JP4618554B2 - Ｆｓｋ変調装置及びそれを備えた無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）変調装置及びそれを備えた無線通信装置に関し、特に電圧制御水晶発振器の発振周波数をデジタルデータにより変化させることでＦＳＫ変調信号を生成するようにしたＦＳＫ変調装置に関する。

近年、デジタル技術の大幅な進歩によって、デジタル衛星通信、デジタル移動通信等のデジタル無線通信が実用化されている。このようなデジタル無線通信においては、デジタルデータにより搬送波を変調するデジタル変調方式が採用されている。図３は、デジタル変調方式の１種であるＦＳＫ変調方式を採用した特定小電力無線通信装置の要部構成を示すものである（特許文献１参照）。

この無線通信装置は、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator ：電圧制御発振器）101と、ＰＬＬ（Phase Locked Loop ：位相同期ループ）シンセサイザ102と、基準周波数を発生する共振素子に相当する水晶発振器103と、制御回路104と、ＦＳＫ信号電圧発生回路105と、第１のＬＰＦ（ローパスフィルタ）106と、第２のＬＰＦ107とを備えている。

ＶＣＯ101は、印加電圧によって発振周波数を可変できる発振回路であり、コンデンサＣ₁₁, …Ｃ₁₅と、電圧可変容量素子に相当する可変容量ダイオードＶＣ₁₁と、トリマコンデンサＴＣ₁₁と、誘導素子であるコイルＬと、抵抗Ｒ₁₁, …Ｒ₁₃と、トランジスタＱ₁₁とを備えている。

ＰＬＬシンセサイザ102は、二つの入力信号に対して位相の同期をとる回路で、基準周波数を発生するための水晶発振器103が外付けされている。ＰＬＬシンセサイザ102は、ＶＣＯ101の出力信号を所定分周比にて分周した分周信号が、水晶発振器103の出力する基準信号を所定分周比にて分周した分周信号に同期すると、同期を示すロック信号を制御回路104へ出力する。制御回路104は、ＣＰＵ（Central Processing Unit ：中央演算処理装置）を備えており、無線通信装置全体の制御を司るもので、ＶＣＯ101からの出力信号を分周するための分周比設定データや水晶発振器103の出力する基準信号を分周するための分周比設定データなどを、ＰＬＬシンセサイザ102へ出力する。

ＦＳＫ信号電圧発生回路105はトランジスタＱ₁₂と可変抵抗ＶＲ₁₁とを含んで構成される。ＦＳＫ信号電圧発生回路105は、制御回路104の出力するLow ／High信号に基づいてトランジスタＱ₁₂をオン／オフさせ、トランジスタＱ₁₂のオン／オフに基づいたＦＳＫ信号電圧を第２のＬＰＦ107を介してＶＣＯ101へ入力し、このＦＳＫ信号電圧に基づいてＶＣＯ101の発振周波数を偏移させ、ＦＳＫ変調信号を生成する。

ＶＣＯ101の発振周波数は、コンデンサＣ₁₁, …Ｃ₁₄、可変容量ダイオードＶＣ₁₁及びトリマコンデンサＴＣ₁₁の容量値と、コイルＬのインダクタンス値とで決定される。しかしながら、発振周波数が420MHz帯域と非常に高いので、コンデンサの容量値やコイルのインダクタンス値は非常に小さく、それらの少しのバラツキによって発振周波数範囲は所望周波数から大きく外れることになる。

そこで、ＶＣＯ101を構成するコンデンサＣ₁₁, …Ｃ₁₅やコイルＬなどの部品のバラツキによる発振周波数範囲のズレを補正するためにトリマコンデンサＴＣ₁₁を設け、製造工程でトリマコンデンサＴＣ₁₁によって所望の発振周波数範囲に調整していた。また、ＦＳＫ変調の周波数偏移量の調整のために可変抵抗ＶＲ₁₁を設け、製造工程で可変抵抗ＶＲ₁₁によって所望の周波数偏移量を得るように調整していた。
特開平１１−２７４９５１号公報（図２）

しかしながら、上記無線通信装置において、水晶発振器単体では発振せず、ＰＬＬシンセサイザとのセットで発振を行うものであるため、ＰＬＬシンセサイザの接続端子の容量を考慮したマッチングをとることが必要であった。また、トリマコンデンサＴＣ₁₁による発振周波数範囲の調整と、可変抵抗ＶＲ₁₁による周波数偏移量の調整とを独立して行うことが困難であった。さらに、水晶発振器は温度による周波数変動が大きいため、−１０℃以下の低温になるような場所に設置した場合は正確な発振周波数を得ることができなかった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、ＰＬＬ回路の発振周波数を送信データに基づき変化させることでＦＳＫ変調信号を生成するようにしたＦＳＫ変調装置において、発振周波数の調整及び周波数偏移量の調整を独立、かつ容易に行えるようにすることである。また、第２の目的は、上記ＦＳＫ変調装置において、発振周波数の温度安定性を向上させることである。さらに、第３の目的は送信動作時と受信動作時で局部発振周波数の偏差を抑えることである。

請求項１に係る発明は、周波数制御端子に印加する電圧により発振周波数が可変である電圧制御水晶発振器を基準信号源とするＰＬＬ回路と、前記電圧制御水晶発振器の周波数制御端子に印加するＦＳＫ信号電圧の中心電位及び振幅を調整するためのＦＳＫ信号電圧調整回路とを備え、前記ＰＬＬ回路からＦＳＫ変調信号を出力するようにしたＦＳＫ変調装置であって、前記ＦＳＫ信号電圧調整回路は、ＦＳＫ信号電圧入力端子からの入力電圧を２値化して反転する第１のインバータ（Ｑ_２）と、一端が前記第１のインバータ（Ｑ_２）の出力側に接続され、他端がＦＳＫ信号電圧調整回路の出力側に接続された、第１の抵抗（Ｒ_２）と前記振幅を調整するための第１の可変抵抗（ＲＶ_２）からなる第１の抵抗回路と、一端が前記第１の抵抗（Ｒ_２）と前記第１の可変抵抗（ＲＶ_２）との接続点に接続され、他端が第１の電源（Ｖ_Ａ）に接続された、第２の抵抗（Ｒ_４）と前記中心電位を調整するための第２の可変抵抗（ＲＶ_１）からなる第２の抵抗回路と、前記第１の抵抗回路の他端側と前記第１の電源（Ｖ_Ａ）との間に接続された第１のバイアス抵抗（Ｒ_５）と、前記第１の抵抗回路の他端側とグランドとの間に接続された第２のバイアス抵抗（Ｒ_６）と、入力側が第２の電源（Ｖ_Ｃ）に接続され、出力側が前記第１のインバータ（Ｑ_２）の入力側に接続された第２のインバータ（Ｑ_１）と、入力側が前記第２の電源（Ｖ_Ｃ）に接続され、出力側が第３の抵抗（Ｒ_３）に接続された第３のインバータ（Ｑ_３）と、一端が前記第３のインバータ（Ｑ_３）の出力側に接続され、他端が前記第１の抵抗（Ｒ_２）と前記第１の可変抵抗（ＲＶ_２）との接続点に接続された前記第３の抵抗（Ｒ_３）とからなり、送信動作時は前記ＦＳＫ信号電圧入力端子へＦＳＫ信号電圧を入力するとともに前記第２の電源（Ｖ_Ｃ）の出力をロウレベルにし、受信動作時は前記ＦＳＫ信号電圧入力端子の入力をロウレベルにするとともに前記第２の電源（Ｖ_Ｃ）の出力をハイレベルにすることを特徴とするＦＳＫ変調装置である。
請求項２に係る発明は、請求項１記載のＦＳＫ変調装置において、前記電圧制御水晶発振器は温度補償型電圧制御水晶発振器であることを特徴とするＦＳＫ変調装置である。
請求項３に係る発明は、請求項１記載のＦＳＫ変調装置と、該ＦＳＫ変調装置の出力を増幅してアンテナに供給する送信回路とを備えたことを特徴とする無線通信装置である。
請求項４に係る発明は、請求項３記載の無線通信装置において、アンテナで受信された信号に局部発振信号を混合して中間周波信号に変換する混合回路と、受信動作時に前記電圧制御水晶発振器に所定の直流電圧を供給する手段とを備え、前記電圧制御水晶発振器の出力信号又は前記ＰＬＬ回路の出力信号を前記局部発振信号としたことを特徴とする無線通信装置である。

（作用）
請求項１に係る発明によれば、ＦＳＫ信号電圧の振幅及び中心電位をそれぞれ第１の可変抵抗及び第２の可変抵抗により独立して調整することにより、電圧制御水晶発振器の周波数偏移量及び発振周波数の調整を独立して行える。また、ＦＳＫ信号電圧入力端子の入力電圧のレベル制御、及び第２の電源の出力レベルの制御により、送信動作、受信動作を切り換えることができる。
請求項２に係る発明によれば、ＦＳＫ信号電圧の振幅及び中心電位をそれぞれ第１の可変抵抗及び第２の可変抵抗により独立して調整することにより、温度補償型電圧制御水晶発振器の周波数偏移量及び発振周波数の調整を独立して行える。
請求項３に係る発明によれば、請求項１記載のＦＳＫ変調装置の出力を増幅してアンテナに供給する。
請求項４に係る発明によれば、送信動作時には請求項１記載のＦＳＫ変調装置の出力を増幅してアンテナに供給し、受信動作時には電圧制御水晶発振器の出力信号又は電圧制御発振器の出力信号を局部発振信号として中間周波信号を生成する。

本発明によれば、ＰＬＬ回路の発振周波数を送信データに基づき変化させることでＦＳＫ変調を行うようにしたＦＳＫ変調装置において、発振周波数の調整及び周波数偏移量の調整を独立、かつ容易に行えると共に、発振周波数の温度安定性を向上させることができる。また、ＦＳＫ信号電圧入力端子の入力電圧のレベル制御、及び第２の電源の出力レベルの制御により、送信動作、受信動作を切り換えることができる。また、上記ＦＳＫ変調装置を備えた無線通信装置において、送信動作時と受信動作時で局部発振周波数の偏差を抑えることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態に係る特定小電力無線通信装置の無線回路（送信部、受信部、源発振部）の構成を示す図である。

この無線通信装置の無線回路１は、アンテナ端子（ANT）に接続されたアンテナ切替回路２と、アンテナ切替回路２の出力が入力されると共に、後述するＶＣＯ５の出力が第１局部発振信号として後述する送信／受信切替回路４を通して入力され、かつ後述するＴＣＸＯ（Temperature Compensated Crystal Oscillator：温度補償水晶発振器）６の出力が第２局部発振信号として入力される受信回路３を備えている。

また、この無線回路１は、図示されていないＣＰＵからＦＳＫ信号電圧入力端子（MOD）に入力されるＦＳＫ信号電圧（矩形波）の中心電位を調整する可変抵抗器８Ａ及び振幅を調整する可変抵抗器８Ｂを備えたＦＳＫ信号電圧調整回路８と、ＦＳＫ信号電圧調整回路８の出力が入力されるＬＰＦ９と、ＬＰＦ９の出力が周波数制御端子に入力されるＴＣＸＯ６と、ＴＣＸＯ６の出力が入力されると共に、後述するＶＣＯ５の出力が入力されるＰＬＬシンセサイザ７と、ＰＬＬシンセサイザ７の出力が入力されると共に、自身の出力をＰＬＬシンセサイザ７及び送信／受信切替回路４に供給するＶＣＯ５と、送信／受信切替回路４の出力が入力されると共に、自身の出力をアンテナ切替回路２に供給する送信回路10とを備えている。

ここで、ＶＣＯ５、ＴＣＸＯ６、及びＰＬＬシンセサイザ７はＰＬＬ回路（源発振部）を構成しており、送信動作時はＦＳＫ変調回路として動作し、受信動作時は局部発振回路として動作する。ＴＣＸＯ６は、周波数制御端子に印加する電圧によって発振周波数が可変であり、かつ周波数制御端子に基準電圧を印加した場合の周波数精度がユーザ指定の温度範囲において所望の精度となるように構成されている。ＰＬＬシンセサイザ７には、ＣＰＵからデータ端子（DATA）を通して、送信動作時及び受信動作時のＶＣＯ５の発振周波数を設定するためのデータ（分周比設定データ等）が入力される。ＬＰＦ９は、ＦＳＫ信号電圧調整回路８によりレベル調整された信号の帯域を制限するためのフィルタである。

ＦＳＫ信号電圧調整回路８は、図２に示すように、ＦＳＫ信号電圧入力端子（MOD）からの入力電圧を２値化して反転するインバータＱ₂と、一端がインバータＱ₂の出力側に接続され、他端がＬＰＦ９の入力側に接続された、抵抗Ｒ₂と可変抵抗ＲＶ₂との直列回路と、一端が抵抗Ｒ₂と可変抵抗ＲＶ₂との接続点に接続され、他端が電源Ｖ_Aに接続された、抵抗Ｒ₄と可変抵抗ＲＶ₁との直列回路と、可変抵抗ＲＶ₂の出力側の直流電位を設定するために、それぞれ可変抵抗ＲＶ₂の出力側と電源Ｖ_A及びグランドとの間に接続されたバイアス抵抗Ｒ₅及びＲ₆と、入力側が電源Ｖ_Cに接続され、出力側がインバータＱ₂の入力側に接続されたインバータＱ₁と、入力側が電源Ｖ_Cに接続され、出力側が抵抗Ｒ₃に接続されたインバータＱ₃と、一端がインバータＱ₃の出力側に接続され、他端が抵抗Ｒ₂と可変抵抗ＲＶ₂との接続点に接続された抵抗Ｒ₃とからなる。ここでは、抵抗Ｒ₅と抵抗Ｒ₆とは同じ値であり、従って、ＦＳＫ信号電圧調整回路８の出力端の直流電位は電源Ｖ_Aの電位の１／２となる。また、可変抵抗ＲＶ₁、ＲＶ₂がそれぞれ図１における可変抵抗８Ａ、８Ｂに相当する。

図２において、図示されていないＣＰＵからＦＳＫ信号電圧入力端子（MOD）に入力される”Ｈ／Ｌ”の変調用信号は、インバータＱ₂によりレベル反転及び２値化される。そして、抵抗Ｒ₂と可変抵抗ＲＶ₂との直列回路を通って、図示されていないＬＰＦ９へ出力される。このとき、インバータＱ₂から出力される”Ｈ／Ｌ”の変調用信号は、抵抗Ｒ₃、抵抗Ｒ₄、及び可変抵抗ＶＲ₁により設定される任意の中心電位に重畳される。この中心電位は可変抵抗ＶＲ₁により調整できる。また、”Ｈ／Ｌ”の変調用信号の振幅は抵抗Ｒ₂及び可変抵抗ＲＶ₂により抑制され、その振幅は可変抵抗ＲＶ₂により調整できる。このようにして中心電位及び振幅が設定された変調用信号は、ＬＰＦ９を経て、ＴＣＸＯ６の周波数制御端子に入力される。つまり、ＦＳＫ変調時のキャリア周波数は可変抵抗ＶＲ₁の調整により設定でき、周波数偏移は可変抵抗ＲＶ₂の調整により設定できる。受信動作時には、ＦＳＫ信号電圧入力端子（MOD）の入力は”Ｌ”、インバータＱ₁及びＱ₃の入力は”Ｈ”となり、インバータＱ₂及びＱ₃の出力は”Ｈ”（オープン）となるため、ＴＣＸＯ６の周波数制御端子には送信時とほぼ同じ中心電位が入力される。

以上の構成を有する無線回路１について、受信動作及び送信動作を順に説明する。
受信動作時には、電源Ｖ_AをＶＣＯ５、ＴＣＸＯ６，ＰＬＬシンセサイザ７、ＦＳＫ変調電圧調整回路８、及びＬＰＦ９に入力したのち、データ端子（DATA）からＰＬＬシンセサイザ７へ所望の周波数を設定するデータが入力され、ＰＬＬ回路がロックした後にアンテナ切替回路２及び送受信切替回路４を受信回路３側に切り替え、電源Ｖ_Bを入力することで受信動作が行える。このとき、アンテナにより受信した無線信号は、アンテナ切替回路２を通って受信回路４に入力され、増幅／周波数変換／復調され、復調データとして復調信号出力端子（DEM）へ出力される。

送信動作時には、電源ＶＡをＶＣＯ５、ＴＣＸＯ６、ＰＬＬシンセサイザ７、ＦＳＫ信号電圧調整回路８、及びＬＰＦ９に供給する。このとき、ＣＰＵからＦＳＫ信号電圧入力端子（MOD）に入力される”Ｈ／Ｌ”のＦＳＫ信号電圧はＦＳＫ信号電圧調整回路８に入力され、ＦＳＫ変調のキャリア周波数を設定するための中心電位、及び変調周波数偏移を設定するための振幅が設定され、ＬＰＦ９により帯域制限が行われた後に、ＴＣＸＯ６の周波数制御端子に入力される。この入力データに基づいて、ＴＣＸＯ６の発振周波数を変化させ、ＶＣＯ５を発振させることでＦＳＫ変調を行う。ＶＣＯ５の出力は、送信側に切り替えられている送信／受信切替回路４を通り、送信回路10により増幅される。そして、送信側に切り替えられているアンテナ切替回路２を通り、アンテナに供給される。

このように、本実施形態に係る無線回路１によれば、ＣＰＵから変調用信号入力端子（MOD）に入力される”Ｈ／Ｌ”の変調用信号は変調用信号レベル調整回路８に入力し、可変抵抗ＲＶ₁により中心電位を調整し、可変抵抗ＲＶ₂により振幅を調整してＴＣＸＯ６の周波数制御端子に入力するように構成したので、変調周波数及び周波数偏移量の調整を独立、かつ容易に行える。また、ＴＣＸＯ６を備えたことにより、−２５℃程度の低温環境においても正確な発振周波数が得られる。また、送信動作時と受信動作時で局部発振周波数の偏差を抑えることができる。

本発明の実施形態に係る無線回路の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るＦＳＫ信号電圧調整回路の構成を示す図である。 ＦＳＫ変調方式を採用した従来の特定小電力無線通信装置の要部構成を示す図である。

符号の説明

１・・・無線回路、５・・・ＶＣＯ、６・・・ＴＣＸＯ、７・・・ＰＬＬシンセサイザ、８・・・ＦＳＫ変調電圧調整回路、８Ａ・・・第１の可変抵抗、８Ｂ・・・第２の可変抵抗。

Claims (4)

1. 周波数制御端子に印加する電圧により発振周波数が可変である電圧制御水晶発振器を基準信号源とするＰＬＬ回路と、前記電圧制御水晶発振器の周波数制御端子に印加するＦＳＫ信号電圧の中心電位及び振幅を調整するためのＦＳＫ信号電圧調整回路とを備え、前記ＰＬＬ回路からＦＳＫ変調信号を出力するようにしたＦＳＫ変調装置であって、
   前記ＦＳＫ信号電圧調整回路は、
   ＦＳＫ信号電圧入力端子からの入力電圧を２値化して反転する第１のインバータと、
   一端が前記第１のインバータの出力側に接続され、他端がＦＳＫ信号電圧調整回路の出力側に接続された、第１の抵抗と前記振幅を調整するための第１の可変抵抗からなる第１の抵抗回路と、
   一端が前記第１の抵抗と前記第１の可変抵抗との接続点に接続され、他端が第１の電源に接続された、第２の抵抗と前記中心電位を調整するための第２の可変抵抗からなる第２の抵抗回路と、
   前記第１の抵抗回路の他端側と前記第１の電源との間に接続された第１のバイアス抵抗と、
   前記第１の抵抗回路の他端側とグランドとの間に接続された第２のバイアス抵抗と、
   入力側が第２の電源に接続され、出力側が前記第１のインバータの入力側に接続された第２のインバータと、
   入力側が前記第２の電源に接続され、出力側が第３の抵抗に接続された第３のインバータと、
   一端が前記第３のインバータの出力側に接続され、他端が前記第１の抵抗と前記第１の可変抵抗との接続点に接続された前記第３の抵抗とからなり、
   送信動作時は前記ＦＳＫ信号電圧入力端子へＦＳＫ信号電圧を入力するとともに前記第２の電源の出力をロウレベルにし、受信動作時は前記ＦＳＫ信号電圧入力端子の入力をロウレベルにするとともに前記第２の電源の出力をハイレベルにする
   ことを特徴とするＦＳＫ変調装置。
2. 請求項１記載のＦＳＫ変調装置において、
   前記電圧制御水晶発振器は温度補償型電圧制御水晶発振器であることを特徴とするＦＳＫ変調装置。
3. 請求項１記載のＦＳＫ変調装置と、該ＦＳＫ変調装置の出力を増幅してアンテナに供給する送信回路とを備えたことを特徴とする無線通信装置。
4. 請求項３記載の無線通信装置において、
   アンテナで受信された信号に局部発振信号を混合して中間周波信号に変換する混合回路と、受信動作時に前記電圧制御水晶発振器に所定の直流電圧を供給する手段とを備え、前記電圧制御水晶発振器の出力信号又は前記ＰＬＬ回路の出力信号を前記局部発振信号としたことを特徴とする無線通信装置。

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