WO2010035393A1 - Ｓａｗチャープｚ変換器を用いたｏｆｄｍシステム - Google Patents

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Definitions

  • the present invention uses a SAW chirp Z converter composed of a SAW distributed delay line having a delay time with zero temperature characteristics for performing convolution using a surface acoustic wave applicable to signal processing in the field of mobile communication.
  • a SAW chirp Z converter composed of a SAW distributed delay line having a delay time with zero temperature characteristics for performing convolution using a surface acoustic wave applicable to signal processing in the field of mobile communication.
  • the method using a SAW chirp filter for performing Fourier transform using surface acoustic waves is an analog signal processing that is fast and excellent in functionality, and is overwhelming in terms of power consumption compared with a method that performs digital Fourier transform in an electronic circuit.
  • the SAW chirp filter is a dispersion-type delay line whose delay time varies depending on the frequency.
  • the configuration includes a counter interdigital electrode having a variable pitch and a RAC type (Reflective Array Compressor) using a variable pitch reflection grating. Is used. When the product of B (bandwidth) and T (delay time) is 100 or less, the counter type is selected, and when it is 100 or more, the RAC type is selected to form a distributed delay line.
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 describe an OFDM modulation / demodulation system that is put into practical use in a 2.4 GHz band or a 5.2 GHz band wireless LAN system.
  • FIG. 4 is a block diagram of an OFDM transceiver configured with a conventional digital circuit disclosed in Non-Patent Document 1.
  • the number of information symbols 1 is serial-parallel converted and input to an inverse discrete Fourier transform circuit (IDFT).
  • IDFT inverse discrete Fourier transform circuit
  • the output signal is expressed by Equation 2.
  • the third carrier number 4 is modulated by the information symbol number 5.
  • different subcarriers are modulated for Equation (1). That is, the information symbol number 1 is transmitted on the subcarriers having the frequency number 6.
  • This modulated signal is D / A converted, passed through a low pass filter for removing alias components, and then multiplied by a carrier to shift the center frequency. And it transmits through the band pass filter for transmission.
  • the signal received by the antenna is passed through a band-pass filter, reproduced, multiplied by a carrier, passed through a low-pass filter, and converted to a baseband signal. Thereafter, A / D conversion is performed, and the sampled signal is multiplied by the third subcarrier to obtain Equation 7, and only the third information symbol number 5 can be extracted.
  • This operation is realized by a discrete Fourier transform (DFT).
  • DFT discrete Fourier transform
  • a LiNbO 3 substrate or a Bi 12 GeO 20 substrate is used as a piezoelectric material used for a SAW chirp filter constituting a conventional SAW chirp Z conversion.
  • the Bi 12 GeO 20 substrate has a temperature coefficient of 130 ppm / ° C., but the propagation speed of the surface acoustic wave is 1620 m / s, which is half of the 3992 m / s of the LiNbO 3 substrate. realizable.
  • the SAW chirp Z converter In order to use the SAW chirp Z converter in the mobile communication field, it is required to control a strict delay time. For this reason, the SAW chirp Z converter which consists of a SAW chirp filter was comprised, and it accommodated in the thermostat and supplied.
  • the SAW chirp filter constituting the SAW chirp Z conversion is required to have a zero-temperature characteristic in the delay time.
  • OFDM has a track record in terrestrial digital broadcasting, ADSL, and wireless LAN. In the future, OFDM is also being studied for 4G mobile mobile communication networks. If a SAW chirp Z conversion processor is used for OFDM, a portable terminal with low power consumption can be realized.
  • Time length of transmission code 20 ⁇ s
  • Number of FDM channels N (BT) 500
  • the chirp Z converter of the present invention is an OFDM system composed of a SAW chirp Z converter to which an electric circuit for generating a chirp signal is connected before and after a SAW chirp filter having a down chirp characteristic.
  • the SAW chirp filter constituting the chirp Z converter of the present invention is an OFDM system using SAW chirp Z conversion composed of RAC type SAW distributed delay lines having a B (bandwidth) T (delay time) product of 100 or more. There is.
  • Equation 22 The frequency number 30 and the delay time number 31 when the temperature is Equation 22 are expressed as follows.
  • Equations 13 and 14 are the electrode finger period and propagation distance.
  • the frequency number 15 at an arbitrary temperature is expressed by the following equation in consideration of the temperature coefficient up to the third order.
  • Number 53 (3) it is Formula 16.
  • Equations 17 and 18 are the linear expansion coefficient and SAW velocity temperature coefficient of the 19th order.
  • the delay time number 21 at an arbitrary temperature number 20 is expressed as follows.
  • the frequency dispersion characteristic of the distributed delay line is Equation 23
  • the dispersion characteristics at an arbitrary temperature are obtained from the equations (3) and (4).
  • Number 24 Therefore, Equation 55 (5) It is represented by Therefore, the delay time temperature characteristic at the reference temperature number 22 can be obtained as follows. 56 (6) However, Formula 25. Furthermore, from the formula (3), it is obtained as follows. Number 57 (7)
  • the delay time temperature coefficient is related to the temperature coefficient number 26 and the dispersion characteristic number 27 of the substrate itself.
  • the dispersion characteristic of the linear cheap filter is such that the delay time monotonously decreases as the frequency increases, and the following equation is represented by the reference temperature number 22.
  • Formula 58 The arbitrary number of temperatures 20 and the number of delay times 21 are expressed by the following equation from equation (5). Number 59 (9) Furthermore, the delay time and the temperature coefficient of the frequency are expressed by equations (6) and (7). Number 60 (10) Number 61 (11) When formula (10) is transformed, Number 62 (12) The frequency number 15 at which the temperature change of the delay time becomes zero at the normalized frequency number 28 is the number 29.
  • the OFDM system using the SAW chirp Z conversion of the present invention is a SAW dispersion type having a zero temperature characteristic with a delay time for performing convolution using a surface acoustic wave applicable to signal processing in the mobile communication field.
  • This is an OFDM system using SAW chirp Z conversion composed of delay lines.
  • the speed is 50,000 times / second.
  • the SAW chirp Z converter applicable to the OFDM system of the present invention is a SAW chirp filter composed of a SAW chirp Z converter to which an electric circuit for generating a chirp signal is connected before and after a SAW chirp filter having a down chirp characteristic.
  • the delay time has a zero temperature coefficient.
  • FIG. 1 is an OFDM system using the SAW chirp Z transform of the present invention.
  • the SAW chirp filter 100 having a down chirp characteristic has a convolution function.
  • Chirp Z conversion can be performed by a chirp signal generator 101 and a chirp signal generator 102 which are electronic circuits connected before and after the SAW chirp filter 100.
  • the chirp signal generator 101 has an up-chirp characteristic
  • the chirp signal generator 102 has a down-chirp characteristic.
  • the information symbol is transmitted by performing the inverse Fourier transform on the SAW chirp Z transform.
  • connection switches 104 and 105 to the chirp Z conversion are simultaneously operated, and the received signal is Fourier-transformed to reproduce the original information symbol. I can do it.
  • the band-pass filter connected to the transmission side and the reception side can avoid intersymbol interference by using a Nyquist filter.
  • the band-pass filter on the receiving side serves as a GI cut filter.
  • FIG. 2 schematically shows the influence of the temperature of the SAW chirp filter constituting the chirp Z converter of the present invention on the physical dimensions of the electrodes formed on the piezoelectric substrate.
  • the frequency number 15 is analyzed in consideration of the temperature coefficient up to the third order with respect to the change of the electrode finger period and the propagation distance due to the temperature change.
  • FIG. 3 shows a variation curve 300 of the delay time in the range of 0.4 to 0.6 using the normalized frequency number 24 as a parameter for the variation of the delay time of the chirp filter of the present invention.
  • the temperature change of the delay time becomes almost zero in Equation 32.
  • the temperature coefficient becomes almost zero in Equation 34.
  • the amount of change in the delay time between 0.45 and 0.55 of Equation 28 is Equations 36 to 37.
  • the chip size of the SAW chirp filter is 18 mm ⁇ 2 mm ⁇ 0.5 mm.
  • the amount of change in the delay time at the number of input frequencies 38 to the SAW chirp converter is +23.4 ppm to 0 ppm to ⁇ 28.89 ppm.
  • the OFDM system using SAW chirp Z conversion of the present invention is composed of a SAW distributed delay line having a zero temperature characteristic with a delay time for performing convolution using a surface acoustic wave applicable to signal processing in the mobile communication field. This is an OFDM system using SAW chirp Z conversion, and its industrial value is extremely high.

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Abstract

移動体通信分野で使用できるＯＦＤＭシステム用ＳＡＷチャープＺ変換を実現する。 ダウンチャープ特性を有するＳＡＷチャープフィルタの前後にチャープ信号を発生させる電気回路が接続されたＳＡＷチャープＺ変換器から構成されるＯＦＤＭシステムでＳＡＷチャープフィルタの遅延時間がゼロ温度特性を有するＳＡＷチャープＺ変換を用いる。 以上のとおり、本発明のＳＡＷチャープＺ変換を用いたＯＦＤＭシステムは、移動体通信分野の信号処理に適用できる弾性表面波を用いてコンボリューションを行う遅延時間がゼロ温度特性を有するＳＡＷ分散型遅延線から構成されてなるＳＡＷチャープＺ変換を用いたＯＦＤＭシステムであり、その工業的価値は極めて高い。

Description

ＳＡＷチャープＺ変換器を用いたＯＦＤＭシステム
本発明は、移動体通信分野の信号処理に適用できる弾性表面波を用いてコンボリューションを行うための遅延時間がゼロ温度特性を有するＳＡＷ分散型遅延線から構成されるＳＡＷチャープＺ変換器を用いたＯＦＤＭシステムに関する。
弾性表面波をもちいてフーリエ変換を行うためのＳＡＷチャープフィルタを用いる方法は高速で機能性にも優れたアナログ信号処理であり、電子回路でディジタルフーリエ変換を行う方法に比べ電力消費で圧倒的に優位にある。ＳＡＷチャープフィルタとは周波数により遅延時間が異なる分散型遅延線のことで、その構成は、可変ピッチをもった対向型すだれ状電極によるものと、可変ピッチの反射格子によるＲＡＣ型（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ　Ａｒｒａｙ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）が使われている。Ｂ(帯域幅)とＴ（遅延時間）の積が１００以下の場合には対向型で、１００以上の場合にはＲＡＣ型が選択されて分散型遅延線となる。非特許文献１と非特許文献２は、２．４ＧＨｚ帯や５．２ＧＨｚ帯の無線ＬＡＮシステムに実用化されているＯＦＤＭ変復調システムについて記述されている。図４は、非特許文献１に示されている従来のディジタル回路で構成されるＯＦＤＭ送受信機のブロック図である。情報シンボル数１は直並列変換され、逆離散フーリエ変換回路(ＩＤＦＴ)に入力される。出力信号は数２となる。数３番目のキャリア数４が情報シンボル数５によって変調されている。そして、数１に対して、それぞれ別のサブキャリアが変調される。すなわち情報シンボル数１は周波数数６のサブキャリアで伝送される。複数のサブキャリアを変調して情報を伝送するため、マルチキャリア変調という。この変調信号をＤ／Ａ変換し、エイリアス成分を取り除くためのローパスフィルタを通した後、キャリアを乗算することにより中心周波数をシフトする。そして送信用のバンドパスフィルタを通して送信する。受信側ではアンテナで受信した信号をバンドパスフィルタに通し、再生してキャリアと乗算してローパスフィルタに通すことによりベースバンド信号に変換する。
その後Ａ／Ｄ変換し、サンプルした信号を数３番目のサブキャリアと乗算することにより数７となり、数３番目の情報シンボル数５だけをとりだすことができる。この操作は離散フーリエ変換(ＤＦＴ)により実現される。情報シンボルが周波数数９のキャリアで伝送される際、情報シンボルの周波数スペクトルは重なっている。しかし、
数１０
数１１、数１２は整数
が成りたつから、情報シンボルが干渉しあうことなく復調することができる。しかしながら、この現有のＯＦＤＭ方式では、１、０００ＭＩＰＳの膨大な演算量をこなすには、数十Ｗの電力消費を必要とするという根源的な問題を抱えている。
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Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
池原雅章、島村哲也、真田幸俊、"ＭＡＴＬＡＢ　マルチメディア信号処理　下"２４４頁、培風館、２００４年 生岩量久、"ディジタル通信・放送の変復調技術"コロナ社、２００８年４月
従来のＳＡＷチャープＺ変換を構成するＳＡＷチャープフィルタに使用される圧電材料には、ＬｉＮｂＯ３基板やＢｉ１２ＧｅＯ２０基板が使用されている。Ｂｉ１２ＧｅＯ２０基板は、１３０ｐｐｍ／℃の温度係数を有するが、弾性表面波の伝搬速度は１６２０m／sとＬｉＮｂＯ３基板の３９９２ｍ／ｓの半分であることからサイズは約半分でＳＡＷチャープフィルタが実現できる。ＳＡＷチャープＺ変換器を移動体通信分野で使用するには、厳しい遅延時間の制御を要求されることになる。このため、ＳＡＷチャープフィルタからなるＳＡＷチャープＺ変換器を構成し恒温槽に収納されて供給されていた。ＳＡＷチャープＺ変換器の移動体通信分野や衛星通信分野での使用を考えると超小型で低消費電力が必須の課題である。このためには、ＳＡＷチャープＺ変換を構成するＳＡＷチャープフィルタには遅延時間がゼロ温度特性を持つことが要求される。ＯＦＤＭは地上波ディジタル放送、ＡＤＳＬ、無線ＬＡＮで実績がある。今後４Ｇ携帯移動通信網にもＯＦＤＭが検討されている。ＯＦＤＭにＳＡＷチャープＺ変換プロセッサーを用いれば低消費電力な携帯端末が実現可能になる。
日本における次世代高速移動通信には２．５ＧＨｚ帯に３０ＭＨｚの帯域が二つ割り当てられている。今それを用いて次のような通信網を作るものとする。
使用無線帯域幅=２５ＭＨｚ
伝送符号の時間長=２０μs
ＦＤＭチャンネル数Ｎ（ＢＴ）＝５００
本発明をこれに適用すると、ＳＡＷチャープフィルタへの要求仕様は、中心周波数３００ＭＨｚ、ＢＴ＝５００、遅延時間は２０μs、帯域幅は２５ＭＨｚである。ダウンチャープ特性を有するＳＡＷチャープフィルタは、設計条件により遅延時間がゼロ温度係数を持つことがわかっていることから、ＳＡＷチャープＺ変換を帯域幅３０ＭＨｚ、遅延時間長２０μsとした。通常、ＬｉＮｂＯ３基板のサイズがΦ３インチで遅延時間長１０μsしか、実現できない。このため弾性表面波の伝搬速度もＬｉＮｂＯ３の半分のＢｉ１２ＧｅＯ２０基板を使い、ＲＡＣ型でデバイスの小型化を図る。
本発明のチャープＺ変換器は、ダウンチャープ特性を有するＳＡＷチャープフィルタの前後にチャープ信号を発生させる電気回路が接続されたＳＡＷチャープＺ変換器から構成されるＯＦＤＭシステムでＳＡＷチャープフィルタの遅延時間がゼロ温度特性を有するＳＡＷチャープＺ変換を用いるＯＦＤＭシステムである。特に本発明のチャープＺ変換器を構成するＳＡＷチャープフィルタは、Ｂ（帯域幅）Ｔ（遅延時間）積が１００以上のＲＡＣ型のＳＡＷ分散型遅延線からなるＳＡＷチャープＺ変換を用いるＯＦＤＭシステムであること。
本発明のＳＡＷチャープＺ変換を用いたＯＦＤＭシステムを構成するＳＡＷチャープフィルタである分散型遅延線の遅延時間温度特性がゼロ温度特性を有することを説明する。
温度が数２２のときの周波数数３０、遅延時間数３１は次のように示される。
数５１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
数５２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
ここで、数１３、数１４は、電極指周期および伝播距離である。一般に任意の温度における周波数数１５は、３次までの温度係数を考慮すると、次式で示される。
数５３　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
但し、数１６である。数１７、数１８は数１９次の線膨張係数、ＳＡＷ速度温度係数である。同様に、任意の温度数２０における遅延時間数２１は、次のように表される。
数５４　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
基準温度数２２で、分散型遅延線の周波数分散特性を、
　　　　　　　数２３
とおくと、任意温度における分散特性は式（３）、（４）から、
数２４
よって
数５５　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
で表わされる。故に、基準温度数２２での遅延時間温度特性は次のように求めることができる。
数５６　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）
但し、数２５である。
さらに、式（３）より、次のように求まる。
数５７　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（７）
遅延時間温度係数は、基板自身の温度係数数２６と分散特性数２７が関与している。
リニアチープフィルタの分散特性は、周波数が増加するに従い、遅延時間が単調減少するものであり、基準温度数２２で次式が示される。
数５８　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）
任意の温度数２０で遅延時間数２１は（５）式より、次式で示される。
数５９　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（９）
さらに、遅延時間、周波数の温度係数は式（６）、（７）
数６０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１０）
数６１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１１）
式（１０）を変形すると、
数６２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１２）
規格化周波数数２８で遅延時間の温度変化がゼロになる周波数数１５は数２９である。
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Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
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Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
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Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
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Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
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以上説明したように本発明のＳＡＷチャープＺ変換を用いたＯＦＤＭシステムは、移動体通信分野の信号処理に適用できる弾性表面波を用いてコンボリューションを行う遅延時間がゼロ温度特性を有するＳＡＷ分散型遅延線から構成されてなるＳＡＷチャープＺ変換を用いたＯＦＤＭシステムである。ディジタル方式ではＤＦＴとしては５１２＝２９点のＤＦＴを用いるのが一般的である。またその速度は５０、０００回／秒である。この時ＦＦＴに必要な演算速度は５１２×９×５０，０００＝２３０．４ＭＩＰＳ上の乗算は複素乗算であるから実乗算の数はその４倍であり９２１．６ＭＩＰＳにもなる。これは携帯端末には過大な演算量であり実現困難である。そこでＳＡＷチャープＺ変換プロセッサーを用いることで所要演算量を激減することができる。ＳＡＷチャープフィルタのチャープＺ変換プロセッサーは、帯域２５ＭＨｚ、Ｎ＝５００での演算時間は１、１００ＭＩＰＳとなり、ＯＦＤＭで要求される９２１．６ＭＩＰＳを満足できる。
本発明のＳＡＷチャープＺ変換を使用したＯＦＤＭシステムである。 本発明のＳＡＷチャープフィルタの温度に対する電極構造変化を示した平面図である。 本発明のＳＡＷチャープフィルタの遅延時間温度特性である。 従来のＯＦＤＭシステムである。
本発明のＯＦＤＭシステムに適用できるＳＡＷチャープＺ変換器は、ダウンチャープ特性を有するＳＡＷチャープフィルタの前後にチャープ信号を発生させる電気回路が接続されたＳＡＷチャープＺ変換器から構成されるＳＡＷチャープフィルタの遅延時間がゼロ温度係数を有する。
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明のＳＡＷチャープＺ変換を使用したＯＦＤＭシステムである。ダウンチャープ特性を有するＳＡＷチャープフィルタ１００は、コンボリューション機能を有する。ＳＡＷチャープフィルタ１００の前後に接続された電子回路であるチャープ信号発生器１０１とチャープ信号発生器１０２とで、チャープＺ変換を行うことが出来る。ここでチャープ信号発生器１０１はアップチャープ特性を有し、チャープ信号発生器１０２はダウンチャープ特性を有する。図１の結線の矢印方向１０６は、ＳＡＷチャープＺ変換は逆フーリエ変換を行うことで情報シンボルを送信する。結線の矢印方向１０７は、アンテナスイッチ１０３を受信側に切り換えた時は、同時にチャープＺ変換への接続スイッチ１０４、１０５が動作し、受信信号をフーリエ変換し、元の情報シンボルを再生させることが出来る。
送信側と受信側に接続されるバンドパスフィルタは、ナイキストフィルタを使用することで、符号間干渉を避けることができる。特に受信側のバンドパスフィルタは、ＧＩカットフィルタとしての役目を担う。
図２は、本発明のチャープＺ変換器を構成するＳＡＷチャープフィルタの温度変化に対する圧電基板上に形成された電極の物理的寸法に与える影響を模式的に描写したものである。温度変化における電極指周期および伝播距離の変化に対し、周波数数１５を３次までの温度係数を考慮して解析している。
図３は、本発明のチャープフィルタの遅延時間の変化は規格化周波数数２４をパラメータに０．４～０．６の範囲での遅延時間の変化曲線３００を示す。図３の破線で示すように、数３２で遅延時間の温度変化がほぼゼロになる。例えば、数３３とすると、数３４で温度係数がほぼゼロになる。ＯＦＤＭシステムで帯域幅数３５、遅延時間２０μsとすると、数２８の０．４５～０．５５の間の遅延時間の変化量は、数３６～数３７である。Ｂｉ１２ＧｅＯ２０基板に金属反射格子を使ったＲＡＣ型の中心周波数数３３のＳＡＷチャープフィルタを製作すると、ＳＡＷチャープフィルタのチップサイズは１８ｍｍ×２ｍｍ×０．５ｍｍとなる。ＳＡＷチャープ変換器への入力周波数数３８での遅延時間の変化量は＋２３．４ｐｐｍ～０ｐｐｍ～－２８．８９ｐｐｍである。
本発明のＳＡＷチャープＺ変換を用いたＯＦＤＭシステムは、移動体通信分野の信号処理に適用できる弾性表面波を用いてコンボリューションを行う遅延時間がゼロ温度特性を有するＳＡＷ分散型遅延線から構成されてなるＳＡＷチャープＺ変換を用いたＯＦＤＭシステムであり、その工業的価値は極めて高い。
　　　　　　　１００　　　　　ＳＡＷチャープフィルタ
　　　　　　　１０１　　　　　チャープ信号発生器
　　　　　　　１０２　　　　　チャープ信号発生器
　　　　　　　１０３　　　　　アンテナスイッチ
　　　　　　　１０４　　　　　接続スイッチ
　　　　　　　１０５　　　　　接続スイッチ
　　　　　　　２００　　　　　圧電基板
　　　　　　　２０１　　　　　ＩＤＴ
　　　　　　　２０２　　　　　ＩＤＴ
　　　　　　　２０３　　　　　反射電極
　　　　　　　２０４　　　　　反射電極
　　　　　　　２０５　　　　　ＩＤＴ
　　　　　　　２０６　　　　　ＩＤＴ
　　　　　　　２０７　　　　　反射電極
　　　　　　　２０８　　　　　反射電極
　　　　　　　３００　　　　　遅延時間特性
　　　　　　　４００　　　　　アンテナスイッチ

Claims (2)

  1. 圧電基板と、前記圧電基板上に設けられたダウンチャープ特性を有する電極とで構成されたＳＡＷチャープフィルタと、前記ＳＡＷチャープフィルタの前後に接続されたチャープ信号を発生させる電気回路とを備えたＳＡＷチャープＺ変換器から構成されるＯＦＤＭシステムにおいて、前記ＳＡＷチャープＺ変換器への入力信号の周波数をｆ０の０．４５倍から０．５５倍の範囲にしたことを特徴とするＯＦＤＭシステム。
    　ただし、ｆ０＝ｖ０／ｄ０、ｄ０：前記電極の電極周期、ｖ０：前記圧電基板の伝搬速度。
  2. ＳＡＷチャープフィルタはB（帯域幅）T（遅延時間）積が１００以上のＲＡＣ型のＳＡＷ分散型遅延線からなることを特徴とする請求項１記載のＳＡＷチャープＺ変換を用いたＯＦＤＭシステム。
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