JPH02500480A - フェーズロック受信機における２重ポートｆｍ復調 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 フェーズロック受信機にあける２重ポートＦＭ復調発明の背景 １、発明の技術分野 本発明は、周波数変調（ＦＭ）無線受信機に関するものである。より詳細には、 局部発振器を制御するために自動周波数制御（ＡＦＣ＞ヤフエーズロツクを使用 するＦＭ受信機に関するものでおる。

２、従来技術の説明 環在用いられている二方向ＦＭ無線通信システムは、そのＵＨＦ帯にあけるチャ ネルの間隔が密接しているので、無線受信機に厳しい要求を課している。ある１ つの要求は安定して正確な周波数決定素子に対するものであり、他の要求として は選択度の狭さがある。これらの要求を満たすために、大部分の受信機は、入力 信号をある周波数に変換する局部発振器を用いている。その変換された周波数に おいては、キャリヤ（搬送）周波数にあけるよりも容易に選択度および利得を得 ることができる。スーパヘテロダイン法においては、局部発振器周波数が、中間 周波数（ＩＦ）に等しい量だけ入力信号の周波数から異なっている。直接変換法 における発振器周波数はキャリヤ周波数に等しく、中間周波数をベースバンドま たは零周波数に位置づける。

変換後に、ＦＭ受信機は通常ＩＦ低信号増幅し限定し、クループ（ＰＬＬ）を用 いて復調する。直接変換受信機は、ベースバンドにおいて復調し、あるいは在来 の復調のために信号を第２のＩＦへと再変換することができる。たとえば、以下 の特許文献を参照されたい。

１９８７年３月２４日発行の米国特許第４，６５３，１１７＠　［フェーズロッ ク直接変換ＩＦを用いた２重変換ＦＭ受信機」。

チャネルの間隔が近密なので、受信機は、隣接チャネル干渉を避は良好な感度を 得るため、狭い帯域ＩＦフィルタを有する必要がある。局部発振器および受信信 号においてともに周波数許容偏差があるために、発生したＩＦ倍信号狭いフィル タの帯域の外側にくることがおる。８００ＭＨ２以上のＵＨＦ周波数において、 送信周波数内のわずか２ｐｐｍの誤差が主１゜６ＫＨ２の誤差をもたらしうる。

局部発振器が同様な許容偏差を有し、ＩＦにおいて正味の数キロヘルツの周波数 誤差をもたらしうる。１２．５ＫＨｚのチャネル間隔のために必要とされるフィ ルタ帯域幅の場合には、数キロヘルツの誤差によって、追加的周波数制御手段を 用いることなしにＩＦフィルタ通過帯域内で受信信号を中心づけすることが実際 的ではなくなる。

従来技術の周波数制御方法の中には、自動周波数制御（ＡＦＣ）およびフェーズ ロックがある。ＡＦＣは、弁別器などの周波数感知検波器からのフィードバック を使用し、局部発振器を調節して、受信キャリヤの周波数内の静的誤差または緩 慢な変動により生じる検波器におけるＩＦ周波数誤差を最小化する。周波数検出 器内の不完全性または制御ループ内のＤＣオフセットが小さなＩＦ周波数誤差を 許容するが、これらの誤差は多くの応用においても許容されうる。フェーズロッ ク制御が、位相感知検波器からのフィードバックを使用する。この位相感知検波 器は、ＩＦ倍信号安定な基準信号と比較し、局部発振器を駆動して、局部発振信 号を受信信号と混合したものから一定のＩＦ差周波数を生ずるものである。

キャリヤ周波数の変動をトラッキングする際において、局部発振器制御ループが 、キャリヤ周波数の瞬時変動内に残る低周波ＦＭ情報の復調に干渉する。復調回 路は、これらの変動がキャリヤのＩＦへの移行後に存在することを期待する。し かし、制御ループが、それらのループ帯域幅内の周波数を有する変調成分を取出 す。この問題の厳しさは、変調信号の周波数内容および制御ループの帯域幅に依 存する。典型的には、ＦＭ無線通信システムが、ＤＣにあける変調を避け、静的 周波数誤差と区別できないキャリヤ周波数内のシフトを要する。しかしながら、 デジタル信号データなどのめる種の信号は、１０ヘルツ以下において変調成分を 有することがある。

制御ループに要求される帯域幅は、受信機が受信信号に同調してそれをＩＦへと 変換する速度に依存する。たとえば、受信機は合成局部発振器を使用してチャネ ルを走査することもできる。命令に応じて、受信機はその局部発振器を、特定チ ャネル上の受信信号のＩＦへの変換に要する周波数に同調させる。合成器は大体 正確な周波数を生じ、次に制御ループが局部発振器をさらに調節してＩＦ倍信号 中心づける。このプロセスは、数ミリ秒以内に起こる場合があり、２００Ｈ２以 上の制御ループ帯域幅を必要とする。

ＡＦＣシステムは概して遅いが、受信信号が短間隔であるときに数分の１秒以内 に補正すべきことが要求される場合がある。

こうして、広帯域幅トラッキングループを用いる受信機内で低周波「Ｍ成分を回 復する試みにおいて問題が生じる。

広いループ帯域幅は、高速信号取込みのためには望ましいが、デジタル信号デー タにより生じた成分などのような低周波ＦＭ酸成分復調に干渉する。ループ帯域 幅を減少させることにより低周波数復調を得ることは実際的ではなかった。何故 ならば、そうすることによって、受信機のチャネルへの高速同調の可能性が損わ れるからでのる。

発明の概要 本発明は、所定の中間周波数信号を生み出す局部発振周波数を制御プるための自 動機構を備えたＦＭ受信機に応用するものである。本発明に従ったそのようなＦ Ｍ受信機は、従来技術に存した上記のような困難性なしに低周波ＦＭ信号を復調 することができる。

本発明は、在来の手段によってＩＦ倍信号復調し、ＦＭ情報の高周波成分を回復 し； 局部発振器を制御するための手段から低周波変調成分を獲得し：そして 低周波成分と高周波成分とを適正な重みづけをして結合し、ＤＣからＩＦ帯域フ ィルタまたは復調器の帯域幅によってのみ決定される上限までの範囲の平坦な周 波数応答を有する変調回復を得ることを特徴としている。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明の一実施例であるＦＭ受信機のブロック図でおり、フェーズロ ック発振器を含み本発明の原理に従って変調を回復している。

第２図は、本発明の他の実施例のＦＭ受信機のブロック図であり、自動周波数制 御を用い本発明の原理に従って変調を回復している。

第３図は、本発明の原理に従い変調を回復する、より複雑な他の実施例のＦＭ受 信機のブロック図である。

好適実施例の説明 以下に図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。

第１図は、本発明に従って復調する単変換ＦＭ受信機のブロック図である。本発 明の理解に的を絞るために、この単純化した受信機には、ＲＦ増幅器ステージや 映像周波信号に対する防護のためのブリセレクタを示していない。しかし、実際 の動作状況においては、ＲＦ増幅器またはブリセレクタの何れかが必須的に含ま れる。電圧制御発振器（ＶＣＯ）３からの局部発振器（ＬＯ）信号が、１で受信 したＦＭ信号をミクサ５内で中間周波数（ＩＦ）へと変換する。ＩＦ信号６は、 受信機の選択度をもたらすＩＦ帯域フィルタ７を通過して、増幅器リミックステ ージ１１を通る。リミッタ］１の出力は、周波＠復調器１５に接続する。

本実施例における周波数）！調器１５は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１５Ｌ位相 検波器１５３およびループフィルタ１５５から成る変調トラッキングフェーズロ ックループである。復調された出力は１７のところに現われる。

リミッタ１］からの出力１３はまた、局部発振器でおるＶＣＯ３を制御するフェ ーズロックループへの信号ともなる。発振器３は、自走発振器、周波数合成器ま たは水晶発振器であっても良いが、直接周波数変調能力を備える必要がある。こ の発振器または合成器は初期的には、大体圧しい周波数に同調されて、所望の受 信信号をＩＦに変換する。

と導き、所望のＩＦを生み出す。このループは、入力割算器１９、基準発搬器２ １、位相検波器２５、ループフィルタ２７、ＶＣＯ３、ミクサ５およびＩＦ帯域 フィルタ７がら成っている。このループによって、局部発振器３が受信信号を捉 えて、ＩＦ出力６を発振器２１がらのループ基準周波数（ＦＲＥ、）のＮ（割算 比）倍に等しい所定周波数に維持する。

局部発振器をループ帯域幅内の程度におけるキャリヤの変動に追従させることに よって、ループはＩＦ倍信号ら低周波変調情報を除去する。その結果として、１ ７にあける復調出力の低周波成分が著しく減衰され、主として高周波変調成分が 現われる。しかしながら、ＶＣＯ制御信号がこれらの低周波成分を再生する。、 、２９にあける低周波情報と１７にあける高周波情報とを、それぞれ利得定数３ １６よび３３により重みづけをして加算ネットワーク３５内で結合することによ って、全スペクトルにわたって平坦な復調出力を得ることができる。この結合ネ ットワークは、差動増幅器または２つのアナログ入力を個々にスケーリングして 加算しうる同様な回路であって良い。加重因子に１およびに２は、キャリヤトラ ッキンググループ内のＶＣＯの電圧対周波数変換因子および復調器の周波数対電 圧変換因子に対応し、低周波および高周波成分を等しく重みづけ（加重）するよ う調節される。こうして３７で得られる復調出力は、ＤＣから、ＩＦフィルタの 半帯域幅または復調器の帯域幅のうち狭い方まで広がっている。

フェーズロックループの特性は周知であり詳細については以下の書物を参照され たい。　・ 「フェースロックテクニック（Ｐｈａｓｅｌｏｃｋ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）（ Ｇａｒｄｎｅｒ、　Ｆ、　Ｈ，著、Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　Ｗｉｌｅｙ発行、１９ ７９年第２版）しかし、本受信機に特有のいくつかの特徴に注目すべきである。

第１に、ループは１次型とすべきである。ここで「型」とは、−巡伝達関数内の 起点に位置する極の個数を意味する。２次型またはより高次の型のループの場合 には、局部発振器がオフチャネル干渉信号に向かって引き寄せられ、オンチャネ ル信号の受信を苛酷に劣化させる。ＶＣＯが本来的に起点において１個の極をも たらすので、ループフィルタは積分器を含んではならない。第２に、ループは優 位的な１次応答を有するべきでおる。閉ループ応答は、ループ利得ならびにルー プフィルタおよびＩＦフィルタの動特性に依存する。ループ利得は比較的低くお るべきでめり、これらのフィルタの帯域幅は閉ループ帯域幅に比してかなり広く なければならない。それによって、利得が支配的になり１次応答を生せしめる。

ＩＦフィルタおよびルーフフィルタが非優位的な極（ｎｏｎ−ｄｏｍｉｎａｎｔ 　ｐｏｌｅ）をもたらし、それらの余分な位相シフトはループの安定性に影響を 与えない。ループフィルタはいくぶん広くなければならないが、ｖＣＯの変調か らの位相検波器の出力における高周波雑音を防止するために、いくらかのフィル タリングが必要である。弱い信号の受信の際に、雑音が、リミッタ出力に表われ て、もしフィルタされていな【ブれば注入発振器上に雑音測波幣を生じる。これ らの側波帯は近接チャネルの強い干渉信号に混合可能であり、雑音をＩＦ通過帯 域へと変換し、所望のオンチャネル信号に対する感度を劣化させる。第３に、キ ャリヤトラッキングループがＩＦ信号内の高周波位相偏移に追従しないので、位 相検波器の動作範囲内のピーク位相偏移を保つために周波数分割器１９を必要と する。ざらに、もし所望の信号が初期的にループ保護範囲の外側にありうるなら ば、受信機は信号を獲得するための機構を含まねばならない。そのための１つの 機構は、信号と基準入力との周波数差に応答してＶＣＯを獲得同期へと導くこと が可能な位相／周波数検波器でおって良い。

他の機構としてｖｃｏｉ引回路がめつうる。

本発明の原理は、第２図に示すようにＡＦＣ（自動周波数）制御を有するＦＭ受 信機にも適用可能である。第２図の受信機は、１のところでＦＭ信号を受信し、 ＶＣＯ３からの局部発振信号を用いてミクサ５内でＦＭ信号をＩＦ信＠６へと変 換する。フィルタ７およびリミッタ１１内での在来のＩＦ処理の後、１３にあけ るＩＦ倍信号周波数復調器１５を駆動する。周波数復調器１５は、所定のＩＦ中 央周波数からのＩＦ周波数の瞬時の偏移に比例する出力電圧をもたらす。復調器 １５の出力はＡＦＣループに接続される。このＡＦＣループは、ＩＦ周波数内の 誤差を最小化する負帰還系である。ループフィルタ２７′が高周波変動を除去し 、その出力がｖＣＯを駆動して、復調器により測定される残留周波数誤差を最小 化する。

ＩＦ周波数内の静的誤差および低周波変動を最小化するに際し、ＡＦＣループが 、ループ帯域幅内の周波数における復調信号１７の成分を非常に減衰させる。し かしながら、ＶＣＯ制御信号２９が、この低周波変調情報をもたらす。

前の実施例と同様に、２９および１７からの低周波および高周波成分がそれぞれ 、利得定数３１および３３によって適当に加重され、加算ネットワーク３５内で 結合されて、３７において平坦な復調出力を生ずる。

第３図には、本発明を最新の通信受信機に応用した場合の実施例を示す。本実施 例は、直接変換ＦＭ受信機内での応用でおる。本実施例のＦＭ受信機は、フェー ズロックされた第１の局部発振器を伴なうトリプル変換、固定した第２の局部発 振器によるベースバンド、零−ＩＦへの直接変換、変調のための第３のＩＦへの 上変換、ならびに入力信号のプリセレクションおよび第１の局部発振器の注入フ ィルタリングのための追加的フロントエンド構造を含んでいる。１におけるアン テナからの受信信号がブリセレクタ２を通過する。ブリセレクタ２は、ミクサ５ の入力における信号の帯域を制限し、映像周波数信号のＩＦへの変換を防止する 。注入フィルタ４が、ミクサに接続した局部発振器信号からの側波帯雑音および スプリアス信号を除去する。

本実施例の受信機は、直流結合周波数変調能力を有する安定な発振器である電圧 制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）を使用する。この発振器の周波数は、所望のキャリ ヤ周波数をＩＦに変換するように選択される。次にキャリヤトラッキングループ が、ＩＦを正確に中心づけるために要する微同調電圧をもたらす。

第１および２図の受信機と異なる方式として、第１の変換ミクサ５からのＩＦ信 号６がＩＦフィルタリング７および利得８を受け、次に直接変換ＩＦステージ９ に接続されている。ＩＦ倍信号直角位相路（ｇＵａｄｒａｔｕｒｅ　ｐａｔｈｓ ）９１−９３−９５８よび９２−９４−９６に接続される。各直角位相路は、上 変換（ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）ミクサ、低域フィルタおよび上変換（ ｕｐ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）ミクサから成っている。

直角位相路の２出力は加算ステージ９７内で結合され、フィルタされた第３のＩ Ｆ倍信号９９に生じる。固定発振器２２および移相器９０が、上変換信号をもた らす。一方、基準発振器２０および移相器９８が上変換信号をもたらす。

９９におけるＩＦ倍信号第１図の受信機内の経路に類似した経路を通る。ＩＦ帯 域フィルタ１０がリミッタ１１に接続し、限定されたＩＦ信号１３をもたらす。

この信号１３は、１７において出力を生じるフェーズロックループ復調器１５に 進む。

限定されたＩＦ信＠１３および発振器２１′からのオフセット基準信号がそれぞ れ、周波数分割器１９および２３を通って位相検波器２５に接続される。第１図 に関して述べたように、ＩＦ分割器が、位相検波器の範囲を越える位相偏移を防 止する。同様な分割器を基準経路内に設け、それによりオフセット基準発振器が 固有の周波数およびオフセットを有し、上変換発振器２０と呼ばれる。この基準 オフセットの目的は、ベースバンドＩＦ信号を零周波数（ＤＣ）かられずかにず らすことにより、ベースバンド回路のＤＣ結合の必要性を回避することである。

フェーズロックシステムが、最小期待変調周波数以下の正確なオフセット周波数 を維持する。直角位相路（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　ｐａｔｈｓ）の不完全整合か ら生じうるすべてのビート信号が、次に、高域結合によって容易に抑圧されうる 。キャリヤトラッキングループを完成させるために、位相検波器出力がループフ ィルタ２７に接続し、ｖｃｘｏを駆動する。

この受信機は、上述の実施例におけるように変調を回復する。回復された低周波 変調信号は、ｖｃｘｏ制御２９に表われ、周波数変調器からの高周波変調信号１ ７に結合される。加重人力３１および３３を有する加算ネットワーク３５が、出 力３７において平坦な変調回復（復調）信号をもたらす。

本発明は、局部発振器周波数を制御するための自動手段を用いて所定の中間周波 数信号を生じさせるＦＭ受信機に応用することができる。本発明に従えば、その ようなＦＭ受信機は、上述の従来技術で経験したような困難性なしに低周波ＦＭ 信号を復調することができる。

上記の通り本発明を特定の実施例により説明してきたが、本発明の新規な特徴は 、局部発振器制御ループから得た低周波変調情報と在来のＦＭ復調器から得た高 周波変調情報とを結合することによって平坦な周波数応答を有する周波数変調情 報を回復する点にある。特許請求の範囲により限定する本発明の範囲には、当業 者に明白な変形や追加的応用が含まれる。

国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）以下の手段ａ）〜ｃ）から成る、受信キャリヤ信号上の周波数変調信号を 変調回復するための受信機：ａ）受信信号のキャリヤ周波数を中間周波数に変換 して中間周波数信号を生ずるための周波数変換手段であって、ａ１）前記受信信 号のキャリヤ周波数内の静的誤差および緩やかな変動をトラッキングし、ａ２） 前記中間周波数信号の周波数から静的誤差および緩やかな変動を取出し、かつ ａ３）前記キャリヤ周波数信号内の静的誤差および緩やかな変動に比例した低周 波変調回復信号を生ずる、キャリヤトラッキング手段、から成る周波数変換手段 ； ｂ）前記中間周波数信号により搬送される周波数変調情報を回復しかつ高周波変 調回復信号を生ずるための周波数復調手段；ならびに ｃ）前記の低周波変調回復信号および高周波変調回復信号を加重して結合し、平 坦周波数応答を有する変調回復信号を生ずるための変調結合手段。
2. （２）前記キャリヤトラッキング手段がフェーズロックループから成る、ところ の請求の範囲第１項記載の受信機。
3. （３）前記キャリヤトラッキング手段が自動周波数制御ループから成る、ところ の請求の範囲第１項記載の受信機。
4. （４）前記周波数復調手段が変調トラッキングフェーズロックループから成る、 ところの請求の範囲第１項記載の受信機。
5. （５）前記周波数復調手段が周波数弁別器から成る、ところの請求の範囲第１項 記載の受信機。
6. （６）前記周波数変換手段が、受信信号をベースバンド、零中間周波数へと変換 するための直接変換手段を含む、ところの請求の範囲第１項記載の受信機。
7. （７）以下の段階ａ）〜ｃ）から成る、受信キャリヤ信号上の周波数変調信号を 変調回復するための方法：ａ）受信信号のキャリヤ周波数を中間周波数に変換し て中間周波数信号を生ずるための周波数変換段階であって、ａ１）前記受信信号 のキャリヤ周波数内の静的誤差および暖やかな変動をトラッキングし、ａ２）前 記中間周波数信号の周波数から静的誤差および緩やかな変動を取出し、かつ ａ３）前記キャリヤ周波数信号内の静的誤差および緩やかな変動に比例した低周 波変調回復信号を生ずる、ための段階、から成る周波数変換段階；ｂ）前記中間 周波数信号により搬送される周波数変調情報を回復し、高周波変調回復信号を生 ずる変調回復段階；ならびに ｃ）前記低周波変調回復信号および高周波変調回復信号を加重して結合し、平坦 周波数応答を有する変調回復信号を生ずるための変調結合段階。
8. （８）前記の周波数変換段階が受信信号をベースバンド、零中間周波数へと変換 する段階から成る、ところの請求の範囲第７項記載の方法。