JP4105169B2 - 周波数シンセサイザ、それを用いた無線通信システム及び周波数シンセサイザの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動無線機等で使用される周波数シンセサイザであって、特に、複数の周波数帯で発振可能な電圧制御発振器（ＶＣＯ）を含む周波数シンセサイザに関する。

一般に携帯電話機のような無線通信システムにおいて、受信信号や送信信号と合成される所定の周波数の発振信号を発生する局部発振器として周波数シンセサイザが用いられている。

従来の携帯電話機において、例えば８８０〜９１５ＭＨｚ帯のＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）と１７１０〜１７８５ＭＨｚ帯のＤＣＳ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｓｙｓｔｅｍ）のような２つの周波数帯の信号を扱えるデュアルバンド方式の携帯電話機がある。さらに、そのようなデュアルバンド方式の携帯電話機において、ＰＬＬ回路の出力周波数を切り換えることにより、一つのＰＬＬ回路で２つの周波数帯に対応することができるものがある。

近年、ＧＳＭやＤＣＳの他に例えば１８５０〜１９１５ＭＨｚ帯のＰＣＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）の信号を扱えるトリプルバンド方式の携帯電話機に対する要望が強まっており、今後さらに多くの周波数帯への対応が要望されると予想される。

複数の周波数帯に対応できる携帯電話機に使用される送受信信号の変復調を行なう高周波用半導体集積回路（以下「高周波ＬＳＩ」という。）に対しては、携帯電話機等の小型化やコストの低減という観点から、ダイレクトコンバージョン方式が有効である。ダイレクトコンバージョン方式は、複数の周波数帯に対応することが比較的容易ではあるが、電圧制御発振器（以下「ＶＣＯ」という。）の発振可能な周波数範囲が広くなるという問題がある。すなわち、一つのＶＣＯで全ての周波数に対応しようとすると、ＶＣＯの制御電圧の感度（１Ｖあたりの発振周波数の変化幅：単位［Ｈｚ／Ｖ］）が高くなり外来ノイズや電源電圧変動に弱くなり、Ｃ／Ｎ（Carrier/Noise）特性が劣化するという不具合がある。

一方、ＶＣＯは一般にモジュール部品で構成されるため、携帯電話機等の小型化を阻害する要因の一つとなっており、ＶＣＯのＩＣ化の要請が高まってきている。しかしながらＶＣＯをＩＣ化する場合、ＶＣＯを構成する素子の製造ばらつきで発振周波数が大きく変化してしまい、所望の周波数で位相ロックできないという問題がある。

この問題を解決するためにＶＣＯの並列共振回路に複数の固定容量を並列接続し、ＩＣ製造時にレーザー等でトリミングして発振周波数を設定するという方法があるが、ＩＣを個別に調整することになり製造コストを増大させるという問題がある。また、ＶＣＯ制御感度を高くする方法もあるが、先述したように制御感度を高くすると、外来ノイズや電源電圧変動に弱くなりＣ／Ｎ特性が劣化するという別の問題を招いてしまう。

ＶＣＯを含む発振回路に関連する先行技術として、例えば特許文献１、特許文献２が知られている。

特開２００３−１５２５３５号公報 特開２００１−３３９３０１号公報

ＶＣＯの並列共振回路において、複数のキャパシタまたはインダクタの切換手段を設けることで、共振周波数の細かな切り換えが可能となり、複数の周波数帯（バンド）が利用可能になるという構成が知られている。周波数バンドが単一のＶＣＯでは、図２Ａに示すように、周波数ｆＬから周波数ｆＨの広い範囲で発振させるためにＶＣＯの制御感度が高くなってしまう。一方、ＶＣＯを複数（Ｎ個）の周波数バンドを有する構成にすることで、図２Ｂに示すように、共振周波数を細かく切り換えられるため、ＶＣＯの制御感度を低くすることができ、Ｃ／Ｎ特性を向上させることができる。

このような複数の周波数バンドＶＣＯを用いた周波数シンセサイザでは、所望の発振周波数を得るため、どの周波数バンドで位相ロックさせることができるかを決定しなくてはならない。

特許文献１または特許文献２では、ＶＣＯのＩＣ化においてＩＣ製造時の個別調整によるコスト増を避けるために、外部のＰＬＬ制御回路から与えられた分周比設定に基づいて、周波数バンドを自動的に選択している。

特許文献１の周波数シンセサイザの特徴は以下の通りである。まず、複数の周波数バンドを有するＶＣＯについて、周波数調査手段で各バンドの発振周波数をあらかじめ調査し、その結果を記憶装置に記憶する。そしてバンド選択回路において、記憶した値を所望周波数と比較してバンドを選択する。しかし、この方法では、発振周波数を記憶した後でＩＣの温度変化や電源電圧変動等の動作環境の変化が起こると、記憶動作時と実際の動作時とで、ＶＣＯの発振周波数が変化する。このため、記憶動作時に記憶したデータをそのまま使用すると、動作時において必ずしも最適なバンドが得られないという問題がある。このような動作環境の変化による発振周波数の変化を予想して、それぞれのバンドの周波数カバー範囲を広くすること、すなわちＶＣＯの制御感度を高くすることが考えられるが、ＶＣＯの制御感度を高くすると、先述したように外来ノイズや電源電圧変動に弱くなりＣ／Ｎ特性が劣化するという問題を招く。

一方、特許文献２の周波数シンセサイザは、位相ロックさせるたびにＶＣＯの発振周波数を類推し、最適なバンドをその都度、選択することを特徴とする。このため製造ばらつきだけでなく、温度や供給電圧といった変化にも常に対応できる。

具体的には、外部ＰＬＬ制御回路から分周比設定が与えられた後、ＶＣＯの発振周波数を類推するため基準信号ｆrefと比較信号ｆdivの時間差を検出する。さらに、基準信号ｆrefと比較信号ｆdivとの時間差が所定値以内になるまで、すなわち、ＶＣＯの発振周波数と所望周波数との差が所定値以内になるまで、バンド切替えと発振周波数の類推を繰り返す。しかし、この方法では、最終的に位相ロックさせるバンドを決定するために、時間差検出動作一回あたりに要する時間に時間差検出動作の回数を乗算した時間だけ、ロックアップタイムが長くなるという問題がある。

バンドの決定に必要な時間を短縮するために一回あたりの発振周波数の類推に要する時間を短くしたとしても、精度が低下するので、所望周波数との差が所定以内になるまでにＶＣＯのバンドを切り換える回数が多くなり、それほどバンドの決定に必要な時間は短縮できない。また、精度の低下により最悪の場合、位相ロックができなくなってしまう。

さらに、ＶＣＯの製造バラツキも、発振周波数や各バンドの相対関係が変化するので発振周波数類推の精度低下の要因となる。さらにＶＣＯの制御感度を低くするためにバンド数を増やすと、発振周波数類推の精度に起因するバンド切替えの回数が増加し、バンド決定に必要な時間が増加し、ロックアップタイムが増加する。

これらの理由によりバンド決定に必要な時間が無視できない時間となったとき、ロックアップタイムの仕様を満たすためにループフィルタの定数を変更すると、Ｃ／Ｎが劣化することは周知の事実である。

以上のように、従来のＶＣＯバンド自動選択回路では良好なＣ／Ｎ特性をもつ周波数シンセサイザを得ることが困難である。

本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的は、複数の周波数バンドを持つＶＣＯを用いて良好なＣ／Ｎ特性が得られ、かつ低コストの周波数シンセサイザを提供することにある。

本発明に係る周波数シンセサイザは、複数の周波数帯で発振可能であり、制御電圧端子に印加される電圧に応じた周波数の信号を発振出力する電圧制御発振器と、電圧制御発振器の周波数を分周した信号を出力する比較分周器と、基準信号の周波数を分周する基準分周器と、比較分周器の出力信号と基準分周器の出力信号との位相を比較し、その位相差を出力する位相比較器と、位相比較器の出力信号を電圧に変換するチャージポンプと、チャージポンプの出力電圧を平滑して電圧制御発振器の制御電圧端子に印加するループフィルタと、発振動作時に電圧制御発振器の周波数帯を設定するバンド制御回路とを備える。

バンド制御回路は、電圧制御発振器の所定数の周波数帯の各々について発振周波数を測定する周波数調査手段と、周波数調査手段によって測定された各周波数帯の発振周波数を記憶する記憶手段と、ＰＬＬ制御回路から与えられる周波数に基づき、記憶手段に発振周波数が記憶された各発振周波数帯の中から、１つの周波数帯を選択する初期バンド選択手段と、初期バンド選択手段により選択された１つの周波数帯における電圧制御発振器の発振周波数を測定し、該測定した発振周波数に基づき、発振動作に使用する１つの周波数帯を決定し、その決定した周波数帯を前記電圧制御発振器に設定する周波数調整手段とを備える。

本発明に係る周波数シンセサイザは無線通信システムに組み込むことができる。

本発明に係る方法は、複数の周波数帯を有する電圧制御発振器を備えた周波数シンセサイザの制御方法である。その制御方法は、電圧制御発振器に所定電圧を印加した状態で、所定数の周波数帯の各々について電圧制御発振器の発振周波数を測定し、測定した各周波数帯の発振周波数を記憶し、ＰＬＬ制御回路から与えられる周波数に基づき、発振周波数が記憶されている各発振周波数帯の中から、１つの周波数帯を選択し、電圧制御発振器に所定電圧を印加した状態で、選択された１つの周波数帯における電圧制御発振器の発振周波数を測定し、測定した発振周波数と、発振周波数と基準周波数の誤差とに基づいて、発振動作に使用する１つの周波数帯を決定し、その決定した周波数帯を電圧制御発振器に設定する。

本発明によれば、電圧制御発振器（ＶＣＯ）を構成する素子の製造ばらつきによる発振周波数の変動があり、さらにＩＣの温度や電源電圧といった環境変化が集積回路の動作中に起こったとしても、ＶＣＯの実際の発振周波数に応じて周波数バンドを決定するため、所望の周波数で位相ロックすることができる。かつＶＣＯをＩＣ化できるため小型低コスト化を図ることができる。そして、ＶＣＯの共振周波数を細かく切り換えられるため、ＶＣＯの制御感度を低くすることができ、またあらかじめ発振周波数を測定して記憶してあるのでＶＣＯ発振周波数を精度良く類推できることから、少ない時間でバンドを決定することができ、ロックアップタイムを短縮でき、その結果、良好なＣ／Ｎ特性を得ることができる。

また、この周波数シンセサイザを無線通信システムに備えることにより、小型化かつ安価で通信品質の良い無線通信システムを得ることができる。

以下、添付の図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。

１．周波数シンセサイザの全体構成
図１は本発明における周波数シンセサイザのブロック図である。
周波数シンセサイザは、制御電圧端子を有し、その制御電圧端子に印加される電圧に応じた周波数の信号を出力するＶＣＯ（電圧制御発振器）１と、ＶＣＯ１の出力信号ｆvcoを分周するプリスケーラ２と、プリスケーラ２の出力信号をカウントするカウンタ３と、水晶発振子を使用した精度の高い周波数で発振する基準発振回路（以下「ＴＣＸＯ」という。）４と、ＴＣＸＯ４の出力信号ｆoscを分周する基準分周器５と、カウンタ３の出力信号ｆdivと基準分周器５の出力信号ｆrefの位相を比較して位相差を出力する位相比較器６と、位相比較器６の出力信号を電圧または電流に変換するチャージポンプ７と、チャージポンプ７の出力を平滑化するループフィルタ８とを備える。

ＶＣＯ１は複数の周波数帯（バンド）を有し、発振周波数を細かく切り換えることを可能とする。すなわち、ＶＣＯ１は図２Ｂに示すように発振周波数の低い順から、バンド１、バンド２、…、バンドＮというようにＮ個のバンドを有する。プリスケーラ２とカウンタ３は、パルススワロウ型の可変分周器２０を構成する。位相比較器６、チャージポンプ７、ループフィルタ８、ＶＣＯ１、及びプリスケーラ２とカウンタ３は閉ループを構成し、これは一般的なＰＬＬ回路の構成と同様である。

周波数シンセサイザはさらに、ＶＣＯ１の周波数帯を制御するバンド制御部５０を備える。バンド制御部５０は、ＶＣＯ１の各バンドの固定電圧Ｖ１での発振周波数を測定する周波数調査部１０と、周波数調査部１０による測定結果を記憶する記憶回路１１と、周波数調整するときの初期バンドを決定する初期バンド選択回路１２と、実際に利用するバンド群を決定する周波数調整部１３とを含む。

記憶回路１１は、各バンドの発振周波数の情報として、実際には分周比設定の情報を記憶する。これは、「分周比設定」と「発振周波数」とは比例関係にあることから、分周比設定が決定されれば一義的に発振周波数が決まるからである。なお、本実施形態の説明においては、「分周比設定」と「発振周波数」の用語を同義に用いることがある。

初期バンド選択回路１２は、記憶回路１１に記憶されているＶＣＯ１の発振周波数と、ＰＬＬ制御回路１４から提供される分周比設定１とから初期バンドを決定する。周波数調整手段１３は、初期バンド選択回路１２により決定されたバンド群の中から、位相ロックする際に実際に使用する一つのバンドを決定する。周波数調査部１０からのＶＣＯ制御信号１または周波数調整部１３からのＶＣＯ制御信号２によって、ＶＣＯ１のバンドを切り替えることができる。

また、周波数シンセサイザは２つのスイッチ９、１８を有する。

スイッチ９は、周波数調査部１０からのＳＷ制御信号1または周波数調整部１３からのＳＷ制御信号２によって、切替えられる。スイッチ９は、チャージポンプ７の出力または所定のバイアス電圧Ｖ１をループフィルタ８に接続する。なお、スイッチ９は、ループフィルタ８の出力または所定のバイアス電圧Ｖ１をＶＣＯ１に供給するように設けられてもよい。なお、本実施形態では、所定のバイアス電圧Ｖ１は図２Ｂに示す下限の電圧ＶLに等しい電圧に設定している。スイッチ９は、周波数シンセサイザが通常の発振動作を行うときは、ループフィルタ８側に切替えられ、ＶＣＯ１の周波数バンドの発振周波数の調査、初期バンドの選択、最適バンドの設定が行われるときは、電圧源Ｖ１側に切替えられる。

スイッチ１８はカウンタ３に設定される分周比を切り替えるものであり、周波数調査部１０からの分周比設定２またはＰＬＬ制御回路１４からの分周比設定１をカウンタ３に供給する。スイッチ１８は周波数調査部１０からのＳＷ制御信号３によって切替えられる。

２．周波数シンセサイザの動作
２．１ 動作概要
本実施形態の周波数シンセサイザは、バンド制御部５０以外は、一般的な周波数シンセサイザと同様の構成を有し、同様の発振動作を行う。バンド制御部５０は発振動作を開始前に、ＶＣＯ１において使用する周波数バンドとして、複数の周波数バンドの中から最も好適な１つの周波数バンドを決定する。バンド制御部５０の動作概要を以下に示す。

（ステップ１）ＶＣＯの各バンドの発振周波数の調査（測定）、記憶
周波数シンセサイザが組み込まれた機器の電源が投入されると、最初に、バンド制御部５０は、ＶＣＯ１の各バンドの発振周波数（分周比）を調査し、その結果を記憶する。より具体的には、ＶＣＯ１に固定電圧Ｖ１を印加し、ＶＣＯ１のいくつかの所定のバンドについて、発振周波数（分周比）を測定し、測定結果を記憶回路１１に記憶する。

その後、ＰＬＬ制御回路１４から発振周波数（分周比）を受信し、記憶しておいた各バンドの発振周波数（分周比）を参照して、動作させるべき１つのバンドを決定し、ＶＣＯ１をその決定したバンドで発振動作させる。より具体的には以下の２つの動作を行う。

（ステップ２）初期バンドの選択
ＰＬＬ制御回路１４からの分周比設定値を、各バンドに対して記憶した分周比設定の値のそれぞれと比較し、ＰＬＬ制御回路１４からの分周比設定に近い値の分周比を持つ１つのバンドを「初期バンド」として選択する。

（ステップ３）最適バンドの設定
その後、ＶＣＯ１の周波数バンドを、選択した初期バンドに設定し、ＶＣＯ１に固定電圧Ｖ１を印加し、初期バンド上での発振周波数を測定する。測定した発振周波数と基準周波数との誤差を検出し、その誤差に基づいて、実際に発振動作に使用する最適なバンドを選択する。そして、選択したバンドでＶＣＯ１を発振動作させる。

以下、バンド制御回路５０の動作の詳細を上記の各ステップ毎に説明する。

２．２ ＶＣＯの各バンドの発振周波数の調査（測定）、記憶
本処理は、主としてバンド制御回路５０内の周波数調査部１０により実現される。図３は本実施形態における周波数調査部１０のブロック図であり、図４は周波数調査部１０の動作フローチャートである。

図３において、周波数調査部１０は、カウンタ１０１、１０２、Ｄフリップフロップ１０３、分周比切替回路１０４、判定回数カウンタ１０６、リセット生成部１０５、ＶＣＯ制御回路１０７、ＳＷ制御回路１０８及び記憶データ生成回路１０９を有する。

カウンタ１０１は基準分周器５の出力信号ｆrefをカウントし、カウンタ１０２はカウンタ３の出力信号ｆdivをカウントする。カウンタ１０１とカウンタ１０２は同じ数だけカウントする。カウンタ１０１およびカウンタ１０２それぞれの出力は、リセット時はＬレベル（以下「Ｌ」という。）であるが、カウント終了と同時にＨレベル（以下「Ｈ」という。）になる。

判定回数カウンタ１０６は、カウンタ１０１の出力信号CNTrefによって分周比判定動作の終了の検出を行うとともに、終了の検出回数をカウントし、その結果を判定回数信号として出力する。判定回数信号は図４のフローチャート内の変数ｊに相当する。

分周比切替回路１０４はこの判定回数信号によって分周比の増減量ΔＭｎを決定する（増減量ΔＭｎの詳細は後述する。）。

ＶＣＯ制御回路１０７は、判定回数カウンタ１０６の出力を判定基準値と比較し、判定回数が判定基準値に達したときに、１つのバンドの周波数調査が終了したと判断し、次のバンドの周波数を調査するために、ＶＣＯ１のバンドの切替えのための制御信号（ＶＣＯ制御信号１）を生成する。

記憶データ生成回路１０９は、判定回数が判定基準値に達したときに１つのバンドの周波数調査が終了したことを検出し、そのときの分周比設定２とＶＣＯ制御信号１とから、記憶させるデータを生成して、記憶回路11に記憶させる。

ＳＷ制御回路１０８は、周波数の調査中であることを検出し、スイッチ９及びスイッチ１８を切り替えるためのＳＷ制御信号１およびＳＷ制御信号３を生成する。

リセット生成部１０５はリセット信号１を生成する。リセット信号1は分周比比較動作の開始時にカウンタ３、１０１、１０２と、プリスケーラ２とをリセットし、基準分周器５の出力信号ｆrefに同期してリセットを解除することで比較動作の精度を向上させる。

一般にＶＣＯの発振周波数を正確に知るためには、ＶＣＯの１秒間のクロック数をカウンタで計数するか、または、ＶＣＯのクロック数を所定期間計数して１秒間の周波数に換算することが必要である。しかし、このためには比較的複雑な演算が必要となる。本実施形態では、各バンドについて、基準信号ｆrefの周波数ｆrが比較信号ｆdivの周波数ｆdと等しくなるときの分周比を検出し、記録しておき、この記録した分周比を、外部から供給される分周比設定と比較し、ＶＣＯ１で動作させるバンドを決定する。この方法によれば、どのバンドで動作させるべきか容易に演算することができる。なお、求める分周比Ｍ、基準信号ｆrefの周波数ｆr、ＶＣＯ出力ｆvcoの間には以下の関係が成り立つ。
ｆvco＝ｆr×Ｍ
以下、図４を参照し、周波数調査部１０の動作を説明する。

まず、スイッチ９が切替えられ、所定電圧Ｖ1がループフィルタ８に接続される（Ｓ１１）。ＶＣＯ１の制御端子に固定電圧Ｖ１を印加し、ＶＣＯ１が一定周波数で安定して発振するまで待つ（Ｓ１２）。

調査対象のバンドを指定する変数ｉを１に設定する（Ｓ１３）。調査対象バンドをバンドiに設定する（Ｓ１４）。判定回数を示す変数ｊを１に設定する（Ｓ１５）。

この状態で、分周比切替回路１０４において所定の分周比Ｍ'1を設定する（Ｓ１６）。

そして、カウンタ１０１とカウンタ１０２のリセットを同時に解除し、基準周波数信号ｆrefと比較周波数信号ｆdivそれぞれのカウントを開始させ、周波数の測定を行う（Ｓ１７）。カウンタ１０１およびカウンタ１０２それぞれの出力は、リセット時は「Ｌ」であるが、カウント終了と同時に「Ｈ」になる。Ｄフリップフロップ１０３には、信号ＣＮＴｒｅｆをＣＫ入力に、信号ＣＮＴｄｉｖをＤ入力にそれぞれ接続する。カウンタ１０１のカウントが終了すると、信号ＣＮＴｒｅｆが「Ｌ」から「Ｈ」に変化するので、Ｄフリップフロップ１０３から、ＣＮＴｄｉｖの値が信号Ｊｕｄｇｅとして出力される。これにより、一回分の測定が終了する。

続いて、信号Ｊｕｄｇｅに基づいて周波数の判定を行う（Ｓ１７）。信号Ｊｕｄｇｅが「Ｌ」であるとき、カウンタ１０１のカウント終了時にカウンタ１０２が未だカウント中であることを意味する。すなわちカウンタ３の出力信号ｆdivの周波数ｆdが、基準分周器５からの基準信号ｆrefの周波数ｆrより低く（ｆｄ＜ｆｒ）、また、このときはｆvco＝ｆd×Ｍ'1が成り立つことから、Ｍ＜Ｍ'1であると判定できる。同様に信号Ｊｕｄｇｅが「Ｈ」のとき、Ｍ＞Ｍ'１であると判定できる。

上記からわかるように信号ＣＮＴrefが「Ｌ」から「Ｈ」に変わることは、一回の分周比測定動作及び判定動作の終了を意味する。信号ＣＮＴrefによって一回の分周比判定動作の終了が検出されると、分周比切替回路１０４はその結果の信号Ｊｕｄｇｅに応じて分周比を増減させる（Ｓ１８）。

一回の分周比判定動作が終了すると、リセット生成部１０５がカウンタ１０１とカウンタ１０２をリセットし、次の分周比判定動作を開始する。

分周比の増減量について説明する。一回目の増減量ΔＭ1はあらかじめ決めた正の値を設定する。２回目以降、ｎ回目の増減量ΔＭnは、ｎ−１回目に増減させた値ΔＭn-1よりも小さい正の値とする。分周比の増減について具体例をあげて説明する。

まず、一回目の分周比判定動作における分周比がＭ'1であり、判定の結果（Ｓ１７）、信号Ｊｕｄｇｅが「Ｈ」であったとする。このとき、求める分周比ＭはＭ'1＜Ｍであるので、２回目の分周比判定動作では分周比を増加させる（Ｓ１８）。２回目の分周比判定動作では、分周比Ｍ'2＝Ｍ'1＋ΔＭ1として行う（Ｓ１６）。２回目の判定の結果（Ｓ１７）、信号Ｊｕｄｇｅが「Ｌ」であったならば、求める分周比ＭはＭ＜Ｍ'2である。一回目の分周比判定結果と合わせて、Ｍ'1＜Ｍ＜Ｍ'2であることがわかる。これにより、分周比ＭがΔＭ1の精度で求められる。

３回目の判定は、２回目の分周比判定結果において信号Ｊｕｄｇｅが「Ｌ」であったことから、分周比Ｍ'3＝Ｍ'3−ΔＭ2として行う。ここで０＜ΔＭ2＜ΔＭ1である。

３回目の判定の結果、信号Ｊｕｄｇｅが「Ｌ」であったならば求める分周比Ｍは、Ｍ＜Ｍ'３であり、一回目、２回目の分周比判定結果と合わせて、Ｍ'1＜Ｍ＜Ｍ'3（＜Ｍ'2）であることがわかる。３回目の分周比判定で、ＭはΔＭ2の精度で求められ、２回目よりも良い精度で分周比Ｍが求められていることがわかる。

以上のようにして必要な精度が得られるまで、すなわち、増減量ΔＭnが所定値以下になるまで、分周比判定を繰り返す（Ｓ１９、Ｓ２０）。これにより、求める分周比Ｍiが得られる。なお、ｎ回目の増減量ΔＭnはｎ−１回目に増減させた値ΔＭn-1の１／２にすると、効率良く求めることができる。

また、基準分周器５の出力ｆrefとカウンタ３の出力ｆdivの周波数を比較して分周比の判定を行っているので、プリスケーラ２とカウンタ３で構成されるパルススワロウ分周器２０が、一般的に知られているフラクショナルＮ方式の周波数シンセサイザで用いられている分周器のように瞬時的には出力信号の分周比が変化するようなものであっても、正しく分周比の判定を行うことができる。このことは、先述のｎ回目の増減量ΔＭｎが分数であっても問題はなく、すなわち求める分周比Ｍを精度良く求めることができる。

また、リセットを有するプリスケーラ２とカウンタ３を用いれば、分周比判定動作の開始時にこれらのリセット信号を信号ｆrefに同期させて解除することで、信号ｆrefと信号ｆdivの位相をそろえることができるので、さらに求める分周比Ｍを精度良く求めることができる。

このようにしてＶＣＯ１の所定バンドの各々について同様の調査を行い、得られた各バンドの分周比Ｍiの値を記憶回路１１に記録していく（Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３）。なお、分周比Ｍiの値の調査、記録は、一部の所定バンドのみについて行えば十分であり、必ずしもＶＣＯ１の全てのバンドについて調査する必要はない。この理由については後述する。記録すべきバンドの周波数を全て記録したならば分周比判定動作を終了し、アイドルモードへと移行する。

また、上記の説明では、カウンタ１０１のカウント終了時に、カウンタ１０２の状態から出力信号ｆdivの周波数ｆdと、基準分周器５からの基準信号ｆrefの周波数ｆrの大小関係を判断しているが、カウンタ１０２のカウント終了時のカウンタ１０１の状態に基づいてそれらの周波数の大小関係を判断することもできる。このためには、Ｄフリップフロップ１０３において、Ｄ入力に信号ＣＮＴｒｅｆを、ＣＫ入力に信号ＣＮＴｄｉｖをそれぞれ接続する。

以上のようにして、周波数シンセサイザは電源投入時等に、まず、ＶＣＯ１の所定バンドについて所定電圧Ｖ１での発振周波数（分周比）を調査し、記録する。その後、外部のＰＬＬ制御回路１４から分周比設定にしたがい、周波数シンセサイザ本来の発振動作を開始する前に、記憶した各バンドの発振周波数（分周比）を用いて、実際に使用するＶＣＯ１の最適なバンドを設定する。以下、このＶＣＯ１の最適バンドの設定動作について説明する。

２．３ 初期バンドの選択
最適バンドを求めるために、まず、記憶回路１１に記憶した各バンドの分周比設定（周波数）を用いて、１つのバンドを初期バンドとして選択する。

本実施形態の周波数シンセサイザでは、ＶＣＯ１は、製造時の素子ばらつきと、温度や電源電圧といった環境変化が起こっても所定の周波数範囲（周波数ｆHからｆLまで）において位相ロック可能であり、かつ、温度や電源電圧といった環境変化に対して発振周波数の変動が、隣接するＡ個のバンド以内に収まるように設計されているとする。これは、ＶＣＯ１がＮ個のバンドを有する場合、ある環境下においてバンドＸが選択され、発振周波数ｆで発振していたならば、環境が変化してもバンド（Ｘ−Ａ）、バンド（Ｘ−Ａ＋１）・・・バンドＸ・・・バンド（Ｘ＋Ａ−１）、バンド（Ｘ＋Ａ）のいずれかのバンドにおいて周波数ｆで発振可能であることを意味する。ここで、１≦Ｘ−Ａ，Ｘ＋Ａ≦Ｎかつ２Ａ＋１＜Ｎである。この場合、初期バンド（バンドＸ）は、バンドＡ＋１からバンドＮ−Ａの中から選べば良い。

なお、初期バンド（バンドＸとする）が決定されると、周波数調整部１３により、初期バンド（バンドＸ）の前後の（２Ａ＋１）個のバンド（バンド（Ｘ−Ａ）、バンド（Ｘ−Ａ＋１）、…、バンドＸ、…、バンド（Ｘ＋Ａ−１）、バンド（Ｘ＋Ａ））の中から、ＰＬＬ制御回路１４で指示された所望周波数（分周比）で位相ロックするためのバンドが選択される。

初期バンドの選択は主として初期バンド選択回路１２により実行される。図５に初期バンド選択回路１２の構成を示す。

初期バンド選択回路１２は、ＰＬＬ制御回路１４からカウンタ３に設定される分周比設定と記憶回路１１に記憶されている分周比とを比較するコンパレータＣＭＰ（Ａ＋１）、…と、隣接する２つのコンパレータ間の出力の排他的論理和を演算するＥＯＲゲートＥＯＧ（Ａ＋１）、…とから構成される。ここで、初期バンド選択回路１２による結果を短時間で得るためには、図５に示すように、記憶したＶＣＯ１の周波数バンドに応じた数のコンパレータ（ＣＭＰ（Ａ＋１）〜ＣＭＰ（Ｎ−Ａ））と、（Ｎ−２Ａ−１）個のＥＯＲゲート（ＥＯＧ（Ａ＋１）〜ＥＯＧ（Ｎ−Ａ−１））とを設けてやればよい。このような回路構成によれば、比較結果が「Ｌ」から「Ｈ」になる境界のＥＯＲゲートの出力のみハイレベルになるので、そのＥＯＲゲートの出力に対応したバンドを初期バンドとして選択する。もし、ＥＯＲゲートＥＯＧ（Ａ＋１）、…の出力が全て「Ｌ」ならば初期バンドはバンド（Ａ＋１）を選択し、すべて「Ｈ」ならばバンド（Ｎ−Ａ）を選択すれば良い。なお、処理時間に余裕があるならば、コンパレータとその判定結果を保持するラッチ回路と、ＥＯＲゲートとをそれぞれ１つずつ設けて、それらを時分割で動作させるように構成しても良い。このように、初期バンド選択回路１２は、ＰＬＬ制御回路１４からの分周比設定に近い分周比を持つバンドを初期バンドとして選択する。

なお、前述のように、初期バンド（バンドＸ）はバンドＡ＋１からバンドＮ−Ａの中から選べば良いことから、ＶＣＯ１の発振周波数も、これらのバンドに対するものだけ調査し、記憶しておけば良いことがわかる。もし、所望の周波数が、記録した周波数の中で最も周波数の低いバンド（Ａ＋１）よりもさらに低い周波数であったなら、初期バンドはバンド（Ａ＋１）とすれば良い。これは初期バンドが（Ａ＋１）であれば周波数調整部１３はバンド１からバンド（２Ａ＋１）の範囲でバンド選択を行うからである。同様に、所望の周波数が記録しているなかで最も周波数の高いバンド（Ａ＋１）よりさらに高い周波数であったなら、初期バンドはバンド（Ｎ−Ａ）とすれば良い。よって周波数調査部１０および記憶回路１１はバンド（Ａ＋１からバンド（Ｎ−Ａ）まで調査して記録すればよいことがわかる。さらに、発振周波数の調査を最も周波数の低いバンド１から昇順に行ったとき、あるバンドの発振周波数がｆHより高くなったなら、このバンドより高い周波数のバンドを調査する必要がない。なぜなら、これより周波数の高いバンドが初期バンドとなることがあり得ないからである。同様な理由から、発振周波数の調査を周波数の最も高いバンドＮから降順に行ったとき、あるバンドの発振周波数がｆLより低くなったときは、それ以上周波数調査する必要はない。

２．４ 最適バンドの設定
初期バンドの選択後、周波数調整部１３により、発振動作に実際に使用する最適バンドが決定され、ＶＣＯ１に設定される。周波数調整部１３は、初期バンド（バンドＸ）及びその前後に隣接する（２Ａ＋１）個のバンドの中から、所望の周波数で位相ロック可能な１つのバンドを選択する。

図６は周波数調整部１３のブロック図である。周波数調整部１３は、カウンタ６０１、６０２、時間差検出部６０３、時間差判定部６０４、ＶＣＯ制御回路６０５、ＳＷ制御回路６０６を有する。

まず、ＰＬＬ制御回路１４から新たに分周比設定１が設定されると、初期バンド選択回路１２から初期バンドの情報がＶＣＯ制御回路６０５に入力される。ＶＣＯ制御回路６０５は、初期バンドとして選択されたバンドでＶＣＯ１を発振させる。このとき、ＳＷ制御回路６０６は所定電圧Ｖ１がＶＣＯ１に供給されるようにスイッチ９を切り替え、ＶＣＯ１を一定周波数で発振させる。

その後、発振周波数の調整動作を行う。カウンタ６０１、６０２は時間差判定部６０４により同時にリセットが解除され、それぞれ信号ｆrefおよび信号ｆdivを一定数（Ｎ）だけカウントする。カウンタ６０１、６０２はそれぞれカウント終了時に信号ＣＮＴref2、ＣＮＴdiv2を時間差検出部６０３に出力する。

所望周波数（分周比設定１により定まる）をｆ、その分周比をMlock、ＶＣＯ１の発振周波数をｆv、カウンタ６０１のリセット解除からカウント終了までの経過時間をＣＮＴref2、カウンタ６０２のリセット解除からカウント終了までの経過時間をＣＮＴdiv2とすると、次の関係が成り立つ。
ＣＮＴref2 ＝ Ｎ×Ｍlock×ｆ
ＣＮＴdiv2 ＝ Ｎ×Ｍlock×ｆv

よって、時間差検出部６０３で経過時間ＣＮＴref2と経過時間ＣＮＴdiv2の時間差を検出することで、所望周波数ｆとＶＣＯ１の発振周波数の差を知ることができる。なお、カウンタ３およびプリスケーラ２を信号ｆrefに同期してリセット解除することでより正確に信号ｆと信号ｆvの周波数差を検出することができる。時間差検出部６０３はＣＮＴref2、ＣＮＴdiv2を検出し、それぞれの信号の時間差をプリスケーラ２の出力信号ｆckで計数する。なお、ここでは、時間差をプリスケーラ２の出力信号ｆｃｋを用いて計数したが、その代わりに、ＴＣＸＯ４の出力信号ｆoscを用いてもよい。

ＶＣＯ制御回路６０５は、時間差検出結果と、記憶回路11に記憶されているＶＣＯ１の発振周波数データとに基づいて、所望周波数ｆでロック可能な最適バンドを予測し、その予測したバンドにＶＣＯ１の動作バンドを切り替える。最適バンドの予測はＡ＝２のときであれば例として以下のように行う。

まず、時間差検出結果と、記憶回路11に記憶されているＶＣＯ１の発振周波数データとから、初期バンド（バンドＸ）におけるＶＣＯ１の実際の発振周波数を類推する。類推した初期バンドの発振周波数が所望周波数ｆよりも高く、かつ、その周波数差が１バンド以内ならば、１段階下のバンド（バンドＸ−１）を最適バンドと推測する。類推した初期バンドの発振周波数が所望周波数ｆよりも低く、かつ、その周波数差が１バンド以内ならば、そのバンドＸを最適バンドと推測する。類推した初期バンドの発振周波数が所望周波数ｆよりも低く、かつ、その周波数差が１バンド以上２バンド以内ならば、１段階上のバンド（バンドＸ＋１）を最適バンドとして推測する。類推した初期バンドの発振周波数が所望周波数ｆよりも低く、かつ、周波数差が２バンド以上なら２段階上のバンド（バンドＸ＋２）を最適バンドと推測する。

以上の動作を１回の周波数調整動作とする。

時間差判定部６０４は、時間差検出結果と、時間差の検出精度やバンドの予測精度をもとに所望周波数ｆが現在のＶＣＯ１のバンドでロック可能か否かを判断する。ロック不可能と判断したときは再びリセット信号２を出力する。そして、切り替え後の新たなＶＣＯ１のバンドで再び周波数調整動作を行い、ロック可能と判断されるまで繰り返す。

以上のようにして最適バンドを決定し、ＶＣＯ１においてその決定した最適バンドを設定し、発振動作させる。

本実施形態では、ＶＣＯ１の各バンドの発振周波数を測定し、記憶した後、発振動作の開始直前に、再度、ＶＣＯ１の発振周波数を測定することで、最終的に使用する最適バンドを求めている。これにより、ＶＣＯ１の各バンドの測定した発振周波数を記憶してから発振動作の開始までに動作環境が変化した場合であっても、その変化による影響を受けることなく、精度よく最適バンドを求めることができる。

周波数調整動作はＰＬＬ制御回路１４から所望周波数の分周比設定が送信された後に行われるので、周波数調整が動作している時間がロックアップタイムに加算されることになる。従来の周波数調整回路ではロック可能なバンドを予測する精度が低いため周波数調整動作の回数が多くなってしまい、その結果、ロックアップタイムが長くなってしまう。これに対し、本発明においては、以下の２つの工夫によりロック可能なバンドの予測精度を高めることができ、ロックアップタイムを短くできる。

第１に、前述したように、初期バンドであるバンドＸで周波数調整動作を行うことである。これにより、ＶＣＯ１は初期バンドのバンドＸとその隣り合うＡ個のバンドの合計２Ａ＋１個のバンドで発振するように設計されているので、ロック可能なバンドは２Ａ＋１個までと予測することが可能となる。

第２に、各バンドの発振周波数を記憶していることである。記憶したバンドＸの発振周波数と、時間差検出結果から推測される現在のバンドＸの発振周波数とがわかれば、記憶した他のバンド（例えば、バンドＸ＋１）の発振周波数から、他のバンドの現在の発振周波数を精度良く予測することができる。

このように本発明によって短時間で周波数調整動作を終えることができ、ロックアップタイムを短縮することができる。これにより、前述した理由によりＣ／Ｎ特性が良好な周波数シンセサイザを得ることができる。

３．無線通信システムへの応用
本実施形態の周波数シンセサイザを無線通信システムに適用した場合の例を図７に示す。本実施形態の周波数シンセサイザにより、小型化かつ安価で通信品質の良い無線通信システムを実現することができる。図７に示す例は、アンテナ９０１、ローノイズアンプ９０２、ミキサ９０３、９０４、９０°位相変化器、周波数シンセサイザ８００、ベースバンド回路お９０５を備える一般的なダイレクトコンバージョン方式の受信システムに対する概略構成を示した図である。周波数シンセサイザ８００として、上述した周波数シンセサイザを用いている。なお、本実施形態の周波数シンセサイザは、ダイレクトコンバージョン方式以外の方式の無線通信システムや、その他、周波数シンセサイザを用いる電子機器に対しても適用できることは言うまでもない。

本発明は、複数の発振周波数帯を有するＶＣＯを備えた周波数シンセサイザに有用であり、また、周波数シンセサイザを備えた種々の電子機器、例えば、無線通信システムに有用である。

本発明の実施形態の周波数シンセサイザのブロック図 単一の発振周波数帯を有するＶＣＯにおける、制御電圧と発振周波数の関係を示す図 複数の発振周波数帯を有するＶＣＯにおける、制御電圧と発振周波数の関係を示す図 周波数調査部のブロック図 周波数調査部の動作フローチャート 初期バンド選択回路のブロック図 周波数調整部のブロック図 本実施形態の周波数シンセサイザを用いた無線通信システムのブロック図

符号の説明

１ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）
２ プリスケーラ
３ カウンタ
４ ＴＣＸＯ
５ 基準分周器
６ 位相比較器
７ チャージポンプ
８ ループフィルタ
９、１８ スイッチ
１０ 周波数調査部
１１ 記憶回路
１２ 初期バンド選択回路
１３ 周波数調整部
１４ ＰＬＬ制御回路
２０ パルススワロウ分周器

Claims (8)

1. 複数の周波数帯で発振可能であり、制御電圧端子に印加される電圧に応じた周波数の信号を発振出力する電圧制御発振器と、
   前記電圧制御発振器の周波数を分周した信号を出力する比較分周器と、
   基準信号の周波数を分周する基準分周器と、
   前記比較分周器の出力信号と前記基準分周器の出力信号との位相を比較し、その位相差を出力する位相比較器と、
   前記位相比較器の出力信号を電圧に変換するチャージポンプと、
   前記チャージポンプの出力電圧を平滑して前記電圧制御発振器の制御電圧端子に印加するループフィルタと、
   発振動作時に前記電圧制御発振器の周波数帯を設定するバンド制御回路とを備え、
   前記バンド制御回路は、
   前記電圧制御発振器の所定数の周波数帯の各々について発振周波数を測定する周波数調査手段と、
   該周波数調査手段によって測定された各周波数帯の発振周波数を記憶する記憶手段と、
   ＰＬＬ制御回路から与えられる周波数に基づき、前記記憶手段に発振周波数が記憶された各発振周波数帯の中から、１つの周波数帯を選択する初期バンド選択手段と、
   前記初期バンド選択手段により選択された１つの周波数帯における電圧制御発振器の発振周波数を測定し、該測定した発振周波数に基づき、発振動作に使用する１つの周波数帯を決定し、その決定した周波数帯を前記電圧制御発振器に設定する周波数調整手段と
   を備えたことを特徴とする周波数シンセサイザ。
2. 前記周波数調査手段は、前記基準分周器の出力信号を所定数だけカウントする第１のカウンタと、前記比較分周器の出力信号を所定数だけカウントする第２のカウンタとを有し、前記第１カウンタのカウント終了を検出し、その時の第２カウンタの状態と前記比較分周器の分周比とに基づいて、前記電圧制御発振器の発振周波数を測定する、ことを特徴とする、請求項１に記載の周波数シンセサイザ。
3. 前記周波数調査手段は、前記基準分周器の出力信号を所定数だけカウントする第１のカウンタと、前記比較分周器の出力信号を所定数だけカウントする第２のカウンタとを有し、前記第２カウンタのカウント終了を検出し、その時の第１カウンタの状態と前記比較分周器の分周比とに基づき、前記電圧制御発振器の発振周波数を測定することを特徴とする、請求項１に記載の周波数シンセサイザ。
4. 前記初期バンド選択手段は、前記ＰＬＬ制御回路から与えられる周波数を、前記記憶手段に記憶した各発振周波数と比較し、前記１つの周波数帯を指定するための信号を生成する比較器を備えたことを特徴とする請求項１記載の周波数シンセサイザ。
   
5. 前記周波数調整手段は、前記電圧制御発振器に固定電圧を印加して前記初期バンド選択手段により選択された周波数帯で発振動作させ、その際得られる発振周波数と、該発振周波数と基準周波数の誤差とに基づいて、発振動作に使用する１つの周波数帯を決定する、ことを特徴とする請求項１記載の周波数シンセサイザ。
6. 前記周波数調整手段は、前記基準分周器の出力信号と前記比較分周器の出力信号の周波数差と、前記記憶手段に記憶されているその周波数帯の発振周波数とに基づいて、他の周波数帯の発振周波数を予測する、ことを特徴とする請求項1に記載の周波数シンセサイザ。
7. 請求項１記載の周波数シンセサイザを備えた無線通信システム。
8. 複数の周波数帯を有する電圧制御発振器を備えた周波数シンセサイザの制御方法であって、
   前記電圧制御発振器に所定電圧を印加した状態で、所定数の周波数帯の各々について、前記電圧制御発振器の発振周波数を測定し、
   測定した各周波数帯の発振周波数を記憶し、
   ＰＬＬ制御回路から与えられる周波数に基づき、発振周波数が記憶されている各発振周波数帯の中から、１つの周波数帯を選択し、
   前記電圧制御発振器に所定電圧を印加した状態で、前記選択された１つの周波数帯における電圧制御発振器の発振周波数を測定し、該測定した発振周波数と、該発振周波数と基準周波数の誤差とに基づいて、発振動作に使用する１つの周波数帯を決定し、
   その決定した周波数帯を前記電圧制御発振器に設定する
   ことを特徴とする周波数シンセサイザの制御方法。

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