JP4185017B2 - 周波数変換回路 - Google Patents

Description

この発明は入力された周波数を異なる周波数に変換する周波数変換回路とこれを用いた無線機に関し、特に周波数変換回路は、Ｄ／Ａ変換器から出力されたアナログ高周波信号のようにイメージ成分を多く含む信号源から、イメージ信号成分を除去することのできるものに関する。

無線送信機、受信機では、各種の周波数変換回路が多く用いられている。
古くは、周波数変換回路は入力周波数と局部発振周波数とを混合してその差または和のいずれかの周波数を得るものであったため、必要としない側の周波数（イメージ周波数）を完全に除去することは一つの技術であった。
比較的最近の周波数変換回路のイメージ除去方法としては、特許文献１の図１に記載されたものがある。この図では周波数ｆｃの入力信号を第１の９０°位相器（４）を介して、２個のダブルバランスドミキサ（５ａ）、（５ｂ）に入力し、また、第２の９０°位相器（６）を介して周波数ｆＬ１の局部発振器（７）の信号を入力することによりイメージ除去を行う第１周波数変換部（ｂ）が開示されている。この図には、さらに、同じ構成の第２周波数変換部（ｃ）が用いられているが復調のため用いられている説明を省略する。
この第１周波数変換部は入力周波数ｆｃの信号が第１の９０°位相器（４）に入力され、ダブルバランスドミキサ（５ａ）の入力は，例えば０°と１８０°となり、ダブルバランスドミキサ（５ｂ）の入力は９０°と２７０°となる。それから、第１の局部発振器７の発振出力の０°と９０°が第２の９０°位相器（６）を介してダブルバランスドミキサ５ａ、５ｂにそれぞれ印加される。そして、受信アンテナ１の受信周波数をｆｃとし、第１の局部発振器７の局部発振周波数をｆＬ１とした場合、ダブルバランスドミキサ（５ａ）、（５ｂ）の共通接続出力端には、イメージ周波数が原理的に除去された中間周波数（ｆｃ−ｆＬ１）が現れることになる。上記説明における（ ）内に記載の符号は、特許文献１の図１に記載の符号であり、本願の各図の符号とは異なるものである。

特許文献１に開示された周波数変換回路は無線受信機に用いるとして説明されており、この回路を周波数変換する各種の用途（例えばＤ／Ａ変換器を出力源とする信号発生器の周波数変換）に用いるには問題がある。即ち、受信信号そのものには問題になるほどのスプリアスなど高低調波は含まれていないが、Ｄ／Ａ変換器の階段状矩形波出力には後述するようなスプリアスが含まれているからである。
特開平９−９３２９３号公報 「無線受信装置」図１

Ｄ／Ａ変換器から出力される矩形波状の出力信号をダブルバランスドミキサを用いて周波数変換するとき、所望の基本周波数成分の他に、信号のイメージ成分、Ｄ／Ａ変換器出力のクロックの漏れ成分、おり返し雑音成分が周波数変換された成分、及びそのイメージ成分が不要スペクトラムとして出力される。イメージ除去周波数変換回路を用いることで、信号のイメージ成分と、Ｄ／Ａ変換器出力のおり返し雑音周波数変換後のイメージ成分など、イメージ成分は除去されるが、Ｄ／Ａ変換器出力のおり返し雑音とクロックの漏れが周波数変換された成分は残ってしまう。
これを除去するには、選択度の高いローパスフィルタ、バンドパスフィルタなどが必要となり、コストがかかるという課題があった。

この発明は、Ｄ／Ａ変換器など、歪みの多い高周波信号源から出力された周波数をダブルバランスドミキサを用いて変換し、しかも変換信号にこの歪みを含まないようにすることのできる回路を安価に得ることを目的とする。

この発明の周波数変換回路は、クロック周波数４ｆの矩形波信号で形成された周波数ｆの高周波信号が入力される入力端子、この入力端子に接続され先端に出力端子がもうけられた給電線、この給電線の途中に接続され前記周波数ｆの波長λに対してλ／６の電気長を持つλ／６先端短絡整合用給電線と、このλ／６先端短絡整合用給電線に並列に接続されたλ／３先端短絡整合用給電線および、前記給電線の途中に接続されたλ／４先端短絡整合用給電線とを有するスタブ回路、
前記出力端子に接続され、前記高周波信号を通過させるフィルタ、
前記フィルタの出力信号を２分配する分配器と、この分配された２つの信号の間にπ／２の位相差を与えて第１，第２の信号を生成する１つ以上の移相器と、
周波数ｆ_ＬＯの高周波信号を出力する局部発振器と、この周波数ｆ_ＬＯの高周波信号を互いの間に位相差π／２を有する第３の信号と第４の信号とに分配して移相する移相器と、
前記第１の信号が入力される第１入力端子と、前記第３の信号が入力される第３入力端子とを有する第１ダブルバランスドミキサと、前記第２の信号が入力される第２入力端子と第４の信号が入力される第４入力端子とを有する第２ダブルバランスドミキサと、
前記第１ダブルバランスドミキサの出力と前記第２バランスドミキサの出力とを合成して出力する合成器とを含む周波数変換部とを備え、
前記周波数ｆの高周波信号を、この高周波信号に含まれる折り返し雑音を除去しつつ周波数（ｆ−ｆ_ＬＯ）の信号に周波数変換して出力するものである。

また、この発明の無線機は、前記周波数変換回路と、この変換回路にクロック周波数４ｆの矩形波信号で形成された周波数ｆの高周波信号を供給するＤ／Ａ変換器とを備えたものである。

本発明は、Ｄ／Ａ変換器のクロック周波数と出力周波数の関係を所定の関係とし、Ｄ／Ａ変換器の出力回路に３つのショートスタブを配置したので、簡易にＤ／Ａ変換器出力の基本周波数成分にはインピーダンス的影響を与えずに、第１のおり返し雑音成分、及びクロック漏れ周波数成分だけを除去することができる。さらに複数の移相器と２個のダブルバランスドミキサおよび局部発振器からなる周波数変換回路により高周波信号のイメージ成分を除去でき、最終的に所定の高周波信号のみを出力することができる。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１の周波数変換回路を図１のブロック図により説明する。図１の回路は機能ブロック構成として、周波数ｆの高周波信号を出力するＤ／Ａ変換器１０、このＤ／Ａ変換器１０の出力回路１０ｂに接続されたスタブ回路２０、スタブ回路２０の次段に接続されたローパスフィルタ２５、ローパスフィルタ２５の次段に接続された周波数変換部３０を含んでいる。Ｄ／Ａ変換器１０のクロック周波数 ｆｃ は、Ｄ／Ａ変換器１０の出力周波数を f としたとき、ｆｃ＝４・fの関係式が成立するように決定されている。この関係の理解を助けるためＤ／Ａ変換器１０の出力波形の例を図２に示す。

スタブ回路２０には、入出力端子を接続する給電線と、この給電線の途中に接続されたＤ／Ａ変換器２０の出力したｆ信号周波数の波長λ［λ＝（電波の速度）／ｆ］に対してλ／６の長さのλ／６ショートスタブ（ショートスタブは先端短絡整合用給電線ともいう）２１と、λ／３の長さのλ／３ショートスタブ２２とが、ともにＤ／Ａ変換器１０から等しい電気長の位置に接続されている。また、λ／６ショートスタブ２１とλ／３ショートスタブ２２の接続されている位置の次段にλ／4の長さのλ／４ショートスタブ２３が接続されている。

スタブ回路２０の次段には基本周波数ｆを通過し、他の周波数を遮断するフィルタが接続されている。このフィルタとしては例えばローパスフィルタ２５が接続される。ローパスフィルタ２５のカットオフ周波数は、ｆより高い周波数の信号を減衰させる特性を備えている。図では約２ｆから減衰する特性とする場合を示しているが、遮断周波数は例えばｆより高く３ｆ以下とするのが好ましい。

ローパスフィルタ２５の次段には周波数変換部３０が接続されている。周波数変換部３０はイメージを除去しつつ周波数変換するもので、ローパスフィルタ２５から来た信号は、図示しない分配器により２つの信号に分配される。一方は０移相器３１、他方は第１π／２移相器３２に入力される。０移相器３１の出力は第１ダブルバランスドミキサ３３の第１入力端子３３ａに接続され、第２π／２移相器３２の出力は第２ダブルバランスドミキサ３４の第２入力端子３４ａに接続される。
また、第１ダブルバランスドミキサ３３の第２入力端子３３ｂは、第２π／２移相器３５の入力端と共通に接続された上、局部発振器３６の出力端に接続されている。
また、第２ダブルバランスドミキサ３４の第２入力端子３４ｂは、第２π／２移相器３５の出力に接続されている。
第１ダブルバランスドミキサ３３と第２バランスドミキサ３４のＲＦ共通出力端子が最終出力端３９となる。

次に図１の回路の動作について説明する。Ｄ／Ａ変換器１０の出力周波数をｆとし、Ｄ／Ａ変換器１０のクロック周波数をｆｃとする。ｆｃ＝４ｆであるように選定したとき、Ａ／Ｄ変換器１０の出力には、（３・ｆ）、（５・ｆ）、・・・・（２ｎ＋１）ｆ、（ ｎは正の整数）の周波数におり返し雑音成分が発生する。この周波数スペクトラムを図３に示す。図３の横軸は周波数、縦軸は信号の強度（電力）を示している。Ｄ／Ａ変換器１０の出力には基本波の周波数ｆ成分５１のほかに、３・ｆ周波数に前述のおり返し雑音成分５２が、また、４・ｆ周波数にクロック周波数成分５３が、また５・ｆ周波数以上の前述の周波数におり返し雑音成分５４・・・が含まれている。
この出力は、スタブ回路２０において、λ／６ショートスタブ２１と、λ／３ショートスタブ２２でその一部が次のように除去される。
周波数ｆに対するλ／６ショートスタブ２１の入力インピーダンスは、
Zi=j・Zo・tan(２π(λ／６)／λ)＝j・Zo・tan(π／３) （１）
周波数ｆに対するλ／３ショートスタブ２２の入力インピーダンスは、
Zi=j・Zo・tan(２π(λ／３)／λ)＝j・Zo・tan(２π／３)＝ -j・Zo・tan(π／３) （２）となる。
これらのショートスタブ２１，２２は、互いに同じ位置に接続された上、上記（１）と（２）式のように符号が逆の同値となっているから、互いに作用して出力周波数ｆに対する全体としてのインピーダンスは無限大となり、基本周波数ｆの信号に影響を与えない。

おり返し雑音の周波数の一つ、３ ｆに対しては、周波数が３倍になったことによりλの長さは見かけ上（３λ）となるから、λ／６ショートスタブ２１の長さは見かけ上は（λ・３）／６＝λ／２長のショートスタブとなり、入力インピーダンスは０となる。また、λ／３ショートスタブ２２の長さは見かけ上、（λ・３）／３＝λ長となり入力インピーダンスは０となる。即ち、２つのショートスタブ２１、２２ともに入力インピーダンスが０となるため短絡されて周波数３・ｆの成分は除去される。

また、Ｄ／Ａ変換器１０から漏れ出すクロック漏れ周波数ｆｃの成分は、λ／４ショートスタブ２３で除去する。即ち、周波数ｆに対するλ／４ショートスタブ２３の入力インピーダンスはZi=j・Zo・tan(２π(λ_IF／４)／λ)＝ j・Zo・tan(π／２)となり、これは無限大であるのでｆ信号には影響を与えない。クロック漏れ周波数ｆｃはｆｃ＝４ｆであるため、fｃの波長に対するλ／４ショートスタブ２３の見かけの長さは（λ・４）／４＝λ長となり入力インピーダンスは０となる。また、クロック漏れ周波数の高調波成分（図３には図示しない）に対してもλ／４ショートスタブ２３が波長のｎλ長（ｎは正の整数）となり入力インピーダンスが０となる。このため、クロック漏れ周波数ｆｃとその高調波成分は短絡され除去される。この結果、スタブ回路２０を通過した信号の周波数スペクトラムは図４に示すように、基本周波数５１と、おり返し雑音５４より上の周波数成分のみが残るものとなる。

Ｄ／Ａ変換器１０の周波数５・ｆの折り返し雑音５４と、これ以上の周波数の成分は、スタブ回路２０の次段に接続したローパスフィルタ２５によって十分低いレベルまで低減させる。ローパスフィルタ２５のカットオフ周波数５６は図５に示すように、基本周波数の少し上に設定してあるので５・ｆ以上の成分は容易に減衰させることができる。
このようにして、ローパスフィルタ２５の出力には、基本周波数成分ｆのみが取り出される。このときの周波数スペクトラムは図５に示すようなものになる。

ローパスフィルタ２５の出力端は周波数変換回路３０に入力される。そして０移相器３１、第１π／２移相器３２の２つの移相器の共通接続端に入力される。ｆ信号周波数は０移相器３１、第１π／２移相器３２を通過後、互いにπ／２の位相差を持つことになる。
これら２つの位相器の出力は互いの位相差がπ／２となるような関係であればよく、それぞれが０位相、π／２位相でなければならないということではない。
０移相器３１の出力は第１のダブルバランスドミキサ３３の第１入力端子３３ａに、第１π／２移相器３２の出力は第２のダブルバランスドミキサ３４の第２入力端子３４ａにそれぞれ入力される。また、局部発振器３６からの局部発信信号ｆ_ＬＯは第２π／２移相器３５により，位相差π／２をもつ２つの局発信号（第３、第４信号）に分配され、第１のダブルバランスドミキサ３３の第３入力端子３３ｂ及び第２のダブルバランスドミキサ３４の第４入力端子３４ｂに入力される。第１のダブルバランスドミキサ３１からは、ｆとｆ_ＬＯが混合され希望波ｆ_ＲＦ（＝ f_LO− f）とイメージ信号f_IMAGE（＝ f_LO＋ f）とが出力される。第２のダブルバランスドミキサ３４では、ｆとｆ_ＬＯが混合され希望波ｆ_ＲＦ（＝f_LO− f）とイメージ信号f_IMAGE（＝ f_LO＋ f）とが、希望波の位相が第１ダブルバランスドミキサ３１の希望波と同相であり、イメージ信号は第１バランスドミキサ３１のイメージ信号の位相とは逆相である信号が出力される。理解を助けるため第１バランスドミキサ３１の出力と第２バランスドミキサ３４の出力の周波数スペクトラムを図６に示す。図に示すとおり、基本周波数ｆの信号と、ローカルオシレータ３５の発信周波数ｆ_ＬＯとが、若干漏れてくるということはあるが、このような単一周波数の信号の除去は公知のフィルターを用いることで簡単に除去できるのでここでの説明は省略する。
よって、第１ダブルバランスドミキサ３１の出力と、第２バランスドミキサ３４の出力とを合成してＲＦ出力３９に取り出すと、イメージ信号f_IMAGEは互いに逆相であるので打ち消され、希望波ｆ_ＲＦのみが出力される。このときの周波数スペクトラムを図７に示す。

図１の説明では理解を助けるため、高周波信号源はＤ／Ａ変換器１０であるとして説明した。しかし、Ｄ／Ａ変換器１０はこの発明の周波数変換回路を構成する要素ではない。高周波信号源がクロック周波数が４ｆのパルス状矩形波を出力する例えばパルス発振器のようなものであれば、この発明の周波数変換回路を用いることにより所定の効果を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１の図１では、スタブ回路２０内のスタブはすべてショートスタブであるとして説明した。しかし、要は除去すべき周波数に対してインピーダンスがほぼゼロであり、基本周波数に対してインピーダンスが十分に高ければよい（必ずしも無限大である必要はなく、実施の形態１のように互いに作用してトータルとしてのインピーダンスが高くなるような組み合わせでもよい）のであるから、長さを調整してこの条件に合うようにしたオープンスタブを用いることも可能である。
なお、図１のλ／６ショートスタブ２１とλ／３ショートスタブ２２は並列でなければならないが、これらとλ／４ショートスタブ２３の接続位置は入れ替わってもよい。また、スタブ回路２０とローパスフィルタ２５の接続順序は入れ替わってもよい。
ローパスフィルタ２５は基本周波数ｆを通過させる、例えば帯域幅がｆ／２程度の帯域通過フィルタであってもよいことはいうまでもない。

実施の形態３．
図１の周波数変換回路は高周波信号源としてＤ／Ａ変換器１０を備えているので、このまま例えば無線送信機のドライブ回路として用いることができる。また無線受信機の局発回路として用いることができる。

この発明の周波数変換回路は、Ｄ／Ａ変換器出力をキャリア信号とするものに限らず、一般的なパルス発生源を発信源とする周波数の変換に利用することができる。また無線送信機の周波数変換部はむろん、受信機にも用いることができる。さらに校正用周波数発振器にも用いることができる。

本発明の実施の形態１の周波数変換回路の構成図である。 図１の動作を説明する入力高周波信号の波形説明図である。 図１の入力信号の周波数スペクトラムを説明する図である。 スタブ回路２０の出力信号の周波数スペクトラムを説明する図である。 ローパスフィルタ２５の出力の周波数スペクトラムを説明する図である。 第１、第２ダブルバランスドミキサの出力の周波数スペクトラムを説明する図である。 最終出力の周波数スペクトラムを説明する図である。

符号の説明

１０ Ｄ／Ａ変換器、 ２０ スタブ回路、 ２１ λ／６ショートスタブ、
２２ λ／３ショートスタブ、 ２３ λ／４ショートスタブ、
２５ ローパスフィルタ（高域遮断フィルタ） ３０ 周波数変換部、
３１ ０移相器、 ３２ 第１（π／２）移相器、
３３ 第１ダブルバランスドミキサ、 ３４ 第２ダブルバランスドミキサ、
３５ 第２（π／２）移相器、 ３６ 局部発振器。

Claims (4)

1. クロック周波数４ｆの矩形波信号で形成された周波数ｆの高周波信号が入力される入力端子、この入力端子に接続され先端に出力端子がもうけられた給電線、この給電線の途中に接続され前記周波数ｆの波長λに対してλ／６の電気長を持つλ／６先端短絡整合用給電線と、このλ／６先端短絡整合用給電線に並列に接続されたλ／３先端短絡整合用給電線および、前記給電線の途中に接続されたλ／４先端短絡整合用給電線とを有するスタブ回路、
   前記出力端子に接続され、前記高周波信号を通過させるフィルタ、
   前記フィルタの出力信号を２分配する分配器と、この分配された２つの信号の間にπ／２の位相差を与えて第１，第２の信号を生成する１つ以上の移相器と、
   周波数ｆ_ＬＯの高周波信号を出力する局部発振器と、この周波数ｆ_ＬＯの高周波信号を互いの間に位相差π／２を有する第３の信号と第４の信号とに分配して移相する移相器と、
   前記第１の信号が入力される第１入力端子と、前記第３の信号が入力される第３入力端子とを有する第１ダブルバランスドミキサと、前記第２の信号が入力される第２入力端子と第４の信号が入力される第４入力端子とを有する第２ダブルバランスドミキサと、
   前記第１ダブルバランスドミキサの出力と前記第２バランスドミキサの出力とを合成して出力する合成器とを含む周波数変換部とを備え、
   前記周波数ｆの高周波信号を、この高周波信号に含まれる折り返し雑音を除去しつつ周波数（ｆ−ｆ_ＬＯ）の信号に周波数変換して出力することを特徴とする周波数変換回路。
2. 前記フィルタは遮断周波数が前記ｆより高く、３ｆ以下である高域遮断フィルタであることを特徴とする請求項１に記載の周波数変換回路。
3. 前記フィルタは前記周波数ｆを通過させる帯域通過フィルタであることを特徴とする請求項１に記載の周波数変換回路。
4. 請求項１に記載の周波数変換回路と、前記周波数変換回路に前記クロック周波数４ｆの矩形波信号で形成された周波数ｆの高周波信号を供給するＤ／Ａ変換器とを備えたことを特徴とする無線機。
   

Images