JP5140236B2

JP5140236B2 - 信号処理技術

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Publication number: JP5140236B2
Application number: JP2005107085A
Authority: JP
Inventors: シュー，ドクター．ツァンピン; クラフト，ホルガー; モーラー，トビアス; フレイ，ジョチェン
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2004-04-05
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2025-04-04
Also published as: CN1680791B; JP2005338062A; EP1584905B1; EP1584905A3; US20050233722A1; DE102004016626A1; EP1584905A2; CN1680791A; US7574190B2

Description

本発明は、少なくとも２つの信号入力と少なくとも２つの電気信号出力とを有する混合器から出力される、少なくとも部分的には相関する２つの出力電流信号を処理する方法および電子回路に関する。

２つ以上の電気・光信号または電磁信号を混合可能であるとともに、複合電気信号を出力可能とした電子混合装置や光電混合装置については、従来技術として公知である。

一般的に、上記混合器の少なくとも２つの入力信号は、互いに相関関係にあり、この２つの入力信号が同じ変調周波数を有する場合は、ホモダイン信号混合と称される。混合する信号が相関信号成分のみからなる場合は、混合処理の結果として、相互間でのみ相関関係にある信号成分を有する出力信号が混合器の出力において得られる。

しかし、相関信号成分に加えて、無相関の信号成分を有する入力信号が１つ以上存在する場合が多く、１つの入力信号または入力信号の１箇所にのみ現れる信号成分、すなわち、他の入力信号の成分と相関関係にない信号成分により、混合器の出力信号において無相関の信号が寄与することになる。

出力信号の無相関信号成分の振幅は、相関信号成分と同程度の大きさ以上であることが多く、そのため、出力信号の無相関信号成分によって、下流側の信号処理装置のダイナミックレンジが制限されてしまうことが多い。極端な場合は、無相関信号成分によって上記信号処理装置のダイナミックレンジが狭くなってしまうことさえあり、その結果、相関混合信号をそれ以上処理できなくなってしまう。

混合器の出力電流信号の無相関信号成分を相関信号成分から遅延なしで分離可能とする方法や装置は、上記従来技術においては知られていない。

独国特許出願公開第１９８２１９７４Ａ１号明細書

この従来技術との比較により、本発明の目的は、混合器の出力信号の相関信号成分を無相関信号成分から遅延なしで分離可能とする方法、および装置および／または電子回路を提供することにある。

上記目的は、少なくとも２つの信号入力と少なくとも２つの電気信号出力とを有する混合器から出力される、少なくとも部分的には相関する少なくとも２つの出力電流信号を処理する方法であって、混合器の出力電流信号の差分を、出力電流信号の読み出し時に２つ一組で直接生成する方法を提供する本発明によって達成される。

少なくとも部分的には相関する少なくとも２つの混合器出力電流信号に関する処理方法を上記のように発展させることにより、混合器の出力電流信号間の差分を２つ一組で生成する際に、相関信号成分のみが差分信号に寄与することになるため都合がよい。これにより、無相関信号成分を混合器の１または複数の出力信号から効果的に分離することができる。

差分の生成時に得られる信号は、混合器の電流信号の相関信号成分を２倍したものに等しい。これにより、相関信号の処理に対して、上記信号処理装置のダイナミックレンジ全域を利用することが可能である。また、広い信号帯域にわたって無相関の信号成分を抑制することは、非常に有効なことである。

さらに、本発明の方法は、２つの出力および２の倍数個の出力を備えたすべての混合器に適用可能であるという利点を有する。

本発明によれば、混合器の各２つの出力に対する差分信号の生成は、事前に信号積分や多重スキャンを実施することなく、信号処理中に瞬間的すなわちリアルタイムで行われる。

出力信号処理のための上記方法は、入力信号が電気信号である電子混合装置と、入力信号のうち少なくとも１つが光信号または電磁信号である光電混合装置とのいずれにも適用可能である。

高周波技術で利用されるショットキーダイオード受信機は、上記のような混合装置の一例である。

上記特許文献１に開示されているいわゆる光混合装置（略してＰＭＤ）は、上記のような光電混合装置のその他の例である。この公知文献の開示内容については、本出願にすべて援用されている。

上記のような光混合装置は、入射電磁放射による電荷キャリアの生成が行われる感光材料を有しており、これら光子から生成される電荷キャリアは、光混合装置の変調ゲートに印加された電界中を移動する。ここで、電流信号の測定を行うが、変調ゲートと新たな読み出し電極またはゲートとのいずれにおいても、電流測定および／または電圧測定を実施可能である。強度変調入射電磁放射の位相および振幅を決定するための上記従来技術で公知の測定方法の場合は、光混合装置の変調ゲートに対して、入射電磁放射の強度変調と相関関係にある１つの振幅変調電圧信号、または、さらに位相が１８０°ずれた２つの振幅変調電圧信号を供給する必要がある。ここで、最も簡単な場合の「相関」とは、光混合装置のバイアス電圧と電磁放射それぞれの振幅変調または強度変調が同じ時間経過を有することを意味しており、光信号と電気信号の間の位相固定結合とも称される。これにより、電気信号を基準信号と称することもできる。また、読み出し電極を介して測定される電圧信号または電流信号は、生成電荷キャリア数と変調電圧または基準電圧の積の関数である。したがって、測定信号は、入射電磁波の強度および電磁波と基準電気信号間の位相差の関数である。なお、隣接する２つの光混合装置を用いて入射信号の直交成分を同時に測定する場合は、電磁波と基準電気信号間の位相差が直接得られる。ただし、基準信号の位相が２回の測定でそれぞれ９０°ずれている場合は、単一の光混合装置のみを用いて、直交成分を連続的に測定することも可能である。

本発明の別の態様として、上記混合器の読み出し電極をダイオードとして構成すれば特に好ましい。このような混合器では、各読み出し電極における電流の方向が、すべての読み出し電極に対して同じ１方向のみとなる。したがって、本発明の方法は、これらの混合器に適用すれば特に都合がよい。

上記混合器の２つの出力における差分を、その読み出し時に２つ一組で直接生成するために、好ましくは混合器出力のうち一方の電流信号を反転し、第２の出力信号とともに共通の加算点へ直接伝達することが可能である。

本発明の別の態様として、上記混合器の第１出力における電流信号の振幅を測定することとすれば特に好ましい。前述の光混合装置の場合は、一方の読み出し電極における信号ストリームの振幅を測定する。

次いで、上記混合器の第１出力および第２出力それぞれの電流信号の差分を生成可能とするために、第１出力の電流信号をその関数である電圧信号に変換する。電流信号の電圧信号への変換は、調節装置を用いて行われる。また、電圧信号の振幅は、この調節装置の電圧入力に印加される制御電圧を用いて調節される。

そして、好ましくは電圧電流変換器を用いて、上記電圧信号をその関数である電流信号に変換する。この電圧電流変換器を通って変換された電流信号は、第２混合器出力の電流信号と逆符号である。便宜上、電圧電流変換器の特性は、制御入力を介して制御可能であるものとする。

調節装置および電圧電流変換器の調節は、第１混合器出力の電流信号と電圧電流変換器を通って変換された電流信号とが同じ値を有するように行うこととすれば特に好ましい。これにより、無相関の信号成分は完全に抑制される。ただし、他の信号抑制度を設定することも可能である。

本発明の別の態様として、第２混合器出力の電流信号と、第１混合器出力の変換電流信号または反転電流信号とが第１加算点に伝達される構成とすれば特に好ましい。ここで、上記加算点の第３端子を通って流れる電流は、少なくとも部分的には相関する第１および第２混合器出力における２つの電流信号の差分に一致する。この差分信号は、混合器出力の相関信号成分を２倍したものに等しい。相関信号成分を無相関信号成分から分離するための本差分方法は、例えば生産技術に起因して混合器に生じ得る２つの信号経路間の不平衡による影響をほとんど受けないことからも都合がよい。

上記加算点通過後の電流信号の差分が積分されて電圧信号が生成される構成とすれば都合がよい。

本発明の別の態様として、上記加算点または積分器後段の信号処理装置において、上記差分信号がさらに処理される構成とすれば特に好ましい。

第１混合器出力の電圧信号に応じた２つの電流信号が生成される構成とすれば都合がよい。この生成は、例えば電圧電流変換器の第２出力または電圧電流変換器後段に追加したレプリケータを介して行うことができる。なお、このようにして生成された電流信号は、いずれも同じ振幅を有するものとする。上記２つの電流信号のうち一方のみが第２出力やレプリケータを通らずに第１加算点に積算される場合は、相関信号成分および無相関信号成分の合計の関数である電圧信号が得られる。この信号は、例えば混合システムの調節に用いられる。

本発明の別の態様として、上記２つの混合器出力における２つの電流信号の差分に加えて、その合計も生成される構成とすれば特に好ましい。

この目的のために、第１および第２混合器出力それぞれの電流信号を複製すれば都合がよい。各混合器出力の複製電流信号の一方は、第２加算点に伝達される。第２加算点における上記２つの電流信号は同じ符号を有するため、これら２つの電流信号の合計は、この加算点において直接生成される。合計信号が第２加算点後段においてさらに積分される場合は、第２加算点後段における２つの電流信号の合計に等しい電圧信号が得られる。

合計の生成時に、上記２つの電流信号の相関信号成分は、それぞれの寄与により相殺される一方、合計信号は、一方の電流信号の無相関信号による寄与を２倍したものに一致する。

装置に関して言えば、上記目的は、少なくとも２つの信号入力と少なくとも２つの電気信号出力とを有する混合器から出力される、少なくとも部分的には相関する少なくとも２つの出力電流信号を処理する電子回路であって、混合器の出力電流信号間の差分を２つ一組で生成する装置を有する電子回路を提供することによって達成される。

本発明の別の態様として、上記混合器の読み出し電極をダイオードとして構成すれば特に好ましい。このような混合器では、各読み出し電極における電流の方向が、すべての読み出し電極に対して同じ１方向のみとなる。したがって、このような混合器は、本発明の装置とともに作動させれば特に都合がよい。

本発明の電子回路は、第１混合器出力の電流信号を反転する装置を有し、この装置を第１混合器出力に接続して反転を行うように構成すれば都合がよい。

上記反転用の装置は、第１出力の電流信号をそれに応じた電圧信号に変換する装置を有し、この装置を混合器の第１出力に接続して変換を行うように構成すれば都合がよい。第１出力の電流信号をそれに応じた電圧信号に変換する上記装置としては、調節装置を用いることが可能であり、その特性は、電圧入力に印加される電圧によって制御可能である。また、反転電流信号を生成するために、電圧信号をそれに応じた電流信号に変換する電圧電流変換器を設ける。なお、この電圧電流変換器の電圧電流変換特性を調節可能なように構成すれば都合がよい。

上記電圧電流変換器の出力と上記混合器の第２出力が加算点に接続されているため、２つの電流信号の差分に一致する電流が加算点の第３端子を介して流れる。

電流の差分を積分して電圧信号を生成する積分器を上記加算点後段に設ける構成とすれば都合がよい。

本発明の別の態様として、上記電圧電流変換器が、上記混合器の第１出力の電流信号に比例する反転電流信号を出力する２つの出力を有する構成とすれば特に好ましい。

上記の代替として、電圧電流変換器の出力に電流レプリケータを接続することもできる。

上記２つの電流信号のうち一方を積分して電圧信号を生成する積分器を、上記電圧電流変換器の一方の出力または上記電流レプリケータの後段に設ける構成とすれば都合がよい。この積分電圧信号は、第１電流信号の相関信号成分および無相関信号成分の関数である。

本発明の別の態様として、２つの混合器出力の電流信号を合計する装置をさらに設けた構成とすれば特に好ましい。

上記のような装置は、混合器出力において２つの同一電流信号をそれぞれ生成する、混合器出力後段に設けたレプリケータによって実現可能である。それぞれの混合器出力における２つの電流信号のうち一方を第２加算点に接続する。この加算点の第３端子は、合計電流信号を積分して電圧信号を生成する積分器に接続する。

本発明の別の態様として、上記電子回路を集積回路で構成すれば特に好ましい。この集積回路は、例えば公知のシリコン技術において製造可能である。また、上記電子回路を電子混合素子または光電混合素子とともに１つの構成要素上に集積する構成とすれば都合がよい。さらに、差分および合計を生成する電子回路とともに、複数の混合素子を１つの構成要素上にそれぞれ集積する構成とすることもできる。これにより、例えばビデオ信号を記録する混合器を２次元に配置した高集積電子構成品が製造可能となる。なお、合計および差分を生成するため、画像素子とそれに関連する回路を形成する個々の混合器は集積させてある。

本発明のその他の特徴、利点、および利用可能性については、以下に示す好適な実施形態の説明および添付の図面を用いて明らかにする。

本発明に係る回路の概略構成を図１に示す。本実施例において、混合器１は、２つの信号入力２、３および２つの信号出力Ａ、Ｂを有する。

また、本実施例において、入力信号Ｓ１は電磁波である一方、入力信号Ｓ２は基準電気信号である。

このことから、混合器１は、図２に示すように光混合装置として設計されており、信号Ｓ１用の感光層と、基準電気信号Ｓ２用の２つの変調ゲート１３２、１３３を備えている。混合器１の２つの変調ゲート１３２、１３３には、互いに位相が１８０°ずれた基準電気信号Ｓ２が供給される。変調ゲート１３２、１３３は、入射電磁放射Ｓ１に対して透明であり、感光層上に配置されたゲートである。この光混合装置は、変調ゲートに隣接して配置され、感光層と電気的に接続された２つの読み出し電極１３０、１３１をさらに有する。また、この光混合装置１の読み出し電極１３０、１３１は、本実施例において、ダイオードの電流・電圧特性を有しており、混合器１の信号出力Ａ、Ｂを形成する。

上記の代替例として、光混合装置の読み出し電極１３０、１３１に対して基準電気信号Ｓ２を同時に供給することにより、変調ゲート１３２、１３３を省略することができる。この場合、基準信号Ｓ２用の入力２は、混合器１の信号出力Ａ、Ｂに一致する。

図１に示す回路を理解するために、まず、混合器出力Ａの電流信号Ｉ_ａの流れをたどる。電流信号Ｉ_ａは、電流信号Ｉ_ａをそれに応じた電圧信号Ｕ_Ｒに変換する調節装置４に伝達される。調節装置４の特性は、電圧入力５に印加される電圧Ｕ_ａにより制御可能である。また、この調節装置が出力する電圧信号Ｕ_Ｒは、電流信号Ｉ_ａの振幅の関数である。

調節装置４の出力は、電圧電流変換器６の電圧入力７に接続される。これにより、電圧信号Ｕ_Ｒが電流信号Ｉ_ａ２に変換される。この電流信号Ｉ_ａ２は電圧電流変換器６の入力電圧Ｕ_Ｒによって決まるため、混合器１の出力Ａの電流信号Ｉ_ａにも依存することになる。電圧電流変換器６の電圧電流変換特性は、特性入力８とそこに印加される制御信号Ｋにより設定可能である。

調節装置４と電圧電流変換器６の特性を適切に設定することにより、電流Ｉ_ａ２の値が混合器１の出力Ａの電流信号Ｉ_ａと等しくなるように設定することができる。

電圧電流変換器６の電流出力Ｉ_ａ２は、加算点９に伝達される。また、混合器１の出力Ｂの第２電流信号Ｉ_ｂについても、同様に加算点９に接続されている。なお、電流信号Ｉ_ａ２は、混合器１の出力Ｂの電流信号Ｉ_ｂと反対の符号を有するものとする。これにより、加算点９の第３端子を介して流れ出る電流は、電流Ｉ_ｂおよびＩ_ａ２の差分に等しくなる。この差分信号Ｉ_ｄは、混合器１の電流信号の相関信号成分を２倍した大きさである。

加算点９から流れ出る差分信号Ｉ_ｄは、積分器１０により積分されて、電圧信号Ｕ_ｄが生成される。

加算点９における電流Ｉ_ｂおよびＩ_ａ２の差分生成中は、無相関信号によるすべての寄与が無効化されるため、無相関信号成分から相関信号成分を容易に分離可能となる。したがって、積分器から読み出される電圧信号Ｕ_ｄに対するその後の処理は、無相関信号成分による下流側判定回路のダイナミックレンジの狭帯化を伴うことなく実施可能である。

相関信号成分に加えて、信号全体の情報も得られる場合は、図３に示す回路を用いることができる。図３の回路構成は、電圧電流変換器２０６の第２出力２１１を有する点が図１の回路と異なる。上記と同様に、この第２出力２１１から出力される電流信号Ｉ_ａ３も、混合器２０１の出力Ａにおける電流信号Ｉ_ａの値と比例関係または同等関係にある。電流信号Ｉ_ａ３は、積分器２１２により積分されて、相関信号成分および無相関信号成分に関するデータを含む電圧信号Ｕ_ｇが生成される。

一方、無相関信号成分に関するデータを追加で取得したい場合は、図１に対してわずかに修正を加えた図４の回路を用いなければならない。この回路において、混合器３０１の信号出力Ａ、Ｂ後段には、電流レプリケータ３１３、３１４が設けられており、電流信号Ｉ_ａ、Ｉ_ｂを２つの出力から得られるようにしている。また、各レプリケータ３１３、３１４の２つの出力のうち一方を用いて、図１に示すように、２つの電流信号Ｉ_ａ、Ｉ_ｂの差分を生成する。各レプリケータ３１３、３１４の第２出力は、第２加算点３１５に伝達されるが、これら２つの電流信号Ｉ_ａ、Ｉ_ｂは同じ符号である。そして、第２加算点３１５から流れ出る合計電流信号Ｉ_Ｓは、電流Ｉ_ａ、Ｉ_ｂの合計に一致しており、この合計には、電流信号Ｉ_ａ、Ｉ_ｂの無相関信号成分が含まれる。この電流信号Ｉ_Ｓを積分器３１６で積分すれば、混合器３０１の２つの電流信号Ｉ_ａ、Ｉ_ｂの合計に比例する電圧信号Ｕ_Ｓが得られる。

本発明の第１実施例に係る概略回路構成である。光混合装置の概略図である。本発明の第２実施例に係る概略回路構成である。本発明のその他の実施例に係る概略回路構成である。

Claims

少なくとも２つの信号入力と少なくとも２つの電気信号出力とを有する混合器から出力される、少なくとも部分的には相関する少なくとも２つの出力電流信号を処理し、該混合器出力の出力電流信号の差分を、該電流信号の読み出し時に２つ一組で直接生成する方法において、第１の混合器出力の電流信号は反転されて、第２の混合器出力の電流信号とともに、第１加算点に伝達され、第１の混合器出力の電流信号は、該電流信号に応じた電圧信号に変換され、次いで該電圧信号は、該電圧信号に応じた少なくとも１つの電流信号に変換されるようになっており、該少なくとも１つの電流信号は、前記第１の混合器出力の電流信号を反転したものであって、前記変換された少なくとも１つの電流信号の１つが、第２の混合器出力の電流信号とともに、第１加算点に伝達されることを特徴とする、前記方法。
前記混合器の入力信号が電気信号であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記混合器の入力信号のうち少なくとも１つが電気信号である一方、前記混合器のその他の入力信号のうち少なくとも１つが電磁波であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記混合器が光混合装置であることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
前記混合器の読み出し電極がダイオードとして設計されたことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
第１の混合器出力の電流信号が測定されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
前記変換された少なくとも１つの電流信号の１つが積分されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
前記第１の混合器出力の反転電流信号と前記第１の混合器出力の電流信号とは、同じ値を有することを特徴とする、請求項５乃至７のいずれかに記載の方法。
前記電流信号の差分が積分されて電圧信号が生成されることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
２つの混合器出力における電流信号の合計がさらに生成され、合計された電流信号が形成されることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
第１の混合器出力および第２の混合器出力の電流信号が複製されるとともに、該２つの混合器出力それぞれにおける２つの電流信号の一方が第２加算点に伝達され、合計された電流信号が形成されることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
前記合計電流信号が積分されて電圧信号が生成されることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の方法。
少なくとも２つの信号入力と少なくとも２つの電気信号出力とを有する混合器から出力される、少なくとも部分的には相関する少なくとも２つの出力電流信号を処理し、２つの混合器出力それぞれにおける電流信号間の差分を瞬間的に生成する装置を有する電子回路において、第１の混合器出力の電流信号を反転するインバータと、第１の混合器出力の電流信号をそれに応じた電圧信号に変換する装置と、該電圧信号をそれに応じた少なくとも１つの電流信号に変換する装置とを有し、前記インバータの出力と第２の混合器出力とが第１加算点に接続され、前記少なくとも１つの電流信号は、前記第１の混合器出力の電流信号を反転したものである、電子回路。
前記混合器の入力信号が電気信号であることを特徴とする、請求項１３に記載の電子回路。
前記混合器の入力信号のうち少なくとも１つが電気信号である一方、前記混合器のその他の入力信号のうち少なくとも１つが電磁波であることを特徴とする、請求項１３に記載の電子回路。
前記混合器が光混合装置であることを特徴とする、請求項１５に記載の電子回路。
前記混合器の読み出し電極がダイオードとして設計されたことを特徴とする、請求項１３乃至１６のいずれかに記載の電子回路。
第１の混合器出力の電流信号を測定する装置が設けられたことを特徴とする、請求項１３乃至１７のいずれかに記載の電子回路。
前記電圧信号に応じた電流信号の１つを積分する装置を有することを特徴とする、請求項１３乃至１８のいずれかに記載の電子回路。
第１の混合器出力の電流信号と第１の混合器出力の反転電流信号とは、同じ値を有することを特徴とする、請求項１３乃至１９のいずれかに記載の電子回路。
第１加算点に接続され、前記電流信号の差分を積分して電圧信号を生成する装置を有することを特徴とする、請求項１３乃至２０のいずれかに記載の電子回路。
２つの混合器出力における電流信号の合計を生成する装置がさらに設けられたことを特徴とする、請求項１３乃至２１のいずれかに記載の電子回路。
前記２つの混合器出力の各電流信号に対してレプリケータが設けられ、各レプリケータの出力の一方が第２加算点に接続されたことを特徴とする、請求項１３乃至２２のいずれかに記載の電子回路。
前記合計信号を積分する装置が設けられたことを特徴とする、請求項２２または２３に記載の電子回路。
少なくとも部分的には相関する少なくとも２つの混合器出力電流信号を処理する前記回路が集積回路であることを特徴とする、請求項１３乃至２４のいずれかに記載の電子回路。
少なくとも部分的には相関する少なくとも２つの混合器出力電流信号を処理する少なくとも１つの回路と、少なくとも１つの混合器とが、集積スイッチング回路上に集積されたことを特徴とする、請求項１３乃至２５のいずれかに記載の電子回路。