JP4113927B2 - 周波数変換回路の周波数特性測定及び校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、周波数変換回路の特性測定及び校正方法に関し、特に広帯域を高精度に維持できるように、周波数変換回路の特性を測定し、校正する方法に関する。

携帯電話等の無線機器から送信されたＲＦ（無線周波数）信号は、受信側の周波数変換回路において中間周波（ＩＦ）帯域に周波数変換され、データの復調等が行われる。周波数変換回路は、ＲＦ信号の測定を行う周波数分析装置でも利用され、ＩＦ帯域への周波数変換を行って被測定信号の測定が行われる。このとき、必要な信号を抽出するためにＩＦ（中間周波）フィルタが使用される。

携帯電話等での周波数変換処理では、信号に若干の歪みが生じてもデータが復調できさえすば良い。しかし、周波数分析装置では、歪みがあるとすればどの程度のものかまで測定することが要求される。よって、周波数分析装置では、周波数変換回路の周波数特性が極めて良好であることが要求される。

携帯電話等の世代交代が進み、周波数分析装置は更に広い周波数帯域を一度に測定することが要求されている。これに伴いＩＦ帯域（周波数変換回路の周波数帯域）も広帯域が要求されるが、特にＩＦ帯域内の信号を復調して変調精度を測定する機能を有する場合は、ＩＦ帯域内の周波数対振幅特性及び群遅延特性が測定の残留誤差に大きく影響する。

ＩＦ帯域内の特性はＩＦフィルタの性能によりほぼ決定されるが、ＩＦフィルタの周波数特性を回路（ハードウェア）の調整だけで通過帯域内で完全に平坦にするのは困難である。そこで、通常は何らかの方法で製造時及び定期校正時にＩＦ周波数特性を測定し、これを用いて周波数特性の補正係数を算出し、この補正係数を演算に用いることでソフトウェア的に平坦化を実現している。このとき、部品の経年変化や温度変化によるＩＦ周波数特性の悪化は、ＩＦ帯域の中央から離れているほど顕著になるため、ＩＦフィルタの周波数帯域を実際の使用帯域幅よりかなり広くとることにより、部品の経年変化や温度変化による特性の変動を無視できるようにしている。しかし、使用帯域幅を狭く設定する分だけ、広帯域化に不利である。

これを改善し、広帯域を実現する方法としては、周波数特性が既知の校正信号源を周波数分析装置に内蔵し、これが出力する校正信号を用いて周波数変換回路を定期的に校正するものがある。しかし、この方法の重大な欠点は、校正信号源自身を広帯域に渡って高精度に保つのが困難な点である。例えば、校正信号源のＳ／Ｎ比を向上させるために増幅器を入れるにしても、その特性変動の極めて小さいことが要求される。

米国特許第６３５６０６７号公報（対応日本出願、特開２０００−１３７０４６号公報）は、広帯域の周波数分析を行う装置を開示している。これは、狭帯域と広帯域の２つの信号処理パスを有しており、広帯域パスではトリガ条件の検出など、周波数特性がやや悪いとしても広帯域であることが重要な処理を行い、一方で、広帯域パスで検出したトリガ条件を満たす信号を、周波数特性の良い狭帯域パスで測定する装置を開示している。これによれば、擬似的に広帯域を良い周波数特性で測定できる。しかし、広い帯域全てを同時に良好な周波数特性で測定することはできない。
米国特許第６３５６０６７号公報 特願２００３−２７０２４７号

上述のように、周波数変換回路の周波数帯域を広くしようとしても、周波数帯域全体に渡って周波数特性を良好に保つのは困難であった。また、周波数変換回路の校正のため、校正信号を生成する校正用信号源を設け、定期的に校正信号を供給して校正を行ったとしても、校正用信号源自身も広帯域に渡って常に特性が一定の校正用信号を供給できるわけではなく、経年変化によって特性が変化するという問題がある。

そこで、本発明は、周波数変換回路の周波数帯域が広くなっても全体を所望の周波数特性に維持するための校正方法を提供する。より具体的には、従来から利用されている補正係数を、広帯域でも効果的に算出できるようにするものである。また、本発明は、校正を実施する前提となる周波数変換回路の周波数帯域の周波数特性を測定する方法についても提供する。これらは、演算を用いたソフトウェア的な処理が主であるから、ハードウェアの追加は最小限で実現できる。

本発明は、周波数変換回路の周波数帯域の内、特定の帯域は、経年変化や温度変化によっても比較的劣化し難いことを利用した周波数変換回路の周波数特性測定方法及び校正方法である。この特定の帯域（基準帯域）の理想周波数特性データを、予め実測するなどして記憶しておく。そして、校正信号を周波数変換回路に供給して基準帯域の周波数特性データを取得し、対応する理想周波数特性データを読み出し、振幅の差分を求める。なお、本発明では、この差分は、もっぱら校正信号の誤差が原因であると考える。続いて、校正信号を周波数変換回路に供給したときの基準帯域以外の周波数帯域の周波数特性データを取得し、先に測定した差分に応じて周波数特性データの振幅を修正する。この修正した周波数特性データは、経年変化等の影響を除去した値となるので、ユーザは周波数変換回路の周波数特性を適切に把握することができる。更に差分に応じて修正した周波数特性データを理想周波数特性データに補正するための補正データ（補正係数）を生成する。具体的には、対応関係にある周波数特性データと理想周波数特性データの振幅の比を補正係数としても良い。この補正データを通常の周波数変換処理を行うときに用いることで、周波数帯域全体が理想周波数特性となるように補正できる。

また、校正信号を周波数変換回路に供給し、記憶してある理想周波数特性データが基準帯域から得られるよう校正用信号源を制御し、校正信号自身を補正するようにしても良い。次にこの補正した校正信号を周波数変換回路に供給し、基準帯域以外の周波数帯域の周波数特性データを取得し、この周波数特性データを用いて基準帯域以外の周波数帯域を理想周波数特性に補正するための補正データを生成するようにしても良い。

なお、校正信号の帯域幅が広ければ、それだけ一度に広い帯域の校正ができる。しかし、少なくとも上述の基準帯域以上の帯域幅があれば良い。それよりも、高い精度を長い期間に渡り維持できる帯域幅とするのが良い。周波数変換回路の周波数帯域全体を一度で校正できるほど校正信号の帯域幅が広くない場合には、周波数変換回路の中心周波数の設定を順次切り替えて校正信号を供給し、上記基準帯域以外の周波数帯域の周波数特性を順次測定する。そして、この結果得られた周波数特性データと理想周波数特性データとから補正係数を作成するようにする。

上述の基準帯域には、一般には、経年変化や温度変化によっても劣化しにくい周波数帯域の中央部分の帯域を用いる。しかし、複数の周波数変換回路を用いて１つの周波数帯域を構成した場合などであれば、必ずしも周波数帯域の中央部分と限るものではない。なお、複数の周波数変換回路を用いて１つの周波数帯域を構成する発明については、例えば、特願２００３−２７０２４７号を参照されたい。基準帯域の帯域幅をどの程度とするかは、経年変化や温度変化による劣化のし難さ、校正信号生成等の信号処理の都合を考慮して、適宜選択すれば良い。

図１は、本発明の実施に適した周波数変換回路の機能ブロック図である。実際には、複数のミキサを用いた周波数変換回路が用いられることが多いが、ここでは１つのミキサでその機能を示している。周波数変換回路は、マイクロプロセッサ、ハードディスク、キーボード等を用いるパソコンで周知の技術で構成される制御手段（図示せず）に接続され、ハードディスクなどの記憶手段に予め記憶されたプログラムに従って制御される。

校正用信号源１０は、平坦な周波数特性を有する校正信号を生成するもので、制御手段の制御を受けて出力する校正信号の特性を制御できる。スイッチ１２は、入力信号と校正信号を選択的に周波数変換回路に供給する。バンドパス・フィルタ（ＢＰＦ）１４は、周波数変換後に出力を希望する周波数に応じて不要な周波数をカットする。ミキサ１６は、入力信号と局部発振器１８の出力信号と混合し、これらの和と差の周波数を有する出力信号を生成する。ＢＰＦ２０は、これら周波数成分の内、不要なものをカットする。なお、局部発振器１８の出力信号の周波数は、周波数変換回路の中心周波数であり、中心周波数の設定に応じて変更される。アナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ）２２は、ＢＰＦ２０の出力信号を時間領域のデジタル・データに変換する。ＡＤＣ２２からのデジタル・データは、メモリ２４に記憶され、デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）２６にも供給される。

ＤＳＰ２６は、時間領域データをＦＦＴ演算により、周波数領域データに変換する。この周波数領域データを見ることで、周波数変換回路の出力信号の周波数特性が平坦であるか否かを判定することができる。こうした判定は、上述の制御手段が行う。生成した周波数領域データは、再度メモリ２４に保持するようにしても良いし、ハードディスク（図示せず）に記憶するようにしても良い。

図２は、校正用信号源１０の一例のブロック図である。校正信号は、例えば、携帯電話のＲＦ信号を模したものである。メモリ３０は、校正信号のデジタル・データを保持しており、デジタル・アナログ変換回路３２がこれをアナログ信号に変換する。メモリ３０のデータは、制御手段の制御に応じて変更可能となっている。なお、このデジタル・データは、ＲＦ信号におけるベース・バンド信号に対応する。周波数変調回路３４は、搬送波として使用されている周波数Ｆｇを受けて、ベース・バンド信号で変調される。これによって、校正信号は、周波数Ｆｇを中心に帯域幅Ｆｍを有する信号として生成される。校正信号を構成するこれら周波数は、校正しようとする周波数変換回路の周波数帯域に応じて設定される。なお、Ｆｍは、後述する基準帯域の帯域幅Ｆｂ以上の幅を有するように設定される。

図３は、本発明による周波数変換回路の周波数帯域（ＩＦ帯域）と、基準帯域及び被校正帯域の帯域幅の関係を示す模式図である。また、図４は、本発明による周波数変換回路の測定方法及び校正方法のフローチャートである。ここでは、説明の都合上、周波数帯域の帯域幅を３Ｆｂとする。また、基準帯域４０の帯域幅をＦｂ、被校正帯域である第１帯域４１及び第２帯域の帯域幅も同じくＦｂとする。基準帯域４０は、周波数Ｆｇを中心に前後にＦｂ／２づつの帯域を有する。結果的に、第１帯域４１及び第２帯域それぞれは、周波数Ｆｇ−Ｆｂ、Ｆｇ＋Ｆｂにそれぞれの中心があることになる。

上述のように、周波数変換回路の周波数帯域の内、中央部分の帯域の周波数特性が経年変化や温度変化による影響を受け難い。そこで、この実施例では、この中央部分の帯域を基準帯域として校正に利用する。基準帯域４０の帯域幅をどの程度にするかは、経年変化や温度変化による影響の受け難さ、信号処理の都合等で必要に応じて選択すれば良い。なお、特願２００３−２７０２４７号が示すような複数の周波数変換回路から１つの周波数帯域を合成する場合では、複数の周波数変換回路の内のどれか１つを選び、それの中央部分の帯域を基準帯域としても良い。よって、基準帯域は、必ずしも周波数帯域の中央とは限らない。

図４を参照し、本発明による測定及び校正処理の流れを説明する。メモリ２４（又はハードディスク等の記憶手段）には、基準帯域４０の理想的な周波数特性（理想特性）のデータが記憶される（ステップ１００）。周波数変換回路は、工場出荷時などに、理想的な特性を持つようハードウェア的に調整した状態で、更に周波数領域データが平坦になるようにソフトウェア的にも調整される。理想特性データは、こうした状態で基準帯域４０から得られる周波数領域データである。

次に周波数変換回路は、制御手段の制御に従って中心周波数がＦｇに設定される（ステップ１０２）。続いて、校正信号を周波数変換回路に供給する（ステップ１０４）。上述のように、校正用信号は、周波数Ｆｇを中心に帯域幅Ｆｍを有しているので、この設定で周波数変換を行い、ＤＳＰ２６で周波数領域データを生成すると、基準帯域４０を含むように出力周波数が現れるので、基準帯域４０の特性データを取得できる（ステップ１０６）。このとき、ＤＳＰ２６で得られた周波数領域データが、理想特性データと異なっている場合には、基準帯域４０ではなく、校正信号の特性が理想の特性から歪んでいるものと考えられるので、制御手段は校正用信号源１０のデータを書き換えて理想特性データ（周波数領域データ）が得られるよう校正信号を補正する（ステップ１０８）。

次に、制御手段は、周波数変換回路の中心周波数をＦｇ＋Ｆｂに設定する、即ち、局部発信器１８の発信周波数をＦｇ＋Ｆｂに変更する（ステップ１１０）。この後、周波数変換回路にステップ１０８で補正した校正信号を供給する（ステップ１１２）。すると、第１帯域４１を含む帯域幅Ｆｍの出力周波数が現れるので、その時間領域データからＤＳＰ２６が第１帯域４１の周波数特性データを生成する（ステップ１１４）。第１帯域４１の周波数特性データと理想特性データの差異を算出して、第１帯域４１の補正係数（補正データ）としてメモリに記憶する（ステップ１１６）。具体的には、対応関係にある周波数特性データと理想特性データの振幅の比を補正係数とすれば良い。

続いて、制御手段は、周波数変換回路の中心周波数をＦｇ−Ｆｂに設定し、局部発信器１８の発信周波数をＦｇ−Ｆｂに変更する（ステップ１１８）。この後、周波数変換回路に補正した校正信号を供給する（ステップ１２０）。すると、第２帯域４２を含む帯域幅Ｆｍの出力周波数が現れるので、同様に第２帯域４２の周波数特性データを生成する（ステップ１２２）。第２帯域４２の周波数特性データと理想特性データの差異を、第２帯域４２の補正係数としてメモリに記憶する（ステップ１２４）。

実際に周波数変換を行う際には、校正過程で得た補正係数データを周波数領域データの演算過程で適用して補正する（ステップ１２６）。これにより、広帯域であっても高精度を維持した周波数変換を可能にする。ただし、演算による補正では十分な周波数変換精度を維持できないほどにハードウェアの劣化が進んだ場合には、補正係数データが所定基準を超えた（周波数特性データと理想特性データの差異が大きすぎる）かどうか制御手段が判断し、必要に応じてハードウェアの校正が必要という警告をユーザに示すようにプログラムしておいても良い。この場合では、ステップ１２６は実行しないので、単に周波数帯域の周波数特性を測定する処理を実行したと考えることができる。

図５は、本発明の第２の実施例によるフローチャートである。以下では、図４の場合と異なる点を特に説明する。図４では、ステップ１０８において、校正信号を補正していたが、第２の実施例においては校正信号自身は補正しない。よって、ステップ１１３及び１２１に示すように、第１及び第２周波数特性データを作成する際に供給する校正信号も補正しない。その代わり、ステップ１０９において、校正信号を供給したときの基準帯域の特性データと理想特性の差分を記憶する。この差分は、校正信号の理想状態からのずれによって生じたものであるから、ステップ１１６及び１２４の演算では、各帯域の周波数特性データをこの差分に応じて修正し、更に修正後の周波数特性データを理想特性に補正するための補正係数データを算出する。

上述の例では、帯域を３分割する例で説明したが、４つ以上であっても同様の処理を繰り返せば良い。区分する帯域数を多くすることで、更に広い周波数帯域を実現できる。

本発明による周波数変換回路は、広帯域かつ高精度を要求されるあらゆる機器での使用に適している。一例としては、スペクトラム・アナライザのごとき周波数分析装置での使用が考えられるが、これに限られるものではない。

本発明による周波数変換回路の一例を示す機能ブロック図である。 校正用信号源の一例を示す機能ブロック図である。 周波数帯域と、基準帯域及び被校正帯域の帯域幅の関係を示す模式図である。 本発明による周波数変換回路の第１の実施例に基づく測定方法及び校正方法のフローチャートである。 本発明による周波数変換回路の第２の実施例に基づく測定方法及び校正方法のフローチャートである。

符号の説明

１０ 校正用信号源
１２ スイッチ
１４ バンドパス・フィルタ
１６ ミキサ
１８ 局部発振器
２０ バンドパス・フィルタ
２２ アナログ・デジタル変換回路
２４ メモリ
２６ ＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）
３０ メモリ
３２ デジタル・アナログ変換回路
３４ 周波数変調回路
４０ 基準帯域
４１ 第１帯域
４２ 第２帯域

Claims (3)

1. 周波数変換回路の周波数特性測定方法であって、
   上記周波数変換回路の周波数帯域の基準帯域の理想周波数特性データを記憶手段から読み出すステップと、
   校正信号を上記周波数変換回路に供給して上記基準帯域の周波数特性データを取得し、対応する上記理想周波数特性データとの振幅の差分を求めるステップと、
   上記校正信号を上記周波数変換回路に供給したときの上記基準帯域以外の上記周波数帯域の周波数特性データを取得し、上記差分に応じて上記周波数特性データの振幅を修正するステップとを具える周波数変換回路の周波数特性測定方法。
2. 周波数変換回路の校正方法であって、
   上記周波数変換回路の周波数帯域の基準帯域の理想周波数特性データを記憶手段から読み出すステップと、
   校正信号を上記周波数変換回路に供給して上記基準帯域の周波数特性データを取得し、対応する上記理想周波数特性データとの振幅の差分を求めるステップと、
   上記校正信号を上記周波数変換回路に供給したときの上記基準帯域以外の上記周波数帯域の周波数特性データを取得し、上記差分に応じて振幅を修正した上記周波数特性データと上記理想周波数特性データの振幅の比を用いて上記基準帯域以外の上記周波数帯域から得られる周波数特性データの振幅を補正するための補正データを生成するステップとを具える周波数変換回路の校正方法。
3. 周波数変換回路の校正方法であって、
   上記周波数変換回路の周波数帯域の基準帯域の理想周波数特性データを記憶手段から読み出すステップと、
   校正信号を上記周波数変換回路に供給して上記基準帯域の周波数特性データを取得し、上記理想周波数特性データが得られるよう上記校正信号を補正するステップと、
   補正した上記校正信号を上記周波数変換回路に供給し、上記基準帯域以外の上記周波数帯域の周波数特性データを取得するステップと、
   上記周波数特性データと上記理想周波数特性データの振幅の比を用いて上記基準帯域以外の上記周波数帯域から得られる周波数特性データの振幅を補正するための補正データを生成するステップとを具える周波数変換回路の校正方法。

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