JP5077147B2

JP5077147B2 - 信号生成装置

Info

Publication number: JP5077147B2
Application number: JP2008214331A
Authority: JP
Inventors: 陽一川野
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: JP2010050829A

Description

本発明は、信号生成装置に関する。

ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）は、広い周波数帯域の電波を利用して高速な無線通信を行う技術である。インパルス通信方式は、通常の無線通信のように変調を行うのではなく、インパルス信号を直接送信する。この方式には、低コストで消費電力が小さいという利点がある。

Y. Kawano et al., "An RF Chipset for Impulse Radio UWB Using 0.13 μm InP-HEMT Technology", IEEE MTT-Int. Microwave Symp. Dig., pp.316-319, June 2006.

本発明の目的は、ウルトラワイドバンド送信パルス信号を効率よく生成することができる信号生成装置を提供することである。

本発明の信号生成装置は、複数のパルス列のバーストパルスと第１の時間幅の包絡線信号とを乗算した信号をウルトラワイドバンド送信パルス信号として生成する乗算回路と、前記乗算回路の出力信号に対して遅延した遅延信号を出力する遅延回路と、前記乗算回路に接続され、前記包絡線信号に応じて抵抗値が変化する可変抵抗とを有し、前記乗算回路は、前記第１の時間幅の矩形波信号と前記遅延信号とを乗算することにより、前記ウルトラワイドバンド送信パルス信号を生成することを特徴とする。

信号をフィルタリングして不要成分を除去することによりウルトラワイドバンド送信パルス信号を生成するのではなく、ウルトラワイドバンド送信パルス信号を直接生成するので、ウルトラワイドバンド送信パルス信号を効率よく生成することができ、出力パワーを向上させることができる。

（参考技術）
図１（Ａ）はウルトラワイドバンド送信パルス信号生成装置の構成を示すブロック図であり、図１（Ｂ）はバンドパスフィルタ１０２の通過周波数帯域を示す図である。以下、ウルトラワイドバンドをＵＷＢという。インパルス発生器１０１は、データの有無を示すクロック信号ＣＫ１に応じてインパルスを生成する。例えば、インパルス発生器１０１は、データが「１」のときにインパルスを生成し、データが「０」のときにはインパルスを生成しない。バンドパスフィルタ１０２は、インパルスに対して所定の周波数帯域の信号のみを通過させる。図１（Ｂ）において、周波数スペクトル１１１は、インパルス発生器１０１が生成するインパルスの周波数スペクトルである。周波数スペクトル１１２は、バンドパスフィルタ１０２の通過周波数帯域ｆ０〜ｆ１を示し、中心周波数がｆｃである。バンドパスフィルタ１０２を使用することにより、ＵＷＢで使用可能な周波数帯域に制限する。バンドパスフィルタ１０２の出力信号は、アンテナ１０３を介して、ＵＷＢ送信パルス信号ＴＰとして無線送信される。

ＵＷＢ送信パルス信号ＴＰは、極めて広い信号帯域を持つインパルスを、所望のＵＷＢ帯域となるよう設計されたバンドパスフィルタ１０２に通すことで得られる。この場合、インパルスの持つ信号スペクトルのうち、バンドパスフィルタ１０２の帯域外の成分は全て不要信号として切り捨てられてしまうため、エネルギー効率が悪い。

また、インパルス発生器１０１の出力側にバンドパスフィルタ１０２を設けるため、バンドパスフィルタ１０２の通過帯域の信号に対しても、バンドパスフィルタ１０２の挿入損失が生じる。その挿入損失が大きい場合は、そこでもＵＷＢ送信パルス信号ＴＰの出力パワーが劣化してしまう。

例えば、ＵＷＢ帯域として２３〜２９ＧＨｚの準ミリ波帯を仮定した場合、インパルスの帯域がＤＣ〜２９ＧＨｚであり、バンドパスフィルタ１０２の帯域が２３〜２９ＧＨｚの急峻なものであるとする。その場合、出力されるＵＷＢ送信パルス信号ＴＰのパワーは、大元となるインパルスのパワーに対して、（２９−２３）／２９となり、約１／５程度にまで低減する。これにバンドパスフィルタ１０２の挿入損失が加われば、ＵＷＢ送信パルス信号ＴＰのパワーはさらに低下してしまう。

（第１の実施形態）
図２（Ａ）は本発明の第１の実施形態によるＵＷＢ送信パルス信号生成装置の構成例を示すブロック図であり、図２（Ｂ）は本実施形態の包絡線信号ＥＮ及びＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴを示す波形図であり、図２（Ｃ）は乗算回路２０１の構成例を示す回路図である。例えば、ＵＷＢ送信パルス信号生成装置は、ＵＷＢインパルス方式に基づいた近距離レーダ及び通信に用いられる。

まず、図２（Ａ）のＵＷＢ送信パルス信号生成装置について説明する。乗算回路２０１は、複数のパルス列のバーストパルスＣＫと包絡線信号ＥＮとを乗算することにより、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴを生成する。ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴは、アンテナ２０２を介して無線送信される。

データ「１」及び「０」を表現するには、包絡線信号ＥＮ又はバーストパルスＣＫにより制御することができる。例えば、データ「１」のときには包絡線信号ＥＮが入力され、データ「０」のときには包絡線信号ＥＮの代わりにローレベル信号が入力される。また、データ「１」のときにはバーストパルスＣＫが入力され、データ「０」のときにはバーストパルスＣＫの代わりにローレベル信号が入力される。

次に、図２（Ｃ）の乗算回路２０１の構成を説明する。包絡線信号ＥＮＮは包絡線信号ＥＮの反転信号であり、包絡線信号ＥＮ及びＥＮＮは相互に反転した差動信号である。バーストパルスＣＫＮはバーストパルスＣＫの反転信号であり、バーストパルスＣＫ及びＣＫＮは相互に反転した差動信号である。ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴＮはＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴの反転信号であり、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴ及びＯＵＴＮは相互に反転した差動信号である。

可変抵抗２１８は、基準電位（例えばグランド電位）ノード及びＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴＮのノード間に接続される。可変抵抗２１９は、基準電位ノード及びＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴのノード間に接続される。以下、ｎチャネル電界効果トランジスタを単にトランジスタという。

トランジスタ２１１は、ドレインがＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴＮのノードに接続され、ゲートが包絡線信号ＥＮのノードに接続され、ソースがノードＮ１に接続される。トランジスタ２１２は、ドレインがＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴのノードに接続され、ゲートが包絡線信号ＥＮＮのノードに接続され、ソースがノードＮ１に接続される。トランジスタ２１５は、ドレインがノードＮ１に接続され、ゲートがバーストパルスＣＫＮのノードに接続され、ソースがノードＮ３に接続される。

トランジスタ２１３は、ドレインがＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴＮのノードに接続され、ゲートがローレベル直流バイアス電圧のノードに接続され、ソースがノードＮ２に接続され、常時オフである。トランジスタ２１４は、ドレインがＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴのノードに接続され、ゲートがハイレベル直流バイアス電圧のノードに接続され、ソースがノードＮ２に接続され、常時オンである。トランジスタ２１６は、ドレインがノードＮ２に接続され、ゲートがバーストパルスＣＫのノードに接続され、ソースがノードＮ３に接続される。トランジスタ２１７は、ドレインがノードＮ３に接続され、ゲートが包絡線信号ＥＮのノードに接続され、ソースが電源電圧（例えば負電源電圧）ノードに接続される。

可変抵抗２１８及び２１９の抵抗値を変えることにより、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴ，ＯＵＴＮの振幅を制御することができる。

ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴは、時間軸上に表現すると、図２（Ｂ）に示すように、ある一定期間のみ振動するバーストパルスとなる。このとき、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴのピーク値をトレースした包絡線の信号ＥＮは、図２（Ｂ）に示すようななだらかな立ち上がり及び立ち下がり曲線となっていることが望ましい。そのような包絡線信号ＥＮは、矩形の包絡線に比べ、受信レベルに応じてパルス受信時間が短くなるので、受信分解能を向上させることができる。

本実施形態では、この包絡線の中に含まれる振幅の異なる１つ１つのパルスを、乗算回路２０１で乗算することにより直接生成することができる。

（第２の実施形態）
図３（Ａ）は本発明の第２の実施形態によるＵＷＢ送信パルス信号生成装置の構成例を示すブロック図であり、図３（Ｂ）は低域通過フィルタ３０２の通過周波数帯域を示す図であり、図４（Ａ）は本実施形態のＵＷＢ送信パルス信号生成装置の動作を説明するためのタイミングチャートであり、図４（Ｂ）はＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴの中心周波数ｆｃ及び帯域幅Ｂｗを示す図である。

ＵＷＢ送信パルス信号生成装置は、レベルシフト回路３０１、低域通過フィルタ３０２、バーストパルス生成回路３０３及びトランジスタ（抵抗）２１８，２１９を有する。本実施形態（図３（Ａ））は、第１の実施形態（図２（Ｃ））に対して、レベルシフト回路３０１、低域通過フィルタ３０２及び遅延回路３０４を追加したものである。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。トランジスタ２１８及び２１９は、図２（Ｃ）の可変抵抗２１８及び２１９に対応する。

矩形波信号ＩＮは、第１の時間幅Ｔの矩形波信号である。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第１の時間幅Ｔは、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴの周波数帯域幅Ｂｗの逆数である。すなわち、Ｔ＝１／Ｂｗである。矩形波信号ＩＮＮは矩形波信号ＩＮの反転信号であり、矩形波信号ＩＮ及びＩＮＮは相互に反転した差動信号である。レベルシフト回路３０１は、ダイオード３０５〜３１０及び抵抗３１１，３１２を有する。

抵抗３１１は、基準電位（例えばグランド電位）ノード及び矩形波信号ＩＮのノード間に接続される。ダイオード３０５は、アノードが矩形波信号ＩＮのノードに接続され、カソードがトランジスタ２１１のゲートに接続される。ダイオード３０６は、アノードがトランジスタ２１１のゲートに接続され、カソードがトランジスタ２１７のゲートに接続される。ダイオード３０７は、アノードがトランジスタ２１７のゲートに接続され、カソードが電源電圧（例えば負電源電圧）ノードに接続される。

抵抗３１２は、基準電位ノード及び矩形波信号ＩＮＮのノード間に接続される。ダイオード３０８は、アノードが矩形波信号ＩＮＮのノードに接続され、カソードがトランジスタ２１２のゲートに接続される。ダイオード３０９は、アノードがトランジスタ２１２のゲートに接続され、カソードがダイオード３１０のアノードに接続される。ダイオード３１０のカソードは、電源電圧ノードに接続される。

レベルシフト回路３０１は、電圧のレベルシフトを行い、トランジスタ２１１，２１２，２１７の動作点電圧を生成する。

低域通過フィルタ３０２は、図３（Ｂ）に示すように、第１の時間幅Ｔの矩形波信号ＩＮＮに対してＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴの周波数帯域幅Ｂｗの低域のみを通過させることにより包絡線信号ＥＮＮを生成する。包絡線信号ＥＮＮは、図２（Ｃ）の包絡線信号ＥＮＮに対応し、図２（Ｂ）の包絡線信号ＥＮの反転信号である。

トランジスタ２１８は、ドレインが基準電位ノードに接続され、ゲートが包絡線信号ＥＮＮのノードに接続され、ソースがＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴＮのノードに接続される。トランジスタ２１９は、ドレインが基準電位ノードに接続され、ゲートが包絡線信号ＥＮＮのノードに接続され、ソースがＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴのノードに接続される。トランジスタ２１８及び２１９は、包絡線信号ＥＮＮの電圧が高くなれば抵抗が低くなり、包絡線信号ＥＮＮの電圧が低くなれば抵抗が高くなる。すなわち、トランジスタ２１８及び２１９は、包絡線信号ＥＮＮに応じて抵抗値が変化する可変負荷抵抗である。

トランジスタ２１１〜２１７は、図２（Ｃ）の説明と同様である。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。遅延回路３０４は、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴ及びＯＵＴＮをそれぞれ遅延時間τ遅延させてトランジスタ２１６及び２１５のゲートに出力する。

図４（Ａ）において、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴ１は、トランジスタ２１８及び２１９のゲートに直接、矩形波信号ＩＮＮを入力したときのＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴを示す。この場合、第１の時間幅Ｔにおいて、トランジスタ２１８及び２１９の負荷抵抗値は一定である。

矩形波信号ＩＮがハイレベルであるとき、トランジスタ２１７がオンし、バーストパルス生成回路３０３は、発振し、バーストクロックのＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴを出力する。逆に、矩形波信号ＩＮがローレベルであるとき、トランジスタ２１７がオフし、バーストパルス生成回路３０３は、発振を停止する。

ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴのバーストパルスのパルス幅τは、図４（Ｂ）に示すようにＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴの周波数帯域の中心周波数ｆｃに対して、２×τ＝１／ｆｃの関係を有する。パルス幅τは、遅延回路３０４の遅延時間τと同じである。

ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴは、包絡線信号ＥＮＮが小さいほど（トランジスタ２１８及び２１９の負荷抵抗が高いほど）、大きくなり、包絡線信号ＥＮＮが大きいほど（トランジスタ２１８及び２１９の負荷抵抗が低いほど）、小さくなる。ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴは、図２（Ａ）と同様に、アンテナ２０２を介して無線送信される。

本実施形態は、第１の実施形態と同様に、複数のパルス列のバーストパルスＯＵＴ１と第１の時間幅Ｔの包絡線信号ＥＮ（ＥＮＮ）とを乗算した信号をＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴとして生成する乗算回路を有する。

バーストパルス生成回路３０３は、ギルバートセル型の乗算（論理積）回路を有し、その出力信号ＯＵＴ及びＯＵＴＮを遅延時間τの遅延回路３０４を介して、トランジスタ２１６及び２１５のゲートにフィードバックしている。また、矩形波信号ＩＮ及びＩＮＮは差動信号であり、レベルシフトダイオード３０５〜３１０を介して、バーストパルス生成回路３０３のトランジスタ２１１，２１２及び２１７に入力される。トランジスタ２１７は、電流源として作用するため、これがオンされた期間Ｔのみバーストパルス生成回路３０３がアクティブとなる。これにより、矩形波信号ＩＮがハイレベルである期間Ｔのみパルス幅τをもつバーストパルスを生成可能となる。

先に述べたように、バーストパルス１つ１つの振幅を、包絡線信号ＥＮ（ＥＮＮ）の包絡線に従って制御するために、バーストパルス生成回路３０３の負荷抵抗をトランジスタ２１８及び２１９で実現することで可変とする。このとき、トランジスタ２１８及び２１９への入力信号がなめらかな包絡線を描くよう、矩形波信号ＩＮＮは低域通過フィルタ３０２を介してトランジスタ２１８及び２１９に入力される。

図４（Ａ）において、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴを生成する上で必要となる信号は、第１の時間幅Ｔの矩形波信号ＩＮ，ＩＮＮ、それを低域通過フィルタ３０２に通すことで得られる滑らかな立ち上がり及び立ち下がりを持つ包絡線信号ＥＮＮ、さらにはパルス幅τで第１の時間幅Ｔ振動するバーストパルスＯＵＴ１の３つである。バーストパルスＯＵＴ１は、一定振幅で振動するパルス群であるため、これと、低域通過フィルタ３０２を通過させた包絡線信号ＥＮ（ＥＮＮ）とを掛け算させることで、最終的なＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴ，ＯＵＴＮが得られる。このとき、所望の周波数帯域の送信パルス信号ＯＵＴが出力されるよう、上記３つの信号に対して以下の３つの制約を設けることが必要となる。

（１）矩形波信号ＩＮの第１の時間幅Ｔは、所望のＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴのＵＷＢ帯域幅Ｂｗの逆数となるよう規定される。
（２）低域通過フィルタ３０２の帯域幅は、所望のＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴのＵＷＢ帯域幅Ｂｗと同じであるよう決める。
（３）バーストパルス信号ＯＵＴ１のパルス幅τは、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴの中心周波数ｆｃに対して、２×τ＝１／ｆｃとする。

ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴは、第１の時間幅Ｔのみ振動するバーストパルスである。したがって、第１の時間幅Ｔのみ振動するバーストパルスを直接生成すれば、出力側にバンドパスフィルタ１０２（図１（Ａ））を設けることなく、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴを生成及び出力することができる。

本実施形態は、これを実現するために、第１の時間幅Ｔのみ振動するバーストパルスＯＵＴ１と、包絡線信号ＥＮ（ＥＮＮ）を乗算する。このとき、バーストパルスＯＵＴ１の振動周波数は所望のＵＷＢ帯域の中心周波数ｆｃに、包絡線信号ＥＮの時間幅ＴをＵＷＢ帯域幅Ｂｗの逆数に選ぶ。さらに、包絡線信号ＥＮ（ＥＮＮ）の立ち上がり及び立ち下がりをなめらかにするために、急峻な立ち上がり及び立ち下がり特性をもつ矩形波信号（通常、デジタル回路により生成される信号は矩形波信号となる）ＩＮ（ＩＮＮ）を低域通過フィルタ３０２に通す。低域通過フィルタ３０２の通過周波数帯域は、所望のＵＷＢ帯域幅Ｂｗと同じになるよう選ぶ。

図１（Ａ）の装置では、信号源となるインパルス発生器１０１の出力の約１／５程度の振幅をもったＵＷＢ送信パルス信号ＴＰしか得られない。これは、インパルス信号の周波数スペクトルの一部分のみをバンドパスフィルタ１０２により切り出しているためである。

これに対して、第１及び第２の実施形態明は、信号の一部分のみを取り出すような操作はしておらず、包絡線信号内のパルス１つ１つを直接生成している。したがって、上記のような出力パワーの低下はない。第１及び第２の実施形態の効果としては、出力パワーとして図１（Ａ）の装置に比べ、５倍超が期待できる。

以上のように、第１及び第２の実施形態のＵＷＢ送信パルス信号生成装置は、複数のパルス列のバーストパルスＣＫ（ＯＵＴ１）と第１の時間幅Ｔの包絡線信号ＥＮとを乗算した信号をＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴとして生成する乗算回路を有する。

バーストパルスのパルス幅τは、ＵＷＢ送信パルス信号の周波数帯域の中心周波数ｆｃに対して、２×τ＝１／ｆｃの関係を有する。第１の時間幅Ｔは、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴの周波数帯域幅Ｂｗの逆数である。

第１の実施形態では、乗算回路２０１は、バーストパルスＣＫと包絡線信号ＥＮとを乗算することにより、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴを生成する。

第２の実施形態では、低域通過フィルタ３０２は、第１の時間幅Ｔの矩形波信号ＩＮ（ＩＮＮ）に対してＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴの周波数帯域幅Ｂｗの低域のみを通過させることにより包絡線信号ＥＮ（ＥＮＮ）を生成する。

遅延回路３０４は、乗算回路２０１の出力信号ＯＵＴ，ＯＵＴＮに対して遅延した遅延信号を出力する。可変抵抗（トランジスタ）２１８及び２１９は、乗算回路２０１に接続され、包絡線信号ＥＮ（ＥＮＮ）に応じて抵抗値が変化する。乗算回路２０１は、第１の時間幅Ｔの矩形波信号ＩＮ，ＩＮＮと前記遅延信号とを乗算することにより、ＵＷＢ送信パルス信号ＯＵＴ，ＯＵＴＮを生成する。

以上のように、第１及び第２の実施形態によれば、信号をフィルタリングして不要成分を除去することによりＵＷＢ送信パルス信号を生成するのではなく、ＵＷＢ送信パルス信号を直接生成するので、ＵＷＢ送信パルス信号を効率よく生成することができ、出力パワーを向上させることができる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

図１（Ａ）はＵＷＢ送信パルス信号生成装置の構成を示すブロック図であり、図１（Ｂ）はバンドパスフィルタの通過周波数帯域を示す図である。図２（Ａ）は本発明の第１の実施形態によるＵＷＢ送信パルス信号生成装置の構成例を示すブロック図であり、図２（Ｂ）は本実施形態の包絡線信号及びＵＷＢ送信パルス信号を示す波形図であり、図２（Ｃ）は乗算回路の構成例を示す回路図である。図３（Ａ）は本発明の第２の実施形態によるＵＷＢ送信パルス信号生成装置の構成例を示すブロック図であり、図３（Ｂ）は低域通過フィルタの通過周波数帯域を示す図である。図４（Ａ）は本発明の第２の実施形態のＵＷＢ送信パルス信号生成装置の動作を説明するためのタイミングチャートであり、図４（Ｂ）はＵＷＢ送信パルス信号の中心周波数及び帯域幅を示す図である。

符号の説明

２０１乗算回路
２０２アンテナ
３０１レベルシフト回路
３０２低域通過フィルタ
３０３バーストパルス生成回路
３０４遅延回路

Claims

複数のパルス列のバーストパルスと第１の時間幅の包絡線信号とを乗算した信号をウルトラワイドバンド送信パルス信号として生成する乗算回路と、
前記乗算回路の出力信号に対して遅延した遅延信号を出力する遅延回路と、
前記乗算回路に接続され、前記包絡線信号に応じて抵抗値が変化する可変抵抗とを有し、
前記乗算回路は、前記第１の時間幅の矩形波信号と前記遅延信号とを乗算することにより、前記ウルトラワイドバンド送信パルス信号を生成することを特徴とする信号生成装置。
前記バーストパルスのパルス幅τは、前記ウルトラワイドバンド送信パルス信号の周波数帯域の中心周波数ｆｃに対して、２×τ＝１／ｆｃの関係を有することを特徴とする請求項１記載の信号生成装置。
前記第１の時間幅は、前記ウルトラワイドバンド送信パルス信号の周波数帯域幅の逆数であることを特徴とする請求項１又は２記載の信号生成装置。
さらに、前記第１の時間幅の矩形波信号に対して前記ウルトラワイドバンド送信パルス信号の周波数帯域幅の低域のみを通過させることにより前記包絡線信号を生成する低域通過フィルタを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の信号生成装置。