JP4530601B2 - ミキサーのオフセット補償構造および補償方法 - Google Patents

Description

本発明は、ミキサーのオフセット補償構造および補償方法に関するものである。
【０００１】
アナログ集積回路を、例えば、携帯無線に使用すると、ミキサーおよび変調器内で、それらの入力部に直流電圧オフセット（Gleichspannungsoffsets；内外の部品の許容誤差による）が生じるという問題が頻繁に起こる。その結果、入力部に生じたキャリア信号が、ミキサーもしくは変調器の出力部に残留するが、キャリア信号がこのような部位にあることは好ましくない。なぜなら、望ましくない信号（不要信号）が生成され、場合によってはデジタル変調方法（例えばＦＳＫ）用の直交変調の際に、ＩＱグラフにオフセットを生じさせるからである。
【０００２】
ミキサーまたは変調器に生じる直流電圧オフセットは、これらの前に接続されている回路においても発生する。通常、携帯無線に使用する場合、ベース帯域素子に少なからぬなオフセットが既に生じており、その結果、後段に接続された送信経路の直交変調器に不都合な作用を施すことがある。例えば、ベース帯域素子のＤ／Ａ変換器に、大きな直流電圧オフセットが生じてしまうこともある。
【０００３】
このようなオフセットは、通常、非常に小さな、ほんの数ミリボルトのものである。このため、これをフラッシュ測定のように直接的に測定することは、使用される測定器自体をオフセットのない状態とする必要があるため、実際の変換には不適切である。
【０００４】
上記のような直流電圧オフセットを補償する既知の方法では、ミキサーまたは変調器の出力部における望ましくないキャリア信号を測定し、ベース帯域素子のＤ／Ａ変換器に逆のオフセットをプログラムする。その結果、ミキサーまたは変調器の直流電圧オフセットを補償できる。
【０００５】
しかしながら、出力部で測定するキャリア信号の振幅値を、入力部に与えるオフセット補償値に換算することは、経費がかかり、複雑である。
【０００６】
携帯無線の分野では、送信経路にオフセット補償を行う場合、望ましくないキャリアを、例えば、携帯無線装置のアンテナにおいて測定することになる。しかしながら、オフセットをこのように個々に測定することは、測定に、多大な技術的経費のかかることが明らかである。すなわち、作業時間，必要な測定装置および必要な人員を確保するために、かなりの経費がかかる。また、このような標準的解決法には、Ｄ／Ａ変換器にあるプログラムされた逆のオフセットが、Ｄ／Ａ変換器の電圧変動許容範囲を減少させ、変換器の変換量（Aufloesung）を減少させてノイズを多くしてしまう、という別の欠点もある。
【０００７】
また、ミキサーもしくは変調器の出力部での、妨害キャリア信号を減少するための、従来の他の解決法としては、追加のフィルターを設置する方法がある。しかし、追加のフィルターを集積化するためには、チップ面、および、エネルギー源を準備することが必要である。加えて、追加フィルターの集積化には、さらなる経費がかかる。また、外付けの部品として追加フィルターを配置することは、半導体部品に追加のピンを必要とする。また、直交変調器では、変調器の使用帯域内に出力の妨害キャリア周波数があるため、追加フィルターを使用できない。
【０００８】
また、ミキサーまたは変調器のオフセットを減少させるための他の従来の方法としては、半導体部品に対する不適当な調節を、できる限り少なくする、もしくは、回避することを挙げられる。しかし、このためには、例えば抵抗器または平行トランジスタのような大きな面積の部品が必要である。このことから、不都合なことに、全回路の所要面積は拡大されてしまう。
【０００９】
ところで、携帯無線の分野では、経費の問題とともに、回路の寸法および重量が重要な改善対象となっている。
【００１０】
刊行物、ドイツ登録特許１９７４３２７２Ｃ１（ＤＥ１９７４３２７２Ｃ１）では、ミキサーのオフセットを補償するための方法および構造が記載されている。この刊行物に記載の回路は、ミキサーおよびオフセット補償値を生成するための調整ユニットを有する第１集積スイッチ回路、ならびに、第２集積スイッチ回路が接続されており、オフセットを認識するバスを備えている。この回路は、例えば、携帯無線における受信経路への使用に適している。しかしながら、この構造では、オフセットの測定に経費がかかり、さらに、オフセット認識に高い精密度が必要となる。従って、調整ユニットでのオフセットを復帰させるために、バスに３つの配線が備えられている。
【００１１】
本発明の目的は、労力あるいは経費をほとんどかけず、かつ、所要チップ面をほとんど必要としない、ミキサーのオフセット補償構造および補償方法を提供することにある。
【００１２】
構造に関し、上記の目的は、本発明に基づいて、以下に示すミキサーのオフセット補償構造によって解決される。この構造は、第１入力部、第２入力部および出力部を有する第１ミキサーと、第１ミキサーの出力部に接続されており、自身の出力部にオフセットの符号を出力する検出器と、オフセットの符号を導入でき、第１ミキサーと連結している、オフセット補償値を生成するための調整ユニットと、様々なオフセット補償値の生成を制御するための、調整ユニットに接続されている制御ユニットとを有している。
【００１３】
また、方法に関して、上記の目的は、以下の方法工程を有するミキサーのオフセット補償方法によって達成される。方法工程は、すなわち、第１ミキサーの入力部の信号を、第１ミキサーの出力部で得られる信号と比較することによって、第１ミキサーの直流電圧オフセットの符号を決定し、調整ユニットのビットを、最高値のビットから段階的に設定し、調整ユニットでオフセット補償値を作成して、このオフセット補償値を第１ミキサーに導入し、ビットの設定によって符号の変更が生じた場合、最後に設定されたビットを撤回し、ビットの設定によって符号の変更が生じなかった場合、最後に設定されたビットを維持する工程を有している。
【００１４】
第１ミキサーに接続されている検出器では、オフセット自体を認識せず、オフセットの符号だけを認識する。オフセットの符号は、調整ユニットに導入することができる。調整ユニットの出力部には、第１ミキサーに導入することのできるオフセット補償値がある。調整ユニットで生成されたオフセット補償値は、既知の連続近似演算方法（Verfahren der skuzessiven Approximation）に基づいて、段階的に上昇される。この際、検出器の認識するオフセットの符号が変化すると、オフセットが過度に補償される。この場合、オフセット補償値を減少する必要がある。
【００１５】
補償のための近似演算方法の順序制御は、調整ユニットに接続されている制御ユニットを用いて行われる。
【００１６】
本発明では、オフセット自体を認識する必要はなく、オフセットの符号だけを認識すればよい。このため、検出器の構造をしごく簡単にできる。また、追加回路の調節ならびに検出器の精度に対する要求は非常に低い。従って、本構造は、非常に狭い面積で実現できる。また、符号だけを測定することにより、オフセットが非常に小さい場合でも、極めて正確に調整できる。ミキサーおよび変調器における不適合を十分に調整できるので、ミキサーもしくは変調器の構造寸法を減少させられる。また、本回路によって、内部配線内あるいはハウジングを通って生じる混信（Uebersprechen）も調整できる。上記した、ベース帯域素子のＤ／Ａ変換器にオフセットを設定することで行われる調整は、装置の製造時に一度だけ行われるものである。これに対し、本調整は、周期的に、または、必要に応じて実行できる（例えば、装置に電源を入れる際など）。このことから、経時変化するパラメータおよびその影響（明らかにオフセットに表れる）についても、補償することが可能となる。また、補償されるオフセットは、例えば、装置の老朽化、温度、またはバッテリー電圧に応じた値となる。
【００１７】
また、携帯無線における送信経路に上記の回路を配置すれば、ミキサーまたは変調器の前段に接続されている回路に生じるオフセットも、同時に補償できる。例えば、バンド帯域素子のＤ／Ａ変換器のオフセットを同時に補償できる。その結果、この変換器では、全ビット数すなわち電圧変動許容範囲を使用できる。従って、変換器のノイズ特性を良好な状態に維持できる。また、オフセット補償は、完全に自動的に行われるので、個々の、あるいは手動でのオフセットの調整を行う必要はなくなる。
このことにより、製造時における、測定装置、人員経費および時間を削減することが可能である。加えて、この回路では、オフセットもしくはキャリア混信によって生じることのある望ましくない信号を除去するための、追加フィルターを組み込む必要がない。
【００１８】
本発明の実施形態では、検出器を位相検出器とすることが好ましい。キャリア信号が正のオフセットを伴っている場合、出力部のキャリア信号は、入力部の信号と同じ位相となる。また、オフセットが負の場合、出力部のキャリアでは、入力部のキャリアに対して１８０°位相がずれている。相互の信号の位相角から、オフセットの符号を一義的に推定できる。このような位相検出器は、後段に接続されているローパスフィルターを有する簡易ミキサーとして実施することが可能である。また、検出器の出力部における直流電圧信号は、補償されるオフセットの符号と同じ符号を有している。
【００１９】
また、本発明の実施形態では、位相検出器のミキサーを、単純なギルバートセル（Gilbertzelle）として実施できるようになっていることがさらに好ましい。
【００２０】
また、本発明の実施形態では、オフセット補償値を生成するための調整ユニットが、レジスタおよびＤ／Ａ変換器を備えていることが好ましい。
【００２１】
また、本発明のさらなる形態を、従属請求項に挙げる。
【００２２】
次に、本発明を、図面に関連させた実施例に基づいて詳説する。
【００２３】
図は、ブロック配線図の形態で本発明の一実施形態を示すものである。
【００２４】
この図に示すように、ミキサーＭＩ１は、２つの入力部Ｅ１，Ｅ２および出力部Ａを有している。出力部Ａには、位相検出器ＰＤが接続されている。位相検出器ＰＤは、同じくミキサーＭＩ１の第２入力部Ｅ２に接続されている。位相検出器は、調整ユニットＳＥに接続されており、同様に、調整ユニットＳＥは、加算結線Ｋを介して、ミキサーＭＩ１の第１入力部Ｅ１に接続されている。位相検出器ＰＤは、自身への入力信号を導入できる２つの増幅器Ｖ１，Ｖ２を備えている。第１増幅器Ｖ１は、第１ミキサーＭＩ１の出力部Ａと接続されている。増幅器Ｖ２は、入力側で、第１ミキサーＭＩ１の第２入力部Ｅ２と接続されている。第１増幅器Ｖ１と第２増幅器Ｖ２とは、出力側で、第２ミキサーＭＩ２の２つの入力部に接続されており、第２ミキサーＭＩ２の出力部は、ローパスフィルターＴＰの入力部に接続されている。ローパスフィルターＴＰの出力部は、調整ユニットＳＥにおけるレジスタＲＥＧの入力部に接続されている。レジスタＲＥＧは、多数の配線を用いてＤ／Ａ変換器ＤＡに接続されている。Ｄ／Ａ変換器ＤＡの出力部は、加算結線の入力部に接続されており、加算結線の出力部は第１ミキサーの入力部Ｅ１に接続されている。シーケンサＳＥＱは、調整ユニットＳＥのレジスタＲＥＧに接続されている。
【００２５】
ミキサーＭＩ１は、補償の必要な、望ましくない直流電圧オフセットを有していることがある。第１ミキサーＭＩ１が、入力側の直流電圧オフセットを有している場合には、キャリア信号（例えば第２入力部Ｅ２に入力されるもの）を、第１ミキサーＭＩ１の出力部Ａにおいて検出できる。入力部Ｅ１，Ｅ２に入力される信号を乗算する第１ミキサーＭＩ１における、入力側の直流電圧オフセットは、正または負である。位相検出器ＰＤは、第１ミキサーＭＩ１の出力信号を、第１ミキサーＭＩ１の第２入力部に導入される信号と比較する。第１ミキサーＭＩ１の入力側の直流電圧オフセットが正の符号を示すか負の符号を示すかに応じて、位相検出器ＰＤの出力部から、正または負の符号ＶＺを有する直流電圧信号が出力される。位相検出器ＰＤは、オフセットの符号を検出する。この検出は、第１ミキサーＭＩ１の出力部Ａにおける信号の位相角を、第１ミキサーＭＩ１の第２入力部Ｅ２における信号の位相角と比較することによってなされる。第１および第２増幅器Ｖ１，Ｖ２に導入される信号の間には、第１ミキサーＭＩ１のオフセットの符号に応じて、０°あるいは１８０°の位相差がある。第２ミキサーＭＩ２としては、例えば、２つの信号を乗算するための単純なギルバートセルを使用できる。ローパスフィルターＴＰの出力部で直流電圧レベルを抽出できる。また、直流電圧レベルの符号は、補償の必要なオフセットと同じ符号である。調整ユニットＳＥは、計測方法（Waegeverfahren）とも称される連続近似演算の原理を用いて、第１ミキサーＭＩ１のオフセットを補償するための補償値をＤ／Ａ変換器の出力部に生成する。このとき、生成される数を初めは０に設定しておき、続いて、各ビットの最も高い値のビット（ＭＳＢ，最上位ビット）から、最も低いビット（ＬＳＢ，最下位ビット）まで、それぞれのビットを連続して１に設定する。そして、過度に補償してしまった場合、つまり、新しいビットを設定する際に、符号ＶＺの符号に変化のあった場合は、元に戻る。最高値からより最低値までのビットを含む最新の数が、所定の時間に、レジスタＲＥＧに蓄積される。上記した時間的な順序は、シーケンサＳＥＱによって制御される。２つの増幅器Ｖ１，Ｖ２は、小さなオフセットでも検出でき、補償できるように作用する。例えば、第１ミキサーＭＩ１の第２入力部にキャリア信号があり、第１ミキサーＭＩ１の第１入力部Ｅ１が、信号はない（均衡状態にある）が直流電圧オフセットを有している場合、第１ミキサーＭＩ１の出力部Ａにも、キャリア信号がある。第１入力部Ｅ１のオフセットが負の場合、出力部Ａのキャリア信号は、第２入力部Ｅ２のキャリア信号と１８０°ずれた位相を有している。第１入力部Ｅ１のオフセットが正の場合、第２入力部Ｅ２と出力部Ａとの間の位相のずれは、０°である。このような位相検出器の構造によって、両方の増幅器Ｖ１，Ｖ２に入力される信号の位相が僅かにずれても、位相検出器ＰＤの出力に影響が及ばないことを実現できる。
【００２６】
なお、符号検出器ＰＤに対する、整合（Matching）・ノイズなどに関する要求は僅かである。従って、位相検出器ＰＤを、比較的僅かな経費で、小さなチップ領域に設けることが可能である。
【００２７】
また、上記の、第１ミキサーＭＩ１の出力部での測定による間接的なオフセット測定によれば、例えば、配線混信またはハウジング混信に起因するキャリア混信も補償できる。
【００２８】
また、上記の構造では、第１ミキサーＭＩ１よりも上流の回路に生じる直流電圧オフセットであっても補償できる。例えば、上記の構造を携帯無線に使用すれば、ミキサーの前段に接続されているベース帯域素子のＤ／Ａ変換器に生じる上記のオフセットを補償できる。
【００２９】
また、補償の対象となるオフセットは、例えば温度またはバッテリー電圧などの環境パラメータに応じて変化するだけでなく、また、老朽過程に応じても変わるものである。上記の回路構造では、例えばこの回路を含む装置の電源投入時における、自動調整もしくは自動オフセット補償を行える。このため、例えば、温度の変化（Temperaturdrift）も同時に補償できる。製造時に一度だけ行われる通常の補償では、このような補償を行うことは不可能である。
【００３０】
また、連続近似演算の方法では、オフセット値が極めて小さい場合でも、非常に精度の高い補償を実現できる。
【００３１】
なお、上記した実施例の変形例としては、第１ミキサーＭＩ１の代わりとなる変調器のために、上記の補償構造を使用することを挙げられる。
【００３２】
また、オフセット補償値自体は、例えば、Ｄ／Ａ変換器ＤＡに接続可能な、切り替え可能な電流源または電圧源（図示せず）によって与えられる。
【００３３】
また、上記の回路構造は、例えば、ＧＳＭ携帯無線を応用したシングルチップ・トランシーバに使用できる。この構成では、ベース帯域素子の後段に直交変調器が備えられており、この直交変調器のＤＣオフセットを補償できるようになる。また、シングルチップ・トランシーバでは、通常、制御用シーケンサがあらかじめ備えられている。従って、本発明の方法を実行するためには、レジスタと符号検出器とを集積すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示すブロック配線図である。

Claims (6)

1. 第１入力部（Ｅ１）、第２入力部（Ｅ２）および出力部（Ａ）を有する第１ミキサー（ＭＩ１）と、
   上記第１ミキサー（ＭＩ１）の第１入力部（Ｅ１）に信号はないが直流電圧オフセットを有している場合に、上記第１ミキサー（ＭＩ１）の出力部（Ａ）から得られる信号の位相角と、第１ミキサー（ＭＩ１）の第２入力部（Ｅ２）の信号の位相角とを比較することによって互いの位相差が０°であるか１８０°であるかに応じた直流電圧レベルを生成して、自身の出力部に上記直流電圧レベルに基づいた上記直流電圧オフセットの符号（ＶＺ）を出力する位相検出器（ＰＤ）と、
   上記直流電圧オフセットの符号（ＶＺ）が入力され、上記直流電圧オフセットの符号（ＶＺ）を参照して、Ｄ／Ａ変換させてオフセット補償値を作成するためのビットを設定するレジスタ（ＲＥＧ）、および、このレジスタ（ＲＥＧ）に接続され、入力されるビットをＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器（ＤＡ）を備え、Ｄ／Ａ変換器（ＤＡ）からＤ／Ａ変換され出力される信号を、オフセット補償値として、第１ミキサー（ＭＩ１）の第１入力部（Ｅ１）の信号に追加させる調整ユニット（ＳＥ）と、
   オフセット補償値として、上記直流電圧オフセットの符号（ＶＺ）が変化する過度の補償を行うオフセット補償値となる１回前の段階まで段階的に上昇させたオフセット補償値が得られるように、レジスタ（ＲＥＧ）のビットの設定値を段階的に変化させる制御を行うための、レジスタ（ＲＥＧ）に接続されている制御ユニット（ＳＥＱ）とを有するミキサーのオフセット補償構造。
2. 上記位相検出器（ＰＤ）が、上記第１ミキサー（ＭＩ１）の出力部（Ａ）に入力部が接続されている第１増幅器（Ｖ１）、および、第１ミキサー（ＭＩ１）の第２入力部（Ｅ２）に入力部が接続されている第２増幅器（Ｖ２）を備え、これら第１および第２増幅器（Ｖ１，Ｖ２）の出力部が、位相角を比較する第２ミキサー（ＭＩ２）の入力部に接続されており、第２ミキサー（ＭＩ２）の出力信号に対して上記直流電圧レベルを抽出するローパスフィルター（ＴＰ）が、第２ミキサー（ＭＩ２）の後段に接続されており、このローパスフィルター（ＴＰ）の出力部から、オフセットの符号（ＶＺ）を上記調整ユニット（ＳＥ）に出力することを特徴とする、請求項１に記載の構造。
3. 上記第２ミキサー（ＭＩ２）が、ギルバート乗算器であることを特徴とする、請求項２に記載の構造。
4. 上記調整ユニット（ＳＥ）が、設定したビットをＤ／Ａ変換するために、Ｄ／Ａ変換器に接続され、且つ、切り替え可能な電流源または電圧源を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の構造。
5. 第１ミキサー（ＭＩ１）の第１入力部（Ｅ１）に信号はないが直流電圧オフセットを有している場合に、第１ミキサー（ＭＩ１）の入力部（Ｅ２）の信号の位相角を、第１ミキサー（ＭＩ１）の出力部（Ａ）から得られる信号の位相角と比較することによって互いの位相差が０°であるか１８０°であるかに応じた直流電圧レベルを生成して、上記直流電圧レベルに基づいて第１ミキサー（ＭＩ１）の直流電圧オフセットの符号（ＶＺ）を決定し、
   直流電圧オフセットの符号（ＶＺ）が、調整ユニット（ＳＥ）に入力され、制御ユニット（ＳＥＱ）が、調整ユニット（ＳＥ）に入力された直流電圧オフセットの符号（ＶＺ）を参照することによって、Ｄ／Ａ変換させてオフセット補償値を作成するためのビットを、最高値のビットから最低値のビットへと向って１段階ごとに上げて設定し、
   調整ユニット（ＳＥ）で、設定されたビットをＤ／Ａ変換することによってオフセット補償値を作成し、このオフセット補償値を第１ミキサー（ＭＩ１）に導入し、
   各段階のビット設定で作成されたオフセット補償値による直流電圧オフセットの補償の結果が、１回前の段階のビット設定による直流電圧オフセットの符号を変更させるものであるか否かを、段階ごとに調整ユニット（ＳＥ）に入力される直流電圧オフセットの符号により確認し、
   ある段階のビット設定で、１回前の段階のビット設定に対して第１ミキサー（ＭＩ１）の直流電圧オフセットの符号（ＶＺ）に変更が生じた場合、調整ユニット（ＳＥ）にて、上記変更を生じさせた最後に設定されたビットを撤回し、
   各段階のビット設定とも、１回前の段階のビット設定に対して第１ミキサー（ＭＩ１）の直流電圧オフセットの符号（ＶＺ）に変更が生じない場合、調整ユニット（ＳＥ）にて最後に設定されたビットを維持する、
   という方法工程を含むミキサーのオフセット補償方法。
6. 上記信号の位相差が０°の場合、上記第１ミキサー（ＭＩ１）のオフセットの符号（ＶＺ）が正であり、信号の位相差が１８０°である場合、オフセットの符号が負であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。

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