換器５４に対する入力での信号対雑音比はなお実質的に不変であり、言い換えれば混合器の出力の振幅及び雑音指数は相互に有効に追跡しあう。第二の受動フィルターの特定の例としてはｆ_a＝８０ｋＨｚ、ｆ_b＝５７６ｋＨｚ，Ｒｄ＝２０ｋΩ，Ｒ_n＝３．２３ｋΩ，Ｒ_s＝６．６ｋΩ，Ｃ_s＝２１７ｐＦ、Ｃ_n＝６１．７ｐＦである。電流駆動相互導通体フィルター６６のカットオフ周波数は知られている方法でｆ_aからｆ_bへまた変えられ得る。
この明細書から他の変更は当業者にとって明白なものである。そのような変更は無線周波数の受信機及びフィルターの設計、製造、使用で既に知られており、ここに既に記載される特徴の代わりに用いられ得、又はこれに追加しうる他の特徴を含みうる。請求項は特徴の特定の組み合わせに対するこの応用で形成されているが本発明の開示の視野はそれが現に請求されたどの請求項内の同じ発明に関係するか否か、及びそれが本発明でなされたのと同じ技術的な問題の一部又は全部を軽減するか否か、また内包的か明示されているか又はそれのどのような一般化がここで開示されているどのような新たな特徴及びどのような新たな特徴の組み合わせをもまた含むものである。これにより出願人は新たな請求項が本発明又はそれから由来する更なる出願の手続きの遂行中のそのような特徴及び／又はそのような特徴の組み合わせに対して構成されうることに対して注意を与える。
産業上の利用
デジタルセルラー及び／又はデジタルコードレス電話に対して適切な無線受信機。

Claims (7)

1. 第一のカットオフ周波数を有する第一の受動フィルター手段を有する周波数逓降変換段と、
   前記周波数逓降変換段からの第一及び第二の出力と、
   前記第一及び第二の出力にそれぞれ結合され、電流出力をそれぞれ有する第一及び第二の能動デバイスを有する増幅器と、
   前記第一及び第二の能動デバイスの対応する電極の間を結ぶ第一の抵抗手段と、
   前記第一及び第二の能動デバイスからの電流出力を受ける入力を有し、また、該入力に接続される相互導通手段を有するフィルター手段と、
   前記第一の抵抗手段と並列接続可能な第二の受動フィルター手段と、
   を有し、
   前記第二の受動フィルター手段が前記第一の抵抗手段と並列接続されないときに、狭帯域信号が前記フィルター手段に供給され、
   前記第二の受動フィルター手段が前記第一の抵抗手段と並列接続されるときに、広帯域信号が前記フィルター手段に供給される、無線周波数受信機。
2. 前記第二の受動フィルター手段は、
   第一及び第二の端をそれぞれ有し、前記第一の端は前記第一の抵抗手段の各端に結合され、実質的に等しい抵抗値の第二及び第三の抵抗手段と、
   容量手段と、
   前記第二及び第三の抵抗手段の前記第二の端と、前記容量手段との間にそれぞれ結合される第一及び第二の切替手段と、
   を有し、
   前記第一及び第二の切替手段が導通のときに、前記第二の受動フィルター手段は、前記第一の抵抗手段をシャントし、
   前記第一及び第二の切替手段が非導通のときに、前記第二の受動フィルター手段は、前記第一の抵抗手段とは電気的に非接続にされることを特徴とする請求項１記載の受信機。
3. 前記第一及び第二の切替手段は、電界効果トランジスタを有することを特徴とする請求項２記載の受信機。
4. 前記第二及び第三の抵抗手段の全抵抗値は、前記第一の抵抗手段の抵抗値より小さいことを特徴とする請求項２又は３記載の受信機。
5. 前記第一及び第二の受動フィルター手段の構成要素は、同じ材料から製造されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の受信機。
6. 電流源は、前記第一の抵抗手段の前記端と前記第二及び第三の抵抗手段の前記第一の端とにより形成される接続の各々に接続されることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の受信機。
7. 前記第一の抵抗手段は、タップを有し、
   前記タップに、電流源が接続されることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の受信機。

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