JP4335089B2 - Ｄｃオフセット調整装置およびｄｃオフセット調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイレクトコンバージョン方式の無線受信機において妨害波入力時に発生するＤＣオフセットを補正するＤＣオフセット調整装置およびＤＣオフセット調整方法に関するものである。

近年、無線受信機の小型化、低価格化に伴って、ダイレクトコンバージョン方式を用いる技術が提案されている。この方式によれば入力されたＲＦ（無線周波数）信号を低周波のベースバンド信号に直接変換するので、従来のＩＦ（中間周波数）信号を必要とする方式に比べ中間周波数フィルターが不要になるなどの利点がある。また、ダイレクトコンバージョン方式はＩＦ信号の中心周波数がＤＣであるため、ゼロＩＦ方式とも呼ばれる。

周波数変換はミキサ回路を用いて、入力されたＲＦ信号の周波数と等しい周波数のローカル信号とをミキシング（合成）することで行われる。しかしながら、ダイレクトコンバージョン方式においてはミキサ回路に２次の非線形歪が存在すると、入力信号レベルが大きい場合、出力のベースバンド信号にＤＣオフセットが生じる。この様子を図４，図５を参照しながら詳しく説明する。

図４は入力されるＲＦ信号のスペクトルを示したもので、４０１はセンター周波数がローカル信号周波数ｆ_ＬＯと等しい微弱レベルの希望信号、４０２はさらに高い周波数ｆ_ＩＮＴに存在する高レベルの妨害信号を示す。このように高レベルの妨害信号を伴ったＲＦ信号をミキサ回路に入力した結果、ミキサ出力に現れる出力信号のスペクトルは図５のようになる。５０１，５０２は、それぞれ、ＲＦ入力の希望信号４０１と妨害信号４０２が周波数変換されてミキサ出力に現れた成分である。５０３はミキサ回路に２次の非線形歪が存在した場合に高レベルの妨害信号により発生するＤＣオフセットである。

したがって、ダイレクトコンバージョン方式では、ミキサ出力の希望信号５０１の帯域内にＤＣオフセット５０３が発生するため受信感度が低下するという問題点を有する。ミキサ回路を差動回路で構成し差動のバランスが完全に対称であれば２次の非線形歪は存在しないが、製造ばらつきにより差動回路を構成する素子の対称性は完全にはできないため、２次の非線形歪をなくすことは不可能である。そこで、２次の非線形歪により発生するＤＣオフセットを補正する技術が提案されている。

以下、図６を参照しながら、特許文献１に示されている、入力のＲＦ信号に含まれる妨害信号を検知して、ミキサ出力に発生するＤＣオフセットを補正する方法について説明する。

図６において、６０３はミキサ回路、６０１，６０２はそれぞれミキサ回路６０３を構成するスイッチングセルとＲＦ入力セルである。ＲＦ入力端子６１３，６１４から入力されたＲＦ信号はＲＦ入力セル６０２で増幅され、増幅されたＲＦ信号はスイッチングセル６０１でローカル入力端子６１１，６１２から入力されるローカル信号とミキシングされることでＩＦ信号に変換され、この変換されたＩＦ信号が出力端子６０９，６１０から出力される。

スイッチングセル６０１はバイポーラトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４から構成されるが、すべてのトランジスタがまったく同一の特性であれば差動回路としてのバランスは完全に対称になる。しかしながら、製造ばらつきによりバイポーラトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は理想特性からずれた特性を各々別個にもつことになるため、入力のＲＦ信号がＩＦ信号に変換される際に２次の非線形歪が生じる。このため、図５に示したようにミキサ出力にＤＣオフセットが発生する。よく知られるように、ＤＣオフセットは入力信号強度の自乗に比例するため、入力信号に含まれる妨害波のレベルが高ければ高いほど出力のＤＣオフセットは大きくなる。

また、図６において、６０８はＤＣオフセット補正器であり、入力されたＲＦ信号を検知して検波信号を出力する検波器６０６、検波信号に応じて制御信号を発生するコントローラ６０５、ミキサ出力端子６０９，６１０のＤＣオフセットを減少させるようにコントローラ６０５からの制御信号に応じて補正信号を生成する補正発生器６０４からなる。このＤＣオフセット補正器６０８のはたらきにより、ミキサ回路６０３に入力されるＲＦ信号の強度に応じて補正発生器６０４の出力する補正信号が変化し、ミキサ出力のＤＣオフセットが打ち消される。ミキサ回路６０３の２次の非線形歪は製造ばらつきによるため固体ごとに特性が異なるので、ＤＣオフセット補正器６０８にはさらに、コントローラ６０５の生成する制御信号を調整するためにユーザインタフェース６０７の機能も含まれている。
米国特許第６５３５７２５号明細書

しかしながら、ミキサ出力信号に含まれるＤＣオフセットを補正するために補正信号を加える方法では、ＤＣオフセット補正器内で生成される低周波ノイズ信号が重畳された補正信号を用いるため、ミキサ出力信号に含まれるＤＣオフセットが補正される代わりに新たに希望信号帯域内にノイズ信号が付加される。この様子を説明するためＤＣオフセット補正後のミキサ出力のスペクトルを図７に示す。前述のように５０１，５０２はミキサ回路で周波数変換されミキサ出力に現れた希望信号と妨害信号である。７０１はＤＣオフセット補正器が生成する補正信号に含まれる低周波ノイズ信号であり、希望信号帯域にまたがっている。このため、ＤＣオフセットを補正しても高レベルの妨害信号入力時の受信感度劣化が改善されないという課題があった。

本発明は、前記従来技術の課題を解決することに指向するものであり、ミキサ出力の希望信号帯域に低周波ノイズ信号がまたがらないようにＤＣオフセットを補正できるＤＣオフセット調整装置およびＤＣオフセット調整方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係るＤＣオフセット調整装置は、入力されたＲＦ信号を増幅するＲＦ入力セルと、増幅されたＲＦ信号とローカル信号をミキシングしてＩＦ信号を出力するスイッチングセルと、ＲＦ信号の入力レベルを検知してＩＦ信号に含まれるＤＣオフセットを補正する補正信号を出力するＤＣオフセット補正器とを備え、補正信号をＲＦ入力セルに加えてＩＦ信号に含まれるＤＣオフセットを補正することを特徴とする。

また、ＤＣオフセット補正器として、ＲＦ信号が入力され検波信号を出力する検波器と検波信号を入力して補正信号を出力する調整器を備え、補正信号によってＩＦ信号に含まれるＤＣオフセットが最小となるように調整する制御信号を調整器に入力すること、スイッチングセルとして、ギルバートセルで構成したこと、ＲＦ入力セルとして、ＲＦ信号を入力するバイポーラトランジスタまたはＭＯＳＦＥＴを備え、増幅されたＲＦ信号をコレクタ端子から出力するバイポーラ増幅器、またはドレイン端子から出力するＭＯＳＦＥＴ増幅器で構成したことを特徴とする。

また、本発明に係るＤＣオフセット調整方法は、入力されたＲＦ信号をＲＦ入力セルにより増幅する工程と、ＤＣオフセット補正器によりＲＦ信号の入力レベルを検知してＩＦ信号に含まれるＤＣオフセットを補正する補正信号をＲＦ入力セルに出力する工程と、増幅されたＲＦ信号とローカル信号をスイッチングセルでミキシングしてＩＦ信号を出力する工程とからなることを特徴とする。

さらに、ＤＣオフセット補正器の補正信号を出力する工程において、ＲＦ信号の入力レベルを検波器で検知した検波信号を出力する工程と、検波信号を調整器に入力してＩＦ信号に含まれるＤＣオフセットを補正する補正信号を出力する工程と、補正信号によってＩＦ信号に含まれるＤＣオフセットが最小になるように調整器に入力する制御信号を調整する工程を有したことを特徴とする。

前記の構成、方法によれば、スイッチングセルの出力において補正信号に含まれる低周波ノイズ信号がまたがらないようにＤＣオフセットを補正することができる。

本発明によれば、ミキサ出力の希望信号帯域において補正信号に含まれる低周波ノイズ信号がまたがらないようにＤＣオフセットを補正することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態におけるＤＣオフセット調整装置の基本構成図を示したものである。図１において、１０３はミキサ回路、１０１，１０２はそれぞれミキサ回路１０３を構成するスイッチングセルとＲＦ入力セルである。入力されたＲＦ信号はＲＦ入力セル１０２で増幅され、増幅されたＲＦ信号はスイッチングセル１０１でローカル信号とミキシングされることでＩＦ信号に変換されて、この変換されたＩＦ信号が次段へと出力される。１０４はＤＣオフセット補正器であり、入力されたＲＦ信号を検知して検波信号を出力する検波器１０６、検波信号を受け取りその大きさを調整して補正信号を生成する調整器１０５からなる。補正信号はＲＦ入力セル１０２に導かれて、入力されたＲＦ信号に補正信号が重畳された信号がスイッチングセル１０１に入力される。ミキサ回路１０３の２次の非線形歪により、ＲＦ信号に含まれた高レベルの妨害波がミキサ出力信号にＤＣオフセットを生じさせるが、ＲＦ入力セル１０２に入力された補正信号がスイッチングセル１０１に作用し、ミキサ出力のＤＣオフセットを減少させるようにＤＣオフセット補正がなされる。

さらに、前述したことを図２に示す内部回路構成図を参照しながら詳しく説明する。図２において、２１１，２１２はＲＦ入力端子、２０９，２１０はローカル入力端子、２０７，２０８は出力端子である。スイッチングセル１０１はトランジスタ２０１，２０２，２０３，２０４から構成されるギルバートセルである。

ＲＦ入力端子２１１，２１２に入力されたＲＦ信号が周波数変換され出力端子２０７，２０８に出力されることと、その際にスイッチングセル１０１を構成するトランジスタ２０１，２０２，２０３，２０４の製造ばらつきによる相対誤差のため２次の非線形歪が生じ出力信号にＤＣオフセットが発生することは、図６に示す従来例の場合とまったく同様である。

調整器１０５が出力する補正信号は、ＲＦ入力セル１０２を構成するトランジスタ２０５，２０６のコレクタ端子に結合されており、補正信号がスイッチングセル１０１に入力されることで、スイッチングセル１０１の動作電流が変化する。いま、補正信号をＩcomp＋，Ｉcomp−、トランジスタ２０１，２０２，２０３，２０４の理想特性からのずれ指数をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとおくと、出力端子２０７，２０８に流れる差動出力電流のうち補正信号により変動する電流量ΔＩoutは、（数１）となる。
（数１）
ΔＩout＝（Ａ・（Ｉcomp−）＋Ｃ・（Ｉcomp＋））−（Ｂ・（Ｉcomp−）＋Ｄ・（Ｉcomp＋））
このずれ指数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが等しい場合、電流量ΔＩoutはゼロになる。しかしながら、そもそもミキサ回路１０３が２次の非線形歪を有する場合、その原因はスイッチングセル１０１を構成するトランジスタ２０１，２０２，２０３，２０４の相対誤差に起因するため、ずれ指数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは互いに異なる値をもち、電流量ΔＩoutの分だけミキサ出力に補正をかけることが可能になる。

ミキサ回路１０３の２次の非線形歪は製造ばらつきによるため固体ごとに特性が異なるので、ＤＣオフセット補正器１０４にはさらに、調整器１０５の生成する補正信号を調整するために制御端子２１３を備えている。

ＤＣオフセット補正器１０４から出力される補正信号には低周波ノイズ信号が含まれており、そのスペクトルは図７の７０１に示したようにミキサ出力の希望信号帯域にまたがる周波数成分をもっている。図２において補正信号はスイッチングセル１０１でローカル信号とミキシングされるため、補正信号に含まれる低周波ノイズ信号はローカル信号周波数の近傍に周波数変換される。

図３にミキサ回路１０３の出力端子２０７，２０８に現れる出力信号のスペクトルを示す。３０１，３０２は入力されたＲＦ信号に含まれる希望信号と妨害信号が周波数変換されたスペクトルであり、３０３は補正信号に含まれる低周波ノイズ信号が周波数変換されたスペクトルである。このように、補正信号に低周波ノイズ信号が含まれていても、ミキサ出力においてはローカル周波数近傍に変換されるため希望信号帯域にまたがることがない。

本実施の形態によれば、ミキサ出力へ低周波ノイズ信号が漏れないため、希望信号にノイズ信号が重畳されることなく高レベルの妨害波によるＤＣオフセットを補正でき受信感度劣化が大幅に改善される。

なお、本実施の形態においては、ＤＣオフセット補正器１０４が出力する補正信号がＲＦ入力セル１０２を構成するトランジスタ２０５，２０６のコレクタ端子に入力されているが、エミッタ端子やベース端子に入力することによっても同様の効果が得られる。また、ミキサ回路１０３を構成するトランジスタはバイポーラトランジスタを例として説明しているが、ＭＯＳＦＥＴで構成してもよいことはいうまでもない。

本発明に係るＤＣオフセット調整装置およびＤＣオフセット調整方法は、ミキサ出力の希望信号帯域において補正信号に含まれる低周波ノイズ信号がまたがらないようにＤＣオフセットを補正することができ、ダイレクトコンバージョン方式の無線受信機において妨害波入力時に発生するＤＣオフセットの補正等として有用である。

本発明の実施の形態におけるＤＣオフセット調整装置の基本構成図 本実施の形態におけるＤＣオフセット調整装置の内部回路構成図 本実施の形態におけるミキサ出力の信号スペクトル 従来のミキサ入力の信号スペクトル 従来のＤＣオフセット補正を行わない場合のミキサ出力の信号スペクトル 従来のＤＣオフセット調整装置の内部回路構成図 従来のミキサ出力の信号スペクトル

符号の説明

１０１，６０１ スイッチングセル
１０２，６０２ ＲＦ入力セル
１０３，６０３ ミキサ回路
１０４，６０８ ＤＣオフセット補正器
１０５ 調整器
１０６，６０６ 検波器
２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６ トランジスタ
２０７，２０８，６０９，６１０ 出力端子
２０９，２１０，６１１，６１２ ローカル入力端子
２１１，２１２，６１３，６１４ ＲＦ入力端子
２１３，６１５ 制御端子
３０１，４０１，５０１ 希望信号
３０２，４０２，５０２ 妨害信号
３０３，７０１ ノイズ信号
５０３ ＤＣオフセット
６０４ 補正発生器
６０５ コントローラ
６０７ ユーザインタフェース

Claims (13)

1. 入力されたＲＦ信号を増幅するＲＦ入力セルと、増幅された前記ＲＦ信号とローカル信号をミキシングしてＩＦ信号を出力するスイッチングセルと、前記ＲＦ信号の入力レベルを検知して前記ＩＦ信号に含まれるＤＣオフセットを補正する補正信号を出力するＤＣオフセット補正器とを備え、
   前記補正信号を前記ＲＦ入力セルに加えて前記ＩＦ信号に含まれる前記ＤＣオフセットを補正することを特徴とするＤＣオフセット調整装置。
2. 前記ＤＣオフセット補正器として、ＲＦ信号を入力して検波信号を出力する検波器と前記検波信号を入力して補正信号を出力する調整器を備え、前記補正信号によってＩＦ信号に含まれるＤＣオフセットが最小となるように調整する制御信号を前記調整器に入力することを特徴とする請求項１記載のＤＣオフセット調整装置。
3. 前記スイッチングセルとして、ギルバートセルで構成したことを特徴とする請求項１記載のＤＣオフセット調整装置。
4. 前記ＲＦ入力セルとして、ＲＦ信号を入力するバイポーラトランジスタを備え、増幅された前記ＲＦ信号をコレクタ端子から出力するバイポーラ増幅器で構成したことを特徴とする請求項１記載のＤＣオフセット調整装置。
5. 前記バイポーラ増幅器のコレクタ端子に、前記ＤＣオフセット補正器の出力する補正信号を入力することを特徴とする請求項４記載のＤＣオフセット調整装置。
6. 前記バイポーラ増幅器のエミッタ端子に、前記ＤＣオフセット補正器の出力する補正信号を入力することを特徴とする請求項４記載のＤＣオフセット調整装置。
7. 前記バイポーラ増幅器のベース端子に、前記ＤＣオフセット補正器の出力する補正信号を入力することを特徴とする請求項４記載のＤＣオフセット調整装置。
8. 前記ＲＦ入力セルとして、ＲＦ信号が入力されるＭＯＳＦＥＴを備え、増幅された前記ＲＦ信号をドレイン端子から出力するＭＯＳＦＥＴ増幅器で構成したことを特徴とする請求項１記載のＤＣオフセット調整装置。
9. 前記ＭＯＳＦＥＴ増幅器のドレイン端子に、前記ＤＣオフセット補正器の出力する補正信号を入力することを特徴とする請求項８記載のＤＣオフセット調整装置。
10. 前記ＭＯＳＦＥＴ増幅器のソース端子に、前記ＤＣオフセット補正器の出力する補正信号を入力することを特徴とする請求項８記載のＤＣオフセット調整装置。
11. 前記ＭＯＳＦＥＴ増幅器のゲート端子に、前記ＤＣオフセット補正器の出力する補正信号を入力することを特徴とする請求項８記載のＤＣオフセット調整装置。
12. 入力されたＲＦ信号をＲＦ入力セルにより増幅する工程と、ＤＣオフセット補正器により前記ＲＦ信号の入力レベルを検知してＩＦ信号に含まれるＤＣオフセットを補正する補正信号を前記ＲＦ入力セルに出力する工程と、増幅された前記ＲＦ信号とローカル信号をスイッチングセルによりミキシングして前記ＩＦ信号を出力する工程とからなることを特徴とするＤＣオフセット調整方法。
13. 前記ＤＣオフセット補正器の補正信号を出力する工程において、ＲＦ信号の入力レベルを検波器で検知した検波信号を出力する工程と、前記検波信号を調整器に入力してＩＦ信号に含まれるＤＣオフセットを補正する前記補正信号を出力する工程と、前記補正信号によって前記ＩＦ信号に含まれるＤＣオフセットが最小になるように前記調整器に入力する制御信号を調整する工程を有したことを特徴とする請求項１２記載のＤＣオフセット調整方法。

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