JP3756786B2 - Filter automatic adjustment circuit - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィルタの特性周波数を目標周波数に調整するためのフィルタ自動調整回路に関し、特に当該回路の低消費電力化及び高精度化に関するものである。ここに特性周波数とは、バンドパスフィルタ(BPF)にあっては中心周波数を、ハイパスフィルタ(HPF)又はローパスフィルタ(LPF)にあっては遮断周波数をそれぞれ意味する。
【0002】
【従来の技術】
通信用の集積回路では、gm−Cフィルタがしばしば使用される。これは、周波数特性を電圧又は電流で可変制御できるように、トランジスタの相互コンダクタンス(gm;トランスコンダクタンスともいう。)とキャパシタ(C)とを利用したフィルタであって、特開平7−297677号公報、特開2000−101392号公報等にその構成例が示されている。
【0003】
従来、通信機器の受信部に使用するフィルタ自動調整回路において、受信ごとにフィルタ調整を行うために電力消費が多くなり、特に携帯電話システムでは待ち受け時間の長時間化が難しく、調整動作時の低消費電力化が課題であった。また、携帯電話システムでは、中心周波数に対して5%程度の帯域幅をもつ狭帯域BPFが必要とされ、その中心周波数を短時間にかつ高精度(0.2〜0.3%程度)に調整することが必要とされている。
【0004】
特開昭63−167511号公報(特公平7−120923号公報)には、gm−Cフィルタの1つであるバイクォッド(biquad)フィルタのディップ周波数を調整するためのフィルタ自動調整回路が開示されている。この調整回路は、テレビジョン受像器における音声多重復調用集積回路に内蔵され、一定周波数の正弦波信号を被調整フィルタに入力し、デジタル・アナログコンバータ(DAC)の出力をマイクロコンピュータにより制御することで徐々にフィルタ特性を変化させ、フィルタ出力のレベル検波出力が所定の基準レベルを横切るときの2つのDAC入力値の平均値を最適な調整値とし、この調整値を不揮発性メモリに記憶させるというものである。
【0005】
特開平5−114836号公報には、gm−Cフィルタの特性周波数及びクオリティファクタ(Qファクタ:当該フィルタの周波数選択度を表す。)を調整するためのフィルタ自動調整回路が開示されている。この調整回路は、正弦波信号に代えてインパルス信号、パルス信号又はステップ信号を被調整フィルタに入力し、当該フィルタの出力に現れる振動波形をアナログ・デジタルコンバータ(ADC)でデジタル化してマイクロコンピュータに取り込み、当該振動波形にラプラス変換処理を施すことにより被調整フィルタの特性周波数及びQファクタを当該マイクロコンピュータが算出するというものである。このようにして被調整フィルタの特性を検出した後、目標特性からのずれを補正するように特性周波数用DAC及びQファクタ用DACの各々の調整値を決定し、これらの調整値を不揮発性メモリに記憶させる。そして、フィルタの使用時には、不揮発性メモリに記憶された調整値をもってフィルタ特性を制御するようになっている。
【0006】
特開2000−59162号公報に開示されたフィルタ自動調整回路は、インパルス信号又はステップ信号を被調整フィルタに入力し、当該フィルタの出力に現れる振動波形の周期を計測し、この計測結果から当該フィルタの特性周波数を検出し、目標周波数からのずれを補正するように当該フィルタの特性を制御するというものである。ただし、電源電圧変動や温度変動が生じる度にフィルタ調整が実行されるようになっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭63−167511号公報(特公平7−120923号公報)の従来技術は、DAC入力値を少しずつ変化させて最適な調整値を探すものであったので、フィルタ調整に長い時間を要する。特に携帯電話システムへの応用では受信の度にフィルタ調整がなされることとなるため、調整に多くの電力を消費することになる。また、高精度のアナログレベル検波器はその実現が難しく、携帯電話システムで要求される0.2〜0.3%程度という高い周波数調整精度の実現は困難であった。
【0008】
特開平5−114836号公報の従来技術は、被調整フィルタの特性周波数及びQファクタを算出するためのラプラス変換処理をマイクロコンピュータが実行するものであったので、当該マイクロコンピュータに過大な負担がかかる。
【0009】
特開2000−59162号公報の従来技術は、電源電圧変動や温度変動が生じる度にフィルタ調整を実行するものであったので、フィルタ特性の調整のための消費電力が大きくなる。しかも、フィルタ出力に現れる振動波形にノイズが重畳すると、周期計測結果に大きな誤差が生じ、高精度の特性周波数調整が実現不可能になる。
【0010】
本発明の目的は、携帯電話システムの受信部等に使用されるフィルタの調整に適した、ノイズに強く、高精度かつ低消費電力化の可能なフィルタ自動調整回路を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、インパルス信号、パルス信号又はステップ信号を利用して被調整フィルタの特性周波数を検出・調整し、その調整結果をメモリに記憶して再利用することとしたものである。しかも、フィルタ調整時に限って、当該フィルタの回路構成を調整に適した高いSN比(信号対雑音比:signal-to-noise ratio)を持つ回路構成に変更することとした。
【0012】
具体的に説明すると、本発明のフィルタ自動調整回路は、フィルタの特性周波数を目標周波数に調整するための回路であって、前記フィルタの本来の回路構成を、当該フィルタの調整時に、前記本来の回路構成と同じ特性周波数を持ち、かつ前記フィルタのノイズを減少させることで前記本来の回路構成に比べて改善されたSN比を持つ調整専用の回路構成に変更するための回路構成変更手段と、前記フィルタと同一集積回路内に配置され、前記調整専用の回路構成を持つフィルタにインパルス信号、パルス信号又はステップ信号をテスト信号として入力した時に当該フィルタの出力に現れる振動波形の周期を計測し、当該周期計測の結果から当該フィルタの特性周波数を検出し、かつ前記目標周波数からのずれを補正するように当該フィルタに調整信号を与えるための特性調整回路と、当該特性調整回路を起動するための調整命令を発行した後、前記フィルタの特性周波数と前記目標周波数との差が許容範囲内に入った時の前記調整信号を記憶し、前記フィルタの使用時には、当該フィルタの本来の回路構成に戻し、前記特性調整回路の動作を停止させ、かつ前記記憶した調整信号をもって前記フィルタの特性を制御するためのコントローラとを備えた構成を採用したものである。
【0013】
前記回路構成変更手段は、前記フィルタの調整時に当該フィルタに接続された可変電流源の電流を増大させることで前記フィルタのSN比を改善する手段、あるいは、前記フィルタの調整時に当該フィルタの特性周波数と同じ周波数で当該フィルタを発振させるための手段を備える。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明に係るフィルタ自動調整回路の構成例を示している。図1において、10は通信機器の受信部を表しており、狭帯域BPFであるgm−Cフィルタ11を備えている。図1中の不揮発性メモリ付きマイクロコンピュータ20、特性調整回路30、DAC40及び位相同期ループ(PLL)回路50は、gm−Cフィルタ11の中心周波数f0を目標周波数f0tに調整するためのフィルタ自動調整回路を構成している。後述するようにgm−Cフィルタ11自身も、その中心周波数調整時に、本来の回路構成と同じ中心周波数f0を持ち、かつ改善されたSN比を持つ調整専用の回路構成に、その回路構成を変更し得るように構成されている。
【0015】
特性調整回路30は、分周器31、テスト信号発生器32、カウンタ33、周波数検出器34及びアップダウンカウンタ35を備えており、gm−Cフィルタ11の中心周波数f0の目標周波数f0tからのずれを高精度で補正するものである。まず、分周器31は、基準信号としてPLL回路50から与えられたクロック信号(周波数fclk:例えば88.2MHz)を分周するための回路ブロックである。テスト信号発生器32は、マイクロコンピュータ20が発行した調整命令により起動されて、分周されたクロック信号からテスト信号を発生し、これをgm−Cフィルタ11に与える。このテスト信号は、gm−Cフィルタ11の中心周波数f0の成分を含んだ信号であればよく、インパルス信号、パルス信号又はステップ信号である。特にインパルス信号は、全ての周波数の正弦波成分を含んでいるので好適である。これに応答してgm−Cフィルタ11の出力には、周波数f0の振動波形が現れる。カウンタ33は、基準信号としてPLL回路50から与えられたクロック信号を用いて、gm−Cフィルタ11の出力に現れる振動波形の周期を計測するための回路ブロックである。周波数検出器34は、カウンタ33による計測結果からgm−Cフィルタ11の中心周波数f0を検出し、この中心周波数f0と目標周波数f0tとの差、すなわち周波数誤差Δfをアップダウンカウンタ35に伝える。アップダウンカウンタ35は、後述のとおり、周波数誤差Δfに応じてデジタル出力値を変化させる。
【0016】
DAC40は、アップダウンカウンタ35の出力値を調整信号として受け取り、該調整信号に応じたアナログ制御出力(電圧又は電流)をgm−Cフィルタ11に与えることにより、当該gm−Cフィルタ11の中心周波数f0を調整する。
【0017】
PLL回路50は、特性調整回路30に与える高精度の基準信号を発生するように、温度補償型水晶発振器(TCXO)51、位相比較器(PD)52、チャージポンプ(CP)53、LPF54、電圧制御発振器(VCO)55及び分周器(1/N)56によって構成されている。VCO55の発振周波数は、例えば705.6MHzである。88.2MHz以外の任意周波数をもつ基準信号を発生できるように、分周器56にプログラマブルカウンタを用いることも可能である。
【0018】
不揮発性メモリ付きマイクロコンピュータ20は、テスト信号発生器32を起動するための調整命令を発行した後、gm−Cフィルタ11の中心周波数f0と目標周波数f0tとの差が許容範囲内に入った時のアップダウンカウンタ35の出力値すなわちDAC入力値を記憶し、gm−Cフィルタ11を含む受信部10の使用時には、特性調整回路30の動作を停止させ、かつ当該記憶値をDAC40に与える機能を有する。これにより、特性調整回路30の消費電力を削減することができる。また、複数回の試行に係る複数のDAC入力値を平均化して不揮発性メモリ付きマイクロコンピュータ20に記憶させるようにすれば、周期計測結果の量子化誤差が緩和されて統計的な分散が減少するので、調整精度が向上する。
【0019】
さて、上記gm−Cフィルタ11が2次のBPFであるものとするとき、その伝達関数H(s)は、角周波数をω、当該フィルタの中心角周波数をω0、QファクタをQ、j=√(−1)、s=jωとすると、
H(s)=(ω0×s/Q)/(s2+ω0×s/Q+ω0 2) …(1)
のように表される。このフィルタのラプラス逆変換された時間軸応答は、時間をtとすると、
となる。K1、K2は定数である。ここで、Qファクタが非常に大きいものとすると、
K1×exp(jω0t)+K2×exp(−jω0t) …(3)
となり、中心角周波数ω0の振動波形がフィルタ出力に現れる。つまり、gm−Cフィルタ11の中心周波数f0の成分を含んだテスト信号を当該gm−Cフィルタ11に与えれば、これに応答して当該gm−Cフィルタ11の出力に周波数f0の振動波形が現れることとなる。
【0020】
ここで、gm−Cフィルタ11に与えられるテスト信号は、当該gm−Cフィルタ11の中心周波数f0の半分より低い繰り返し周波数をもつ信号であることが好ましい。カウンタ33による最低限1周期の時間計測が保証されるからである。中心周波数f0に係るM周期分のカウント値をNCとすると、
f0=fclk×M/NC …(4)
の関係がある。したがって、中心周波数f0の高精度検出のためには、基準信号としてPLL回路50からカウンタ33に与えられるクロック信号の周波数fclkを大きく、かつ計測周期の数Mを大きくすればよい。
【0021】
図2は、図1中のアップダウンカウンタ35の動作を説明するための図である。検出された中心周波数f0と目標周波数f0tとの差、すなわちgm−Cフィルタ11の周波数誤差Δfを横軸(対数目盛)に、アップダウンカウンタ35の出力値変化ΔNを縦軸にとってある。Δfaは量子化された周波数誤差である。アップダウンカウンタ35は、図2中に実線(特性A)で示すとおり、周波数誤差Δfが大きいほど出力値を大きく変化させる。これにより、中心周波数調整を高速化することができ、消費電力が低減される。しかも、アップダウンカウンタ35は、図2中に破線(特性B)で示すとおり、検出された中心周波数f0が目標周波数f0tに近づいた時点で出力値の制御感度を落とすように構成されている。これにより、ノイズによる制御の乱れを低減でき、中心周波数調整を安定化することができる。なお、アップダウンカウンタ35の入力ビットは、nを整数とするとき、各々に±2k(kは0からn−1までの整数)の重み付けをした2nビットでもよいし、アップ/ダウンの2ビットでもよい。
【0022】
図3は、図1中のgm−Cフィルタ11の第1の構成例を示している。図3のgm−Cフィルタ11は、4個のトランスコンダクタンスアンプ(gmアンプ)110,111,112,113と、2個のキャパシタ119,120とを有する2次のBPFである。gmアンプ110,111,112,113は各々トランスコンダクタンスgm1,gm2,gm3,gm4を持ち、キャパシタ119,120は各々キャパシタンスC1,C2を持つものとする。Vinはフィルタ入力電圧、Voはキャパシタ119の両端に現れるフィルタ出力電圧である。実際はDAC40のアナログ制御出力に応じてフィルタ特性を可変制御できるように4個のgmアンプ110〜113にそれぞれ可変電流源が接続されているのであるが、このうち初段gmアンプ110に接続された電流源(I01)124のみが図示されている。この初段gmアンプ110は、gm−Cフィルタ11のゲインを決めるアンプであって、スイッチ(S1)123を介してフィルタ調整専用の電流源(I02)125が更に接続されている。図3のgm−Cフィルタ11の伝達関数H(s)、ゲインG、中心角周波数ω0、Qファクタはそれぞれ、
H(s)=(s・gm1/C1)
/{(s2+s・gm2/C1+gm3・gm4/(C1・C2)} …(5)
G=gm1/gm2 …(6)
ω0=2πf0=√{gm3・gm4/(C1・C2)} …(7)
Q=√(gm3・gm4・C1/C2)/gm2 …(8)
である。
【0023】
図4は、図3中の初段gmアンプ110の内部構成例を示している。初段gmアンプ110は、2個のバイポーラトランジスタ140,141と、2個の電流源142,143とで構成されている。Vccは電源である。両バイポーラトランジスタ140,141は、キャパシタ119及び電流源142,143とともに積分器を構成している。図3中の他のgmアンプ111,112,113の内部構成も図4の初段gmアンプ110と同様である。なお、バイポーラトランジスタ140,141に代えてMOSFETを採用することも可能である。
【0024】
スイッチ123は、フィルタ調整時に限って閉じられる。両トランジスタ140,141の共通エミッタ電流は、スイッチ123が開いた状態ではI01であり、スイッチ123が閉じた状態ではI01+I02である。ここで、温度をT、ボルツマン定数をk、電子の電荷をqとすると、両トランジスタ140,141の各々のしきい値電圧Vtは、
Vt=kT/q …(9)
であり、フィルタ非調整時には、
gm1=I01/Vt …(10)
であり、フィルタ調整時には、
gm1=(I01+I02)/Vt …(11)
である。つまり、フィルタ調整時にはgm1が大きくなり、式(6)からgm−Cフィルタ11のゲインが増大することが判る。ただし、式(7)及び式(8)から判るように、gm1が大きくなってもgm−Cフィルタ11の中心角周波数及びQファクタは変化しない。
【0025】
ところで、図4での主要なノイズ源として、両トランジスタ140,141が発生するショットノイズが考えられる。両トランジスタ140,141の共通エミッタ電流をI0(I01又はI01+I02)、帯域幅をΔFとすると、ショットノイズInは、
In2=2qI0ΔF …(12)
のように表され、初段gmアンプ110の入力換算ノイズVnは、
である。つまり、フィルタ調整時に電流I0が大きくなることにより入力換算ノイズは減少し、gm−Cフィルタ11のSN比が改善される。
【0026】
以上のとおり、図3のgm−Cフィルタ11を採用すれば、その特性調整時にスイッチ123を閉じることで当該フィルタのゲインを増大させることにより、本来の回路構成と同じ中心周波数f0を持ち、かつ改善されたSN比を持つ調整専用のフィルタ構成を実現することができる。したがって、ノイズに強くかつ高精度のフィルタ調整を達成することが可能となる。スイッチ123のオン・オフ制御は、マイクロコンピュータ20の調整命令により起動されるテスト信号発生器32又はマイクロコンピュータ20自身が司る。gm−Cフィルタ11を含む受信部10の使用時にはスイッチ123が開かれて当該フィルタ本来の回路構成に戻される結果、gm−Cフィルタ11自身の消費電力も削減される。
【0027】
図5は、図1中のgm−Cフィルタ11の第2の構成例を示している。図5のgm−Cフィルタ11は、図3の構成に加えて5個のgmアンプ114,115,116,117,118と、2個のキャパシタ121,122とを有する4次のBPFである。gmアンプ114,115,116,117,118は各々トランスコンダクタンスgm5,gm6,gm7,gm8,gm9を持ち、キャパシタ121,122は各々キャパシタンスC3,C4を持つものとする。Vinはフィルタ入力電圧、Voはキャパシタ122の両端に現れるフィルタ出力電圧である。実際はDAC40のアナログ制御出力に応じてフィルタ特性を可変制御できるように5個のgmアンプ114〜118にそれぞれ可変電流源が接続されているのであるが、このうちゲイン調整用のgmアンプ114に接続された電流源(I03)127のみが図示されている。ただし、この電流源127は、フィルタ調整時に限って開かれるスイッチ(S2)126を介して、当該gmアンプ114に接続されている。
【0028】
図5のgm−Cフィルタ11においてgmアンプ114と電流源127とを繋ぐスイッチ126が開くと、gmアンプ115の入力へのフィルタ出力電圧Voのフィードバック経路が絶たれるため、4次BPFが2個の2次BPFの縦続接続に切り替えられる。ここで、初段の2次BPFは4個のgmアンプ110〜113と、2個のキャパシタ119,120とにより、2段目のBPFは4個のgmアンプ115〜118と、2個のキャパシタ121,122とによりそれぞれ構成される。そして、この切り替えにより、当該gm−Cフィルタ11の中心周波数は変化しないが、Qファクタは1/(√2−1)倍、つまり約2.4倍に増大する。この結果、3dBダウンの帯域幅が約2.4分の1に狭められるので、帯域内ノイズが減ることになる。しかも、Qファクタの増大によりフィルタ出力の振動周波数が安定するため、フィルタ調整精度を高めることが可能となる。
【0029】
図6は、図1中のgm−Cフィルタ11の第3の構成例を示している。図6のgm−Cフィルタ11は、図3の構成に加えてgmアンプ128と、スイッチ(S3)129と、電流源(I04)130とを有する2次のBPFである。gmアンプ128はトランスコンダクタンスgm10を持つものとする。スイッチ129はフィルタ調整時に限って閉じられる。
【0030】
スイッチ129が閉じた状態の図6のgm−Cフィルタ11の伝達関数H(s)は、
H(s)=(s・gm1/C1)
/{(s2+s・(gm2−gm10)/C1
+gm3・gm4/(C1・C2)} …(14)
である。したがって、
gm10>gm2 …(15)
を満たすgm10を選ぶと、gmアンプ128が負性抵抗として機能することとなって、フィルタ本来の中心周波数f0と同じ周波数で発振するVCOが得られる。したがって、式(4)中の計測周期数Mを大きくとれ、ノイズの影響が緩和されて調整精度が向上する。
【0031】
図7は、図1中のgm−Cフィルタ11の第4の構成例を示している。図7のgm−Cフィルタ11は、図5の構成に加えて2個のgmアンプ128,131と、2個のスイッチ(S3,S4)129,132と、2個の電流源(I04,I05)130,133とを有する4次のBPFである。gmアンプ128,131は各々トランスコンダクタンスgm10,gm11を持つものとする。スイッチ129,132はフィルタ調整時に限って閉じられる。
【0032】
スイッチ129,132が閉じた状態では、
gm10>gm2 かつ gm11>gm9 …(16)
を満たすgm10及びgm11を選ぶと、gmアンプ128、131がそれぞれ負性抵抗として機能することとなって、フィルタ本来の中心周波数f0と同じ周波数で発振するVCOが得られる。したがって、式(4)中の計測周期数Mを大きくとれ、ノイズの影響が緩和されて調整精度が向上する。
【0033】
図8は、本発明に係るフィルタ自動調整回路の他の構成例を示している。図8によれば、gm−Cフィルタ11は、各々DAC40の制御出力に応じて中心周波数を可変制御できるマスターフィルタ11aとスレーブフィルタ11bとを有し、その回路構成を調整時に限って高SN比構成に変更し得るものである。マスターフィルタ11aはスレーブフィルタ11bに対していわゆるリファレンスフィルタとして機能し、基準信号より分周器31で分周された第2の基準信号がマスターフィルタ11aに与えられてプリ調整された後、テスト信号発生器32で発生したテスト信号を用いたスレーブフィルタ11bの調整が行われるようになっている。これにより、高精度の中心周波数調整を達成できる。
【0034】
図9は、本発明に係るフィルタ自動調整回路を用いた携帯電話システムのブロック図である。図9中の集積回路60は、周波数変換復調部61と、シンセサイザPLL62と、変調部63とを1チップ化したものであって、被調整フィルタであるgm−Cフィルタとその自動調整回路とが周波数変換復調部61の中にある。
【0035】
図9の携帯電話システムでは、アンテナ70で受信されたRF信号が共用器72を経て受信アンプ71へ導かれ、BPFにより受信信号を選択・増幅する。その受信信号をシンセサイザPLL62からの信号でチャンネル選択し、第1及び第2IF(400kHz)に変換増幅され、復調された音声信号を出力する。この音声信号は音声信号処理部74で復号化され、スピーカ77から音として取り出される。またデータ信号はデータ処理部75で復号化され、制御部76により表示部81に表示される。一方、マイク78から取り込まれた音声信号は、キーマトリックス80から入力されたデータ信号をデータ処理部75で符号化した信号とともに、符号化され、変調部63に加えられる。この信号は、シンセサイザPLL62からの信号でRF信号に変調される。この変調信号は送信アンプ73にて送信出力に必要なレベルまで電力増幅され、共用器72を通してアンテナ70から出力される。なお、ID−ROM79は端末のID番号を記憶するものである。
【0036】
携帯電話システムにおける各チャンネルの帯域幅は±10kHz程度(中心周波数に対して5%程度)に選ばれており、隣接チャンネル(50kHz離調信号)の妨害を防ぐため、狭帯域のBPFが周波数変換復調部61で使用される。このような携帯電話システムの受信部に上記本発明に係るフィルタ自動調整回路を採用することで、高精度の中心周波数調整と、待ち受け時間の長時間化を達成できる。
【0037】
なお、以上の説明では被調整フィルタをgm−Cフィルタとしたが、中心周波数を電圧又は電流で可変制御できる電子フィルタであればよい。また、本発明はBPFに限らず、HPF又はLPFにも適用可能である。
【0038】
【発明の効果】
以上説明してきたとおり、本発明によれば、被調整フィルタの回路構成を調整時に限って高SN比構成に変更し、インパルス信号、パルス信号又はステップ信号を利用して当該フィルタの特性周波数を検出・調整し、その調整結果をメモリに記憶して再利用することとしたので、携帯電話システムの受信部等に使用されるフィルタの調整に適した、ノイズに強く、高精度かつ低消費電力化の可能なフィルタ自動調整回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るフィルタ自動調整回路の構成例を示すブロック図である。
【図2】図1中のアップダウンカウンタの動作を説明するための図である。
【図3】図1中のgm−Cフィルタの第1の構成例を示すブロック図である。
【図4】図3中の初段トランスコンダクタンスアンプの内部構成例を示す回路図である。
【図5】図1中のgm−Cフィルタの第2の構成例を示すブロック図である。
【図6】図1中のgm−Cフィルタの第3の構成例を示すブロック図である。
【図7】図1中のgm−Cフィルタの第4の構成例を示すブロック図である。
【図8】本発明に係るフィルタ自動調整回路の他の構成例を示すブロック図である。
【図9】本発明に係るフィルタ自動調整回路を用いた携帯電話システムのブロック図である。
【符号の説明】
10 受信部
11 gm−Cフィルタ
11a マスターフィルタ
11b スレーブフィルタ
20 不揮発性メモリ付きマイクロコンピュータ(コントローラ)
30 特性調整回路
31 分周器
32 テスト信号発生器
33 カウンタ
34 周波数検出器
35 アップダウンカウンタ
40 デジタル・アナログコンバータ(DAC)
50 位相同期ループ(PLL)回路
60 集積回路
61 周波数変換復調部
62 シンセサイザPLL
63 変調部
110〜118 トランスコンダクタンスアンプ(gmアンプ)
119,120,121,122 キャパシタ
123,126,129,132 スイッチ(回路構成変更手段)
124,125,127,130,133 電流源(回路構成変更手段)
128,131 トランスコンダクタンスアンプ(回路構成変更手段)
140,141 トランジスタ
142,143 電流源
Δf gm−Cフィルタの周波数誤差
ΔN アップダウンカウンタの出力値変化[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an automatic filter adjustment circuit for adjusting a characteristic frequency of a filter to a target frequency, and more particularly to reduction in power consumption and improvement in accuracy of the circuit. Here, the characteristic frequency means a center frequency in the case of a band-pass filter (BPF), and a cutoff frequency in the case of a high-pass filter (HPF) or a low-pass filter (LPF).
[0002]
[Prior art]
In integrated circuits for communication, gm-C filters are often used. This is a filter using a transconductance (gm; also referred to as transconductance) of a transistor and a capacitor (C) so that the frequency characteristic can be variably controlled by voltage or current, and disclosed in JP-A-7-297777. An example of the configuration is shown in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-101392.
[0003]
Conventionally, in an automatic filter adjustment circuit used in a receiving unit of a communication device, power consumption increases because filter adjustment is performed for each reception. In particular, in a mobile phone system, it is difficult to lengthen the standby time, and the adjustment time is low. Power consumption was an issue. Further, in the cellular phone system, a narrow band BPF having a bandwidth of about 5% with respect to the center frequency is required, and the center frequency is set in a short time and with high accuracy (about 0.2 to 0.3%). There is a need to adjust.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-167511 (Japanese Patent Publication No. 7-120923) discloses an automatic filter adjustment circuit for adjusting the dip frequency of a biquad filter which is one of gm-C filters. Yes. This adjustment circuit is incorporated in an integrated circuit for sound multiplex demodulation in a television receiver, inputs a sine wave signal having a constant frequency to an adjusted filter, and controls the output of a digital / analog converter (DAC) by a microcomputer. The filter characteristic is gradually changed at, and the average value of the two DAC input values when the level detection output of the filter output crosses a predetermined reference level is set as the optimum adjustment value, and this adjustment value is stored in the nonvolatile memory. Is.
[0005]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-114836 discloses an automatic filter adjustment circuit for adjusting the characteristic frequency and quality factor (Q factor: representing frequency selectivity of the filter) of the gm-C filter. This adjustment circuit inputs an impulse signal, a pulse signal or a step signal instead of a sine wave signal to the adjusted filter, and digitizes the vibration waveform appearing at the output of the filter by an analog / digital converter (ADC) to the microcomputer. The microcomputer calculates the characteristic frequency and Q factor of the filter to be adjusted by taking in and performing Laplace transform processing on the vibration waveform. After detecting the characteristics of the adjusted filter in this way, the adjustment values of the characteristic frequency DAC and the Q factor DAC are determined so as to correct the deviation from the target characteristic, and these adjustment values are stored in the nonvolatile memory. Remember me. When the filter is used, the filter characteristic is controlled with the adjustment value stored in the nonvolatile memory.
[0006]
An automatic filter adjustment circuit disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-59162 inputs an impulse signal or a step signal to a filter to be adjusted, measures a period of a vibration waveform that appears in the output of the filter, and uses the measurement result to determine the filter. This characteristic frequency is detected, and the characteristic of the filter is controlled so as to correct the deviation from the target frequency. However, the filter adjustment is executed every time the power supply voltage fluctuation or the temperature fluctuation occurs.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The prior art disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-167511 (Japanese Patent Publication No. 7-120923) searches for the optimum adjustment value by changing the DAC input value little by little, so that it takes a long time to adjust the filter. . In particular, in application to a mobile phone system, filter adjustment is performed each time reception is performed, so that much power is consumed for adjustment. In addition, it is difficult to realize a high-precision analog level detector, and it has been difficult to realize a high frequency adjustment accuracy of about 0.2 to 0.3% required for a mobile phone system.
[0008]
In the prior art disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-1114836, the microcomputer executes Laplace transform processing for calculating the characteristic frequency and the Q factor of the filter to be adjusted. Therefore, an excessive burden is placed on the microcomputer. .
[0009]
Since the prior art disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-59162 performs filter adjustment every time power supply voltage fluctuation or temperature fluctuation occurs, power consumption for adjusting filter characteristics increases. In addition, if noise is superimposed on the vibration waveform appearing in the filter output, a large error occurs in the period measurement result, and high-precision characteristic frequency adjustment cannot be realized.
[0010]
An object of the present invention is to provide an automatic filter adjustment circuit that is suitable for adjustment of a filter used in a receiving unit or the like of a mobile phone system, is resistant to noise, and has high accuracy and low power consumption.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention detects and adjusts the characteristic frequency of the tuned filter using an impulse signal, a pulse signal or a step signal, and stores the adjustment result in a memory for reuse. Is. Moreover, only when the filter is adjusted, the circuit configuration of the filter is changed to a circuit configuration having a high SN ratio (signal-to-noise ratio) suitable for adjustment.
[0012]
More specifically, the filter automatic adjustment circuit of the present invention is a circuit for adjusting the characteristic frequency of a filter to a target frequency, and the original circuit configuration of the filter is changed to the original frequency when the filter is adjusted. Has the same characteristic frequency as the circuit configuration, andBy reducing the noise of the filterCircuit configuration changing means for changing to a circuit configuration dedicated to adjustment having an improved S / N ratio compared to the original circuit configuration;Arranged in the same integrated circuit as the filter,When an impulse signal, pulse signal, or step signal is input as a test signal to a filter having a circuit configuration dedicated to adjustment, the period of the vibration waveform that appears at the output of the filter is measured, and the characteristic frequency of the filter is determined from the result of the period measurement. And a characteristic adjustment circuit for giving an adjustment signal to the filter so as to correct a deviation from the target frequency, and an adjustment instruction for starting the characteristic adjustment circuit, and then the characteristics of the filter Store the adjustment signal when the difference between the frequency and the target frequency is within an allowable range, and when using the filter, return to the original circuit configuration of the filter, stop the operation of the characteristic adjustment circuit, And adopting a configuration including a controller for controlling the characteristics of the filter with the stored adjustment signal.
[0013]
The circuit configuration changing means is configured to adjust the filter when adjusting the filter.By increasing the current of the variable current source connected toMeans for improving the S / N ratio of the filter,AhAlternatively, there is provided means for causing the filter to oscillate at the same frequency as the characteristic frequency of the filter when the filter is adjusted.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a configuration example of an automatic filter adjustment circuit according to the present invention. In FIG. 1,
[0015]
The characteristic adjustment circuit 30 includes a
[0016]
The
[0017]
The PLL circuit 50 includes a temperature compensated crystal oscillator (TCXO) 51, a phase comparator (PD) 52, a charge pump (CP) 53, an
[0018]
The
[0019]
When the gm-
H (s) = (ω0× s / Q) / (s2+ Ω0× s / Q + ω0 2(1)
It is expressed as The Laplace inverse transformed time domain response of this filter is
It becomes. K1, K2Is a constant. Here, if the Q factor is very large,
K1Xexp (jω0t) + K2Xexp (-jω0t) (3)
And the central angular frequency ω0The vibration waveform of appears in the filter output. That is, the center frequency f of the gm-
[0020]
Here, the test signal given to the gm-
f0= Fclk × M / NC (4)
There is a relationship. Therefore, the center frequency f0Therefore, the frequency fclk of the clock signal supplied from the PLL circuit 50 to the
[0021]
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the up / down counter 35 in FIG. Detected center frequency f0And target frequency f0t, That is, the frequency error Δf of the gm-
[0022]
FIG. 3 shows a first configuration example of the gm-
H (s) = (s · gm1 / C1)
/ {(S2+ S · gm2 / C1+ Gm3 · gm4 / (C1・ C2)}… (5)
G = gm1 / gm2 (6)
ω0= 2πf0= √ {gm3 · gm4 / (C1・ C2)}… (7)
Q = √ (gm3 · gm4 · C1/ C2) / Gm2 (8)
It is.
[0023]
FIG. 4 shows an internal configuration example of the first
[0024]
The
Vt = kT / q (9)
And when the filter is not adjusted,
gm1 = I01/ Vt (10)
And when adjusting the filter,
gm1 = (I01+ I02) / Vt (11)
It is. In other words, it can be seen that gm1 increases during filter adjustment, and the gain of the gm-
[0025]
By the way, as a main noise source in FIG. 4, shot noise generated by both
In2= 2qI0ΔF (12)
The input conversion noise Vn of the first
It is. In other words, the current I0Increases, the input conversion noise is reduced, and the SN ratio of the gm-
[0026]
As described above, when the gm-
[0027]
FIG. 5 shows a second configuration example of the gm-
[0028]
When the
[0029]
FIG. 6 shows a third configuration example of the gm-
[0030]
The transfer function H (s) of the gm-
H (s) = (s · gm1 / C1)
/ {(S2+ S · (gm2−gm10) / C1
+ Gm3 · gm4 / (C1・ C2)} ... (14)
It is. Therefore,
gm10> gm2 (15)
If gm10 satisfying the above is selected, the
[0031]
FIG. 7 shows a fourth configuration example of the gm-
[0032]
When the
gm10> gm2 and gm11> gm9 (16)
If gm10 and gm11 satisfying the above are selected, the
[0033]
FIG. 8 shows another configuration example of the automatic filter adjustment circuit according to the present invention. According to FIG. 8, the gm-
[0034]
FIG. 9 is a block diagram of a cellular phone system using the filter automatic adjustment circuit according to the present invention. An integrated circuit 60 in FIG. 9 is a
[0035]
In the mobile phone system of FIG. 9, the RF signal received by the
[0036]
The bandwidth of each channel in the mobile phone system is selected to be about ± 10 kHz (about 5% of the center frequency), and a narrow band BPF converts the frequency to prevent interference with adjacent channels (50 kHz detuning signal). Used in the
[0037]
In the above description, the adjusted filter is a gm-C filter. However, any electronic filter that can variably control the center frequency with voltage or current may be used. In addition, the present invention is not limited to BPF, but can be applied to HPF or LPF.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the circuit configuration of the tuned filter is changed to a high signal-to-noise ratio configuration only during adjustment, and the characteristic frequency of the filter is detected using an impulse signal, a pulse signal, or a step signal.・ Adjustment, and the adjustment result is stored in memory and reused, making it suitable for adjustment of filters used in mobile phone system receivers, etc., noise-resistant, high accuracy, and low power consumption Therefore, it is possible to provide an automatic filter adjustment circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an automatic filter adjustment circuit according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of an up / down counter in FIG. 1;
FIG. 3 is a block diagram illustrating a first configuration example of a gm-C filter in FIG. 1;
4 is a circuit diagram illustrating an internal configuration example of a first-stage transconductance amplifier in FIG. 3;
FIG. 5 is a block diagram illustrating a second configuration example of the gm-C filter in FIG. 1;
6 is a block diagram illustrating a third configuration example of the gm-C filter in FIG. 1. FIG.
7 is a block diagram illustrating a fourth configuration example of the gm-C filter in FIG. 1. FIG.
FIG. 8 is a block diagram showing another configuration example of the filter automatic adjustment circuit according to the present invention.
FIG. 9 is a block diagram of a mobile phone system using an automatic filter adjustment circuit according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Receiver
11 gm-C filter
11a Master filter
11b Slave filter
20 Microcomputer with nonvolatile memory (controller)
30 characteristic adjustment circuit
31 divider
32 Test signal generator
33 counter
34 Frequency detector
35 Up / Down Counter
40 Digital-to-analog converter (DAC)
50 Phase-locked loop (PLL) circuit
60 Integrated circuits
61 Frequency conversion demodulator
62 Synthesizer PLL
63 Modulator
110-118 transconductance amplifier (gm amplifier)
119, 120, 121, 122 capacitor
123, 126, 129, 132 switches (circuit configuration changing means)
124, 125, 127, 130, 133 Current source (circuit configuration changing means)
128, 131 transconductance amplifier (circuit configuration changing means)
140,141 transistor
142,143 current source
Δf gm-C filter frequency error
ΔN Change in output value of up / down counter
Claims (12)
前記フィルタの本来の回路構成を、当該フィルタの調整時に、前記本来の回路構成と同じ特性周波数を持ち、かつ前記フィルタのノイズを減少させることで前記本来の回路構成に比べて改善された信号対雑音比を持つ調整専用の回路構成に変更するための回路構成変更手段と、
前記フィルタと同一集積回路内に配置され、前記調整専用の回路構成を持つフィルタにインパルス信号、パルス信号又はステップ信号をテスト信号として入力した時に当該フィルタの出力に現れる振動波形の周期を計測し、当該周期計測の結果から当該フィルタの特性周波数を検出し、かつ前記目標周波数からのずれを補正するように当該フィルタに調整信号を与えるための特性調整回路と、
前記特性調整回路を起動するための調整命令を発行した後、前記フィルタの特性周波数と前記目標周波数との差が許容範囲内に入った時の前記調整信号を記憶し、前記フィルタの使用時には、当該フィルタの本来の回路構成に戻し、前記特性調整回路の動作を停止させ、かつ前記記憶した調整信号をもって前記フィルタの特性を制御するためのコントローラとを備えたことを特徴とするフィルタ自動調整回路。An automatic filter adjustment circuit for adjusting a characteristic frequency of a filter to a target frequency,
The original circuit configuration of the filter has the same characteristic frequency as the original circuit configuration at the time of adjustment of the filter, and the signal pair improved compared to the original circuit configuration by reducing the noise of the filter. A circuit configuration changing means for changing to a circuit configuration dedicated to adjustment having a noise ratio;
Measuring the period of the vibration waveform that appears in the output of the filter when the impulse signal, the pulse signal, or the step signal is input as a test signal to the filter that is arranged in the same integrated circuit as the filter and has a circuit configuration dedicated to the adjustment, A characteristic adjustment circuit for detecting a characteristic frequency of the filter from a result of the period measurement and providing an adjustment signal to the filter so as to correct a deviation from the target frequency;
After issuing an adjustment instruction for starting the characteristic adjustment circuit, the adjustment signal when the difference between the characteristic frequency of the filter and the target frequency is within an allowable range is stored, and when using the filter, An automatic filter adjustment circuit comprising: a controller for returning to the original circuit configuration of the filter, stopping the operation of the characteristic adjustment circuit, and controlling the characteristic of the filter with the stored adjustment signal .
前記フィルタは、複数のトランスコンダクタンスアンプと複数のキャパシタとを有するgm−Cフィルタであることを特徴とするフィルタ自動調整回路。In the filter automatic adjustment circuit according to claim 1,
The filter automatic adjustment circuit, wherein the filter is a gm-C filter having a plurality of transconductance amplifiers and a plurality of capacitors.
前記回路構成変更手段は、前記フィルタの調整時に当該フィルタに接続された可変電流源の電流を増大させることで前記フィルタの信号対雑音比を改善する手段を備えたことを特徴とするフィルタ自動調整回路。In the filter automatic adjustment circuit according to claim 1,
The circuit configuration changing means includes means for improving a signal-to-noise ratio of the filter by increasing a current of a variable current source connected to the filter at the time of adjustment of the filter. circuit.
前記回路構成変更手段は、前記フィルタの調整時に当該フィルタの特性周波数と同じ周波数で当該フィルタを発振させるための手段を備えたことを特徴とするフィルタ自動調整回路。In the filter automatic adjustment circuit according to claim 1,
The automatic filter adjustment circuit according to claim 1, wherein the circuit configuration changing means includes means for causing the filter to oscillate at the same frequency as the characteristic frequency of the filter when the filter is adjusted.
前記コントローラは、複数回の試行に係る複数の前記調整信号を平均化して記憶し、当該平均化した調整信号をもって前記フィルタの特性を制御するように構成されたことを特徴とするフィルタ自動調整回路。In the filter automatic adjustment circuit according to claim 1,
The controller is configured to average and store a plurality of the adjustment signals related to a plurality of trials, and to control the characteristics of the filter with the averaged adjustment signals. .
前記特性調整回路は、
基準信号として与えられたクロック信号を分周するための分周器と、
前記分周されたクロック信号から前記テスト信号を発生するためのテスト信号発生器と、
前記テスト信号に応答して前記フィルタの出力に現れる振動波形の周期を、前記クロック信号を用いて計測するためのカウンタと、
前記カウンタによる計測結果から前記フィルタの特性周波数を検出するための周波数検出器と、
前記検出された特性周波数と前記目標周波数との差に応じて前記調整信号を変化させるためのアップダウンカウンタとを備えたことを特徴とするフィルタ自動調整回路。In the filter automatic adjustment circuit according to claim 1,
The characteristic adjustment circuit includes:
A frequency divider for dividing a clock signal given as a reference signal;
A test signal generator for generating the test signal from the divided clock signal;
A counter for measuring the period of the vibration waveform appearing at the output of the filter in response to the test signal using the clock signal;
A frequency detector for detecting a characteristic frequency of the filter from a measurement result by the counter;
An automatic filter adjustment circuit, comprising: an up / down counter for changing the adjustment signal in accordance with a difference between the detected characteristic frequency and the target frequency.
前記特性調整回路又は前記コントローラからデジタル形式の調整信号を受け取り、当該調整信号に応じたアナログ制御信号を前記フィルタに与えるためのデジタル・アナログコンバータを更に備えたことを特徴とするフィルタ自動調整回路。The automatic filter adjustment circuit according to claim 6 ,
An automatic filter adjustment circuit, further comprising a digital / analog converter for receiving an adjustment signal in digital form from the characteristic adjustment circuit or the controller and providing an analog control signal corresponding to the adjustment signal to the filter.
前記基準信号を発生するための位相同期ループ回路を更に備えたことを特徴とするフィルタ自動調整回路。The automatic filter adjustment circuit according to claim 6 ,
An automatic filter adjustment circuit, further comprising a phase-locked loop circuit for generating the reference signal.
前記アップダウンカウンタは、前記検出された特性周波数と前記目標周波数との差が大きいほど前記調整信号を大きく変化させるように構成されたことを特徴とするフィルタ自動調整回路。The automatic filter adjustment circuit according to claim 6 ,
The automatic filter adjustment circuit, wherein the up / down counter is configured to change the adjustment signal as the difference between the detected characteristic frequency and the target frequency increases.
前記アップダウンカウンタの変化量は、前記検出された特性周波数が前記目標周波数に近づいた時点で減少するように構成されたことを特徴とするフィルタ自動調整回路。The automatic filter adjustment circuit according to claim 6 ,
The automatic filter adjustment circuit, wherein the change amount of the up / down counter is configured to decrease when the detected characteristic frequency approaches the target frequency.
前記フィルタは、各々前記調整信号に応じて特性周波数を可変制御できるマスターフィルタとスレーブフィルタとを有し、
前記マスターフィルタに前記基準信号より分周された第2の基準信号が与えられてプリ調整された後、前記テスト信号を用いた前記スレーブフィルタの調整が行われるように構成されたことを特徴とするフィルタ自動調整回路。The automatic filter adjustment circuit according to claim 6 ,
Each of the filters includes a master filter and a slave filter that can variably control a characteristic frequency according to the adjustment signal,
The slave filter is adjusted using the test signal after the master filter is supplied with a second reference signal divided by the reference signal and pre-adjusted. Automatic filter adjustment circuit.
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