JP4316236B2 - 互いに90°の位相差を有する2信号の生成 - Google Patents
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Description
【発明の実施の形態】
多くの分野において、互いに90°の位相差を有し、共に1つの入力信号と実質的に等しい2つの信号を生成可能であることが、一般的に望まれている。このような信号の組み合わせが望まれる分野の例は、例えば、テレビチューナ、移動電話(GSM、NMT)、無線電話(DECT)等である。一般に知られているように、直交信号は、例えば、特に鏡像排除のためにテレビチューナにおいて使用される。
【0002】
上記のような信号の組み合わせを生成するために、いくつかの技術を既に利用可能である。これらの利用可能な技術の各々には、なんらかの欠点がそなわっている。このような公知技術の一例は、ゲート回路やフリップフロップ等を用いた周波数分割を利用するものである。この公知技術の欠点は、入力信号の周波数を、0°信号と90°信号の所望周波数の少なくとも2倍に選ばなければならないことである。他の技術は、90°の位相差を有する2つの出力信号を生成する個別のオシレータを利用するものであり、そのオシレータは、位相ロックループにより元となる入力信号に結合されている。この技術の欠点は、比較的大規模な電子回路と比較的大きいエネルギー消費を必要とすることである。
【0003】
それ自体公知となっている更なる技術は、位相シフトネットワークを利用するものである。位相シフトネットワークは、入力信号と等しい1つの出力信号を、固定位相遅延を90°に設定可能にして、生成する。しかし、現在までの位相シフトネットワークの欠点は、入力信号を正弦形にする必要があることである。特に現在までの位相シフトネットワークは、上記例におけるほとんどのローカルオシレータが方形波信号を生成するにもかかわらず、互いに90°の位相差を有し、且つ、共に方形波形を有する入力信号に少なくとも実質的に一致する、2つの出力信号を生成できない。
【0004】
本発明は、位相シフトネットワークを用いて、互いに90°の位相差を有する2つの出力信号を、入力信号を正弦形に限定することなく、生成することができるアプローチを提供することを目的とする。この目的のために、本発明は、互いに90°の位相差を有する2つの信号を生成するための独立クレームに定義したような方法とデバイスを、提供する。従属クレームは、有利な実施形態を定義する。好適な実施形態において、本発明は、方形波信号を受信可能であると共に、互いに90°の位相差を有し、共に少なくとも入力信号と実質的に等しい2つの方形波信号を出力可能である位相シフトネットワークを提供する。
【0005】
本発明は、ローカルオシレータにより生成されるような方形波信号を、基本波と限定数の奇数高調波から成り、前記波の各々が、正弦形であるフーリエ級数に近似できるという見識に基づいている。実際に、考慮する必要のある奇数高調波の数は、基本波の周波数に依存しており、基本波の周波数が高ければ、重要な役割をする奇数高調波の数は小さくなる。
【0006】
従って、この見識に基づいて、本発明は、入力信号の基本フーリエ成分と、少なくとも第3高調波フーリエ成分と、好ましくは第5高調波フーリエ成分とに基づき、これらの成分が、基本フーリエ成分周期の4分の1に等しい時間だけシフトして、作動する位相シフトネットワークを提供する。
【0007】
好適な実施形態において、本発明の位相シフトネットワークは、受動多相フィルタを備える。このようなフィルタは、全周波数成分を通過帯域内において同じ角度だけシフトするという固有の特性を有する。所望のシフト角が90°に等しいと仮定すると、固有特性は、第5高調波フーリエ成分については正しくなり、第3高調波フーリエ成分については正しくなく、それは、270°シフトして、−90°のシフトと同等になる。本発明は、このことが、負の周波数を有する第3高調波フーリエ成分の+90°シフトに等しいという更なる見識に基づいている。従って、好適な本実施形態における本発明によると、位相シフトネットワークは、負の周波数を有する第3高調波フーリエ成分を通し、正の周波数を有する第3高調波フーリエ成分を抑制する周波数特性を有する。
【0008】
本発明のこれらおよび他の態様、特徴、利点を、本発明によるネットワークの実施形態例を以下に説明することにより更に明らかにする。
【0009】
図面において、同じ参照符号は、等しいまたは類似の部分を示している。
【0010】
図1は、第1入力11と、第2入力12と、第1出力13と、第2出力14を有する多相フィルタ10を概略的に示す。特に、この多相フィルタ10は、二相フィルタである。多相フィルタは、それ自体は公知である。例えば、J.Crols等による1995 ISSCC Digest of Technical Papersの第38巻、IEEE出版、1995年、136〜137ページの記事「完全集積900MHzCMOS二重直角位相ダウンコンバータ」を参照できる。従って、多相フィルタ10の設計と動作に関する詳細な説明は、ここでは必要ない。しかし、いくつかの記号や式を導入するために、多相フィルタ10(二相フィルタ)の動作に関するいくつかの特徴をここで説明する。
【0011】
2つの入力信号X11(ω)とX12(ω)を、2つの入力11と12にそれぞれ印加すると仮定し、2つの入力信号X11(ω)とX12(ω)は、正弦形であり同じ周波数ωを有するが、90°の位相差を有するとする。これを、|φ11−φ12|=90°[mod360°]と表し、φ11は、第1入力11に印加する第1入力信号X11(ω)の位相であり、φ12は、第2入力12に印加する第2入力信号X12(ω)の位相である。2つの状態は次のように区別することができる。
【0012】
1) X11(ω)が、先行している、つまり、φ11−φ12=+90°
2) X12(ω)が、先行している、つまり、φ11−φ12=−90°
正弦形信号をX(ω)=X・ejωtと複素表現にしても良いが、実際の物理信号は、複素数表現の実部であることを述べておく。さらに、上述のφ11−φ12=+90°およびφ11−φ12=−90°の両方の場合を、
X11(ω)=X・ejωt および X12(ω)=jX・ejωt
と書くことができる。
【0013】
X=|X|・ej φを用いると、
Re(X11)=|X|cos(ωt+φ) および Re(X12)=|X|cos(ωt+φ+π/2)
となり、それによりω<0は、φ11−φ12=+90°の場合に相当し、他方、ω>0は、φ11−φ12=−90°の場合に相当することとなる。
【0014】
その出力13および14において、多相フィルタ10は、正弦形出力信号Y13(ω)とY14(ω)をそれぞれ生成するが、それらは、2つの入力信号X11(ω)とX12(ω)と同じ周波数ωを有する。
【0015】
多相フィルタ10は、X12(ω)=jX11(ω)の場合、以下のように表される伝達特性H(ω)を有するとさらに仮定する。
【0016】
H(ω)=Y13/X11=Y14/X12 (1)
多相フィルタ10の(正規化)伝達特性H(ω)が、上記の場合、ある正の周波数ωxに対して以下の式(2)が、有効となる。
【0017】
H(ωx)=1 および H(−ωx)=0 (2)
そして、多相フィルタ10を利用して、1つの入力信号X11のみをベースとして2つの出力信号Y13とY14=jY13を生成することができ、これを図2Aから図2Cを参照にして説明する。
【0018】
図2Aにおいて、第1入力信号X11A=X(ωx)が、第1入力11に印加されると共に第2入力信号X12A=jX11A=jX(ωx)が、第2入力12に印加される。上式(1)と(2)に従い、多相フィルタ10は、その後、第1出力信号Y13A=Y(ωx)と第2出力信号Y14A=jY13A=jY(ωx)をその2つの出力13と14においてそれぞれ生成する。
【0019】
図2Bにおいて、第1入力信号X11B=X(ωx)が、第1入力11に印加されると共に第2入力信号X12B=−jX11B=−jX(ωx)が、第2入力12に印加される。上式(1)と(2)から、多相フィルタ10は、その後、零出力信号Y13B=0とY14B=0をその2つの出力13と14においてそれぞれ生成することとなる。
【0020】
多相フィルタ10は、線形フィルタであり、これは、2つの入力信号を加算すると、対応する出力信号も加算されることを意味する。図2Cにおいて、図2Aと図2Bにおいて用いた2つの入力信号をそれぞれ加算する。
【0021】
つまり、第1入力11は、
X11C=X11A+X11B=2X(ωx)
を受信し、一方、第2入力12(接続せず)は、
X12C=X12A+X12B=jX(ωx)+(−jX(ωx))=0
を受信する。
【0022】
それから、図2Aと図2Bの2つの出力信号もまた、加算し、従って、多相フィルタ10は、第1出力信号Y13C=Y(ωx)と第2出力信号Y14C=jY(ωx)をその二つの出力13と14においてそれぞれ生成する。
【0023】
つまり、第1入力11が、実入力信号X(ωx)を受信すると共に第2入力12が、0である場合、多相フィルタ10は、第1と第2出力信号Y13(ωx)=1/2・X(ωx)およびY14(ωx)=1/2・jX(ωx)を生成する。これらは、位相差90°を有する2つの実出力信号であり、正の周波数を有する正弦形二相出力信号としても示される。上述では、Y13(ωx)とX(ωx)間のどの可能な位相差も無視する。
【0024】
なお、上記の説明をY14Aの符号が反転した場合にも適用できる。この場合、二相出力信号は、負の周波数を有すると示されてもよい。しかし、出力14を「第1」出力と、また、出力13を「第2」出力とみなすことも可能である。
【0025】
このように、多相フィルタを用いて、1つの入力信号X(ωx)をベースとして、互いに90°位相が異なる2つの信号Y13(ωx)とY14(ωx)を生成することができる。
【0026】
上記では、2つの仮定を行った。1つ目の仮定は、入力信号X(ωx)は、正弦形であることである。2つ目の仮定は、入力信号X(ωx)の周波数ωxは、式(2)が有効である周波数領域にあることである。以降でもこのような周波数領域を異符号拒絶パス領域、略してOSR(Opposite Sign Region)パス領域と示し、それは、領域内の周波数を通すが、異符号の同周波数を拒絶するか少なくとも抑制することを示す。
【0027】
現在のところ、ブロードバンド多相フィルタは、少なくとも全ての実用目的のために、OSRパス領域の、0から非常に高く実質的に無限大の周波数までの範囲に存在する。また、多相フィルタは、中心周波数ωLOと帯域幅BWLOを有する特別周波数帯域において作動する特別ローカルオシレータと共に設計されており、これらの多相フィルタは、ローカルオシレータの作動周波数帯域と同一のOSR帯域パス領域を有しており、伝達関数H(ω)は、他の全ての周波数に対して0となっている。
【0028】
しかし、このような従来技術の多相フィルタでは、入力信号が、バイナリ信号であると共に、出力信号も、バイナリ信号である必要がある場合、互いに90°の位相差を有する2つの信号を1つの入力信号をベースに生成するのに同様の簡単な手段を実現することはできない。より具体的には、多くの利用分野において、ローカルオシレータは、デューティサイクル50%の方形波信号を生成しており、上述に記載の技術をこのような場合に利用することはできない。このことを以下に説明する。
【0029】
ローカルオシレータが、図3Aに示す、デューティサイクル50%の方形波信号で周期T1の出力信号Aを生成すると仮定する。周知の通り、このような方形波信号Aは、正弦形信号成分(フーリエ級数)に展開できる。これらの正弦形信号成分は、基本周波数ω1=1/T1を有する基本波から成り、それを図3Bに図示するようにA1(ω1)と示す。フーリエ級数は、さらに奇数高調波A3(ω3)、A5(ω5)、・・・、A2n+1(ω2n+1)、ここでn=1、2、3、・・・から成る。ここで、周波数成分A2n+1(ω2n+1)は、基本波A1に対して第(2n+1)高調波であり、基本周波数ω1の(2n+1)倍に等しい周波数ω2n+1を有する。また、図3Bは、第3、第5の高調波の一部を示す。
【0030】
なお、一般的に、フーリエ級数は、無限数の周波数成分を有する無限級数であるが、最も実際的な状況下では、ローカルオシレータからの出力信号Aは、限定数の、例えば5の、フーリエ項により、極めて良好に近似することができる。
【0031】
多相フィルタを用いてこのような方形波ローカルオシレータ信号Aをベースに直交信号を生成すると、多相フィルタは、上述の方法で前述の正弦形フーリエ成分の各々に基づいて動作する。したがって、多相フィルタが、比較的狭いOSR帯域パス特性を有しており、ローカルオシレータの基本周波数ω1に適応しているだけであれば、多相フィルタは、互いに90°の位相差を有する2つの正弦形出力信号Y13(ω1)とY14(ω1)を生成するのみとなるであろう。例えば、信号がクリップするような大きな利得を有する増幅器を用いて、このような正弦形出力信号をベースに方形波信号を形成することもできるが、これは、更なる回路を必要とするとともに、正弦形出力信号の小さい偏差が、形成された平方波信号の重要なタイミング偏差を導く可能性もある。零交差の正確性を向上するためには、より多くのフーリエ項を考慮に入れるべきである。
【0032】
一方、多相フィルタが、比較的広いOSRパス特性を有しており、高調波周波数ω3、ω5、ω7、等にも適応している場合、多相フィルタは、正しい態様で90°の出力信号を生成しないであろう。これを、以下に図3Cを参照にして説明する。
【0033】
まず、2つの出力信号Y13とY14間の必要な90°位相差は、基本周波数ω1に関係することを指摘する。このように、実際には、2つの出力信号Y13とY14は等しいが、時間において時間距離T1/4[modT1]だけ互いにシフトしていることが必要である。
【0034】
第2に、第2出力信号Y14が、第1出力信号Y13に等しいがT1/4[modT1]だけシフトするという目的に合致させるために、第2出力信号Y14を生成する際に、入力信号Aの各周波数成分A2n+1(ω2n+1)を時間距離T1/4[modT1]だけシフトすることが必要であることを指摘する。しかし、上述の通り、多相フィルタ10は、全ての周波数成分A2n+1(ω2n+1)をその通過帯域内において90°の位相角だけシフトするという固有の特性を有しており、この90°位相シフトは、問題の信号成分の相当する周波数ω2n+1に関して常に測定されている。このような位相シフトは、全ての周波数成分に必要な時間シフトには対応していない。
【0035】
例えば、基本波A1、第5高調波A5、第9高調波A9等に対して、T1/4の時間シフトは、それぞれ、90°、450°、810°等の位相シフトに対応しており、それらは、全て+90°[mod360°]の各位相シフトと同等であり、つまり、これらは、「マッチング」シフトである。
【0036】
しかし、第3〔第7〕{第11}高調波A3〔A7〕{A11}などに対しては、T1/4の必要時間シフトは、それぞれ、270°〔630°〕{990°}の必要位相シフトに対応しており、各場合は、全て−90°[mod360°]の必要位相シフトと同等である。前に述べたように、従来の多相フィルタは、このような位相シフトを伝えることができない。実際、従来の多相フィルタが、比較的広いOSRパス特性を有しており、高調波周波数ω3、ω7、ω11、等に適用している場合、これらの高調波は、同様に+90°だけ、すなわち、180°間違ってシフトされることとなる。
【0037】
本発明の重要な態様によると、この問題は、180°の追加位相シフトが、第3〔第7〕{第11}高調波A3〔A7〕{A11}等に対して行われる場合に克服される。これは、例えば、個々に別々の高調波を、例えば適切な帯域フィルタを用いて選択し、その後個々に各高調波を処理して各個別高調波に対して+90°または−90°[mod360°]のシフトを必要であれば与えるようにし、その後シフトした高調波を結合することにより行われる。
【0038】
図4は、+90°シフトする必要のある高調波を結合し、1つのシングルブロードバンド多相フィルタ10Aを利用して+90°シフトをこれら全ての高調波に対して共通に行い、その一方で、−90°シフトする必要のある高調波も結合し、1つのシングルブロードバンド多相フィルタ10Bを利用して−90°シフトをこれら全ての高調波に対して共通に行う場合の実施形態を示す。図4は、ローカルオシレータ2からの入力信号Aを受信するための入力3と、同相出力信号Iと直角出力信号Qで、共に入力信号Aと等しい信号を生成するための2つの出力8と9とを有する回路1を示す。上述の通り、ローカルオシレータ信号Aは、デューティサイクル50%の周期T1を有する方形波信号である。上記の通り、ローカルオシレータ信号Aを、正弦形信号成分A1(ω1)、A3(ω3)、A5(ω5)、・・・、A2n+1(ω2n+1)、ここでn=1、2、3、・・・に展開できる。図4の回路1は、4つのフーリエ成分を処理するように設計されており、ローカルオシレータからの出力信号Aが、4つのフーリエ成分により近似できる状況に最適となっている。以下の説明により、当業者にとって、高次フーリエ成分を考慮するためにどのように本実施形態を補足すればいいか明らかになるだろう。
【0039】
回路1は、第1フーリエ成分選択部4を備え、これは、直角出力信号Qにおいて+90°シフトする必要のあるこれらのフーリエ成分を選択する。これらは、フーリエ成分A1(ω1)、A5(ω5)、A9(ω9)、・・・、A2n+1(ω2n+1)であり、ここでn=0、2、4、6、・・・である。これらの各フーリエ成分に対して、第1フーリエ成分選択部4は、対応する帯域フィルタ602n+1を備える。本実施形態において、第1フーリエ成分選択部4は、基本波A1(ω1)と第5高調波A5(ω5)を選択するようになっている。このように、第1フーリエ成分選択部4は、ω1−BW1/2とω1+BW1/2間の周波数領域にある通過帯域611を有する第1帯域フィルタ601と、ω5−BW5/2とω5+BW5/2間の周波数領域にある通過帯域615を有する第2帯域フィルタ605とを備える。
【0040】
これらの帯域フィルタの入力端子は、入力3に接続されており、これらの帯域フィルタの出力端子は、第1加算器71に結合されており、その第1加算器71の出力は、第1多相フィルタ10Aの第1入力11Aに結合されている。このように、第1多相フィルタ10Aの第1入力11Aは、入力信号X11A=A1(ω1)+A5(ω5)を受信する。第1多相フィルタ10Aの第2入力12Aは、零信号を受信する。
【0041】
同様に、回路1は、さらに第2フーリエ成分選択部5を備え、これは、直交出力信号Qにおいて−90°シフトする必要のあるこれらのフーリエ成分を選択する。これらは、フーリエ成分A3(ω3)、A7(ω7)、A11(ω11)、・・・、A2n+1(ω2n+1)であり、ここでn=1、3、5、・・・である。これらの各フーリエ成分に対して、第2フーリエ成分選択部5は、対応する帯域フィルタ602n+1を備える。本実施形態において、第2フーリエ成分選択部5は、第3高調波A3(ω3)と第7高調波A7(ω7)を選択するようになっている。このように、第2フーリエ成分選択部5は、ω3−BW3/2とω3+BW3/2間の周波数領域にある通過帯域613を有する第3帯域フィルタ603と、ω7−BW7/2とω7+BW7/2間の周波数領域にある通過帯域617を有する第4帯域フィルタ607とを備える。
【0042】
これらの帯域フィルタの入力端子は、入力3に接続されており、これらの帯域フィルタの出力端子は、第2加算器72に結合されており、その第2加算器72の出力は、第2多相フィルタ10Bの第2入力12Bに結合されている。このように、第2多相フィルタ10Bの第2入力12Bは、入力信号X12B=A3(ω3)+A7(ω7)を受信する。第2多相フィルタ10Bの第1入力11Bは、零信号を受信する。
【0043】
2つの多相フィルタ10Aと10Bは、ブロードバンド多相フィルタであり、以下の式(3)に従い、少なくとも実際の周波数に対して(正規化)伝達特性H(ω)を有する。
【0044】
ω≧0の場合、H(ω)=1 および ω<0の場合、H(ω)=0 (3)
実際には、2つの多相フィルタ10Aと10Bは、等しくてもよい。
【0045】
多相フィルタの動作に関する上述の説明から明らかなように、第1多相フィルタ10Aは、その第1出力13Aにおいて、第1出力信号Y13Aを2Y13A=X11A=A1(ω1)+A5(ω5)に従って供給すると共に、その第2出力14Aにおいて、第2出力信号Y14AをY14A=jY13Aに従って供給する。第1出力信号YAは、一定の時間遅延ΔTAを入力信号X11Aに対して有していてもよい。
【0046】
さらに、多相フィルタの動作に関する上述の説明から明らかなように、第2多相フィルタ10Bは、その第2出力14Bにおいて、第3出力信号Y14Bを2Y14B=X12B=A3(ω3)+A7(ω7)に従って供給すると共に、その第1出力13Bにおいて、第4出力信号Y13BをY13B=−jY14B=−jX12Bに従って供給する。第3出力信号Y14Bは、一定の時間遅延ΔTBを入力信号X12Bに対して有していてもよく、2つの多相フィルタ10Aと10Bは、2つの時間遅延ΔTAとΔTBが等しくなるように整合されていなければならない。
【0047】
第1多相フィルタ10Aの第1出力13Aと第2多相フィルタ10Bの第2出力14Bは、第3加算器73に結合しており、その第3加算器73の出力は、回路1の第1出力端子8に結合して第1出力信号
I=Y13A+Y14B=(A1(ω1)+A3(ω3)+A5(ω5)+A7(ω7))/2
を供給する。
【0048】
同様に、第1多相フィルタ10Aの第2出力14Aと第2多相フィルタ10Bの第1出力13Bは、第4加算器74に結合しており、その第4加算器74の出力は、回路1の第2出力端子9に結合して第2出力信号
Q=Y14A+Y13B=j(A1(ω1)−A3(ω3)+A5(ω5)−A7(ω7))/2
を供給する。
【0049】
図4に提示した回路は、十分に機能する。しかし、その回路は、2つの多相フィルタを必要とする。+90°および−90°を択一的に連続高調波シフトするステップを、全高調波を1つの入力で受信する1つのシングル多相フィルタにより、行うことが好ましい。
【0050】
本発明によると、このような設計が可能であり、これは、180°の加算位相シフトは、多相フィルタにおいて負の周波数−ω3、−ω7、−ω11、等を有するフーリエ成分を使用することと同等であるからである。これを、図5Aから図5Cを参照して説明する。
【0051】
ある正の周波数ωxに対して、多相フィルタ10の伝達特性H(ω)が、以下の式(4)に従うと仮定する。
【0052】
H(ωx)=0 および H(−ωx)=1 (4)
図5Aにおいて、第1入力信号X11A=X(ωx)が、第1入力11に印加されると共に、第2入力信号X12A=jX11A=jX(ωx)が、第2入力12に印加される。上式(1)と(4)から、多相フィルタ10は、零出力信号Y13(ωx)=0とY14(ωx)=0をその2つの出力13と14においてそれぞれ生成することとなる。
【0053】
図5Bにおいて、第1入力信号X11B=X(ωx)が、第1入力11に印加されると共に、第2入力信号X12B=−jX11B=−jX(ωx)が、第2入力12に印加される。上式(1)と(4)から、多相フィルタ10は、第1出力信号Y13B=Y(ωx)と第2出力信号Y14B=−jY13B=−jY(ωx)をその2つの出力13と14においてそれぞれ生成することとなる。
【0054】
図5Cでは、図5Aと図5Bにおいて各々使用した2つの入力信号が、加算される。つまり、第1入力11は、X11C=X11A+X11B=2X(ωx)を受信し、第2入力12は、X12C=X12A+X12B=jX(ωx)+(−jX(ωx))=0を受信する。そして、図5Aと図5Bの2つの出力信号も加算され、従って、多相フィルタ10は、第1出力信号Y13C=jY(ωx)と第2出力信号Y14C=−jY13c=−jY(ωx)をその2つの出力13と14にてそれぞれ生成する。
【0055】
つまり、式(4)を適用可能なこのような周波数ωxに対して、第1入力11が、実入力信号X(ωx)を受信し、第2入力12が、零の場合、多相フィルタ10は、第1と第2出力信号Y13(ωx)=1/2・X(ωx)とY14(ωx)=−1/2・jX(ωx)=−jY13(ωx)を生成する。これらは、−90°位相差を有する2つの実出力信号であり、負の周波数を有する正弦形二相出力信号としても示される。
【0056】
この見識に基づいて、本発明は、図6に示す新規な周波数特性40を有する多相フィルタ10を提案しており、これは、中心オシレータ周波数ωLOと帯域幅BWLOを有するローカルオシレータと共に使用することに適している。この周波数特性40は、正の中心周波数ω1=ωLOとローカルオシレータの帯域幅BWLOと実質的に等しい帯域幅BW1を有する第1OSR帯域パス範囲41を、有している。より具体的には、図6では、−ω1−BW1/2と−ω1+BW1/2間の拒絶領域51、つまり、−ω1周辺の周波数におけるH(ω)=0は、効果的に抑制されていることを示している。周波数特性40は、さらに、負の中心周波数ω42=−3ω1と第1OSR帯域パス領域41の帯域幅BW1の3倍に実質的に等しい帯域幅BW42とを有する第2OSR帯域パス領域42を、有している。より具体的には、図6では、3ω1−3BW1/2と3ω1+3BW1/2間の拒絶領域52、つまり、+3ω1周辺の周波数におけるH(ω)=0は、効果的に抑制されていることを示している。この第2OSR帯域パス領域42(および対応する拒絶領域52)を考慮すると、多相フィルタ10は、正しく第3高調波A3(ω3)を処理可能である。
【0057】
多相フィルタ10は、また、第5高調波A5(ω5)を正しく処理できるようにも設計されていることが好ましい。そのために、周波数特性40は、さらに、正の中心周波数ω43=+5ω1と第1OSR帯域パス領域41の帯域幅BW1の5倍に実質的に等しい帯域幅BW43とを有する第3OSR帯域パス領域43を、有している。より具体的には、図6では、−5ω1−5BW1/2と−5ω1+5BW1/2間の拒絶領域53、つまり、−5ω1周辺の周波数におけるH(ω)=0は、効果的に抑制されていることを示している。多相フィルタ10は、また、第7高調波A7(ω7)を正しく処理できるようにも設計されていることが好ましい。そのために、周波数特性40は、さらに、負の中心周波数ω44=−7ω1と第1OSR帯域パス領域41の帯域幅BW1の7倍に実質的に等しい帯域幅BW44とを有する第4OSR帯域パス領域44を、有している。より具体的には、図6では、+7ω1−7BW1/2と+7ω1+7BW1/2間の拒絶領域54、つまり、+7ω1周辺の周波数におけるH(ω)=0は、効果的に抑制されていることを示している。
【0058】
一般的には、多相フィルタ10は、N個のOSR帯域パス領域を有しており、各々は、ωn=(−1)(n+1)・(2n−1)ω1、n=1、2、3、4、・・・、Nによる中心周波数と、第1OSR帯域パス領域41の帯域幅BW1の(2n−1)倍に実質的に等しい帯域幅BWnとを有している。
【0059】
実際には、N=2であれば十分ではあるが、Nが、少なくとも3以上であることが好ましい。より好ましくは、N≧5である。
【0060】
最適動作性能のためには、Nは、可能な限り大きくすべきであることがわかる。しかし、連続帯域パス領域の帯域幅が、増大するという事実を考慮すると、Nは、無限に大きくは選べず、可能な極限値は、隣接帯域パスと拒絶領域が接した場合となり、それは、N=ω1/BW1+1となる場合であろう。
【0061】
図7は、上述の周波数特性40を有する多相フィルタ110の比較的簡単な実施形態を示しており、それは、N=2であり、つまり、図7の多相フィルタ110は、基本波と第3高調波を元に動作している。多相フィルタ110は、4つの入力端子111、112、113、114と、4つの対応する出力端子121、122、123、124を有する。第1(第2)〔第3〕{第4}出力端子121(122)〔123〕{124}は、第1(第2)〔第3〕{第4}入力端子111(112)〔113〕{114}に第1(第2)〔第3〕{第4}トランスファチャネルを介して接続しており、そのトランスファチャネルは、第1抵抗器R11(R12)〔R13〕{R14}と第2抵抗器R21(R22)〔R23〕{R24}との直列接続を備えており、全ての第1抵抗器R1iは、互いに実質的に同等であり、全ての第2抵抗器R2iは、互いに実質的に同等である。
【0062】
第1(第2)〔第3〕{第4}トランスファチャネルの第1抵抗器R11(R12)〔R13〕{R14}と第2抵抗器R21(R22)〔R23〕{R24}との間の第1(第2)〔第3〕{第4}ノードを、N1(N2)〔N3〕{N4}と示す。
【0063】
第1(第2)〔第3〕{第4}入力端子111(112)〔113〕{114}は、第2(第3)〔第4〕{第1}ノードN2(N3)〔N4〕{N1}に第1(第2)〔第3〕{第4}第1段階コンデンサC12(C23)〔C34〕{C41}を介して結合しており、第2(第3)〔第4〕{第1}ノードN2(N3)〔N4〕{N1}は、第1(第2)〔第3〕{第4}出力端子121(122)〔123〕{124}に第1(第2)〔第3〕{第4}第2段階コンデンサC21(C32)〔C43〕{C14}を介して結合している。
【0064】
第1と第3入力端子111と113は、第1信号入力を定義する。図7では、ローカルオシレータ102からの入力信号Aは、第1信号入力111と113において均衡の取れた形で受信される。
【0065】
第2と第4入力端子112と114は、第2信号入力を定義する。図7では、これらの端子は、どの信号ソースにもあるいは電圧ソースにも接続しておらず、つまり、浮動状態になっている。あるいは、これらの端子は、零に接続されていてもよい。
【0066】
第1と第3出力端子121と123は、第1信号出力を定義する。図7では、同相出力信号Iが、これらの2つの出力端子121と123から取られている。
第2と第4出力端子122と124は、第2信号出力を定義する、図7では、直角出力信号Qが、これらの2つの出力端子122と124から取られている。
【0067】
図7の多相フィルタ110は、ω1は、例えば、GSMにおいて使用される約910MHzで約40MHzの狭い帯域幅を有し、ω3は、約2730MHzである基本波に対して、変数値をおおよそ以下のように選択することにより、設計されていてもよい。
【0068】
R11(R12)〔R13〕{R14}=22Ω
R21(R22)〔R23〕{R24}=210.26Ω
C12(C23)〔C34〕{C41}=2.568pF
C21(C32)〔C43〕{C14}=820pF
多相フィルタを設計する当業者には、ω1とω3に対する異なる値を得るためにこれらの数値をどのように修正すべきか明らかであろう。さらに、多相フィルタを設計する当業者には、第5高調波、第7高調波等を処理するために図7の回路をどのように拡張すべきかも明らかであろう。
【0069】
このように、本発明では、各々ローカルオシレータ2からの方形波入力信号Aに実質的に等しい2つの出力信号IとQを生成するための方法および装置を提供することに成功しており、第1出力信号Iは、入力信号Aに対して所定時間シフトを有していてもよく、また、第2出力信号Qは、第1出力信号Iに対してT1/4[modT1]だけシフトされており、T1は、入力信号Aの周期である。第1出力信号Iを生成するために、入力信号Aのフーリエ成分S1(ω1)、S3(ω3)、S5(ω5)、S7(ω7)、S9(ω9)、S11(ω11)等が、結合される。
【0070】
第2出力信号Qを生成するために、入力信号Aのフーリエ成分S1(ω1)、S5(ω5)、S9(ω9)等が、+90°位相シフトされており、入力信号Aのフーリエ成分S3(ω3)、S7(ω7)、S11(ω11)等が、−90°位相シフトされており、入力信号Aのこのようにシフトしたフーリエ成分が、結合される。
【0071】
当業者にとって、本発明の範囲を上記の例に限定しておらず、また、いくつかの修正や変更を添付クレームに定義される本発明の範囲から逸脱せずに実施可能であることは明らかである。例えば、図4の実施形態において、
ω≧0の場合、H(ω)=1 および ω<0の場合、H(ω)=0
というブロードバンド正規化伝達特性を有する第2多相フィルタ10Bを、
ω≦0の場合、H(ω)=1 および ω>0の場合、H(ω)=0というブロードバンド正規化伝達特性を有する多相フィルタに置き換えてもよく、この場合、第2加算器72の出力は、第1入力11Bに供給され、第2入力12Bは、零信号を受信し、第1出力13Bは、第1コンバイナ73に結合し、第2出力14Bは、第2コンバイナ74に結合することとなる。
【0072】
さらに、第2出力信号Qを生成するために、入力信号Aのフーリエ成分S1(ω1)、S5(ω5)、S9(ω9)等が、−90°位相シフトされており、入力信号Aのフーリエ成分S3(ω3)、S7(ω7)、S11(ω11)等が、+90°位相シフトされており、入力信号Aのこのようにシフトしたフーリエ成分を、結合することも可能である。
【0073】
さらに、上述の説明において、多相フィルタの特性40を、±ω1、±ω3、±ω5、±ω7、等の周辺通過帯域または拒絶帯域に関してのみ記述したが、これらの帯域は、帯域幅BW1、3BW1、5BW1、7BW1をそれぞれ有し、BW1は、ローカルオシレータの期待帯域幅である。前記の帯域間の周波数に対して、多相フィルタの特性は、規定されていない。なお、原則として、前記帯域外の多相フィルタの特性は、重要ではない。結局、周波数成分は、前記帯域間の周波数領域においては、期待されない。このように、前記帯域は、実際には、説明したものよりも広い可能性があり、示した帯域幅を最小幅と考えるべきである。さらに、図6では、特性40を、通過帯域41、42、43、44とその間の零伝達関数との結合として図示しているが、所望の機能も、所定数の拒絶領域51、52、53、54を有するブロードバンドパス特性として説明可能な特性により、得られる可能性がある。
【0074】
クレームにおいて、括弧内の参照符号によりクレームを制限してはならない。
「備える」という言葉は、クレームに挙げた以外の要素や工程の存在を排除するものではない。要素の前にある「1つの」という言葉は、その要素が複数存在することを排除するものではない。本発明は、いくつかの明確な要素を備えるハードウエアを用いて、また、適切にプログラムしたコンピュータを用いて実施可能である。いくつかの手段を列挙している装置クレームにおいて、これらの手段には、1つの同じハードウエアアイテムに組み込み可能なものもある。ある手段が、互いに異なる従属クレームに記載されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせを利用できないことを示しているわけではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、多相フィルタの概略を示す図である。
【図2】 図2Aから図2Cは、多相フィルタを利用して正の周波数を有する二相出力信号を、一相入力信号をベースにして生成する方法を示す。
【図3】 図3Aから図3Cは、フーリエ成分のシフトを示す。
【図4】 図4は、本発明によるデバイスの実施形態を概略的に示す構成図である。
【図5】 図5Aから図5Cは、多相フィルタを利用して負の周波数を有する二相出力信号を、一相入力信号をベースにして生成する方法を示す。
【図6】 図6は、本発明による多相フィルタの周波数特性を示す。
【図7】 図7は、本発明による多相フィルタの簡単な実施形態を概略的に示す。
Claims (17)
- 基本周波数ω1を有する入力信号Aに対応する第1出力信号と第2出力信号を生成するとともに、前記第1出力信号及び前記第2出力信号は、互いに90°の位相差を有する、位相シフトネットワークの制御方法であって、
n=0、2、4、・・・とし、周波数ω2n+1を前記基本周波数ω1の(2n+1)倍とし、前記入力信号Aをフーリエ級数に展開した際のフーリエ成分をA2n+1(ω2n+1)と表した場合に、前記入力信号Aに関する所定数の第1フーリエ成分A2n+1(ω2n+1)を取得する工程と、
前記所定数の第1フーリエ成分に対して、第1方向に90°位相シフトを行う工程と、
n=1、3、5、・・・とした場合に、前記入力信号Aに関する所定数の第2フーリエ成分A2n+1(ω2n+1)を取得する工程と、
前記所定数の第2フーリエ成分に対して、前記第1方向と反対の第2方向に90°位相シフトを行う工程と、
前記所定数の第1フーリエ成分と前記所定数の第2フーリエ成分を結合して、前記第1出力信号を供給する工程と、
前記シフトした第1フーリエ成分と前記シフトした第2フーリエ成分を結合して、前記第2出力信号を供給する工程と、
を備えることを特徴とする位相シフトネットワークの制御方法。 - 請求項1に記載の位相シフトネットワークの制御方法において、
第1フーリエ成分は、同相出力信号と+90°シフトした出力信号とを出力する第1回路に、供給され、
第2フーリエ成分は、同相出力信号と−90°シフトした出力信号とを出力する第2回路に、供給され、
前記第1回路から出力された同相出力信号と前記第2回路から出力された同相出力信号は、加算されて前記第1出力信号となり、
前記+90°シフトした出力信号と前記−90°シフトした出力信号は、加算されて前記第2出力信号となることを特徴とする位相シフトネットワークの制御方法。 - 請求項1に記載の位相シフトネットワークの制御方法において、
前記第1フーリエ成分と前記第2フーリエ成分は、前記入力信号Aを帯域フィルタに通すことにより供給されることを特徴とする位相シフトネットワークの制御方法。 - 請求項1に記載の位相シフトネットワークの制御方法において、
n=0、1、2、3、・・・とした場合に、(−1)n・ω2n+1の周りのOSR帯域パス領域に対応する各周波数ωに対して、伝達特性H(ω)=1とH(−ω)=0を有する多相フィルタであって、各帯域パス領域は、少なくとも第1帯域パス領域の帯域幅の(2n+1)倍と等しい帯域幅を有する多相フィルタが設けられており、
当該方法は、
前記入力信号Aを前記多相フィルタの第1入力に供給すると共に、零入力信号を前記多相フィルタの第2入力に供給する工程と、
前記第1出力信号を前記多相フィルタの第1出力から取り出す工程と、
前記第2出力信号を前記多相フィルタの第2出力から取り出す工程と、
をさらに備えることを特徴とする位相シフトネットワークの制御方法。 - 当該位相シフトネットワークの入力における入力信号Aに対応する2つの出力信号を生成するとともに、前記2つの出力信号は、互いに90°位相シフトしている位相シフトネットワークであって、
前記入力信号Aの基本周波数をω1とした場合に、少なくとも基本波A1(ω1)を入力信号Aから選択するため、当該位相シフトネットワークの前記入力に結合する第1フーリエ成分選択手段と、
前記基本周波数ω1の3倍の周波数をω3とした場合に、少なくとも第3高調波A3(ω3)を入力信号Aから選択するため、当該位相シフトネットワークの前記入力に結合する第2フーリエ成分選択手段と、
入力と第1出力と第2出力とを有する第1手段であって、入力は、第1フーリエ成分選択手段の出力に結合され、その第1出力にその入力において受信したフーリエ成分から成る第1出力信号を出力すると共に、その第2出力に前記第1出力信号と同じで+90°シフトしているフーリエ成分を含む第2出力信号を出力する第1手段と、
入力と第1出力と第2出力とを有する第2手段であって、入力は、第2フーリエ成分選択手段の出力に結合され、その第2出力にその入力において受信したフーリエ成分から成る第3出力信号を出力すると共に、その第1出力に前記第3出力信号と同じで−90°シフトしているフーリエ成分を含む第4出力信号を出力する第2手段と、
前記第1手段の第1出力と前記第2手段の第2出力とにそれぞれ結合する2つの入力を有し、当該位相シフトネットワークの第1出力に結合する出力を有する第1コンバイナ手段と、
前記第1手段の第2出力と前記第2手段の第1出力とにそれぞれ結合する2つの入力を有し、当該位相シフトネットワークの第2出力に結合する出力を有する第2コンバイナ手段と、
を備えることを特徴とする位相シフトネットワーク。 - 請求項5に記載の位相シフトネットワークにおいて、
前記第1フーリエ成分選択手段は、中心周波数が前記基本周波数ω1であり、第1の帯域幅を有する第1帯域フィルタを備え、当該位相シフトネットワークの前記入力に結合する入力を有しており、
前記第2フーリエ成分選択手段は、前記第1帯域フィルタの中心周波数ω1の3倍に実質的に等しい中心周波数ω3を有し、前記第1帯域フィルタの前記第1の帯域幅の3倍に実質的に等しい第2の帯域幅を有する第2帯域フィルタを備え、前記第2帯域ファイルタは、当該位相シフトネットワークの前記入力に結合する入力を有していることを特徴とする位相シフトネットワーク。 - 請求項6に記載の位相シフトネットワークにおいて、
前記第1フーリエ成分選択手段は、
前記第1帯域フィルタの中心周波数ω1の5倍に実質的に等しい中心周波数ω5を有し、前記第1帯域フィルタの前記第1の帯域幅の5倍に実質的に等しい第3の帯域幅を有する第3帯域フィルタであって、当該位相シフトネットワークの前記入力に結合する入力を有する第3帯域フィルタと、
前記第1および第3帯域フィルタの出力に結合する入力を有する第1加算器と、
をさらに備えることを特徴とする位相シフトネットワーク。 - 請求項7に記載の位相シフトネットワークにおいて、
前記第2フーリエ成分選択手段は、
前記第1帯域フィルタの中心周波数ω1の7倍に実質的に等しい中心周波数ω7有し、前記第1帯域フィルタの前記第1の帯域幅の7倍に実質的に等しい第4の帯域幅を有する第4帯域フィルタであって、当該位相シフトネットワークの前記入力に結合する入力を有する第4帯域フィルタと、
前記第2および第4帯域フィルタの出力に結合する入力を有する第2加算器と、
をさらに備えることを特徴とする位相シフトネットワーク。 - 請求項8に記載の位相シフトネットワークにおいて、
前記第1フーリエ成分選択手段は、
n=2、4、6、・・・に対して、前記第1帯域フィルタの中心周波数ω1の(2n+1)倍に実質的に等しい中心周波数ω2n+1を有し、前記第1帯域フィルタの前記第1の帯域幅の(2n+1)倍に実質的に等しい帯域幅を有する更なる帯域フィルタであって、当該位相シフトネットワークの前記入力に結合する入力と前記第1加算器の入力に結合する出力とを有する更なる帯域フィルタを更に備え、
前記第2フーリエ成分選択手段は、
n=3、5、7、・・・に対して、前記第1帯域フィルタの中心周波数ω1の(2n+1)倍に実質的に等しい中心周波数ω2n+1を有し、前記第1帯域フィルタの前記第1の帯域幅の(2n+1)倍に実質的に等しい帯域幅を有する更なる帯域フィルタであって、当該位相シフトネットワークの前記入力に結合する入力と前記第2加算器の入力に結合する出力とを有する更なる帯域フィルタを更に備えることを特徴とする位相シフトネットワーク。 - 請求項5に記載の位相シフトネットワークにおいて、
前記第1手段は、周波数ωに対してブロードバンド正規化伝達特性H(ω)=1およびH(−ω)=0を有すると共に零入力信号を受信する他の入力を有する多相フィルタを備えており、
前記第2手段は、周波数ωに対してブロードバンド正規化伝達特性H(ω)=1およびH(−ω)=0を有すると共に零入力信号を受信する他の入力を有する多相フィルタを備えていることを特徴とする位相シフトネットワーク。 - 入力信号Aをローカルオシレータから受信するための入力を備え、2つの出力において前記入力信号Aに対応し互いに90°の位相シフトした2つの出力信号である第1出力信号と第2出力信号を出力する位相シフトネットワークであって、
第1入力と第2入力と第1出力と第2出力とを有する多相フィルタであって、多相フィルタの第1入力は、前記入力に結合しており、多相フィルタの第2入力は、零信号を受信するために結合されており、多相フィルタの第1出力は、前記第1出力信号を供給するために第1出力に結合しており、多相フィルタの第2出力は、前記第1出力信号と等しいが90°シフトした前記第2出力信号を供給するために第2出力に結合している、多相フィルタを備えており、
前記多相フィルタは、中心周波数がω1であり、第1の帯域幅を有する第1OSR帯域パス領域と、中心周波数が−ω1であり、第2の帯域幅を有する関連拒絶領域を有する伝達特性を有するとともに、
前記伝達特性は、−3ω1に実質的に等しい中心周波数−ω3と第3の帯域幅を有する第2OSR帯域パス領域と、3ω1に実質的に等しい中心周波数ω3と第4の帯域幅を有する関連拒絶領域とを備えることを特徴とする位相シフトネットワーク。 - 請求項11に記載の位相シフトネットワークにおいて、
前記多相フィルタの伝達特性は、所定数の更なるOSR帯域パス領域を備え、このような更なるOSR帯域パス領域の各々は、(−1)n・(2n+1)ω1に実質的に等しい中心周波数と所定の帯域幅とを有し、関連拒絶領域は、(−1)n+1・(2n+1)ω1に実質的に等しい中心周波数と所定の帯域幅とを有することを特徴とする位相シフトネットワーク。 - 請求項11に記載の位相シフトネットワークにおいて、
前記第1OSR帯域パス領域の中心周波数ω1は、ローカルオシレータの期待伝達帯域の中心周波数ωLOと実質的に等しく、
前記第1OSR帯域パス領域の前記第1の帯域幅は、ローカルオシレータの期待伝達帯域の期待帯域幅と少なくとも等しく、
更なるOSR帯域パス領域および対応する拒絶領域の帯域幅は、ローカルオシレータの期待伝達帯域の期待帯域幅の(2n+1)倍と少なくとも等しいことを特徴とする位相シフトネットワーク。 - 互いに90°の位相差を有する2つの方形波信号を供給するための装置であって、
請求項5の位相シフトネットワークと、
前記位相シフトネットワークの入力に結合するローカルオシレータと、
を備えることを特徴とするデバイス。 - 請求項14に記載のデバイスにおいて、
前記ローカルオシレータと前記位相シフトネットワークは共に、1チップ上の集積回路として実現されることを特徴とするデバイス。 - 請求項14に記載のデバイスにおいて、
前記基本周波数ω1は、前記ローカルオシレータの中心周波数と実質的に等しく、
前記第1フーリエ成分選択手段を構成する第1帯域フィルタは、前記ローカルオシレータの帯域幅と実質的に等しい帯域幅を有することを特徴とするデバイス。 - 変調搬送波を受信し処理するための装置であって、
請求項5の前記位相シフトネットワークか、
請求項14の前記デバイスか、
を備えることを特徴とする装置。
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