JP7333084B2

JP7333084B2 - 送受信機及び信号生成方法

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Publication number: JP7333084B2
Application number: JP2020558397A
Authority: JP
Inventors: 恭弥高野; 実藤島
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2023-08-24
Anticipated expiration: 2039-11-18
Also published as: WO2020110814A1; US20220021411A1; US11616527B2; JPWO2020110814A1

Description

本発明は、送受信機及び信号生成方法に関する。

高い周波数の信号を用いて無線通信を行う場合、特に送受信機の信号増幅回路等に用いるトランジスタの最大動作周波数より高い周波数の搬送波を用いて無線通信を行う場合、搬送波を電力増幅器によって増幅することができない。このような高い周波数で無線通信を行う送信機が開発されている（例えば、特許文献１、非特許文献１）。

特許文献１及び非特許文献１の送信機は、送信機の最終段を並列構成として、並列構成部分の複数の出力信号を電力合成器で合成することにより、高い周波数での電力増幅器による増幅を行うことなく搬送波を生成している。

また、上記のような高い周波数の信号を受信する受信機では、ダウンコンバージョンミキサに入力される局部発信信号を生成するために、上記送信機と同様に、局部発振器が用いられる（例えば、非特許文献２）。

特開２０１８－１２５７１２号公報

K.Takano, et al., "A 105Gb/s 300GHz CMOS Transmitter", Digest of Technical Papers IEEE International Solid-State Circuits Conference, p.308-309, Feb. 2017 S.Hara, et al., "A 32Gbits/s 16QAM CMOS Receiver in 300GHz Band", 2017 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, p.1703-1706, June 2017

非特許文献２の送受信機では、送信機、受信機それぞれが、局部発振器を有しているため、送受信機全体の消費電力が大きくなるとともに、回路面積が増大する。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、低消費電力で、回路面積の小さい送受信機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明の第１の観点に係る送受信機は、
所定の周波数帯域を有する入力信号をアップコンバートして送信信号を生成するための局部発振信号を出力する局部発振器と、
前記入力信号と前記局部発振信号とを加算して出力する第１加算部と、
前記第１加算部の出力信号を逓倍する第１逓倍部と、
前記入力信号の逆位相の信号と前記局部発振信号とを加算して出力する第２加算部と、
前記第２加算部の出力信号を逓倍する第２逓倍部と、
前記第１逓倍部で逓倍された信号と、前記第２逓倍部で逓倍された信号とを加算及び減算し、生成した加算信号及び減算信号を出力する加減算部と、
前記加減算部で生成した前記加算信号を用いて、受信アンテナで受信した受信信号をダウンコンバートするダウンコンバージョンミキサと、
を備える。

また、前記第１逓倍部及び前記第２逓倍部は、
入力された信号を２逓倍する２逓倍器を備える、
こととしてもよい。

また、前記入力信号は、
ベースバンド信号と前記局部発振信号とを混合して得られる中間周波数信号である、
こととしてもよい。

また、前記加算信号から所定の周波数の信号を通過させる周波数濾過器を備え、
全二重通信を行う、
こととしてもよい。

また、本発明の第２の観点に係る信号生成方法は、
所定の周波数帯域を有する入力信号に局部発振信号を加算する第１加算ステップと、
前記第１加算ステップで加算された信号を逓倍する第１逓倍ステップと、
前記入力信号の逆位相の信号に前記局部発振信号を加算する第２加算ステップと、
前記第２加算ステップで加算された信号を逓倍する第２逓倍ステップと、
前記第１逓倍ステップで逓倍された信号から、前記第２逓倍ステップで逓倍された信号を減算して減算信号を生成するとともに、前記第１逓倍ステップで逓倍された信号と、前記第２逓倍ステップで逓倍された信号とを加算して加算信号を生成する加減算ステップと、
前記加算信号を用いて、受信アンテナで受信した受信信号をダウンコンバートするダウンコンバートステップと、
を含む。

本発明の送受信機によれば、送信信号を生成する際に生じる局部発信信号を、受信部のダウンコンバージョンミキサの局部発信信号として利用することにより、受信部の局部発振器を不要とすることができるので、送受信機の消費電力を削減するとともに、回路面積を小さくすることが可能である。

本発明の実施の形態に係る送受信機のブロック図である。実施の形態に係る周波数混合部の構成を示すブロック図である。実施の形態に係る送受信機の回路構成の例を示す図である。図３の回路の点（ａ）～（ｅ）における信号の電力スペクトルの例を示す図である。（Ａ）は、実施の形態に係る送受信機の入力信号のコンスタレーションの例を示す図であり、（Ｂ）は、実施の形態に係る送受信機の出力信号のコンスタレーションの例を示す図である。

以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る送受信機について説明する。

本実施の形態に係る送受信機１は、図１のブロック図に示すように、ベースバンド部１１と、第１局部発振器１２と、第２局部発振器１３と、変調部１４と、周波数混合部２０と、送信アンテナ１５と、受信アンテナ１６と、ダウンコンバージョンミキサ１７とを備える無線送受信機である。

ベースバンド部１１は、送受信機１から送信する情報を、ベースバンド信号として変調部１４に出力する。

第１局部発振器１２は、ベースバンド信号から所定の周波数帯域を有する中間周波数信号（以下、ＩＦ信号という）を生成するための第１局部発振信号を生成する。第１局部発振器１２は、第１局部発振信号を変調部１４に出力する。

第２局部発振器１３は、搬送波として用いられる第２局部発振信号（以下、ＬＯ信号という）を生成する。第２局部発振器１３は、ＬＯ信号を周波数混合部２０に出力する。

変調部１４は、ベースバンド部１１の出力信号であるベースバンド信号と、第１局部発振器１２の出力信号である第１局部発振信号とを混合して、ＩＦ信号を生成する混合器を備える。変調部１４は、ＩＦ信号を周波数混合部２０に出力する。

周波数混合部２０は、変調部１４で生成されたＩＦ信号を入力信号とし、ＩＦ信号をアップコンバートして送信信号（以下、ＲＦ_TX信号という）を生成する。また、ＩＦ信号のアップコンバートとともに生成するＬＯ信号を、ダウンコンバージョンミキサ１７へ送信する。周波数混合部２０の詳細な構成については、後述する。

送信アンテナ１５は、周波数混合部２０の出力信号であるＲＦ_TX信号を電波として送信する。

受信アンテナ１６は、無線信号である受信信号（以下、ＲＦ_RX信号という）を受信して、ダウンコンバージョンミキサ１７へ送信する。

ダウンコンバージョンミキサ１７は、周波数混合部２０から受信したＬＯ信号と、受信アンテナ１６から受信したＲＦ_RX信号とに基づいて、ＲＦ_RX信号をダウンコンバートし、受信情報を含むベースバンド信号を出力する。

続いて、図２のブロック図を参照して、本実施の形態に係る周波数混合部２０の構成について説明する。周波数混合部２０は、図２に示すように、第１加算部２１と、第２加算部２２と、第１逓倍部２５と、第２逓倍部２６と、加減算部２７とを備える。

第１加算部２１は、第１加算ステップとして、変調部１４で生成されたＩＦ信号と、第２局部発振器１３で生成されたＬＯ信号とを入力し、ＩＦ信号とＬＯ信号とを加算した信号を出力する。

第２加算部２２は、第２加算ステップとして、変調部１４で生成されたＩＦ信号を、図示しない位相反転回路で位相反転させた逆位相の信号（以下、－ＩＦ信号という）と、第２局部発振器１３で生成されたＬＯ信号とを加算した信号を出力する。

第１逓倍部２５は、第１逓倍ステップとして、ＩＦ信号をアップコンバートして高周波の送信信号を生成する。具体的には、第１逓倍部２５は、ＩＦ信号を含む第１加算部２１の出力信号を逓倍して出力する。本実施の形態では、第１逓倍部２５は、乗算器であるスクエアミキサを用いて入力信号を２逓倍する２逓倍器を備え、第１加算部２１から入力された信号を２逓倍して出力する。

第２逓倍部２６は、第２逓倍ステップとして、入力信号をアップコンバートして高周波の送信信号を生成する。具体的には、第２逓倍部２６は、－ＩＦ信号を含む第２加算部２２の出力信号を逓倍して出力する。本実施の形態では、第２逓倍部２６は、乗算器であるスクエアミキサを用いて入力信号を２逓倍する２逓倍器を備え、第２加算部２２から入力された信号を２逓倍して出力する。

加減算部２７は、第１逓倍部２５の出力信号から、第２逓倍部２６の出力信号を減算する減算器を備え、加減算ステップとして、減算器で生成された減算信号をＲＦ_TX信号として送信アンテナ１５へ出力する。また、加減算部２７は、第１逓倍部２５の出力信号と第２逓倍部２６の出力信号とを加算する加算器を備え、加減算ステップとしての加算によって発生するＬＯ信号を含む加算信号を、ダウンコンバージョンミキサ１７へ出力する。

より具体的に、図２に示す各点の信号の電力スペクトルを参照しつつ、本発明に係る受信情報を含むベースバンド信号の信号生成方法について説明する。まず、第１加算部２１は、ＩＦ信号とＬＯ信号とを加算した信号（（ＬＯ＋ＩＦ）信号）を第１逓倍部２５に入力する。

第１逓倍部２５は、（ＬＯ＋ＩＦ）信号を逓倍する。（ＬＯ＋ＩＦ）信号の逓倍は、周波数混合器、すなわち乗算器によって行われる。本実施の形態の第１逓倍部２５は、第１加算部２１の出力信号を２逓倍する。よって、第１逓倍部２５は、以下の式（１）で表される演算を行う。
（ＬＯ＋ＩＦ）^２＝ＬＯ^２＋２ＬＯ・ＩＦ＋ＩＦ^２・・・（１）
ただし、ＬＯはＬＯ信号、ＩＦは信号。

第２加算部２２は、－ＩＦ信号とＬＯ信号とを加算した信号（（ＬＯ－ＩＦ）信号）を第２逓倍部２６に入力する。第２逓倍部２６は、上述の第１逓倍部２５と同様に（ＬＯ－ＩＦ）信号を２逓倍して、以下の式（２）で表される信号を出力する。
（ＬＯ－ＩＦ）^２＝ＬＯ^２－２ＬＯ・ＩＦ＋ＩＦ^２・・・（２）
ただし、ＬＯはＬＯ信号、ＩＦは信号。

加減算部２７は、第１逓倍部２５の出力信号から、第２逓倍部２６の出力信号を減算した差動信号を出力する。上述の式（１）、（２）及び図２のブロック図に概念的に表された出力電力スペクトルに示すように、第１逓倍部２５の出力信号のＬＯ^２の項及びＩＦ^２の項に対応する信号は、第２逓倍部２６の出力信号のＬＯ^２の項及びＩＦ^２の項に対応する信号に、等しい。したがって、第１逓倍部２５の出力信号から第２逓倍部２６の出力信号を減算した減算信号は、ＬＯ・ＩＦの項が残る一方、送信信号ＲＦ_TXについての不要波であるＬＯ^２、ＩＦ^２の項が除去された信号となる。

また、加減算部２７は、第１逓倍部２５の出力信号と、第２逓倍部２６の出力信号とを加算した同相信号を出力する。上述の式（１）、（２）及び図２の出力電力スペクトルに示すように、第１逓倍部２５の出力信号の＋２ＬＯ・ＩＦの項に対応する信号は、第２逓倍部２６の出力信号の－２ＬＯ・ＩＦの項に対応する信号の逆位相信号に、等しい。したがって、第１逓倍部２５の出力信号と第２逓倍部２６の出力信号とを加算した加算信号は、ＬＯ^２、ＩＦ^２の項が残る一方、ＬＯ・ＩＦの項が除去された信号となる。

加減算部２７は、上記加算信号として生成された、ＬＯ^２の信号をダウンコンバージョンミキサ１７へ出力する。送受信機１が半二重通信を行う場合、ＲＦ_RX信号の受信時には、周波数混合部２０へのＩＦ信号の入力がないので、加減算部２７からダウンコンバージョンミキサ１７への出力信号は、ＬＯ^２の信号のみとなる。

送受信機１が全二重通信を行う場合、加算信号のＩＦ^２の項に係る信号は、電力レベルの小さい信号であるので無視してもよいし、所定の周波数の信号を通過させる周波数濾過器によってＬＯ^２の信号を通過させ、ＩＦ^２の信号を除去してもよい。ダウンコンバージョンミキサ１７は、ダウンコンバートステップとして、受信アンテナ１６で受信した、送信信号ＲＦ_TXと同じ帯域の受信信号ＲＦ_RXと、加減算部２７から受信したＬＯ信号とに基づいて、受信信号ＲＦ_RXをダウンコンバートして、受信情報を含むベースバンド信号を生成して出力する。

周波数混合部２０は、上述のように構成され、ＩＦ信号とＬＯ信号から不要信号を除去した高周波信号ＬＯ・ＩＦを送信信号ＲＦ_TXとして出力するとともに、受信信号ＲＦ_RXをダウンコンバートするためのＬＯ信号を出力する。

図３に本実施の形態に係る送受信機１の回路構成の例を示す。図３の左側に示される回路では、入力された局部発振信号を３逓倍したＬＯ信号と、入力されたベースバンド信号とを、直交アップコンバージョンミキサである第１加算部２１に入力し、Ｉチャンネル及びＱチャンネルの（ＬＯ＋ＩＦ）信号を生成している。

スクエアミキサである第１逓倍部２５は、第１加算部２１から入力された（ＬＯ＋ＩＦ）信号を逓倍して、（ＬＯ＋ＩＦ）^２の信号を出力する。

また、図３の右側に示される回路では、入力された局部発振信号を３逓倍したＬＯ信号と、入力された逆位相のベースバンド信号とを、直交アップコンバージョンミキサである第２加算部２２に入力し、Ｉチャンネル及びＱチャンネルの（ＬＯ－ＩＦ）信号を生成している。

スクエアミキサである第２逓倍部２６は、第２加算部２２から入力された（ＬＯ－ＩＦ）信号を逓倍して、（ＬＯ－ＩＦ）^２の信号を出力する。

第１逓倍部２５及び第２逓倍部２６からの出力信号は、ラットレース型電力結合器である加減算部２７に入力される。加減算部２７は、ＬＯ・ＩＦ信号を送信信号ＲＦ_TXとして出力するとともに、ＬＯ信号をブランチラインハイブリッド４０へ出力する。

ブランチラインハイブリッド４０で分配されたＬＯ信号は、受信アンテナ１６で受信された受信信号ＲＦ_RXとともにダウンコンバージョンミキサ１７－１、１７－２に入力される。ダウンコンバージョンミキサ１７－１、１７－２は、受信信号ＲＦ_RXをダウンコンバートし、それぞれＩチャンネル、Ｑチャンネルのベースバンド信号を生成して出力する。

図４は、図３に係る送受信機１をＣＭＯＳ回路として構成し、３００ＧＨｚを中心周波数とする送信信号を生成した場合のシミュレーション結果の例を示す図である。この例における変調方式は６４ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）、シンボルレートは５Ｇｂａｕｄ、入力局部発振信号は５０ＧＨｚ、ＩＦ信号の中心周波数は１５０ＧＨｚ、ＲＦ_TX信号の中心周波数は３００ＧＨｚである。また、本シミュレーションでは、送受信機１の出力信号であるＲＦ_TX信号が、折り返してＲＦ_RX信号として送受信機１に入力されることとしている。

図５（Ａ）、（Ｂ）は、図４のシミュレーションに係る送受信信号のコンスタレーションを示す図である。図５（Ｂ）の受信部出力コンスタレーションから、受信信号ＲＦ_RXは正しく復調できていることがわかる。

以上説明したように、本実施の形態に係る送受信機１の周波数混合部２０は、送信信号であるＲＦ_TX信号を生成する際に生じるＬＯ信号を、受信部のダウンコンバージョンミキサ１７のＬＯ信号として利用し、受信信号であるＲＦ_RX信号をダウンコンバートする。これにより、受信部のＬＯ信号生成部を不要とすることができるので、送受信機１の消費電力を削減するとともに、回路面積を小さくすることが可能である。

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

本発明は、高い周波数の信号を用いて無線通信を行う送受信機に好適である。特に、送受信機の信号増幅回路等に用いるトランジスタの最大動作周波数より高い周波数の搬送波を用いて無線通信を行う送受信機に好適である。

１送受信機
１１ベースバンド部
１２第１局部発振器
１３第２局部発振器
１４変調部
１５送信アンテナ
１６受信アンテナ
１７，１７－１，１７－２ダウンコンバージョンミキサ
２０周波数混合部
２１第１加算部
２２第２加算部
２５第１逓倍部
２６第２逓倍部
２７加減算部
４０ブランチラインハイブリッド

Claims

所定の周波数帯域を有する入力信号をアップコンバートして送信信号を生成するための局部発振信号を出力する局部発振器と、
前記入力信号と前記局部発振信号とを加算して出力する第１加算部と、
前記第１加算部の出力信号を逓倍する第１逓倍部と、
前記入力信号の逆位相の信号と前記局部発振信号とを加算して出力する第２加算部と、
前記第２加算部の出力信号を逓倍する第２逓倍部と、
前記第１逓倍部で逓倍された信号と、前記第２逓倍部で逓倍された信号とを加算及び減算し、生成した加算信号及び減算信号を出力する加減算部と、
前記加減算部で生成した前記加算信号を用いて、受信アンテナで受信した受信信号をダウンコンバートするダウンコンバージョンミキサと、
を備える送受信機。
前記第１逓倍部及び前記第２逓倍部は、
入力された信号を２逓倍する２逓倍器を備える、
請求項１に記載の送受信機。
前記入力信号は、
ベースバンド信号と前記局部発振信号とを混合して得られる中間周波数信号である、
請求項１又は２に記載の送受信機。
前記加算信号から所定の周波数の信号を通過させる周波数濾過器を備え、
全二重通信を行う、
請求項１から３のいずれか一項に記載の送受信機。
所定の周波数帯域を有する入力信号に局部発振信号を加算する第１加算ステップと、
前記第１加算ステップで加算された信号を逓倍する第１逓倍ステップと、
前記入力信号の逆位相の信号に前記局部発振信号を加算する第２加算ステップと、
前記第２加算ステップで加算された信号を逓倍する第２逓倍ステップと、
前記第１逓倍ステップで逓倍された信号から、前記第２逓倍ステップで逓倍された信号を減算して減算信号を生成するとともに、前記第１逓倍ステップで逓倍された信号と、前記第２逓倍ステップで逓倍された信号とを加算して加算信号を生成する加減算ステップと、
前記加算信号を用いて、受信アンテナで受信した受信信号をダウンコンバートするダウンコンバートステップと、
を含む信号生成方法。