JP6334132B2

JP6334132B2 - 統合型校正装置及びランタイム校正方法

Info

Publication number: JP6334132B2
Application number: JP2013223653A
Authority: JP
Inventors: マーカス・ケイ・ダシルバ; ゴードン・エイ・オールセン; リチャード・エム・クローチ; フランクリン・エム・ボーデン
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2033-10-28
Also published as: CN103795475A; US20140120857A1; JP2014087071A; EP2725726A1; US8805313B2; CN103795475B; EP2725726B1

Description

本発明は、広帯域無線周波数（ＲＦ）受信装置、特に、振幅平坦性及び位相線形性に関し、広帯域ＲＦ受信装置を校正するシステムに関する。

増加するデータ帯域幅の要求により、非常に広い帯域で変調された信号を受けるだけでなく、広い帯域幅に渡って平坦な振幅及び線形な位相応答を維持するＲＦ受信装置へのニーズが高まっている。図１に示すように、広帯域デジタルＲＦ受信装置１０は、アンテナや他の信号源から複数のＲＦ信号を受ける入力端子を有している。イメージ阻止フィルタ１２は、ミキサ１４の前において、信号の帯域を制限する。ミキサ１４は、局部発振器１６を使って、その帯域制限信号を中間周波数（ＩＦ）にダウン・コンバートする。ミキサ１４からのＩＦ信号は、増幅回路１８及びフィルタ２０に入力され、続いて、アナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）２２によって受信装置クロックに応じてデジタル化され、デジタル化サンプルのストリームが生成される。次に、それらサンプルは、デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）２４におけるアルゴリズムによって、数学的に測定又は復調され、入力信号に関する結果が生成される。

ＲＦ受信装置１０は、通常、製造過程の一環として校正され、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ２６が、ＤＳＰ２４へデジタル・サンプル・ストリームの入力の前のＡＤＣ２２の出力に配置される。ＦＩＲフィルタの複数の係数が製造メーカーの校正過程で設定され、それらの理想的な状態の下で、振幅平坦性及び位相線形性に関して補正するのに役立てられる。

特開２００８−１２４９６５号

しかし、入力端子からＤＳＰ２４までの信号パス中のミキサ、フィルタ、増幅回路及び他の回路のそれぞれは、振幅リップル及び群遅延リップル、つまり、線形位相からの乖離をもたらす。これらアクティブ・コンポーネントは、周波数応答に関する変化に加えて、利得に関する温度依存性を示す。更に、コンポーネントが古くなるにつれて、振幅及び位相応答も影響を受けることがある。ＲＦ受信装置１０の振幅精度、振幅平坦性及び位相線形性を改善することがしばしば必要とされている。

望まれていることは、ＤＳＰで使用される測定又は復調アルゴリズムの精度を改善するために、使用時、つまり、ランタイム（実行）時に、温度や他の環境依存性による振幅平坦性及び位相線形性を補正するＲＦ受信装置の校正方法である。

従って、本発明は、ＲＦ受信装置のマグニチュード及び位相応答の校正を提供し、これは、ダイオード２乗検波器及び周波数ステップ型２トーン信号源を用いて、広い周波数帯域幅に渡って振幅平坦性及び位相線形性を提供する。２トーン信号発生装置は、ある中心周波数を中心に、特定周波数差分だけ離れた２つの正弦信号を供給する。上記中心周波数は、ＲＦ受信装置の広周波数帯域幅に渡ってステップする（飛び飛びに変わる）。各中心周波数において、等しい振幅且つ同じ位相の２つの正弦信号が、ＲＦ受信装置と、統合型校正装置中のダイオード２乗検波器とに入力される。ステップさせた中心周波数のそれぞれにおいて、２つの正弦信号は、受信装置パスと、校正装置パスとの両方で処理され、受信装置パスからのマグニチュード及び位相の結果が、校正装置パスからのうなり周波数の結果と組み合わされ、受信装置パス中の有限インパルス応答フィルタに関する係数を生成する。

具体的には、本発明の概念１は、無線周波数信号を受ける入力端子と、入力無線周波数信号を中間周波数信号に変換する手段と、中間周波数信号をデジタル・サンプルに変換するデジタイザと、デジタル・サンプルをフィルタ処理する補正フィルタと、フィルタ処理デジタル・サンプルを有益な結果に変換する受信装置プロセッサとを有する形式の広帯域無線周波数受信装置のための統合型校正装置であって、上記統合型校正装置は、
中心周波数を中心に特定差分周波数だけ離れた１対の正弦信号を生成し、上記広帯域無線周波数受信装置に対応する周波数範囲に渡って上記中心周波数をステップさせることができる２トーン信号源と、
入力端子及び出力端子を有し、２乗検波器として動作する校正済みダイオードと、
上記２トーン信号源からの１対の上記正弦信号を受けるように結合され、対応する出力端子のそれぞれから２組の１対の上記正弦信号を供給し、上記２組は、等しい振幅且つ同相であり、一方の出力端子は上記無線周波数受信装置の入力端子に結合され、他方の出力端子は上記校正済みダイオードの入力端子に結合されるスプリッタと、
上記中心周波数のそれぞれにおいて上記補正フィルタに関する係数を生成するため、上記広帯域無線周波数受信装置プロセッサからの上記有益な結果と比較するように上記校正済みダイオードからの出力信号を処理する手段と、
を具え、
これによって、上記広帯域無線周波数受信装置が、上記周波数範囲に渡って振幅平坦性及び位相線形性を有することを特徴としている。

本発明の概念２は、上記概念１記載の統合型校正装置であって、このとき、上記処理手段が、
上記校正済みダイオードからの出力信号をデジタル・サンプルに変換する手段と、
上記変換手段からの上記デジタル・サンプルを第１入力とし、上記受信装置プロセッサからの上記有益な結果を第２入力とし、上記補正フィルタへ入力する上記フィルタ係数を出力として生成する校正装置プロセッサと
を有している。

本発明の概念３は、上記概念２記載の統合型校正装置であって、このとき、上記変換手段が、
上記校正済みダイオードからの出力信号を入力とし、フィルタ処理出力信号を生成するバンドパス・フィルタと、
上記フィルタ処理出力信号を入力とし、上記デジタル・サンプルを生成するアナログ・デジタル・コンバータと
を有している。

本発明の概念４は、広帯域無線周波数受信装置の周波数帯域に渡る振幅平坦性及び位相線形性のための広帯域無線周波数受信装置のランタイム校正方法であって、
中心周波数と特定周波数だけ離れた２つの周波数を有する２トーン正弦信号を生成するステップと、
上記広帯域無線周波数受信装置の入力端子と、２乗検波器として動作して校正装置出力信号を生成する上記広帯域無線周波数受信装置のための統合型校正装置の一部である校正済みダイオードとに上記２トーン正弦信号を印加するステップと、
上記広帯域無線周波数受信装置によって上記２トーン正弦波を処理し、受信装置の結果を生成すると共に、上記統合型校正装置によって上記校正装置出力信号から校正装置の結果を生成する処理ステップと、
上記受信装置の結果と上記校正装置の結果とから、上記振幅平坦性及び位相線形性を生成するための上記広帯域無線周波数受信装置中の補正フィルタ用のフィルタ係数を計算するステップと
を具えている。

本発明の概念５は、上記概念４記載の方法であって、このとき、上記校正装置の結果として上記計算ステップへの入力とするために、上記処理ステップが、上記校正装置出力信号をデジタル・サンプルに変換するステップを有することを特徴としている。

本発明の概念６は、上記概念５記載の方法であって、このとき、上記変換ステップが、
上記校正装置出力信号をバンドパス・フィルタ処理し、フィルタ処理校正装置出力信号を生成するステップと、
上記フィルタ処理校正装置出力信号をデジタル化して、上記デジタル・サンプルを生成するステップと
を有している。

本発明の利点及び新規な点は、以下の詳細な説明を特許請求の範囲と図面と共に読むことによって明らかである。

図１は、本発明によるマグニチュード及び位相校正装置を伴う広帯域ＲＦ受信装置のブロック図である。図２は、本発明による広帯域ＲＦ受信装置のマグニチュード及び位相校正のフローチャートである。

図１を再度参照すると、ＲＦ受信装置１０と連結した統合型校正装置３０が示されている。２トーン信号源３２は、ある固定周波数だけ離れた２つの周波数（つまり、トーン：tones）を生成する。この２つのトーンは、ＲＦ受信装置１０についての広帯域周波数範囲に渡って、一緒にステップする（段々に変化する）。対称性広帯域パワー分配器３４は、２トーン信号源３２からの２つのトーン信号を分割し、２つの同一な信号を供給するが、これらの１つは、スイッチ２８を介してＲＦ受信装置の入力端子に供給され、これらのもう一方は、2乗検波器として動作する校正済みダイオード３６に供給される。ダイオード３６から得られる通常の振幅情報と共に、２つのトーンの周波数の差に等しい周波数におけるうなり音（beat note）がダイオードで生成される。このうなり音は、これら信号についての位相及びマグニチュード位相情報の両方を含んでいる。この位相情報は、後述のように、受信装置信号パスの位相応答を測定するためのアルゴリズムの中で利用される。統合型校正装置３０の実際的な実装には、アンチ・エイリアス・フィルタ３８と、校正信号パス中の校正装置クロックに応答するＡＤＣ４０とを含む。校正ＤＳＰ４２は、受信装置パス中の振幅及び位相変動に対して等しく且つ反対の応答を有するＦＩＲフィルタ２６用係数を生成する。２つのＡＤＣ２２、４０は、異なるレートでクロックしても良いが、これらクロックは、既知の位相関係を持っていなければならない。この既知の位相関係は、もし２つのクロックを共通の基準クロックから導出すれば、簡単に実現される。

２トーン信号源３２は、ω_mを中心とし、トーン間隔をω_Δとする信号を生成する。パワー分配器３４の複数の出力端子における信号は、数学的に次のように記述される。

ダイオード３６は、スケーリング係数Ｇ_D（ω）の２乗検波器として機能する。ダイオード３６の出力は、次の通りである。

続いて、ダイオード３６の出力信号は、ＡＤＣ４０でデジタル化される前に、アンチ・エイリアシング・フィルタ３８でフィルタ処理される。フィルタ３８は、２倍周波数の項を除去し、次のものを残す。

ダイオード３６の利得は、マグニチュードＧ_Dと位相φ_D応答の両方を有する。ダイオード３６は、非常に広い帯域のデバイスであり、そのマグニチュード応答は、２つのトーン間の間隔に渡って平坦である。

振幅情報及び位相情報の両方は、フィルタ処理信号中に含まれている。ω_mの各値に関するＤＣレベルは、次の通りである。

正弦成分の振幅は、次の通りである。

２つのトーン間の位相差は、ダイオード３６の出力信号においてではなく、正弦うなり（sinusoidal beat）の位相から計算される。

受信装置信号パス中の信号は、上述のように、フィルタ処理され、周波数変換される。ミキサ１４は、ω_LOによって入力周波数を変換する。簡単のため、全ての周波数応答項を１つの等価なフィルタに集約し、これは、ＡＤＣ２２までの全信号パスの振幅及び位相応答の全てを網羅したＨ_r（ω）とする。

ＡＤＣ２２の入力端子における信号は、次のように記述される。

その信号は、ω_Δだけ離れた２つの成分を含んでいる。

その受信信号について、その２つの成分の振幅及び位相を決定するために、受信装置のＤＳＰ２４で測定されたときに、フーリエ処理が実行される。２つのトーンの上側及び下側の振幅及び位相は、次の通りである。

マグニチュード伝達関数の積（product）は、２乗検波器、ダイオード３６で測定されたうなり音のレベルに対する、受信装置ＤＳＰ２４のフーリエ変換から得られた２つのトーンの振幅の積の比を取ることによって計算される。

もし２つのトーン間の間隔が十分に小さければ、２つのトーンのマグニチュード応答は等しい。

ω_mを受信装置の帯域幅に渡ってステップ（飛び飛びに変化）させ、次の式を解くことによって、ω_mの各値について、受信装置１０のマグニチュード応答が計算される。

位相応答も、受信装置ＤＳＰ２４のフーリエ変換から得られる位相測定値と、校正装置ＤＳＰ４２で求められるダイオード３６からのうなり音の位相とから計算される。

受信装置パスの群遅延は、次から計算される。

受信装置パスの位相応答は、積分を実行することによって、群遅延から計算される。

複素伝達関数からＦＩＲ係数を決定するテクニックは、多数ある。そうした方法の１つは、複素伝達関数の逆フーリエ変換を取得することである。別の方法は、当業者には周知の「ウィンドウ」方法と呼ばれるものである。

要約すれば、図２に示すように、平坦な振幅及び線形位相応答のための受信装置経路（channel：チャネル）の校正処理は、次のステップを用いる：

１．受信装置経路の帯域幅をＭ個の個別周波数ω_mに分割する。
ａ．２トーン生成装置３２は、ω_mを中心とし、ω_Δの間隔がある２つのトーンを生成する（ステップ５０）。

２．ω_mの各値に関して、
ａ．２乗検波器の出力端子におけるＤＣレベルとうなり音レベルとを測定すると共に、２乗検波器からのうなり音の位相を測定する（ステップ５２）。
ｂ．受信装置のＩＦにおける２つの周波数成分の振幅及び位相を測定し、２つのトーンの振幅を計算する（ステップ５４）。

３．マグニチュード応答を次で計算する。

４．群遅延応答を次で計算する。

５．群遅延を積分することによって位相応答を算出する。

この積分処理には、任意の固定オフセットφ₀を設けても良い。

６．位相応答をＦＩＲ係数に変換する。

このように、本発明は、受信装置信号パス用の統合型校正装置を提供するもので、これはマグニチュード及び群遅延（積分後の位相）の両方を測定するが、上記校正装置は、一定間隔で中心周波数を選択可能な２トーン信号源を有すると共に、校正済みダイオード検出器と、このダイオードの出力信号をデジタル化する方法とを含み、このとき、この２つのトーンは、受信装置信号パス及び校正装置パスに供給され、各パスで測定され、校正装置で組み合わされて、受信装置のＲＦ帯域幅に渡って振幅平坦性及び位相線形性を生成するための受信装置信号パス中の補正フィルタ用のフィルタ係数が生成される。

１０広帯域デジタルＲＦ受信装置
１２イメージ阻止フィルタ
１４ミキサ
１６局部発振器
１８増幅回路
２０フィルタ
２２ＡＤＣ
２４ＤＳＰ
２６有限インパルス応答フィルタ
２８スイッチ
３０統合型校正装置
３２２トーン信号発生装置
３４対称性ブロードバンド・パワー・ディバイダー
３６校正されたダイオード
３８アンチ・エイリアス・フィルタ
４０ＡＤＣ
４２ＤＳＰ

Claims

無線周波数信号を受ける入力端子と、入力された上記無線周波数信号を中間周波数信号に変換する手段と、上記中間周波数信号をデジタル・サンプルに変換するデジタイザと、上記デジタル・サンプルをフィルタ処理する補正フィルタと、フィルタ処理デジタル・サンプルを有益な結果に変換する受信装置プロセッサとを有する広帯域無線周波数受信装置のための統合型校正装置であって、上記統合型校正装置は、
中心周波数を中心に特定差分周波数だけ離れた１対の正弦信号を生成し、上記広帯域無線周波数受信装置に対応する周波数範囲に渡って上記中心周波数をステップさせることができる２トーン信号源と、
入力端子及び出力端子を有し、２乗検波器として動作する校正済みダイオードと、
上記２トーン信号源からの１対の上記正弦信号を受けるように結合され、対応する出力端子のそれぞれから２組の１対の上記正弦信号を供給し、上記２組は、等しい振幅且つ同相であり、一方の出力端子は上記広帯域無線周波数受信装置の入力端子に結合され、他方の出力端子は上記校正済みダイオードの上記入力端子に結合されるスプリッタと、
上記中心周波数のそれぞれにおいて上記補正フィルタに関する係数を生成するため、上記受信装置プロセッサからの上記有益な結果と比較するように上記校正済みダイオードからの出力信号を処理する手段と、
を具え、
これによって、上記広帯域無線周波数受信装置が、上記周波数範囲に渡って振幅平坦性及び位相線形性を有することを特徴とする統合型校正装置。
上記処理する手段が、
上記校正済みダイオードからの出力信号をデジタル・サンプルに変換する手段と、
上記変換する手段からの上記デジタル・サンプルを第１入力とし、上記受信装置プロセッサからの上記有益な結果を第２入力とし、上記補正フィルタへ入力する上記係数を出力として生成する校正装置プロセッサと
を有する請求項１記載の統合型校正装置
広帯域無線周波数受信装置の周波数帯域に渡る振幅平坦性及び位相線形性のための広帯域無線周波数受信装置のランタイム校正方法であって、
中心周波数と特定周波数だけ離れた２つの周波数を有する２トーン正弦信号を生成するステップと、
上記広帯域無線周波数受信装置の入力端子と、２乗検波器として動作して校正装置出力信号を生成する上記広帯域無線周波数受信装置のための統合型校正装置の一部である校正済みダイオードとに上記２トーン正弦信号を印加するステップと、
上記広帯域無線周波数受信装置によって上記２トーン正弦信号を処理し、受信装置の結果を生成すると共に、上記統合型校正装置によって上記校正装置出力信号から校正装置の結果を生成する処理ステップと、
上記受信装置の結果と上記校正装置の結果とから、上記振幅平坦性及び位相線形性を生成するための上記広帯域無線周波数受信装置中の補正フィルタ用のフィルタ係数を計算するステップと
を具えるランタイム校正方法。