JP4413747B2 - 変調器 - Google Patents

Description

この発明は、ＵＨＦ、マイクロ波やミリ波などの高周波帯のキャリア信号によりデータ信号を振幅変調する変調器に関するものである。

従来のＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調器は、入力したキャリア信号の信号レベルに対し、出力する変調信号におけるキャリア信号レベルが線形に増加する領域で動作する。例えば、特許文献１に開示される従来のＡＳＫ変調器では、キャリア信号入力端子から入力されたキャリア信号によってデータ信号入力端子３からのデータ信号を変調し、当該変調信号を変調信号出力端子から出力する。このとき、キャリア信号入力レベルに対し、出力波形はクリッピングせず線形に動作している。

特開２０００−３４１３４７号公報

従来の変調器は、上述したように入力したキャリア信号の信号レベルに対し、出力する変調信号におけるキャリア信号レベルが線形に増加する領域で動作する。この場合、変調器を構成するトランジスタ等の能動素子が、半導体プロセスでの製造時に特性のばらつきが生じていたり、使用環境の温度変化によって特性の変動が発生すると、この特性のばらつきや変動分がキャリア信号に対して線形に作用して顕著な影響を与える。

このため、使用環境の温度変化によってキャリア信号レベルが変動することにより、出力変調信号レベルが大きく変わってしまう場合がある。また、半導体プロセスでの特性ばらつきにより、本来予想される出力変調信号レベルから大きく変わった出力となったり、変調器間での個体差も生じやすい。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、キャリア信号レベルに対し飽和領域で動作させることにより、温度変動や半導体プロセスでの特性ばらつきに起因する出力変調信号レベルの変動を低減できる変調器を得ることを目的とする。

この発明に係る変調器は、データ信号の信号レベルに連動した信号レベルを有する制御信号を生成するデータ信号変換部と、キャリア信号の入力信号レベルの増加に対して出力信号レベルの増加が飽和する飽和動作領域を有し、当該飽和動作領域の信号レベルのキャリア信号を入力すると共に、データ信号変換部から入力した制御信号の信号レベルに応じてキャリア信号を増幅することにより、データ信号の信号レベルに応じた変調信号を生成する変調部とを備えるものである。

この発明によれば、データ信号の信号レベルに連動した信号レベルを有する制御信号を生成するデータ信号変換部と、キャリア信号の入力信号レベルの増加に対して出力信号レベルの増加が飽和する飽和動作領域を有し、当該飽和動作領域の信号レベルのキャリア信号を入力すると共に、データ信号変換部から入力した制御信号の信号レベルに応じてキャリア信号を増幅することにより、データ信号の信号レベルに応じた変調信号を生成する変調部とを備えるので、キャリア信号の入力信号レベルに対して出力信号レベルの変動が少ない飽和動作領域で動作させることから、出力変調信号レベルの変動を低減することができるという効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるＡＳＫ変調器の概略構成を示す図であり、データ信号レベルに対して利得可変機能を有する。図１に示すように、ＡＳＫ変調器１には、キャリア信号を入力するキャリア信号入力端子２と、データ信号を入力するデータ信号入力端子３と、変調信号を出力する変調信号出力端子４が設けられている。

また、ＡＳＫ変調器１は、キャリア信号入力端子２から入力されたキャリア信号により、データ信号入力端子３から入力されたデータ信号を振幅変調し、この変調信号を変調信号出力端子４から出力する。なお、ＡＳＫ変調器１は、後述するデータ信号変換部などによりデータ信号レベルに対する利得可変機能を有する。

図２は、図１中のＡＳＫ変調器に入力されるキャリア信号及びデータ信号、出力される変調信号の波形を示す図である。ＡＳＫ変調器１のキャリア信号入力端子３には、図２（ａ）に示すような正弦波のキャリア信号が入力される。また、データ信号入力端子３には、図２（ｂ）に示すような２値のデータ信号が入力される。ＡＳＫ変調器１では、データ信号入力端子３からのデータ信号がＨレベルのときに増幅動作して、変調信号出力端子４からキャリア信号を増幅した信号が出力される。

一方、データ信号がＬレベルの場合、データ信号の増幅動作をしない。これにより、変調信号出力端子４からは何も出力されない。この結果、変調信号出力端子４からは、図２（ｃ）に示すように、データ信号に連動して、増幅されたキャリア信号が出力されたり、何も出力されなかったりする。これが、キャリア信号をデータ信号でデジタル的にＡＳＫ変調（振幅変調）した信号である。

図３は、図１中のＡＳＫ変調器についてのキャリア信号入力レベルとキャリア信号出力レベルとの関係を示すグラフであり、（ａ）は当該関係の温度依存性を示し、（ｂ）は半導体プロセスでの能動素子の特性ばらつきに対する依存性を示している。図３（ａ）において、符号ａ、符号ｂ、符号ｃの曲線は、それぞれ低温時、常温時、高温時のＡＳＫ変調器１についてのキャリア信号入力レベルとキャリア信号出力レベルとの関係を示している。また、破線で囲った領域Ａは、キャリア信号入力レベルの増加に伴ってキャリア信号出力レベルが増加する線形領域であり、破線で囲った領域Ｂは、キャリア信号入力レベルが増加してもキャリア信号出力レベルの変動がほとんどない飽和領域（飽和動作領域）を示している。

図３（ｂ）では、ＡＳＫ変調器１を構成するトランジスタ、抵抗素子、キャパシタ素子などの半導体製造プロセスにおける各特性値、例えばトランジスタの電流−電圧の飽和特性や、抵抗素子の抵抗値、キャパシタの容量値のばらつきを考慮して、特性値に関する一定の閾値を設け、これにより半導体製造プロセスにおける特性ばらつきをＦａｓｔ、Ｔｙｐｉｃａｌ、Ｓｌｏｗとして分類したものの、キャリア信号入力レベルとキャリア信号出力レベルとの関係を示している。符号ｄ、符号ｅ、符号ｆの曲線は、それぞれＦａｓｔ、Ｔｙｐｉｃａｌ、Ｓｌｏｗに対応するものである。

図３（ｂ）において、Ｆａｓｔに分類されるＡＳＫ変調器では、曲線ｄに示すように、線形領域Ａでキャリア信号入力レベルが小さい値から大きなキャリア信号出力レベルとなっている。また、Ｔｙｐｉｃａｌに分類されるＡＳＫ変調器では、曲線ｅに示すように、線形領域Ａで曲線ｄと曲線ｆの中間的な出力レベルの上昇を示す。さらに、Ｓｌｏｗに分類されるＡＳＫ変調器では、曲線ｆに示すように、線形領域Ａでキャリア信号入力レベルがある程度高い値にならないとキャリア信号出力レベルが上昇しない。

従来のＡＳＫ変調器は、図３（ｂ）に示すような温度変動や半導体プロセスでの特性ばらつきによってキャリア信号入力レベルに対して出力レベルの変動が大きい線形領域Ａで動作させていた。一方、本実施の形態によるＡＳＫ変調器１では、キャリア信号入力端子２から入力されるキャリア信号レベルが十分に大きい飽和領域Ｂで動作させる。飽和領域Ｂにおける出力レベルは、主にＡＳＫ変調器１を構成する回路に供給される電源電圧及び出力負荷で決定される。従って、温度変動や半導体プロセスでの特性ばらつきに対して、能動素子の特性変動への依存が小さいため、出力変調信号の変動を小さくすることができる。

図４は、図１中のＡＳＫ変調器の構成例を示す図である。本実施の形態１によるＡＳＫ変調器１は、変調用の能動素子としてＮＰＮバイポーラトランジスタからなるキャリア信号入力用トランジスタ（変調部）６ａ，６ｂと、これらトランジスタ６ａ，６ｂのエミッタ端子にコレクタ端子が接続し、エミッタ端子が接地されたデータ信号入力用トランジスタ（変調部）５と、トランジスタ６ａ，６ｂのコレクタ端子と直流電源９ｂとの間に接続した負荷抵抗７ａ，７ｂと、トランジスタ６ａ，６ｂのベース端子と直流電源９ａとの間に接続したベースバイアス抵抗８ａ，８ｂと、データ信号入力用トランジスタ５のベース端子に接続するデータ信号変換部１０とを有している。

キャリア信号を入力するための２つのキャリア信号入力端子２ａ，２ｂは、キャリア信号入力用トランジスタ６ｂ，６ａのベース端子にそれぞれ接続すると共に、ベースバイアス抵抗８ｂ，８ａを介して直流電源９ａにそれぞれ接続している。また、データ信号を入力するためのデータ信号入力端子３は、データ信号変換部１０に接続する。さらに、変調信号を出力するための２つの変調信号出力端子４ａ，４ｂは、キャリア信号入力用トランジスタ６ｂ，６ａのコレクタ端子にそれぞれ接続すると共に、負荷抵抗７ｂ，７ａを介して直流電源９ｂにそれぞれ接続している。

キャリア信号入力端子２ａ，２ｂ、変調信号出力端子４ａ，４ｂがそれぞれ２端子ずつ存在するのは、差動信号インタフェースを想定したものであり、前後に配置される回路によっては単相信号インタフェースとしても動作可能である。また、データ信号変換部１０では、データ信号入力端子３からのデータ信号レベルに対し、例えば本実施の形態１によるＡＳＫ変調器１が用いられる通信システム上必要な可変利得特性に設定できるようにデータ信号入力用トランジスタ５のベースバイアスを設定する。

次に動作について説明する。
データ信号変換部１０は、データ信号入力端子３から入力されたデータ信号の信号レベルに応じてデータ信号入力用トランジスタ５のベースバイアス電圧を決定する。例えば、変調信号の出力信号レベルが飽和領域にてリニアに変動するように、データ信号レベルに応じてデータ信号入力用トランジスタ５のベースバイアス電圧を制御する。

データ信号入力用トランジスタ５では、ベースバイアス電圧に応じたコレクタ電流が流れ、この電流がキャリア信号入力用トランジスタ６ａ，６ｂにも流れる。この電流レベルに応じて、キャリア信号入力用トランジスタ６ａ，６ｂは、これらのベース端子に入力するキャリア信号を増幅し、これらのコレクタ端子を流れる。これにより、負荷抵抗７ａ，７ｂによって、データ信号レベルに応じた変調信号とされて、変調信号出力端子４ａ，４ｂから出力される。

このとき、キャリア信号入力用トランジスタ６ａ，６ｂが飽和する程度にキャリア信号レベルを十分に増幅する（ベース飽和電圧程度）ことにより、本実施の形態１によるＡＳＫ変調器１を、キャリア信号入力レベルに対しキャリア信号出力レベルが飽和する領域で動作させることができる。

なお、上述した例では、バイポーラトランジスタでの回路例を示したが、これらを全てＦＥＴと置き換えても同様の動作を行うことができる。また、負荷抵抗７ａ，７ｂは、インダクタやトランジスタで構成される能動負荷としても同様に動作させることができる。

図５は、図４中のデータ信号変換部１０の構成例を示す図である。本データ信号変換部１０において、データ信号入力端子３は、抵抗１３を介してトランジスタ１２ａのベース端子及びトランジスタ１２ｃのエミッタ端子にそれぞれ接続している。また、トランジスタ１２ａのエミッタ端子は、抵抗１５ａ，１５ｂを介して出力端子１１に接続しており、コレクタ端子がトランジスタ１２ｂのエミッタ端子に接続している。

また、トランジスタ１２ｂとトランジスタ１２ｃとがカレントミラー接続しており、トランジスタ１２ｄとトランジスタ１２ｅとがカレントミラー接続しており、トランジスタ１２ｆとトランジスタ１２ｇとがカレントミラー接続している。トランジスタ１２ｂのベース端子及びコレクタ端子には、抵抗１４ａを介して直流電源９ｃが接続している。トランジスタ１２ｃのコレクタ端子は、トランジスタ１２ｄのコレクタ端子、ベース端子、及びトランジスタ１２ｅのベース端子に接続している。

トランジスタ１２ｄのエミッタ端子は、抵抗１４ｂを介して直流電源９ｃに接続している。また、トランジスタ１２ｅのエミッタ端子には、抵抗１４ｃを介して直流電源９ｃが接続している。トランジスタ１２ｆのエミッタ端子は、トランジスタ１２ｈのコレクタ端子及びベース端子に接続している。また、トランジスタ１２ｈのエミッタ端子は、接地されている。トランジスタ１２ｇのコレクタ端子には、抵抗１４ｄを介して直流電源９ｃに接続しており、そのエミッタ端子が抵抗１５ａを介して出力端子１１に接続し、抵抗１５ｂを介して接地されている。

また、図６は、図４中のデータ信号変換部１０の他の構成例を示す図である。本データ信号変換部１０では、図５に示した回路のうち、トランジスタ１２ａ及びトランジスタ１２ｂ，１２ｃからなるカレントミラー回路の代わりに、後述する回路を接続して構成される。図５と異なる回路構成は、トランジスタ１７ａとトランジスタ１７ｂがカレントミラー接続されており、トランジスタ１７ｃとトランジスタ１７ｄがカレントミラー接続されており、トランジスタ１７ｅとトランジスタ１７ｆがカレントミラー接続されており、トランジスタ１７ｇとトランジスタ１７ｈがカレントミラー接続されており、トランジスタ１７ｉとトランジスタ１７ｊがカレントミラー接続されており、トランジスタ１７ｋとトランジスタ１７ｌがカレントミラー接続されている。

データ信号入力端子３は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）からなるトランジスタ１６のゲート端子に接続する回路を接続している。また、トランジスタ１６のソース端子は、抵抗１８ａを介して直流電源９ｃに接続し、抵抗１８ａ，１８ｂ，１８ｃを介してトランジスタ１７ｉ，１７ｊからなるカレントミラー回路、抵抗１８ａ，１８ｄ，１８ｅを介してトランジスタ１７ｋ，１７ｌからなるカレントミラー回路に接続している。一方、ＦＥＴ１６のドレイン端子は、カレントミラー回路を構成するトランジスタ１７ａのコレクタ端子に接続している。また、トランジスタ１７ｈのコレクタ端子には、定電流源１９が接続している。

図５及び図６に示すデータ信号変換部１０の回路例は、いずれもデータ信号入力端子３を介して入力されたデータ信号の信号電圧レベルを電流に変換してから２乗変換する。これにより、データ信号の信号レベルに対し出力される変調信号のレベルが、電圧において線形に出力されるものである。なお、図６に示す構成では、データ信号を入力するデータ信号入力端子３に接続するトランジスタ１６をＦＥＴで構成することにより入力インピーダンスを高め、データ信号入力端子３に接続されるデータ信号変換部１０への影響を低減している。

以上のように、この実施の形態１によれば、データ信号の信号レベルに連動した信号レベルを有するベースバイアス電圧を生成するデータ信号変換部１０と、キャリア信号の入力信号レベルの増加に対して出力信号レベルの増加が飽和する飽和動作領域を有するトランジスタ６ａ，６ｂを含んでなり、当該飽和動作領域の信号レベルのキャリア信号を入力すると共に、データ信号変換部１０から入力した制御信号の信号レベルに応じてキャリア信号を増幅することにより、データ信号の信号レベルに応じた変調信号を生成する変調部とを備えるので、キャリア信号の入力信号レベルに対して出力信号レベルの変動が少ない飽和領域Ｂで動作させることから、出力変調信号レベルの変動を低減することができる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２によるＡＳＫ変調器の概略構成を示す図である。この実施の形態２では、上記実施の形態１で説明したＡＳＫ変調器１の出力後段に利得可変増幅器２０を設けたものである。上記実施の形態１で示したように、ＡＳＫ変調器１自体はデータ信号入力端子３より入力されたデータ信号レベルに対して利得可変機能を有する。
これに対して、利得可変増幅器２０では、ＡＳＫ変調器１から出力された変調信号レベルを利得変更により調整する。これにより、高出力増幅器、ドライバ増幅器、局部発振器、バッファ増幅器などの周辺回路が、温度変動、電源電圧変動、半導体プロセスでの能動素子の特性ばらつきなどに起因して信号レベルが変動する場合であっても、利得可変増幅器２０によって飽和領域において線形に動作するように上記信号レベルの変動を調整することができる。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３によるＡＳＫ変調器の概略構成を示す図である。この実施の形態３では、上記実施の形態２で説明したＡＳＫ変調器１の出力後段と利得可変増幅器２０とに接続する減衰器２１を設けたものである。上記実施の形態１、２におけるＡＳＫ変調器１が飽和領域で動作することにより、比較的高い出力変調信号レベルになる。また、最終的に信号を出力する利得可変増幅器２０では、入力信号に対し線形動作させる必要がある。そこで、ＡＳＫ変調器１の出力後段と利得可変増幅器２０との間に設けた減衰器２１によって、ＡＳＫ変調器１からの信号レベルを利得可変増幅器２０が線形動作可能なレベルに調整する。

この発明の実施の形態１によるＡＳＫ変調器の概略構成を示す図である。 図１中のＡＳＫ変調器に入力されるキャリア信号及びデータ信号、出力される変調信号の波形を示す図である。 図１中のＡＳＫ変調器についてのキャリア信号入力レベルとキャリア信号出力レベルとの関係を示すグラフである。 図１中のＡＳＫ変調器の構成例を示す図である。 図４中のデータ信号変換部の構成例を示す図である。 図４中のデータ信号変換部の他の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態２によるＡＳＫ変調器の概略構成を示す図である。 この発明の実施の形態３によるＡＳＫ変調器の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ ＡＳＫ変調器（変調器）、２ キャリア信号入力端子、３ データ信号入力端子、４ 変調信号出力端子、４ａ，４ｂ 変調信号出力端子、５ データ信号入力用トランジスタ（変調部）、６ａ，６ｂ キャリア信号入力用トランジスタ（変調部）、７ａ，７ｂ 負荷抵抗、８ａ，８ｂ ベースバイアス抵抗、９ａ〜９ｃ 直流電源、１０ データ信号変換部、１１ 出力端子、１２ａ〜１２ｈ トランジスタ、１３ 抵抗、１４ａ〜１４ｄ 抵抗、１５ａ，１５ｂ 抵抗、１６ データ信号入力用トランジスタ、１７ａ〜１７ｌ トランジスタ、１８ａ〜１８ｅ 抵抗。

Claims (3)

1. データ信号の信号レベルに連動した信号レベルを有する制御信号を生成するデータ信号変換部と、
   キャリア信号の入力信号レベルの増加に対して出力信号レベルの増加が飽和する飽和動作領域を有し、当該飽和動作領域の信号レベルのキャリア信号を入力すると共に、前記データ信号変換部から入力した制御信号の信号レベルに応じて前記キャリア信号を増幅することにより、前記データ信号の信号レベルに応じた変調信号を生成する変調部と
   を備えた変調器。
2. 変調部が生成した変調信号を入力し、その信号レベルを変更する利得可変増幅器を備えたことを特徴とする請求項１記載の変調器。
3. 変調部の出力と利得可変増幅器への入力との間に設けられ、前記変調部からの変調信号の信号レベルを減衰させて前記利得可変増幅器へ入力する減衰器を備えたことを特徴とする請求項２記載の変調器。

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