JP6204218B2 - 信号生成回路 - Google Patents

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Description

本開示は、高周波信号を発生させる信号生成回路に関する。
無線通信機では、所望の高周波信号を発生するための信号生成回路として、主にPLL周波数シンセサイザを用いている。PLL周波数シンセサイザには電圧制御発振器(VCO)が広く使用されている。電圧制御発振器は、周波数可変範囲が狭いため、広い周波数可変範囲を必要とする用途、特に高い周波数を利用する用途に用いることは困難である。例えば、ミリ波である60GHz帯を用いる高速無線通信(例えば、IEEE802.11ad)では、57GHzから66GHzの9GHz帯域に58.32GHz、60.48GHz、62.64GHz、64.80GHzの4チャネルが割り当てられるので、4チャネルの全てに対応することは困難である。
このような課題に対し、特許文献1に、電圧制御発振器の発振周波数を固定とし、60GHz帯において必要とされる4つの周波数に対応可能とする手法が示されている。
米国特許第8,229,352号明細書
しかし、特許文献1に示された手法では、2回の周波数変換を行うヘテロダイン方式を用いるため、複数の周波数変換器とIFモジュールが必要となり、構成が複雑になり、消費電力が増大するという課題がある。また、半導体プロセス上に集積化する場合にはチップ面積が大きくなり、製造コストが増大するという課題もある。
本開示は、係る事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成であって、かつ高い周波数においても広い周波数可変範囲を実現可能とする信号生成回路を提供する。
本開示の信号生成回路は、複数の周波数の高周波信号を切り換えて出力する信号生成回路であって、電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器の出力を分周する第1の分周器と、前記第1の分周器の出力を分周する第2の分周器と、前記第2の分周器の出力と基準信号が入力され、前記第2の分周器の出力と前記基準信号との位相差に対応した信号を出力する位相比較器と、前記位相比較器の出力のうち低周波信号を抽出して前記電圧制御発振器の周波数制御信号として出力するループフィルタと、前記第1の分周器の出力を分周する第3の分周器と、前記第3の分周器の出力と、前記電圧制御発振器の出力を入力して周波数変換する第1の周波数変換器と、前記第1の周波数変換器の出力を逓倍して出力する第1の逓倍器と、を具備する。
本開示によれば、簡易な構成であって、かつ高い周波数においても広い周波数可変範囲を実現できる。
実施の形態1に係る信号生成回路の概略構成を示すブロック図 実施の形態1に係る信号生成回路における具体的な数値例(1)を示す図 実施の形態1に係る信号生成回路における具体的な数値例(2)を示す図 実施の形態1に係る信号生成回路における具体的な数値例(3)を示す図 実施の形態1に係る信号生成回路を用いた無線通信機の概略構成を示すブロック図 実施の形態2に係る信号生成回路の概略構成を示すブロック図 実施の形態2に係る信号生成回路を用いた複数系統の無線通信機の概略構成を示すブロック図 特許文献1に示された手法による信号生成回路の概略構成を示すブロック図
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して説明する。
(本開示の一形態を得るに至った経緯)
無線通信機では、所望の高周波信号を発生するための信号生成回路として、主に周波数シンセサイザを用いている。周波数シンセサイザには、電圧制御発振器(VCO)、分周器、位相比較器及びループフィルタを用いたPLL(Phase Locked Loop)が広く使用されている。PLLでは、フィードバック制御を用いて電圧制御発振器の発振周波数を調整し、所望の周波数を有する高周波信号を発生させる。
一般的な無線通信機では、通信システムにおいて使用される複数の周波数チャネルに対応する必要があるため、送信信号及び受信信号の周波数変換に使用する周波数シンセサイザには広い周波数可変範囲が求められる。さらに、変調信号の信号品質の劣化抑制のために、低位相雑音特性も求められる。
周波数シンセサイザに使用される電圧制御発振器では、周波数可変範囲と位相雑音特性とは、トレードオフの関係にあることが広く知られている。さらに、例えば、動作周波数が高くなると寄生容量成分の影響によって周波数可変範囲が狭くなるため、高い周波数において広い周波数可変範囲と低位相雑音特性とを実現することは困難である。
例えば、ミリ波である60GHz帯を用いる高速無線通信(IEEE802.11adなど)では、57GHzから66GHzの9GHz帯域に、58.32GHz、60.48GHz、62.64GHz、64.80GHzの4チャネルが割り当てられているが、1つの電圧制御発振器を用いて、4チャネルの全てに対応することは困難である。
このような課題に対し、特許文献1には、電圧制御発振器の発振周波数を固定とし、60GHz帯において必要とされる4つの周波数に対応可能とする手法が示されている。図8は、同手法による信号生成回路の概略構成を示すブロック図である。同図において、図示せぬアンテナにおいて受信された信号が、低雑音増幅器501によって増幅された後、第1の周波数変換器502によって中間周波数帯(IF)に変換されIF信号として出力される。第1の周波数変換器502から出力されたIF信号は、IFモジュール503において増幅及び帯域制限フィルタリングを施された後、第2の周波数変換器504によってベースバンドへ変換される。
第1の周波数変換器502は、PLL505からの出力信号をローカル信号として用いる。また、第2の周波数変換器504は、PLL505の出力を分周器506において分周された信号と、PLL505からの出力信号を第3の周波数変換器507において掛け合わせた後に、逓倍器508によって4倍の周波数に変換された信号をローカル信号として使用する。なお、図8は受信系を示しているが、送信系においても同様の構成が可能であり、説明を省略する。
特許文献1に記載された手法によれば、具体的な数値例として、分周器506の分周比を、「8」、「12」、「24」のいずれかとし、第3の周波数変換器507の出力を58.32GHz、60.48GHz、62.64GHz、64.80GHzとする例が示されている。これにより、PLL505において使用される電圧制御発振器(図示略)の発振周波数を12.96GHzに固定できる。
ところで、特許文献1に記載された手法は、2回の周波数変換を行うヘテロダイン方式を使用しているため、複数の周波数変換器とIFモジュールが必要となり、構成が複雑になり、消費電力が増大するという課題がある。また、半導体プロセス上に集積化する場合にはチップ面積が大きくなり、製造コストが増大するという課題もある。
以下、簡易な構成であって、かつ高い周波数においても広い周波数可変範囲を実現できる信号生成回路について説明する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る信号生成回路の概略構成を示すブロック図である。同図において、実施の形態1に係る信号生成回路109は、電圧制御発振器(VCO)100と、第1の分周器101と、第2の分周器102と、位相比較器(PD)103と、ループフィルタ(LPF)104と、第3の分周器105と、周波数変換器106と、逓倍器107とを備える。PLL周波数シンセサイザ99は、電圧制御発振器100、第1の分周器101、第2の分周器102、位相比較器103及びループフィルタ104を含む構成である。
電圧制御発振器100の出力信号は、第1の分周器101及び第2の分周器102を通過することによって低い周波数に変換される。位相比較器103は、基準信号入力端子108から入力される基準信号と第2の分周器102の出力信号との位相差によって決まる位相差信号を出力する。位相比較器103から出力された位相差信号は、ループフィルタ104を通過することによって低周波成分が抽出され、電圧制御発振器100の周波数制御信号として入力される。電圧制御発振器100は、周波数制御信号によって発振周波数が定まる発振器であり、フィードバック制御を用いることにより所望の発振周波数に調整される。
第1の分周器101の出力信号は、第3の分周器105及び周波数変換器106に入力される。周波数変換器106には、電圧制御発振器100の出力信号と第3の分周器105の出力信号とが、入力される。
周波数変換器106は、2つの入力信号の掛け算によって生じる2つの側波帯のうち低い周波数成分(Lower side band)を抽出するか、又は電圧制御発振器100からの入力信号を周波数変換せずに出力する。周波数変換器106の出力信号は、逓倍器107によって整数倍の周波数成分に変換され、信号生成回路109の出力信号となる。
ここで、具体的な数値例を挙げる。
具体的な数値例(1)
数値例(1)では、図2に示すように、第1の分周器101の分周比を「5」、第2の分周器102の分周比を「162」、基準信号の周波数(基準周波数)を40MHz、電圧制御発振器100の発振周波数を32.4GHz、逓倍器107の逓倍数を「2」とした設定値を用いる。
ここで、第3の分周器105の分周比を「2」又は「3」又は「6」に切り替えることで、信号生成回路109は、出力周波数として、58.32GHz、60.48GHz、62.64GHzを発生する。さらに、周波数変換器106において、スルーモードとして、第3の分周器105の出力信号を入力しない、又は第3の分周器105から出力信号を出力しないことにより、電圧制御発振器100の出力信号を周波数変換せずに出力することで、64.80GHzを発生する。信号生成回路109は、図2の数値例(1)を用いることで、60GHz帯において使用される4つのチャネルに対応できる。
具体的な数値例(2)
数値例(2)では、図3に示すように、第1の分周器101の分周比を「5」、第2の分周器102の分周比を「81」、基準周波数を40MHz、電圧制御発振器100の発振周波数を16.2GHz、逓倍器107の逓倍数を「4」、第3の分周器105の分周比を「2」又は「3」又は「6」とした設定値を用いる。
信号生成回路109は、数値例(2)においても、第3の分周器105での分周比の切り替えと、周波数変換器106のスルーモードへの切り替えとを用いることで、60GHz帯において必要となる58.32GHz、60.48GHz、62.64GHz、64.80GHzの4つの周波数を発生できる。
具体的な数値例(3)
数値例(3)では、60GHz帯においてチャネルボンディングにおいて必要となる3つの周波数の生成について説明する。
数値例(3)では、図4に示すように、第1の分周器101の分周比を「1」、第2の分周器102の分周比を「162」、基準周波数を40MHz、電圧制御発振器100の発振周波数を32.4GHz、逓倍器107の逓倍数を「2」、第3の分周器105の分周比を「12」又は「20」又は「60」とした設置値を用いる。
信号生成回路109は、第3の分周器105の分周比を切り替えることで、60GHz帯においてチャネルボンディングにおいて必要となる59.4GHz、61.56GHz、63.72GHzの3つの周波数を発生できる。
図5は、実施の形態1に係る信号生成回路109をダイレクトコンバージョン方式の無線通信機に適応した場合の概略構成を示すブロック図である。同図において、信号生成回路109において発生したローカル信号は、無線通信機130の受信系115及び送信系125それぞれに供給される。受信系115は、受信アンテナ110、低雑音増幅器111、復調器112、低域通過フィルタ(LPF)113及び可変利得増幅器114を含む構成である。送信系125は、送信アンテナ120、大電力増幅器121、変調器122、低域通過フィルタ(LPF)123及び可変利得増幅器124を含む構成である。
受信系115では、受信アンテナ110において受信された高周波信号が低雑音増幅器111にて増幅された後、復調器112においてベースバンド信号に変換される。復調器112の出力信号は、低域通過フィルタ113、可変利得増幅器114を経て、図示せぬデジタル信号処理部へ出力される。送信系125においては、図示せぬデジタル信号処理部から出力された送信変調信号が可変利得増幅器124及び低域通過フィルタ123を経て、変調器122へ出力される。変調器122では、信号生成回路109からのローカル信号と掛け合わされることで入力信号が周波数変換され、大電力増幅器121において所望の送信電力レベルに増幅された後、送信アンテナ120より放射される。なお、復調器112及び変調器122には、通常、直交復調器が使用されるためベースバンド信号は同相成分と直交成分の2系統となるが、図5においては省略して示している。
このように、実施の形態1に係る信号生成回路109によれば、PLL周波数シンセサイザ99におけるフィードバック経路の第1の分周器101の出力を所望の周波数に応じて分周比を切り替えて分周して生成した信号と、PLL周波数シンセサイザ99からの出力信号とを掛け合わせた後に逓倍するようにしたので、1つの周波数変換器106を用いて、60GHz帯の無線システムに必要となる4つの周波数を生成できる。さらに、電圧制御発振器100は、周波数可変範囲の拡大が不要であるため、低位相雑音特性を実現できる。すなわち、簡易な構成であって、高い周波数においても、広い周波数可変範囲と低位相雑音特性とを両立できる信号生成回路を実現できる。
また、実施の形態1に係る信号生成回路109によれば、ダイレクトコンバージョン方式の無線通信機130に適用できるので、無線通信機130を半導体プロセス上に集積化する際に、チップ面積を縮小して製造コストを低減することが可能となる。
(実施の形態2)
図6は、実施の形態2に係る信号生成回路の概略構成を示すブロック図である。なお、同図において前述した図1と共通する部分には同一の符号を付ける。同図に示す実施の形態2に係る信号生成回路140は、実施の形態1に係る信号生成回路109と同様の構成であり、電圧制御発振器100と、第1の分周器101と、第2の分周器102と、位相比較器(PD)103と、ループフィルタ(LPF)104と、第3の分周器105と、周波数変換器106と、逓倍器107とを備え、さらに、第4の分周器200〜第nの分周器200(但し、nは4以上の整数)と、第4の分周器200〜第nの分周器200と同数の第2の周波数変換器201〜第n−2の周波数変換器201n−2(但し、nは4以上の整数)と、第4の分周器200〜第nの分周器200と同数の第2の逓倍器202〜第n−2の逓倍器202n−2(但し、nは4以上の整数)とを備える。
第1の分周器101の出力信号は、第3の分周器105、第4の分周器200、…、第nの分周器200それぞれに入力される。第2の周波数変換器201には、第4の分周器200の出力信号及び電圧制御発振器100の出力信号が入力される。第2の周波数変換器201の出力信号は、第2の逓倍器202によって整数倍の周波数成分に変換され、第2の出力信号となる。
また、第n−2の周波数変換器201n−2には、第nの分周器200の出力信号及び電圧制御発振器100の出力信号が入力される。第n−2の周波数変換器201n−2の出力信号は、第n−2の逓倍器202n−2によって整数倍の周波数成分に変換され、第n−2の出力信号となる。
なお、本実施の形態における第1の周波数変換器106、第2の周波数変換器201〜第n−2の周波数変換器201n−2を用いた周波数変換は、2つの入力信号の掛け算によって生じる2つの側波帯のうち低い周波数成分を抽出するか、または電圧制御発振器100からの入力信号を周波数変換せずに出力する。
第5の分周器200(図示略)〜第n−1の分周器200n−1、第3の周波数変換器201(図示略)〜第n−3の周波数変換器201n−3及び第3の逓倍器202(図示略)〜第n−3の逓倍器202n−3の動作は、上述した第4の分周器200、第nの分周器200、第2の周波数変換器201、第n−2の周波数変換器201n−2、第2の逓倍器202及び第n−2の逓倍器202n−2と同様であるので、説明を省略する。また、実施の形態1に係る信号生成回路109と共通する部分の動作も前述した通りであるので、説明を省略する。
実施の形態2に係る信号生成回路140によれば、第1の分周器101,第2の分周器102,第3の分周器105,第4の分周器200〜第nの分周器200それぞれの分周比を個別に設定することで、複数の異なる周波数を1つのPLL周波数シンセサイザ99から発生できる。
ここで、具体的な数値例を挙げる。
具体的な数値例(4)
数値例(4)では、第1の逓倍器107及び第2逓倍器202から同じ周波数の信号を出力する場合について説明する。
数値例(4)では、n=4とし、図2の設定値を用いて、第1の分周器101の分周比を「5」、第2の分周器102の分周比を「162」、基準周波数を40MHz、電圧制御発振器100の発振周波数を32.4GHz、逓倍器107の逓倍数を「2」とし、第3の分周器105の分周比を「6」とし、更に、第4の分周器200の分周比を「6」とする。
数値例(4)にすれば、第1の逓倍器107及び第2逓倍器202の出力信号を、いずれも58.32GHzに設定できる。
具体的な数値例(5)
数値例(5)では、第1の逓倍器107、第2の逓倍器202、第3の逓倍器202から異なる周波数の信号を出力する場合について説明する。
数値例(5)では、n=5とし、図2の設定値を用いて、第1の分周器101の分周比を「5」、第2の分周器102の分周比を「162」、基準周波数を40MHz、電圧制御発振器100の発振周波数を32.4GHz、逓倍器107の逓倍数を「2」、第3の分周器105の分周比を「6」とし、更に、第4の分周器200の分周比を「3」、第5の分周器200の分周比を「2」とする。
数値例(5)にすれば、第1の逓倍器107の出力信号を58.32GHz、第2の逓倍器202の出力信号を60.48GHz、第3の逓倍器202の出力信号を62.64GHzに設定できる。
図7は、実施の形態2に係る信号生成回路140を用いた複数系統の無線通信機の概略構成を示すブロック図である。同図において、無線通信機150の信号生成回路140から出力される第1の出力信号SOは、第1の送信系300及び第1の受信系301へ供給される。また、第2の出力信号SOは、第2の送信系300及び第2の受信系301へ供給される。また、第n−2の出力信号SOn−2は、第n−2の送信系300n−2及び第n−2の受信系301n−2へ供給される。
図7の構成によれば、第1から第n−2の送信系300〜300n−2及び受信系301〜301n−2のキャリア周波数を、それぞれ独立して設定できる。電波の使用状況や伝搬環境に応じて、複数の送信系300〜300n−2及び受信系301〜301n−2に数値例(4)のように同じキャリア周波数を設定したり、あるいは、数値例(5)のように異なる周波数を設定することで、周波数の効率的な利用を図り、伝送速度の向上を実現できる。
以上、図面を参照して実施の形態1,2について説明したが、本開示はかかる例に限定されものではないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
また、上記実施の形態1,2では、発生する周波数として60GHz帯において使用される58.32GHz,60.48GHz,62.64GHz,64.80GHzを具体的な数値例として説明したが、発生する周波数はこれらに限定されることはない。また、発生可能な周波数も4つに限定されるものではない。
また、電圧制御発振器100の発振周波数は必ずしも固定である必要はなく、所望の周波数に応じて、変化させる構成をとることも勿論可能である。
(本開示の一態様の概要)
本開示の第1の信号生成回路は、複数の周波数の高周波信号を切り換えて出力する信号生成回路であって、電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器の出力を分周する第1の分周器と、前記第1の分周器の出力を分周する第2の分周器と、前記第2の分周器の出力と基準信号が入力され、前記第2の分周器の出力と前記基準信号との位相差に対応した信号を出力する位相比較器と、前記位相比較器の出力のうち低周波信号を抽出して前記電圧制御発振器の周波数制御信号として出力するループフィルタと、前記第1の分周器の出力を分周する第3の分周器と、前記第3の分周器の出力と、前記電圧制御発振器の出力を入力して周波数変換する第1の周波数変換器と、前記第1の周波数変換器の出力を逓倍して出力する第1の逓倍器と、を具備する。
また、本開示の第2の信号生成回路は、第1の信号生成回路であって、前記第1の分周器の出力を分周する第4から第n(nは4以上の整数)の分周器と、前記第4から第nの分周器の出力と、前記電圧制御発振器の出力を入力して周波数変換する第2から第n−2の周波数変換器と、前記第2から第n−2の周波数変換器の出力をそれぞれ逓倍して出力する第2から第n−2の逓倍器と、をさらに具備する。
また、本開示の第3の信号生成回路は、第1または第2の信号生成回路であって、前記第1の分周器の分周比は5を含む。
また、本開示の第4の信号生成回路は、第3の信号生成回路であって、前記第3の分周器の分周比は、2または3または6を含む。
また、本開示の第5の信号生成回路は、第4の信号生成回路であって、前記第1から第n−2(nは4以上の整数)の逓倍器の逓倍数は、2逓倍または4逓倍である。
また、本開示の第6の信号生成回路は、第1ないし第5のいずれか1つの信号生成回路であって、前記第1から第n−2(nは4以上の整数)の逓倍器の出力周波数は、58.32GHz、60.48GHz、62.64GHz、64.80GHzのいずれかを含む。
また、本開示の第7の信号生成回路は、第1ないし第6のいずれか1つの信号生成回路であって、前記電圧制御発振器の発振周波数は、32.4GHzまたは16.2GHzである。
また、本開示の第8の信号生成回路は、第1ないし第7のいずれか1つの信号生成回路であって、前記第1から第n−2(nは4以上の整数)の逓倍器の出力は、ダイレクトコンバージョン無線機のローカル信号として使用される。
また、本開示の無線通信機は、第1ないし第8のいずれか1つの信号生成回路を有して構成される。
本開示は、例えば、ミリ波である60GHz帯を用いる高速無線通信(IEEE802.11adなど)を可能とする無線通信機などに有用である。
99 PLL周波数シンセサイザ
100 電圧制御発振器
101 第1の分周器
102 第2の分周器
103 位相比較器
104 ループフィルタ
105 第3の分周器
106 周波数変換器
107 逓倍器
109,140 信号生成回路
110 受信アンテナ
111 低雑音増幅器
112 復調器
113,123 低域通過フィルタ
114,124 可変利得増幅器
115 受信系
120 送信アンテナ
121 大電力増幅器
122 変調器
125 送信系
130,150 無線通信機
200〜200 第4の分周器〜第nの分周器
201〜201n−2 第2の周波数変換器〜第n−2の周波数変換器
202〜202n−2 第2の逓倍器〜第n−2の逓倍器
300〜300n−2 第1の送信系〜第n−2の送信系
301〜301n−2 第1の受信系〜第n−2の受信系

Claims (9)

  1. 複数の周波数の高周波信号を切り換えて出力する信号生成回路であって、
    電圧制御発振器と、
    前記電圧制御発振器の出力を分周する第1の分周器と、
    前記第1の分周器の出力を分周する第2の分周器と、
    前記第2の分周器の出力と基準信号が入力され、前記第2の分周器の出力と前記基準信号との位相差に対応した信号を出力する位相比較器と、
    前記位相比較器の出力のうち低周波信号を抽出して前記電圧制御発振器の周波数制御信号として出力するループフィルタと、
    前記第1の分周器の出力を分周する第3の分周器と、
    前記第3の分周器の出力と、前記電圧制御発振器の出力を入力して周波数変換する第1の周波数変換器と、
    前記第1の周波数変換器の出力を逓倍して出力する第1の逓倍器と、
    を具備することを特徴とする信号生成回路。
  2. 請求項1に記載の信号生成回路であって、
    前記第1の分周器の出力を分周する第4から第n(nは4以上の整数)の分周器と、
    前記第4から第nの分周器の出力と、前記電圧制御発振器の出力を入力して周波数変換する第2から第n−2の周波数変換器と、
    前記第2から第n−2の周波数変換器の出力をそれぞれ逓倍して出力する第2から第n−2の逓倍器と、
    をさらに具備することを特徴とする信号生成回路。
  3. 請求項1または請求項2に記載の信号生成回路であって、
    前記第1の分周器の分周比は5を含むことを特徴とする信号生成回路。
  4. 請求項3に記載の信号生成回路であって、
    前記第3の分周器の分周比は、2または3または6を含むことを特徴とする信号生成回路。
  5. 請求項4に記載の信号生成回路であって、
    前記第1から第n−2(nは4以上の整数)の逓倍器の逓倍数は、2逓倍または4逓倍であることを特徴とする信号生成回路。
  6. 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の信号生成回路であって、
    前記第1から第n−2(nは4以上の整数)の逓倍器の出力周波数は、58.32GHz、60.48GHz、62.64GHz、64.80GHzのいずれかを含むことを特徴とする信号生成回路。
  7. 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の信号生成回路であって、
    前記電圧制御発振器の発振周波数は、32.4GHzまたは16.2GHzであることを特徴とする信号生成回路。
  8. 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の信号生成回路であって、
    前記第1から第n−2(nは4以上の整数)の逓倍器の出力は、ダイレクトコンバージョン無線機のローカル信号として使用されることを特徴とする信号生成回路。
  9. 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の信号生成回路を有して構成されることを特徴とする無線通信機。
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