JP5049308B2 - 周波数変換器 - Google Patents

Description

本発明は、ミキサに入力信号とローカル信号を与え、入力信号をより低い周波数帯域へ変換する周波数変換器において、ミキサで発生するスプリアスを抑圧するための技術に関する。

高周波信号をより低い周波数帯へ変換するための周波数変換器として、入力信号とローカル信号をアナログ型のミキサ（一般的にパッシブ型のＤＢＭが用いられる）に入力し、両者の差の周波数成分を出力するヘテロダイン型の周波数変換器が多く用いられている。

このようなアナログ型でＤＢＭのような平衡型のミキサを用いた周波数変換器の場合、入力信号やローカル信号そのものの周波数成分は原理的に抑圧されるが、ミキサの非線形性によりローカル信号の周波数ｆ_Ｌと入力信号の周波数ｆ_ＩＮの差周波数｜ｆ_Ｌ−ｆ_ＩＮ｜の成分だけでなく、２以上の整数（ｎ）倍の周波数ｎ・｜ｆ_Ｌ−ｆ_ＩＮ｜の成分も発生する。

上記高調波成分は、狭帯域信号を用いた通信や狭帯域信号解析を行う場合にはミキサの出力を対象信号の帯域幅に相当する狭帯域のバンドパスフィルタに入力して、差周波数｜ｆ_Ｌ−ｆ_ＩＮ｜の成分だけを抽出することができるので大きな問題にはならない。

上記の例としては、例えば次の特許文献１に、入力信号をアナログ型のミキサで局発信号と混合し、そのミキサの出力を中間周波数帯通過フィルタに入力して、不要な信号成分を除去して入力信号の成分のみを抽出する受信装置が記載されている。

特開２００２−０９４４０８号公報

しかしながら、広帯域信号を用いた通信や広帯域信号解析処理を行う場合においては、入力信号が存在する高周波の比較的広い周波数領域を、その周波数領域と同じ幅でより低い周波数領域に変換する必要があり、上記のような狭帯域のバンドパスフィルタを用いることはできない。

このため、上記用途の場合、入力信号のレベルを低く制限し、ミキサの直線性のよい領域を用いる等の処理で上記した高調波成分を抑制していたが、現状では充分とは言えず、より高い通信品質や測定精度が要求される場合に大きな問題となっている。

図１０、図１１は、アナログ型のシングルミキサ（ＤＢＭ）に８８０ＭＨｚの入力信号と１０８０ＭＨｚのローカル信号と適正なレベルで与えたときの出力のスペクトラムを示すものであり、本来の差の周波数（２００ＭＨｚ）の成分に対して、その２倍の４００ＭＨｚおよび３倍の６００ＭＨｚの高調波成分が無視できないレベルで発生している。なお、図１０は、８８０ＭＨｚの入力信号がシングルキャリア信号の場合を示し、図１１は、８８０ＭＨｚの入力信号がデジタル変調信号等のマルチキャリアトーン信号の場合を示している。

本発明は、上記問題を解決し、ミキサの出力に現れる高調波成分を抑制することができる周波数変換器を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の周波数変換器は、
変換対象の入力信号を４分岐する分岐回路（３１）と、
所定周波数の第１ローカル信号と、該第１ローカル信号と同一周波数で位相がπ／３異なる第２ローカル信号と、前記第１ローカル信号と同一周波数で位相がπ／２異なる第３ローカル信号と、前記第１ローカル信号と同一周波数で位相が５π／６異なる第４ローカル信号とを出力する移相回路（３６）と、
前記分岐回路から出力された第１分岐信号と前記第１ローカル信号とを混合する第１ミキサ（３２）と、
前記分岐回路から出力された第２分岐信号と前記第２ローカル信号とを混合する第２ミキサ（３３）と、
前記分岐回路から出力された第３分岐信号と前記第３ローカル信号とを混合する第３ミキサ（３４）と、
前記分岐回路から出力された第４分岐信号と前記第４ローカル信号とを混合する第４ミキサ（３５）と、
前記第１ミキサの出力信号と、第２ミキサの出力信号と、第３ミキサの出力信号と、第４ミキサの出力信号とを加算合成する合成器（３７）とを備えている。

本発明の請求項１の周波数変換器では、基準位相のものに対し、π／３、π／２、５π／６位相が異なる４相のローカル信号を用いてミキシングして合波しているので、２倍と３倍の高調波成分を同時に抑圧できる。

本発明の実施形態の構成図 実施形態の出力スペクトラム図 実施形態の出力スペクトラム図 本発明の別の実施形態の構成図 図４の実施形態の出力スペクトラム図 図４の実施形態の出力スペクトラム図 本発明の別の実施形態の構成図 図７の実施形態の出力スペクトラム図 図７の実施形態の出力スペクトラム図 従来のシングルミキサの出力スペクトラム図 従来のシングルミキサの出力スペクトラム図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した周波数変換器２０の構成を示している。

この周波数変換器２０は、２次の高調波歪を抑圧するように構成されたものであり、変換対象の入力信号ＲＦ（ｔ）を分岐回路２１により２分岐（同相分岐）し、その一方の第１分岐信号ＲＦ１（ｔ）を第１ミキサ２２に入力し、他方の第２分岐信号ＲＦ２（ｔ）を第２ミキサ２３に入力する。

一方、周波数変換のために用いる所定周波数ｆ_LOのローカル信号ＬＯは移相回路２５に入力され、移相回路２５からは、周波数ｆ_LOの基準位相（例えば入力するローカル信号ＬＯと同一位相）の第１ローカル信号ＬＯ１と、第１ローカル信号ＬＯ１と同一周波数で位相がπ／２異なる第２ローカル信号ＬＯ２とが出力される。

なお、ここでは移相回路２５として単一の移相器２５ａを用いてローカル信号をπ／２移相する構成を示しているが、その具体的な構成は任意であり、例えばローカル信号ＬＯをπ／４移相する移相器と−π／４移相する移相器に入力して、π／２位相が異なる２つのローカル信号ＬＯ１、ＬＯ２を出力してもよい。

第１ミキサ２２は、第１分岐信号ＲＦ１（ｔ）と第１ローカル信号ＬＯ１とを混合し、第２ミキサ２３は、第２分岐信号ＲＦ２（ｔ）と第２ローカル信号ＬＯ２とを混合する。これらのミキサ２２、２３は、例えば４つのダイオードと２つのトランスからなるパッシブ型のＤＢＭ（Double Balanced Mixer）により構成されている。

そして第１ミキサ２２の出力信号ＩＦ１と第２ミキサの出力信号ＩＦ２は合成器２７により加算合成される。

次に、上記構成の周波数変換器２０による高調波歪の抑圧原理について説明する。
上記ＤＢＭ型のミキサの場合、通常、内部のダイオードをローカル信号によりスイッチングさせることで、周波数変換を行っており、そのローカル信号を矩形波とすると、以下のようにフーリエ級数で表される。

ＬＯ
＝（４／π）Σ_ｋ｛［１／（２ｋ−１）］sin［２π（２ｋ−１）ｆ_LOｔ］｝
……（１）
ただし、記号Σ_ｋは、ｋが１〜∞までの総和を表す（以下同様）。

ＤＢＭの出力ＩＦは、入力信号ＲＦと上記式（１）との積によって表わすことができるので、以下のようになる。

ＩＦ(t)＝ＲＦ(t)・ＬＯ
＝sin２πｆ_RF
t・（４／π）Σ_ｋ｛［１／（２ｋ−１）］
・sin［２π（２ｋ−１）ｆ_LOｔ］｝
＝（４／π）Σ_ｋ｛［１／（２ｋ−１）］sin（２πｆ_RF t）
・sin［２π（２ｋ−１）ｆ_LOｔ］｝
＝（２／π）Σ_ｋ｛［１／（２ｋ−１）］
・［−cos（２π（（２ｋ−１）ｆ_LO＋ｆ_RF））ｔ
＋cos（２π（（２ｋ−１）ｆ_LO−ｆ_RF））ｔ］｝ ……（２）

ここで、和の周波数（ｆ_LO＋ｆ_RF）の成分は無視し、３次（ｋ＝２）までの項を用いるとすれば、式（２）は次のようになる。

ＩＦ(t)＝ＲＦ(t)・ＬＯ
＝（２／π）｛cos（２πｆ_IFｔ）
＋（１／３）cos［２π（３ｆ_LO−ｆ_RF）ｔ］｝ ……（３）

次に、ミキサの非線形特性を以下の式で近似する。
ｙ＝ａｘ＋ｂｘ^２＋ｃｘ^３ ……（４）

上記式（３）の第２項は周波数が（３ｆ_LO−ｆ_RF）の成分で非常に高いので無視するとして、式（４）を上記式（３）の第１項に適用すると、以下のようになる。

ＩＦ′(t)＝ａ［ＩＦ(t)］＋ｂ［ＩＦ(t)］^２＋ｃ［ＩＦ(t)］^３
＝（２ａ／π）cos（２πｆ_IFｔ）
＋（２ｂ／π）［cos（２πｆ_IFｔ）］^２
＋（２ｃ／π）［cos（２πｆ_IFｔ）］^３
＝［（４ａ＋３ｃ）／２π］cos（２πｆ_IFｔ）
＋（ｂ／π）cos（４πｆ_IFｔ）
＋（ｃ／２π）cos（６πｆ_IFｔ）＋ｂ／π ……（５）

上記式（５）からわかるように、非線形特性を持つミキサの出力ＩＦには、入力信号ＲＦとローカル信号ＬＯの差の周波数ｆ_IFの成分と、その２倍、３倍の高調波成分が発生することわかる。ここでは、式（４）において３乗の項まで定義したがそれ以上の項も存在することになり、２以上の整数倍の高調波成分が発生する。

上記の原理により発生する高調波成分に対し、上記実施形態の第１ミキサ２２の出力ＩＦ１および第２ミキサ２３の出力ＩＦ２は、第１ローカル信号ＬＯ１と第２ローカル信号ＬＯ２の位相差をφとすると、以下のように表される。

ＩＦ１＝（１／２）｛［（４ａ＋３ｃ）／２π］cos（２πｆ_IFｔ）
＋（ｂ／π）cos（４πｆ_IFｔ）
＋（ｃ／２π）cos（６πｆ_IFｔ）＋ｂ／π｝ ……（６）

ＩＦ２＝（１／２）｛［（４ａ＋３ｃ）／２π］cos（２πｆ_IFｔ−φ）
＋（ｂ／π）cos（４πｆ_IFｔ−２φ）
＋（ｃ／２π）cos（６πｆ_IFｔ−３φ）＋ｂ／π｝ ……（７）

よって、合成器２７の出力ＩＦ０は、以下のようになる。

ＩＦ０＝ＩＦ１＋ＩＦ２
＝［（４ａ＋３ｃ）／２π］cos（φ／２）・cos（２πｆ_IFｔ）
＋（ｂ／π）cosφ・cos（４πｆ_IFｔ）
＋（ｃ／２π）cos（３φ／２）・cos（６πｆ_IFｔ）
＋ｂ／π ……（８）

上記式（８）で、前記実施形態のように、第１ローカル信号ＬＯ１と第２ローカル信号ＬＯ２の位相差φをπ／２とすると、第２項目の２倍の高調波成分がゼロとなり、目的信号に最も近い高調波成分を除去することができる。

図２は、前記図１０の測定条件（シングルキャリア）と同一条件で上記実施形態の出力信号のスペクトラム特性を示している。また、図３は、前記図１１の測定条件（マルチキャリア）と同一条件で上記実施形態の出力信号のスペクトラム特性を示している。

図２、図３から明らかなように、２００ＭＨｚの目的信号に対して、２倍の４００ＭＨｚの高調波成分はノイズレベル以下に抑圧されていることが判る。

上記実施形態は、第１ローカル信号ＬＯ１と第２ローカル信号ＬＯ２の位相差φをπ／２にしたものであるが、式（８）において位相差φをπ／３にすると、第３項目の３倍の高調波成分がゼロとなことが判る。

図４に示す周波数変換器２０′は、移相回路２５の移相器２５ａにより、第１ローカル信号ＬＯ１と第２ローカル信号ＬＯ２の位相差φをπ／３にして第１ミキサ２２と第２ミキサ２３に与えて、出力信号ＩＦ０に含まれる３倍の高調波成分を除去するものである。

図５は、前記図１０の測定条件（シングルキャリア）と同一条件で上記図４の実施形態の出力信号のスペクトラム特性を示している。また、図６は、前記図１１の測定条件（マルチキャリア）と同一条件で上記図４の実施形態の出力信号のスペクトラム特性を示している。

図５、図６から明らかなように、２００ＭＨｚの目的信号に対して、３倍の６００ＭＨｚの高調波成分はノイズレベル以下に抑圧されていることが判る。

図１に示した実施形態の周波数変換器２０と図４に示した周波数変換器２０′は、ミキサの非線形特性を決定する係数ｂ、ｃの大きさに応じて、選択的に用いることで出力に含まれる高調波成分を低減することができる。

即ち、２倍の高調波成分が３倍の高調波成分より大きい場合等には、図１のように、φ＝π／２の構成とし、逆に３倍の高調波成分が２倍の高調波成分より大きい場合等には、図４のように、φ＝π／３の構成とすればよい。

また、２倍と３倍の高調波成分をともに抑圧する場合、図７に示す周波数変換器３０が有効である。この周波数変換器３０では、変換対象の入力信号ＲＦを分岐回路３１により４分岐（同相分岐）し、その第１分岐信号ＲＦ１を第１ミキサ３２へ与え、第２分岐信号ＲＦ２を第２ミキサ３３へ与え、第３分岐信号ＲＦ３を第３ミキサ３４へ与え、第４分岐信号ＲＦ４を第４ミキサ３５に与える。なお、これら４つのミキサ３２〜３５は、前記実施形態と同様のＤＢＭにより構成されているものとする。

一方、移相回路３６は、所定周波数ｆ_LOのローカル信号ＬＯを受け、そのローカル信号ＬＯと同一周波数で位相が異なる４相のローカル信号ＬＯ１〜ＬＯ４を生成し、各ミキサ３２〜３５にそれぞれ与える。

ここで、第１ローカル信号ＬＯ１を基準位相（ここではローカル信号ＬＯと同一位相としている）とし、その基準位相に対し、第２ローカル信号ＬＯ２の位相はπ／２だけ遅れ、第３ローカル信号ＬＯ３の位相はπ／３だけ遅れ、第４ローカル信号ＬＯ４の位相は、５π／６［＝（π／２）＋（π／３）］だけ遅れているものとする。

このような４相のローカル信号ＬＯ１〜ＬＯ４の生成方法は任意であるが、この実施形態では、ローカル信号ＬＯを３分岐し、その一つを第１ローカル信号ＬＯ１として第１ミキサ３２に与え、別の一つを移相器３６ａによりπ／２だけ遅延してこれを第２ローカル信号ＬＯ２として第２ミキサ３３に与える。

また、さらに別の一つを移相器３６ｂによりπ／３だけ遅延し、それを２分岐して、その一方を第３ローカル信号ＬＯ３として第３ミキサ３４に与え、他方を移相器３６ｃによりπ／２だけ遅延（最終的にローカル信号ＬＯ１から５π／６だけ遅延）し、これを第４ローカル信号ＬＯ４として第４ミキサ３５に与える。

各ミキサの出力ＩＦ１〜ＩＦ４は、合成器３７により加算合成される。
ここで、前記同様に第１ローカル信号ＬＯ１と第２ローカル信号ＬＯ２との位相差および第３ローカル信号ＬＯ３と第４ローカル信号ＬＯ４との位相差をφとし、第１ローカル信号ＬＯ１と第３ローカル信号ＬＯ３との位相差および第２ローカル信号ＬＯ２と第４ローカル信号ＬＯ４との位相差をθとしたとき、第１ミキサ３２の出力ＩＦ１と第２ミキサ３３の出力ＩＦ２の和は次のようになる。

ＩＦ１＋ＩＦ２
＝（１／２）｛［（４ａ＋３ｃ）／２π］
・cos（φ／２）・cos（２πｆ_IFｔ）
＋（ｂ／π）cosφ・cos（４πｆ_IFｔ）
＋（ｃ／２π）cos（３φ／２）・cos（６πｆ_IFｔ）
＋ｂ／π｝ ……（９）

同様に、第３ミキサ３４の出力ＩＦ３と第４ミキサ３５の出力ＩＦ４の和は、次のようになる。

ＩＦ３＋ＩＦ４
＝（１／２）｛［（４ａ＋３ｃ）／２π］
・cos（φ／２）・cos（２πｆ_IFｔ−θ）
＋（ｂ／π）cosφ・cos（４πｆ_IFｔ−２θ）
＋（ｃ／２π）cos（３φ／２）・cos（６πｆ_IFｔ−３θ）
＋ｂ／π｝ ……（１０）

よって、全ミキサの出力の加算結果ＩＦ０は、以下のようになる。

ＩＦ０＝ＩＦ１＋ＩＦ２＋ＩＦ３＋ＩＦ４
＝［（４ａ＋３ｃ）／２π］
・cos（φ／２）・cos（θ／２）・cos（２πｆ_IFｔ）
＋（ｂ／π）cosφ・cosθ・cos（４πｆ_IFｔ）
＋（ｃ／２π）cos（３φ／２）・cos（３θ／２）・cos（６πｆ_IFｔ）
＋ｂ／π ……（１１）

上記式（１１）で、図７の実施形態のように、φ＝π／２、θ＝π／３にすれば、第２項の２倍の高調波成分と第３項の３倍の高調波成分とがともに０となり、両高調波成分を同時に除去することができる。

図８は、前記図１０の測定条件（シングルキャリア）と同一条件で上記図７の実施形態の出力信号のスペクトラム特性を示している。また、図９は、前記図１１の測定条件（マルチキャリア）と同一条件で上記図７の実施形態の出力信号のスペクトラム特性を示している。

図８、図９から明らかなように、２００ＭＨｚの目的信号に対して、２倍の４００ＭＨｚの高調波成分と３倍の６００ＭＨｚの高調波成分がともにノイズレベル以下に抑圧されていることが判る。

なお、上記式（１１）で、φ＝π／３、θ＝π／２にしても第２項の２倍の高調波成分と第３項の３倍の高調波成分がともに０となり、両高調波成分を同時に除去することができる。これは移相器３６ａ、３６ｃをπ／２移相器とし、移相器３６ｂをπ／３移相器にすることと等価である。

また、図７に示した回路構成から明らかなように、各ミキサ３２〜３５への入力信号ＲＦ１〜ＲＦ４はもとの入力信号ＲＦを同相分岐したものであり、合成器３７も各ミキサの出力を単純に加算合成するものであるから、４相のローカル信号ＬＯ１〜ＬＯ４をどのミキサに入力しても全体の動作条件は変わらない。

結局、前記したように、一つを基準位相にして、π／３、π／２、５π／６の位相差をもつ４相のローカル信号ＬＯ１〜ＬＯ４を４つのミキサに任意の組合せで与えれば、各ミキサの出力の合成結果は、上記式（１１）で、２倍と３倍の高調波成分が除去されたものになる。

２０、２０′、３０……周波数変換器、２１、３１……分岐回路、２２、２３、３２〜３５……ミキサ、２５、３６……移相回路、２７、３７……合成回路

Claims (1)

1. 変換対象の入力信号を４分岐する分岐回路（３１）と、
   所定周波数の第１ローカル信号と、該第１ローカル信号と同一周波数で位相がπ／２異なる第２ローカル信号と、前記第１ローカル信号と同一周波数で位相がπ／３異なる第３ローカル信号と、前記第１ローカル信号と同一周波数で位相が５π／６異なる第４ローカル信号とを出力する移相回路（３６）と、
   前記分岐回路から出力された第１分岐信号と前記第１ローカル信号とを混合する第１ミキサ（３２）と、
   前記分岐回路から出力された第２分岐信号と前記第２ローカル信号とを混合する第２ミキサ（３３）と、
   前記分岐回路から出力された第３分岐信号と前記第３ローカル信号とを混合する第３ミキサ（３４）と、
   前記分岐回路から出力された第４分岐信号と前記第４ローカル信号とを混合する第４ミキサ（３５）と、
   前記第１ミキサの出力信号と、第２ミキサの出力信号と、第３ミキサの出力信号と、第４ミキサの出力信号とを加算合成する合成器（３７）とを備えた周波数変換器。

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