JP4743642B2 - 発振モジュール - Google Patents

Description

本発明は、恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）等を用いた発振モジュールに係り、特に、発振器の低雑音化を実現する発振モジュールに関する。

無線通信において、動画等の伝送を行うためには、数１００Ｍｂｐｓ〜１Ｇｂｐｓの高速データ通信を行う必要がある。そのためには、マイクロ波〜ミリ波帯の位相雑音特性のよいシンセサイザが必要とされる。

そのための信号源として、マイクロ波以上のシンセサイザを開発するに当たり、究極の位相雑音はＯＣＸＯの逓倍雑音と等価である。
つまり、マイクロ波以上のシンセサイザ等の信号源の位相雑音を低減するためには、ＯＣＸＯの位相雑音の低減が必須である。

そこで、従来技術として、低雑音化を行うために、信号源の後段にフィルタを設けて雑音除去を実施していた。

尚、関連する先行技術として、特開平０６−１５２４５３号公報（特許文献１）、特開平０６−１５２４５４号公報（特許文献２）、特開２００３−２１８７１２号公報（特許文献３）がある。

特許文献１〜３には、入力信号に対して帯域除去フィルタ（ＢＥＦ：Band Elimination Filter）と帯域通過フィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）を利用してフィルタ回路を構成することが示されている。

特開平０６−１５２４５３号公報 特開開平０６−１５２４５４号公報 特開２００３−２１８７１２号公報

しかしながら、上記従来のフィルタによって雑音除去を実現するのに、数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚ離調の雑音除去には水晶フィルタ（ＭＣＦ：Monolithic Crystal Filter）が適しているが、狭帯域とした場合、挿入損失が大きく、入力レベルが制限され、そのため、フィルタ出力でのＣＮＲ（Carrier to Noise Ratio：信号対雑音比）が劣化するという問題点があった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、主信号帯域の信号を通過させると共に、近傍雑音及び遠傍雑音を除去し、入力レベルを改善することができる発振モジュールを提供することを目的とする。

また、本発明は、入力される信号が高い電力の場合に、主信号帯域の信号通過と近傍雑音及び遠傍雑音の除去を効果的に行い、入力レベルを改善できる発振モジュールを提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、発振モジュールにおいて、特定周波数の信号を発振する水晶発振器と、水晶発振器から出力される信号を増幅する増幅器と、増幅器で増幅された信号の雑音を除去する雑音除去フィルタとを有し、雑音除去フィルタが、信号の主信号帯域に対して低い周波数の近傍帯域の信号を特定幅の帯域で減衰する第１の水晶フィルタと、主信号帯域に対して高い周波数の近傍帯域の信号を特定幅の帯域で減衰する第２の水晶フィルタと、主信号帯域の信号を通過させると共に、低い周波数の近傍帯域より低い周波数の遠傍帯域及び高い周波数の近傍帯域より高い周波数の遠傍帯域の信号を減衰させる第３の水晶フィルタとを備え、３つの水晶フィルタが直列に接続され、出力側に第３の水晶フィルタが配置され、第１、第２の水晶フィルタが特定幅の帯域を減衰する帯域減衰フィルタであり、第３の水晶フィルタが帯域通過フィルタであり、第１、第２、第３の水晶フィルタが同じ温度特性となるようにしたことを特徴とする。

本発明は、上記発振モジュールにおいて、雑音除去フィルタが、入力信号に対して、第１の水晶フィルタ、第２の水晶フィルタ、第３の水晶フィルタの順に、若しくは、第２の水晶フィルタ、第１の水晶フィルタ、第３の水晶フィルタの順に、直列に接続されていることを特徴とする。

本発明は、上記発振モジュールにおいて、第３の水晶フィルタの特性が、第１、第２の水晶フィルタの特性に比べて、緩やかであることを特徴とする。

本発明は、上記発振モジュールにおいて、水晶発振器を恒温槽付水晶発振器としたことを特徴とする。

本発明によれば、雑音除去フィルタが、信号の主信号帯域に対して低い周波数の近傍帯域の信号を特定幅の帯域で減衰する第１の水晶フィルタと、主信号帯域に対して高い周波数の近傍帯域の信号を特定幅の帯域で減衰する第２の水晶フィルタと、主信号帯域の信号を通過させると共に、低い周波数の近傍帯域より低い周波数の遠傍帯域及び高い周波数の近傍帯域より高い周波数の遠傍帯域の信号を減衰させる第３の水晶フィルタとを備え、３つの水晶フィルタが直列に接続され、出力側に第３の水晶フィルタが配置され、第１、第２の水晶フィルタが特定幅の帯域を減衰する帯域減衰フィルタであり、第３の水晶フィルタが帯域通過フィルタであり、第１、第２、第３の水晶フィルタが同じ温度特性となるようにした発振モジュールとしているので、フィルタ特性のばらつきを少なくでき、主信号帯域の信号を通過させると共に、近傍雑音及び遠傍雑音を除去し、入力レベルを改善でき、第３の水晶フィルタの破損を防止できる効果がある。

本発明によれば、雑音除去フィルタが、入力信号に対して、第１の水晶フィルタ、第２の水晶フィルタ、第３の水晶フィルタの順に、若しくは、第２の水晶フィルタ、第１の水晶フィルタ、第３の水晶フィルタの順に、直列に接続されている上記発振モジュールとしているので、入力される信号が高い電力の場合に、主信号帯域の信号通過と近傍雑音及び遠傍雑音の除去を効果的に行い、入力レベルを改善でき、第３の水晶フィルタの破損を防止できる効果がある。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る発振モジュールは、ＯＣＸＯと、増幅器と、雑音除去フィルタとを備え、雑音除去フィルタが、主信号帯域の信号を通過させ、主信号帯域に対して遠傍雑音（遠傍の帯域に現れる雑音）を除去するＢＰＦと、主信号帯域に対して低い周波数帯域の近傍雑音（近傍の帯域に現れる雑音）を除去するＢＥＦ（Ｌ−ＢＥＦ）と、主信号帯域に対して高い周波数帯域の近傍雑音を除去するＢＥＦ（Ｈ−ＢＥＦ）とを有し、各フィルタが水晶フィルタで構成されるものであり、主信号帯域の信号を通過させると共に、近傍雑音及び遠傍雑音を除去し、入力レベルを改善することができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る発振モジュールにおいて、雑音除去フィルタが、入力側からＬ−ＢＥＦ、Ｈ−ＢＥＦ、ＢＰＦの順、または、入力側からＨ−ＢＥＦ、Ｌ−ＢＥＦ、ＢＰＦの順に接続されるようにすれば、入力信号が高い電圧の場合、ＢＰＦを通過する信号のエネルギーをＢＥＦで抑えることで、ＢＰＦが破損するのを防止できるものである。

［発振モジュールの構成：図１］
本発明の実施の形態に係る発振モジュール（本モジュール）について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る発振モジュールの構成ブロック図である。
本発明の実施の形態に係る発振モジュールは、図１に示すように、基準の周波数信号を発振する恒温槽水晶発振器（ＯＣＸＯ）１と、ＯＣＸＯ１からの発振周波数信号を増幅する増幅器２と、増幅器２からの信号に対して雑音を除去して出力する雑音除去フィルタ１０とを基本的に有している。

［各部］
本モジュールの各部について具体的に説明する。
恒温槽水晶発振器（ＯＣＸＯ）１は、水晶発振回路を恒温槽に挿入することにより、高安定化を図った発振器である。尚、実施の形態では、ＯＣＸＯを用いているが、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）等の水晶発振器であってもよい。
増幅器２は、ＯＣＸＯ１から入力される発振周波数信号を増幅して雑音除去フィルタ１０に出力する。

［雑音除去フィルタ］
雑音除去フィルタ１０は、低近傍雑音（主信号帯域に対して低い周波数帯域の近傍雑音）を除去する低近傍帯域雑音除去フィルタ（Ｌ−ＢＥＦ）１１と、主信号帯域の信号を通過させ、主信号帯域に対して遠傍雑音（遠傍の帯域に現れる雑音）を除去する帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１２と、高近傍雑音（主信号帯域に対して高い周波数帯域の近傍雑音）を除去する高近傍帯域雑音除去フィルタ（Ｈ−ＢＥＦ）１３とを有している。
尚、Ｌ−ＢＥＦ１１、ＢＰＦ１２、Ｈ−ＢＥＦ１３は、特性のばらつきを少なくするために、温度特性が同じフィルタとしている。

［発振スペクトラムとフィルタ特性の概要：図２］
本発振モジュールの雑音除去フィルタ１０における発振スペクトラムと各フィルタの特性について図２を参照しながら説明する。図２は、発振スペクトラムとフィルタ特性の概要を示す概略図である。図２において、縦軸が信号レベル、横軸が周波数を示している。

図２では、主信号の発振スペクトラムを線ａで示し、ＢＰＦ１２のフィルタ特性を線ｂで示し、Ｌ−ＢＥＦ１１のフィルタ特性を線ｃで示し、Ｈ−ＢＥＦ１３のフィルタ特性を線ｄで示している。
例えば、主信号帯域は、１００ＭＨｚ±１ｋＨｚであり、低近傍雑音帯域（主信号帯域に対して低い周波数の近傍雑音帯域）は、１００ＭＨｚ−１０ｋＨｚ〜−１００ｋＨｚであり、高近傍雑音帯域（主信号帯域に対して高い周波数の近傍雑音帯域）は、１００ＭＨｚ＋１０ｋＨｚ〜＋１００ｋＨｚであり、低遠傍雑音帯域（主信号帯域に対して低い周波数の遠傍雑音帯域）は、低近傍雑音帯域より低い周波数帯域であり、高遠傍雑音帯域（主信号帯域に対して高い周波数の遠傍雑音帯域）は、高近傍雑音帯域より高い周波数帯域である。

図２に示すように、主信号帯域は、ＢＰＦ１２によって主信号帯域の信号を通過させ、低近傍雑音帯域の雑音は、Ｌ−ＢＥＦ１１によって低減し、高近傍雑音帯域の雑音は、Ｈ−ＢＥＦ１３によって低減し、低遠傍雑音帯域の雑音は、ＢＰＦ１２によって低減し、高遠傍雑音帯域の雑音は、ＢＰＦ１２によって低減している。

［フィルタ通過後の発振スペクトラムの概要：図３］
次に、フィルタ通過後の発振スペクトラムについて図３を参照しながら説明する。図３は、フィルタ通過後の発振スペクトラムの概要を示す概略図である。図３において、縦軸が信号レベル、横軸が周波数を示している。
図３に示すように、ＢＰＦ１２、Ｌ−ＢＥＦ１１、Ｈ−ＢＥＦ１３によって、主信号帯域の信号が通過し、それ以外の低近傍雑音帯域、高近傍雑音帯域、低遠傍雑音帯域、高遠傍雑音帯域の雑音を低減している。

［応用例：図４］
次に、雑音除去フィルタ１０への入力信号が高い電力の場合における最適な発振モジュール（応用例の発振モジュール）の構成について図４を参照しながら説明する。図４は、入力信号が高い電力の場合における発振モジュールの構成ブロック図である。
応用例の発振モジュールは、図４に示すように、図１の本発振モジュールとは、雑音除去フィルタ１０のフィルタの並べ順が異なっている。

具体的には、増幅器２に近い順に、Ｌ−ＢＥＦ１１、Ｈ−ＢＥＦ１３、ＢＰＦ１２が配置されている。
ここで、増幅器２に近い順に、Ｈ−ＢＥＦ１３、Ｌ−ＢＥＦ１１、ＢＰＦ１２が配置されるようにしてもよい。
要は、ＢＰＦ１２を出力端子側に配置することである。

上記のような雑音除去フィルタ１０の構成とすることで、入力信号の電力が高い場合に、ＢＰＦ１２の前段のＬ−ＢＥＦ１１、Ｈ−ＢＥＦ１３によって通過する信号のエネルギーを抑え、ＢＰＦ１２に入力される信号のエネルギーを小さくすることができるので、ＢＰＦ１２を破損する恐れがなく、設計、製造を容易にできる効果がある。

［フィルタ特性：図５］
次に、雑音除去フィルタ１０のフィルタ特性について図５を参照しながら説明する。図５は、雑音除去フィルタのフィルタ特性を示す図である。図５において、縦軸が信号レベル、横軸が周波数を示している。
図５に示すように、雑音除去フィルタ１０を通過させないスペクトラムは、図中「ＡＭＰ出力」として示し、雑音除去フィルタ１０を通過させたスペクトラムは、図中「フィルタ出力」として示している。
図５に示すように、雑音除去フィルタ１０を通過させた場合は、主信号帯域以外の帯域における雑音を低減している。

［位相雑音特性：図６］
次に、雑音除去フィルタ１０の位相雑音特性について図６を参照しながら説明する。図６は、雑音除去フィルタの位相雑音特性を示す図である。図６において、縦軸が位相雑音、横軸が離調周波数を示している。
図６に示すように、雑音除去フィルタ１０を通過させない位相雑音特性は、図中「ＡＭＰ出力」として示し、雑音除去フィルタ１０を通過させた位相雑音特性は、図中「フィルタ出力」として示している。
図６に示すように、雑音除去フィルタ１０を通過させた場合は、主信号帯域より離調した周波数帯域で雑音を低減している。

［実施の形態の効果］
本発振モジュール及び応用の発振モジュールによれば、水晶フィルタから成るＬ−ＢＥＦ１１、ＢＰＦ１２、Ｈ−ＢＥＦ１３を直列に接続した雑音除去フィルタ１０を、発振器１の発振周波数信号を増幅する増幅器２の後段に配置することで、主信号帯域の信号のみを通過させ、その他の帯域の雑音を抑えることができ、入力レベルを改善できる効果がある。

本発明は、主信号帯域の信号を通過させると共に、近傍雑音及び遠傍雑音を除去し、入力レベルを改善することができる発振モジュールに好適である。

本発明の実施の形態に係る発振モジュールの構成ブロック図である。 発振スペクトラムとフィルタ特性の概要を示す概略図である。 フィルタ通過後の発振スペクトラムの概要を示す概略図である。 入力信号が高い電力の場合における発振モジュールの構成ブロック図である。 雑音除去フィルタのフィルタ特性を示す図である。 雑音除去フィルタの位相雑音特性を示す図である。

符号の説明

１…恒温槽水晶発振器（ＯＣＸＯ）、 ２…増幅器、 １０…雑音除去フィルタ、 １１…低近傍帯域雑音除去フィルタ（Ｌ−ＢＥＦ）、 １２…帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）、 １３…高近傍帯域雑音除去フィルタ（Ｈ−ＢＥＦ）

Claims (5)

1. 特定周波数の信号を発振する水晶発振器と、
   前記水晶発振器から出力される信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器で増幅された信号の雑音を除去する雑音除去フィルタとを有し、
   前記雑音除去フィルタが、前記信号の主信号帯域に対して低い周波数の近傍帯域の信号を特定幅の帯域で減衰する第１の水晶フィルタと、
   前記主信号帯域に対して高い周波数の近傍帯域の信号を特定幅の帯域で減衰する第２の水晶フィルタと、
   前記主信号帯域の信号を通過させると共に、前記低い周波数の近傍帯域より低い周波数の遠傍帯域及び前記高い周波数の近傍帯域より高い周波数の遠傍帯域の信号を減衰させる第３の水晶フィルタとを備え、
   前記３つの水晶フィルタが直列に接続され、出力側に前記第３の水晶フィルタが配置され、
   前記第１、第２の水晶フィルタが特定幅の帯域を減衰する帯域減衰フィルタであり、
   前記第３の水晶フィルタが帯域通過フィルタであり、
   前記第１、第２、第３の水晶フィルタが同じ温度特性となるようにしたことを特徴とする発振モジュール。
2. 雑音除去フィルタは、入力信号に対して、第１の水晶フィルタ、第２の水晶フィルタ、第３の水晶フィルタの順に、若しくは、第２の水晶フィルタ、第１の水晶フィルタ、第３の水晶フィルタの順に、直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の発振モジュール。
3. 第３の水晶フィルタの特性は、第１、第２の水晶フィルタの特性に比べて、緩やかであることを特徴とする請求項１又は２記載の発振モジュール。
4. 水晶発振器を恒温槽付水晶発振器としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の発振モジュール。
5. 第３の水晶フィルタが通過させる主信号帯域は、１００ＭＨｚ±１ｋＨｚであり、
   第１の水晶フィルタが減衰させる帯域は、１００ＭＨｚ−１０ｋＨｚ〜−１００ｋＨｚであり、
   第２の水晶フィルタが減衰させる帯域は、１００ＭＨｚ＋１０ｋＨｚ〜＋１００ｋＨｚであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の発振モジュール。

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