JP4499739B2 - マルチモードおよびマルチバンドｒｆ送受信機ならびに関連する通信方法 - Google Patents

Description

（関連出願との相互参照）
この出願は、２００３年１２月４日に出願された米国特許出願第６０／４８１７３７号の一部継続出願である。

本発明はＲＦ送受信機に関し、より詳細には、ＧＳＭ／ＥＤＧＥおよびＷＣＤＭＡデュアルモードおよびマルチバンド携帯電話のようなマルチモードおよびマルチバンドＲＦ送受信機、ならびに関連する通信方法に関するものである。

過去１０年の間に無線通信システムは飛躍的な発展を遂げた。各種通信システム、例えばＧＳＭやＣＤＭＡが携帯電話市場に導入されて、諸無線通信機能が実現されるようになった。携帯電話は無線信号を送信／受信する無線ＲＦ送受信機を含む。ＲＦ送受信機は通常、局部発振器（ＬＯ）の搬送波信号を生成する周波数シンセサイザとしてのフェーズロックループ（ＰＬＬ）を含んでいる。

概して、標準的なマルチモードまたはマルチバンドＲＦ送受信機は、各種帯域またはシステムモードに応じた複数の搬送波信号を生成するべく２つ以上のＬＯを含んでいる必要があり、よってＰＬＬも２つ以上含んでいる必要があることから、チップサイズが大きくなり、このためシステムの複雑度と製造原価が増加している。

ＲＦ送受信機は無線通信信号を発する送信機を含む。図１を参照されたい。これは、従来技術による無線送信機１０の機能ブロック図である。この送信機１０の基本的な機能は、送信アンテナによって放射され得る高周波正弦搬送波上のベースバンド情報、例えば、音声、映像データまたはその他の情報を変調またはデコードすることにある。こうする理由は、ベースバンド信号を直接放射するのに比べて、より高周波の信号は一層効率的に放射され、且つ、一層有効にＲＦ帯域を利用することができるからである。送信機１０は、第１のＬＯ信号を生成する第１の局部発振器（ＬＯ）１２と、第１のＬＯ信号によりＩ／Ｑベースバンド信号を通常周波数が１０から１００ＭＨｚである中間周波数（ＩＦ）信号に変調するＩ／Ｑ変調器１４と、狭通過帯域中の周波数成分を通過させる一方で、この通過帯域外のノイズなどの周波数成分は通さない第１のバンドパスフィルター１６と、第２のＬＯ信号を生成する第２のＬＯ１８と、ＩＦ信号を第２のＬＯ信号と混合することによって、第１のバンドパスフィルター１６から出力されたＩＦ信号を、ＩＦ信号と第２のＬＯ信号の和および差にアップコンバートするミキサー２０と、ミキサー２０に接続してＩＦ信号と第２のＬＯ信号の和のみを通過させる第２のバンドパスフィルター２２と、第２のバンドパスフィルター２２から出力された信号の電力を増大させるパワーアンプ２４と、パワーアンプ２４により増幅された電力を有する信号を、電磁空間を伝播する波に変換する送信アンテナ２６と、を含む。

第１のＬＯ１２および第２のＬＯ１８はいずれも、電圧制御発振器を有するＰＬＬにより構成されている。このＰＬＬのフィードバック制御回路は、電圧制御発振器が安定基準発振器の位相を正確にトラックできるようにする。この、ＷＣＤＭＡ通信システムに適用される２ステージの送信機１０には、ＬＯの引き込みが低減される、ＬＯのフィードスルーが低い、およびＩ／Ｑチャネル間のクロストークが軽減されるといった長所がある。

ＲＦ送受信機は、送信機だけではなく、受信機も含む。図２を参照されたい。これは、従来技術によるスーパーヘテロダイン受信機３０の機能ブロック図である。この受信機３０は、アンテナ３２と、第３のバンドパスフィルター３４と、アンテナ３２に受信された極めて微弱な受信信号を増幅しながら、その受信された信号に加えられるノイズ電力を最小化する低ノイズ増幅器３６と、第３のＬＯ信号を生成する第３のＬＯ３８と、低ノイズ増幅器３６から送られる信号をＩＦ信号にダウンコンバートする第２のミキサー４０と、第２のミキサー４０に接続する第４のバンドパスフィルター４２と、第４のＬＯ信号を生成する第４のＬＯ４４と、第４のバンドパスフィルター４２および第４のＬＯ４４に接続して、第４のバンドパスフィルター４２にフィルタリングされた信号のうちからＩ／Ｑベースバンド信号を受信する復調器４６と、を含む。

図１および図２によれば、携帯電話の送受信機は４つの精巧なＬＯを備えている。

携帯電話市場の競争は激しいため、送信機１０、さらには受信機３０のパーツ点数、サイズ、重量、およびコストを低減することに対し強い要望がある。よって、ＧＳＭ通信システムに適用されるダイレクトコンバーション送信機は非常に注目度が高く、それは、このタイプの送信機のトポロジーでは、送信機１０の第１のＬＯ１２、第１のバンドパスフィルター１６および第２のバンドパスフィルター２２が省かれるからである。

もしも、マルチモードまたはマルチバンドＲＦ送受信機が、各種搬送波信号を生成可能な単一の周波数シンセサイザを、信号の送信と受信の質に大きく影響を与えることなく共用できれば、上述した欠点は克服されよう。このようなＲＦ送受信機はシンプルな構造で且つ低コストである。図３を参照されたい。これは従来技術によるダイレクトコンバーション送信機５０の機能ブロック図である。１組のＩ／Ｑ信号は、第５のバンドパスフィルター５２および第６のバンドパスフィルター５４にそれぞれ入ってから、第５のＬＯ（ＰＬＬ）５６により生成されたＬＯ信号と混合され直交化される。その直交化されたＩ／Ｑ信号は、パワーアンプ５８に入って電力増幅され、そして送信アンテナ６０によって送信される。

最小限のコンポーネントしか含まないという長所を備えているにもかかわらず、送信機５０は依然としてＬＯ投入引き込みの問題による悪影響を受け得るので、アイソレーションのためのさらなるトポロジーが要される。さらに、送信機５０のＰＬＬ、ミキサーおよび加算器は、極めて低い位相ノイズを持つように精巧に設計されなければならないため、ＩＣ回路設計と半導体製造プロセスの複雑さが増すこととなってしまう。

したがって、特許請求の範囲に記載されている本発明の主な目的は、コンポーネントが最小限で、且つ製造が簡単なマルチモードおよびマルチバンドＲＦ送受信機、ならびに関連する無線通信方法を提供することにある。

特許請求の範囲に記載された本発明によるマルチモード通信システムは、制御信号を判定することにより、制御信号に対応する周波数を持つ振動信号を生成する発振器と、発振器に電気的に接続して、振動信号および分周比を判定することにより、振動信号の周波数と前記分周比の積に等しい周波数を持つ比較信号を生成する第１の分周器と、第１の分周器に電気的に接続して分周比を変調する、変調モードまたは一定周波数モードのいずれでも動作可能な周波数変調器と、を含む。変調モードで動作するとき、周波数変調器は、第１の通信信号の内容に基づいて分周比を変調することにより、第１の通信信号の各種内容によって振動信号がその周波数を変え得るようにする。一定周波数モードで動作するときは、周波数変調器は、分周比を変えずに保つことによって、振動信号がその周波数を一定とできるようにする。通信システムはさらに、第１の分周器に電気的に接続されて、比較信号の周波数に基づき制御信号を調整する周波数位相検出器と、通信システムから出力される通信信号を送信する送信モジュールと、周波数変調器が変調モードで動作しているときは送信モジュールへ、または、周波数変調器が一定周波数モードで動作しているときには受信端へ、振動信号を送信することができるスイッチと、第２の通信モジュールと、を含む。第２の通信モジュールは、受信端に電気的に接続して、第２の通信信号を、受信端に受信される受信信号と混合すると共に、該受信信号を保持した第３の通信信号を生成する第１のミキサーを含む。

マルチモード通信システムが最小限のコンポーネントで多様な通信系に適用可能となるということが、特許請求の範囲に記載された本発明の長所である。

本発明のこれらおよびその他の目的は、各図によって説明される以下の好ましい実施形態を読めば、当業者には明らかとなるであろう。

図４を参照されたい。これは、本発明による好ましい実施形態のマルチモードおよびマルチバンドＲＦ送信機７０の機能ブロック図である。このＲＦ送信機７０は、ＧＳＭ、ＥＤＧＥ、ＣＤＭＡ、ＷＣＤＭＡ、ＣＤＭＡ２０００およびＷＬＡＮ通信システムなどに適用可能である。送信機７０は、フラクショナル−Ｎ周波数シンセサイザ７２と、周波数シンセサイザ７２から送られてくる信号を判定することによって、周波数シンセサイザ７２に電気的に接続する送信端７６を、第１、第２または第３の受信端７８、８０または８２に選択的に接続させることができる第１のスイッチ７４と、第１の受信端７８に電気的に接続するＧＳＭ−９００送信モジュール８４と、第２の受信端８０に電気的に接続するＧＳＭ−１８００送信モジュール８６と、第３の端８２に電気的に接続するＷＣＤＭＡ（ＷＬＡＮ ８０２．１１ｂまたはＷＬＡＮ ８０２．１１ｇ）モジュール８８と、を含む。

周波数シンセサイザ７２は、第１のモードにおいて、第１のベースバンド信号Ｔ_ｘ１のアップコンバーション用の一定周波数ｆ_ｖｃｏ を持った搬送波（ＣＷ）（局部発振波）を、または、第２のモードにおいて、第２のベースバンド信号Ｔ_ｘ２に基づいてシグマ−デルタ変調器９０に制御されるフラクショナル−Ｎ分周器９４の分周比によりその周波数が変わるＲＦ信号を、選択的に生成することができるものである。周波数シンセサイザ７２は、制御信号に基づいて、制御信号に対応する周波数を持った振動信号を生成する電圧制御発振器（ＶＣＯ）９２と、ＶＣＯ９２に電気的に接続して、振動信号と分周比に基づき、振動信号の周波数と前記分周比の積に等しい周波数を持った比較信号を生成する第１のフラクショナル−Ｎ分周器９４と、第１の分周器９４とＶＣＯ９２との間に電気的に接続して、比較信号の周波数に基づき制御信号を調整する周波数位相検出器９６と、第１の分周器９４に電気的に接続して、 Ｔ_ｘ２データを変調し分周比にする周波数変調器であるシグマ-デルタ変調器９０と、を含む。

フラクショナル−Ｎ分周器９４は、加算／アキュムレータと共に使用することができ、該加算／アキュムレータから出力されるオーバーフローに基づいて、ＮまたはＮ＋１のいずれかで選択的に入力信号を除算する。フラクション−Ｎ分周器は当該分野で周知であるため、さらに詳しくは説明しない。

ＧＳＭ−９００送信モジュール８４は、ＧＳＭ−９００アンテナ、ローパスフィルタ、パワーアンプ（ＰＡ）、およびＰＡドライバを含む。ＧＳＭ−１８００送信モジュール８６は、ＧＳＭ−９００送信モジュール８４に類似する構造を有している。

図４において、ＷＣＤＭＡモジュール８８は、第３の受信端８２により受信された信号を分周する第２の分周器９８と、Ｔ_ｘ１データ（ＷＣＤＭＡ／ＥＤＧＥ）を変調するＩ／Ｑ変調器１００と、Ｉ／Ｑ変調器１００からの変調信号を、第３の受信端８２により受信された信号と混合する第１のミキサー１０２と、混合された信号を発するアンテナ１０４と、を含むヘテロダイン構造を有している。

ＲＦ送信機７０がＧＳＭモードで動作しているとき、周波数シンセサイザ７２は、シグマデルタ変調器９０に入力されたＴ_ｘ２データに基づいてＲＦ信号を生成するように制御され、そして第１のスイッチ７４は、送信端７６を第１の受信端７８または第２の受信端８０のいずれかに電気的に接続させるように制御され、最後にＧＳＭ−９００送信モジュール８４またはＧＳＭ−１８００送信モジュール８６がＲＦ信号を発する。

また、ＲＦ送信機７０がＷＣＤＭＡモードで動作しているときには、周波数シンセサイザ７２は、フラクショナル−Ｎ分周器の分周比が一定であることより、ＣＷ（局部発振波）を生成するよう制御され、そして第１のスイッチ７４は、送信端７６を第３の受信端８２に電気的に接続させるよう制御される。ＷＣＤＭＡモジュール８８の第２の分周器９８は、ＣＷを分周して、第２の周波数ｆ_ｖｃｏ／Ｎ_２を持つ分周信号を生成する。変調器１００は、分周信号でＴ_ｘ１データを変調してから、ＩＦ信号である変調信号を生成する。第１のミキサー１０２は、変調信号を、第１の周波数ｆ_ｖｃｏ を持つＣＷと混合して、２種類の周波数、ｆ_ｖｃｏ ±ｆ_ｖｃｏ／Ｎ_２、を持った２つの混合ＲＦ信号を生成する。最後に、アンテナ１０４が、２つの混合ＲＦ信号のうちの１つを発する。

本発明による関連の通信方法は、（ａ）ＧＳＭモード時に、その分周比がＴ_ｘ２データに基づいて制御されるフラクショナル−Ｎ周波数シンセサイザ７２を用いてＲＦ信号を生成してから、ＲＦ信号を発するステップと、（ｂ）ＷＣＤＭＡモード時に、フラクショナル−Ｎ周波数シンセサイザ７２の分周比が一定に保たれることより、一定周波数を有するＣＷトーンを生成するステップと、（ｃ）第２の分周器９８より生成される分周信号を、Ｔ_ｘ１データに基づいてＩ／Ｑ変調器１００より生成される変調信号と混合してから、Ｔ_ｘ１信号を、ｆ_ｖｃｏ±ｆ_ｖｃｏ／Ｎ_２の周波数を持つ混合信号に直接アップコンバートするステップと、（ｄ）アンテナ１０４より該混合信号を発するステップと、を含む。

送受信機は送信機および受信機の両方を含む。図５を参照されたい。これは本発明による第２の実施形態のＲＦ送受信機４００である。このＲＦ送受信機４００は、ＧＳＭモードで動作してデータを非同期的に送信／受信する、または、ＷＣＤＭＡモードで動作してデータを同期的に送信／受信することができる。

周波数シンセサイザ７２およびＷＣＤＭＡモジュール８８に加え、送受信機４００はさらにＲＦ受信モジュール４０２を含む。送受信機４００がＷＣＤＭＡモードで動作するように制御された場合、第２のスイッチ４０４は、周波数シンセサイザ７２をＷＣＤＭＡモジュール８８とＲＦ受信モジュール４０２に同時に接続させるので、周波数シンセサイザ７２からの第１の周波数ｆ_ｖｃｏ を持ったＣＷトーンはＷＣＤＭＡモジュール８８とＲＦ受信モジュール４０２によって用いられるようになる。送受信機４００は１つのＬＯしか含んでいないことに注目されたい。

ＲＦ受信モジュール４０２は、ＣＷ（局部発振波）を分周すると共に、分周ＣＷを生成する第３の分周器４０６と、該ＣＷトーンを該分周ＣＷトーンと混合すると共に、混合信号を生成する第２のミキサー４０８と、アンテナ１０４により受信された無線信号をダウンコンバートする第３のミキサー４１０と、該ダウンコンバート信号をＩ／Ｑ信号に復調する復調器４１２と、を含む。

ＲＦ受信モジュール４０２はＧＳＭ受信機としても機能し得る。ＧＳＭ受信モードにおいて、第２のスイッチ４０４は、その分周比が一定に保たれるために局部発振波を提供する周波数シンセサイザ７２を、ＲＦ受信モジュール４０２に接続させる。これによりＲＦ受信モジュール４０２は、局部発振波に基づいて、入力されてくるＲＦ信号をダウンコンバートする。

本発明による第３の実施形態のＲＦ送信機１２０の機能ブロック図である図６に示されるように、図４に示される送信機７０のＷＣＤＭＡモジュール８８の第２の分周器９８は、第１のスイッチ７４の第３の受信端８２にではなく、代わりに直接周波数シンセサイザ７２に電気的に接続されていてもよい。送信機１２０は、第２の分周器９８が、通信システム７０の第２の分周器９８のように第１のスイッチ７４の第３の受信端８２に接続するのではなくて、直接周波数シンセサイザ７２に電気的に接続されること以外は、図４に示される送信機７０と類似する構造を有している。

図７を参照されたい。これは本発明による第４の実施形態のＲＦ送信機１４０の機能ブロック図であり、ホモダイン構造を有している。送信機１４０もまた、送信機１４０のＷＣＤＭＡモジュール１４２が、周波数シンセサイザ７２からのＣＷを別のＣＷと混合して、Ｉ／Ｑ変調器１００により使用されるさらなるＣＷを生成するミキサーを含むことを除いて、送信機７０と類似する構造を有する。

従来技術とは対照的に、本発明は、たった１つのＬＯからなるフラクショナル−Ｎ周波数シンセサイザにより、デュアルモード（ＧＳＭ／ＥＤＧＥおよびＷＣＤＭＡ／ＷＬＡＮ８０２．１１ｂおよび１１ｇ）で、そしてもちろん多様な周波数（ＧＳＭ９００および１，８００）で動作可能な、マルチモードおよびマルチバンドＲＦ送受信機ならびに関連する無線通信方法を提供することができ、その結果、システムの複雑度と集積回路の製造コストが低減されることとなる。

当業者は、本発明の開示を維持しながら、数多くの当該装置および方法の変更や修正が可能であることが、容易にわかるであろう。したがって、上記の開示は、添付したクレームの境界と範囲によってのみ限定されると解釈されなければならない。

従来技術による無線送信機の機能ブロック図である。 従来技術による受信機の機能ブロック図である。 従来技術によるダイレクトコンバーション送信機の機能ブロック図である。 本発明による好ましい実施形態のＲＦ送信機の機能ブロック図である。 本発明による第２の実施形態のＲＦ送受信機の機能ブロック図である。 本発明による第３の実施形態のＲＦ送信機の機能ブロック図である。 本発明による第４の実施形態のＲＦ送信機の機能ブロック図である。

符号の説明

７０ 送信機
７２ 周波数シンセサイザ
９０ シグマ−デルタ変調器
９２ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）
９４ 第１の分周器
９６ 周波数位相検出器
７４ 第１のスイッチ
７６ 送信端
７８、８０、８２ 受信端
８４ ＧＳＭ−９００送信モジュール
８６ ＧＳＭ−１８００送信モジュール
８８ ＷＣＤＭＡモジュール
９８ 第２の分周器
１００ Ｉ／Ｑ変調器
１０２ 第１のミキサー
１０４ アンテナ
４００ 送受信機
４０２ ＲＦ受信モジュール
４０６ 第３の分周器
４０８ 第２のミキサー
４１０ 第３のミキサー
４１２ 復調器
４０４ 第２のスイッチ
１２０ 送信機
１４０ 送信機
１４２ ＷＣＤＭＡモジュール

Claims (6)

1. 制御信号に従って、前記制御信号に対応する周波数を持つ振動信号を生成するステップと、
   前記振動信号および分周比に基づいて、前記振動信号の周波数と前記分周比の積に等しい周波数を持つ比較信号を生成するステップと、
   前記分周比を変調し、且つ、選択的に、変調モードにおいて、第１の通信信号に基づき前記分周比を変調することにより、前記振動信号がその周波数を変え得るようにする、または、一定周波数モードにおいて、前記分周比を変えずに保つことにより、 前記振動信号がその周波数を一定とできるようにするステップと、
   前記比較信号の前記周波数に基づいて前記制御信号を調整するステップと、
   前記変調モードで動作しているときは第１送信モジュールへ、または、前記一定周波数モードで動作しているときには第２送信モジュールへ、スイッチにより選択的に前記振動信号を送るステップと、
   前記第２送信モジュールで受信された受信信号を前記一定周波数モードにおいて一定周波数である振動信号と混合し、前記受信信号を保持した混合信号を生成するステップと、
   を含み、
   前記第１送信モジュールは前記変調モードにおいて作動し、
   前記第２送信モジュールは前記一定周波数モードにおいて作動し、
   前記第１の通信信号はベースバンド信号であることを特徴とするマルチモード通信方法。
2. 前記第２送信モジュールへ送られた前記振動信号を分周するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記一定周波数モードにおいて一定周波数を有する振動信号は、連続波（ＣＷ）であることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. マルチモード通信システムであって、
   制御信号に従って、前記制御信号に対応する周波数を持つ振動信号を生成する発振器、
   前記発振器に電気的に接続して、前記振動信号と分周比に基づき、前記振動信号の周波数と前記分周比の積に等しい周波数を持つ比較信号を生成する第１の分周器、
   前記第１の分周器に電気的に接続して前記分周比を変調する周波数変調器であって、選択的に、変調モードにおいて、第１の通信信号に基づき前記分周比を変調することにより、前記振動信号がその周波数を変え得るようにする、または、一定周波数モードにおいて、前記分周比を変えずに保つことにより、 前記振動信号がその周波数を一定とできるようにする周波数変調器、および、
   前記第１の分周器と前記発振器に電気的に接続して、前記比較信号の前記周波数に基づき前記制御信号を調整する周波数位相検出器、
   を含む第１の通信モジュール、
   前記マルチモード通信システムから出力されることとなる通信信号を送信する第１送信モジュール及び第２送信モジュール、
   前記周波数変調器が前記変調モードで動作しているときは前記第１送信モジュールへ、または、前記周波数変調器が前記一定周波数モードで動作しているときには前記第２送信モジュールへ、選択的に前記振動信号を送ることのできるスイッチ、を有し、
   前記第２送信モジュールは、前記第２送信モジュールに電気的に接続して、前記一定周波数モードにおいて一定周波数である振動信号を前記第２送信モジュールにより受信された受信信号と混合し、前記受信信号を保持した混合信号を生成する第１のミキサーを含み、
   前記第１送信モジュールは前記変調モードにおいて作動し、
   前記第２送信モジュールは前記一定周波数モードにおいて作動し、
   前記第１の通信信号はベースバンド信号であることを特徴とするマルチモード通信システム。
5. 前記第２送信モジュールが、前記第２送信モジュールと前記スイッチとの間に電気的に接続して、前記スイッチから前記第２送信モジュールへ送られる前記振動信号の前記周波数を分周する第２の分周器をさらに含む、請求項４記載の通信システム。
6. 前記第２送信モジュールが、一定周波数を有する連続波（ＣＷ）である前記振動信号を生成する局部発振器をさらに含む、請求項４記載の通信システム。

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