WO2018123199A1 - 周波数掃引発振回路 - Google Patents

Abstract

分周器制御回路（１５）は、アップチャープ期間に分周比Ｎを第１の分周比から、第１の分周比よりも大きい第２の分周比へ増加させた後に、ブランク期間に分周比Ｎを第２の分周比から、第１の分周比よりも大きくかつ第２の分周比よりも小さい第３の分周比へ減少させたうえで第１の分周比へ戻すような分周器制御信号を分周器（１４）へ出力する。しかも、ブランク期間での第３の分周比から第１の分周比への減少における分周比Ｎの時間変化率の絶対値は、ブランク期間での第２の分周比から第３の分周比への減少における分周比Ｎの時間変化率の絶対値よりも小さくなるように制御される。

Description

周波数掃引発振回路

　本発明は、周波数掃引発振回路に関し、特にマイクロ波やミリ波を用いて距離計測等を行う各種センサに採用されて周波数掃引を行う周波数掃引発振回路に関する。

　マイクロ波やミリ波を用いて距離計測等を行う各種センサでは、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式、パルス変調方式等が採用されている。

　例えば距離計測センサ用の周波数掃引発振回路として、位相比較器と、ループフィルタと、電圧制御発振器（Voltage-Controlled Oscillator：ＶＣＯ）と、分周器とをループ状に接続してなるＰＬＬ（Phase-Locked Loop）シンセサイザにて、分周比を変化させることで出力周波数を変化させるものが知られている。基準周波数をｆｒｅｆとし、出力周波数をｆｖｃｏとし、分周比をＮとすると、ｆｖｃｏ＝ｆｒｅｆ×Ｎとなり、分周比Ｎに比例して出力周波数ｆｖｃｏが変化する（特許文献１参照）。

　また、周波数掃引特性をグラフにより設定し、そのグラフに対応するデジタルデータから周波数掃引特性のシーケンスを作成する技術も知られている（特許文献２参照）。

特開２００８－２８８８６６号公報 特開平５－１５７７８５号公報

　ＰＬＬシンセサイザを用いた周波数掃引は、高い周波数確度にて掃引を行うことができる反面、掃引速度の高速化がフィードバック系の応答速度によって制限される。

　具体的には、距離計測センサ用の周波数掃引発振回路において、例えば、出力周波数ｆｖｃｏを第１の周波数ｆ１から第２の周波数ｆ２まで直線的に上げるアップチャープ期間の周波数掃引（ｆ１＜ｆ２）を距離計測に利用した後、引き続く短いブランク期間にて出力周波数ｆｖｃｏを第２の周波数ｆ２から第１の周波数ｆ１へ戻すことを想定する。これに対応する従来の分周比制御によれば、アップチャープ期間に分周比Ｎを第１の分周比Ｎ１（＝ｆ１／ｆｒｅｆ）から第２の分周比Ｎ２（＝ｆ２／ｆｒｅｆ）へ直線的に増加させた後、ブランク期間に分周比Ｎを第２の分周比Ｎ２から第１の分周比Ｎ１へ直線的に戻す。ところが、ブランク期間から次のアップチャープ期間への切り替わりのタイミングで、出力周波数ｆｖｃｏにアンダーシュートが発生することが避けられなかった。

　このように出力周波数ｆｖｃｏにアンダーシュートが発生すると、周波数掃引の線形性に関する要求仕様や、占有周波数帯域幅の制約を満たせない。そうかと言ってブランク期間を延長すれば、周波数掃引発振回路の利用効率が低下する。

　本発明の目的は、周波数掃引発振回路の出力周波数に生じる過渡変動の悪影響を緩和することにある。

　上記目的を達成するため、本発明の第１の観点によれば、基準周波数信号が入力される入力端子と、出力周波数信号に接続された出力端子と、位相比較信号に基づき出力周波数信号を出力する電圧制御発振器と、分周器制御信号を出力する分周器制御回路と、出力周波数信号が入力され、分周器制御信号で指定される分周比で出力周波数信号を分周して分周周波数信号を出力する分周器と、基準周波数信号と分周周波数信号との位相を比較し、位相比較信号を出力する位相比較器とを備えた周波数掃引発振回路において、分周器制御回路は、アップチャープ期間に分周比を第１の分周比から、第１の分周比よりも大きい第２の分周比へ増加させた後に、ブランク期間に分周比を第２の分周比から、第１の分周比よりも大きくかつ第２の分周比よりも小さい第３の分周比へ減少させたうえで第１の分周比へ戻すような分周器制御信号を出力する。しかも、ブランク期間での第３の分周比から第１の分周比への分周比の減少における分周比の時間変化率の絶対値は、ブランク期間での第２の分周比から第３の分周比への分周比の減少における分周比の時間変化率の絶対値よりも小さくなるように制御される。

　また、本発明の第２の観点によれば、基準周波数信号が入力される入力端子と、出力周波数信号に接続された出力端子と、位相比較信号に基づき出力周波数信号を出力する電圧制御発振器と、分周器制御信号を出力する分周器制御回路と、出力周波数信号が入力され、分周器制御信号で指定される分周比で出力周波数信号を分周して分周周波数信号を出力する分周器と、基準周波数信号と分周周波数信号との位相を比較し、位相比較信号を出力する位相比較器とを備えた周波数掃引発振回路において、分周器制御回路は、ダウンチャープ期間に分周比を第１の分周比から、第１の分周比よりも小さい第２の分周比へ減少させた後に、ブランク期間に分周比を第２の分周比から、第１の分周比よりも小さくかつ第２の分周比よりも大きい第３の分周比へ増加させたうえで第１の分周比へ戻すような分周器制御信号を出力する。しかも、ブランク期間での第３の分周比から第１の分周比への分周比の増加における分周比の時間変化率は、ブランク期間での第２の分周比から第３の分周比への分周比の増加における分周比の時間変化率よりも小さくなるように制御される。

　本発明の第１の観点によれば、ブランク期間中の第２の分周比から第３の分周比への分周比の減少区間と、ブランク期間中の第３の分周比から第１の分周比への分周比の減少区間とを比較すると、後者の区間の方が、分周比の時間変化率の絶対値が小さいので、過渡変動が生じにくい。よって、ブランク期間を延長せずとも、ブランク期間から次のアップチャープ期間への切り替わりのタイミングでの周波数掃引の線形性確保が容易になる。また、前者の区間にて出力周波数にアンダーシュートが発生しても、その変動を所定の占有周波数帯域幅の中に収めることが可能である。

　また、本発明の第２の観点によれば、ブランク期間中の第２の分周比から第３の分周比への分周比の増加区間と、ブランク期間中の第３の分周比から第１の分周比への分周比の増加区間とを比較すると、後者の区間の方が、分周比の時間変化率が小さいので、過渡変動が生じにくい。よって、ブランク期間を延長せずとも、ブランク期間から次のダウンチャープ期間への切り替わりのタイミングでの周波数掃引の線形性確保が容易になる。また、前者の区間にて出力周波数にオーバーシュートが発生しても、その変動を所定の占有周波数帯域幅の中に収めることが可能である。

　以上のように、本発明によれば、周波数掃引発振回路の出力周波数に生じる過渡変動の悪影響を緩和することができる。

本発明の実施形態に係る距離計測センサ用の周波数掃引発振回路の構成を示すブロック図である。 図１中の分周器制御回路の詳細構成例を示すブロック図である。 図３（ａ）はアップチャープ期間の周波数掃引を距離計測センサに利用する場合の出力周波数ｆｖｃｏの理想的経時変化を示すグラフであり、図３（ｂ）は図１の周波数掃引発振回路を用いた場合の図３（ａ）に対応した分周比制御の例を示すグラフであり、図３（ｃ）は図３（ｂ）の分周比制御の場合の出力周波数ｆｖｃｏの実経時変化の例を示すグラフである。 図４（ａ）はダウンチャープ期間の周波数掃引を距離計測センサに利用する場合の出力周波数ｆｖｃｏの理想的経時変化を示すグラフであり、図４（ｂ）は図１の周波数掃引発振回路を用いた場合の図４（ａ）に対応した分周比制御の例を示すグラフであり、図４（ｃ）は図４（ｂ）の分周比制御の場合の出力周波数ｆｖｃｏの実経時変化の例を示すグラフである。 図１の周波数掃引発振回路を用いた場合の図３（ａ）に対応した分周比制御の他の例を示すグラフである。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

　図１は、本発明の実施形態に係る距離計測センサ用の周波数掃引発振回路の構成を示している。図１の周波数掃引発振回路５は、入力端子１０と、位相比較器１１と、ループフィルタ１２と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１３と、分周器１４と、分周器制御回路１５と、出力端子１６とを備えている。入力端子１０には、一定の基準周波数ｆｒｅｆを有する基準周波数信号ＲＣＬＫが入力される。基準周波数信号ＲＣＬＫは、例えば水晶発振器から供給を受けることができる。出力端子１６は、可変の出力周波数ｆｖｃｏを有する出力周波数信号ＯＵＴに接続されている。電圧制御発振器１３は、位相比較器１１からループフィルタ１２を経由して供給された位相比較信号に基づき、出力周波数信号ＯＵＴを出力する。分周器制御回路１５は、分周比Ｎを指定する分周器制御信号を出力する。分周器１４は、出力周波数信号ＯＵＴが入力され、分周器制御信号で指定された分周比Ｎで出力周波数信号ＯＵＴを分周して、分周周波数ｆｄｉｖを有する分周周波数信号ＣＣＬＫを出力する。位相比較器１１は、基準周波数信号ＲＣＬＫと分周周波数信号ＣＣＬＫとの位相を比較し、位相比較信号を出力する。分周器制御回路１５は、タイミング制御のために分周器１４から分周周波数信号ＣＣＬＫの入力を受ける。ただし、分周器制御回路１５は、分周周波数信号ＣＣＬＫに代えて基準周波数信号ＲＣＬＫを入力してもよい。

　図１の周波数掃引発振回路５によれば、ｆｖｃｏ＝ｆｒｅｆ×Ｎとなり、分周比Ｎに比例して出力周波数ｆｖｃｏが変化する。

　図２は、図１中の分周器制御回路１５の詳細構成例を示している。図２の分周器制御回路１５は、積分器２０と、カウンタ２１と、制御回路２２とを備えている。制御回路２２は、分周比の初期値Ｎｓｔａｒｔと、１クロック当たりの分周比の増分ΔＮとを指定する２つの信号を積分器２０へ、当該増分ΔＮを採用すべき時間Ｔの長さを指定する信号をカウンタ２１へそれぞれ供給する。積分器２０は、初期値Ｎｓｔａｒｔが設定された後、分周周波数信号ＣＣＬＫの１クロック毎に増分ΔＮを加算していくことで、初期値Ｎｓｔａｒｔから時間の経過とともに増分ΔＮずつ変化する分周比Ｎを指定する分周器制御信号を出力する。ここで、増分ΔＮが正の値であれば分周比Ｎが時間経過とともに増加し、増分ΔＮが負の値であれば分周比Ｎが時間経過とともに減少し、増分ΔＮが０であれば分周比Ｎが一定値を保持することになる。一方、カウンタ２１は、分周周波数信号ＣＣＬＫのクロック数をカウントし、設定された時間Ｔに相当するカウント数になれば、すなわち時間Ｔが経過した時点でカウント終了信号ＳＴＯＰを出力する。制御回路２２は、カウント終了信号ＳＴＯＰを受けると、３つの出力Ｎｓｔａｒｔ，ΔＮ，Ｔを更新する。一方、積分器２０は、カウント終了信号ＳＴＯＰを受けると、次の初期値Ｎｓｔａｒｔに初期化される。

　図３（ａ）は、アップチャープ期間の周波数掃引を距離計測センサに利用する場合の出力周波数ｆｖｃｏの理想的経時変化を示すグラフである。図３（ａ）によれば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までが、出力周波数ｆｖｃｏを第１の周波数ｆ１から第２の周波数ｆ２まで直線的に上げるアップチャープ期間（ｆ１＜ｆ２）である。このアップチャープ期間の周波数掃引が距離計測に利用される。引き続く時刻ｔ２から時刻ｔ４までが、出力周波数ｆｖｃｏを第２の周波数ｆ２から第１の周波数ｆ１へ戻すブランク期間である。ここに、ｔ２－ｔ１＞ｔ４－ｔ２である。これらアップチャープ期間とブランク期間との組が繰り返される。

　図３（ｂ）は、図１の周波数掃引発振回路５を用いた場合の図３（ａ）に対応した分周比制御の例を示すグラフである。図３（ｂ）によれば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までのアップチャープ期間に、分周比Ｎは、第１の分周比Ｎ１（＝ｆ１／ｆｒｅｆ）から第２の分周比Ｎ２（＝ｆ２／ｆｒｅｆ）へ直線的に増加させられる（Ｎ１＜Ｎ２）。一方、時刻ｔ２から時刻ｔ４までのブランク期間は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの第１区間と、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの第２区間とに分けられる。第１区間では、分周比Ｎは、第２の分周比Ｎ２から、第１の分周比Ｎ１よりも大きくかつ第２の分周比Ｎ２よりも小さい第３の分周比Ｎ３へ直線的に減少させられる（Ｎ１＜Ｎ３＜Ｎ２）。そして、第２区間では、分周比Ｎは、第３の分周比Ｎ３から第１の分周比Ｎ１へ直線的に減少させられる。しかも、第２区間での第３の分周比Ｎ３から第１の分周比Ｎ１への分周比Ｎの減少における分周比Ｎの時間変化率（グラフの傾き）の絶対値は、第１区間での第２の分周比Ｎ２から第３の分周比Ｎ３への分周比Ｎの減少における分周比Ｎの時間変化率（グラフの傾き）の絶対値よりも小さくなるように制御される。

　図３（ｃ）は、図３（ｂ）の分周比制御の場合の出力周波数ｆｖｃｏの実経時変化の例を示すグラフである。ブランク期間にて分周比Ｎの時間変化率の絶対値が大きいのは第１区間のみであるため、図３（ｃ）によれば、第１区間から第２区間への切り替わりのタイミングにて出力周波数ｆｖｃｏにアンダーシュートが発生する。しかしながら、この過渡現象を見越して時刻ｔ３における第３の分周比Ｎ３を設定することにより、アンダーシュートによる出力周波数ｆｖｃｏの変動を所定の（第１の周波数ｆ１から第２の周波数ｆ２までの）占有周波数帯域幅の中に収めることが可能である。また、ブランク期間を延長せずとも、ブランク期間から次のアップチャープ期間への切り替わりのタイミング（時刻ｔ４）での周波数掃引の線形性確保が容易になる。

　図４（ａ）は、ダウンチャープ期間の周波数掃引を距離計測センサに利用する場合の出力周波数ｆｖｃｏの理想的経時変化を示すグラフである。図４（ａ）によれば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までが、出力周波数ｆｖｃｏを第１の周波数ｆ１から第２の周波数ｆ２まで直線的に下げるダウンチャープ期間（ｆ１＞ｆ２）である。このダウンチャープ期間の周波数掃引が距離計測に利用される。引き続く時刻ｔ２から時刻ｔ４までが、出力周波数ｆｖｃｏを第２の周波数ｆ２から第１の周波数ｆ１へ戻すブランク期間である。ここに、ｔ２－ｔ１＞ｔ４－ｔ２である。これらダウンチャープ期間とブランク期間との組が繰り返される。

　図４（ｂ）は、図１の周波数掃引発振回路５を用いた場合の図４（ａ）に対応した分周比制御の例を示すグラフである。図４（ｂ）によれば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までのダウンチャープ期間に、分周比Ｎは、第１の分周比Ｎ１（＝ｆ１／ｆｒｅｆ）から第２の分周比Ｎ２（＝ｆ２／ｆｒｅｆ）へ直線的に減少させられる（Ｎ１＞Ｎ２）。一方、時刻ｔ２から時刻ｔ４までのブランク期間は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの第１区間と、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの第２区間とに分けられる。第１区間では、分周比Ｎは、第２の分周比Ｎ２から、第１の分周比Ｎ１よりも小さくかつ第２の分周比Ｎ２よりも大きい第３の分周比Ｎ３へ直線的に増加させられる（Ｎ１＞Ｎ３＞Ｎ２）。そして、第２区間では、分周比Ｎは、第３の分周比Ｎ３から第１の分周比Ｎ１へ直線的に増加させられる。しかも、第２区間での第３の分周比Ｎ３から第１の分周比Ｎ１への分周比Ｎの増加における分周比Ｎの時間変化率（グラフの傾き）は、第１区間での第２の分周比Ｎ２から第３の分周比Ｎ３への分周比Ｎの増加における分周比Ｎの時間変化率（グラフの傾き）よりも小さくなるように制御される。

　図４（ｃ）は、図４（ｂ）の分周比制御の場合の出力周波数ｆｖｃｏの実経時変化の例を示すグラフである。ブランク期間にて分周比Ｎの時間変化率が大きいのは第１区間のみであるため、図４（ｃ）によれば、第１区間から第２区間への切り替わりのタイミングにて出力周波数ｆｖｃｏにオーバーシュートが発生する。しかしながら、この過渡現象を見越して時刻ｔ３における第３の分周比Ｎ３を設定することにより、オーバーシュートによる出力周波数ｆｖｃｏの変動を所定の（第１の周波数ｆ１から第２の周波数ｆ２までの）占有周波数帯域幅の中に収めることが可能である。また、ブランク期間を延長せずとも、ブランク期間から次のダウンチャープ期間への切り替わりのタイミング（時刻ｔ４）での周波数掃引の線形性確保が容易になる。

　図５は、図１の周波数掃引発振回路５を用いた場合の図３（ａ）に対応した分周比制御の他の例を示すグラフである。図５によれば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までのアップチャープ期間に、分周比Ｎは、第１の分周比Ｎ１から第２の分周比Ｎ２へ直線的に増加させられる（Ｎ１＜Ｎ２）。一方、時刻ｔ２から時刻ｔ５までのブランク期間は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの第１区間と、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの第２区間と、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの第３区間とに分けられる。第１区間では、分周比Ｎは、第２の分周比Ｎ２から、第１の分周比Ｎ１よりも大きくかつ第２の分周比Ｎ２よりも小さい第３の分周比Ｎ３へ直線的に減少させられる（Ｎ１＜Ｎ３＜Ｎ２）。第２区間では、分周比Ｎは、第３の分周比Ｎ３から、第１の分周比Ｎ１よりも大きくかつ第３の分周比Ｎ３よりも小さい第４の分周比Ｎ４へ直線的に減少させられる（Ｎ１＜Ｎ４＜Ｎ３）。そして、第３区間では、分周比Ｎは、第４の分周比Ｎ４から第１の分周比Ｎ１へ直線的に減少させられる。しかも、第１区間から第２区間へ、そして第２区間から第３区間へと進むにつれて、分周比Ｎの減少における分周比Ｎの時間変化率（グラフの傾き）の絶対値が徐々に小さくなるように制御される。図５によれば、図３（ｂ）の場合よりもブランク期間における分周比Ｎのなめらかな変化が実現できるので、出力周波数ｆｖｃｏに生じる過渡変動の悪影響を大幅に緩和することができる。

　なお、図５の例において、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの第２区間における分周比Ｎの時間変化率（グラフの傾き）は０であってもよい。また、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの第３区間における分周比Ｎの時間変化率（グラフの傾き）の絶対値は、その値が所定値を下回る限り、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの第２区間における分周比Ｎの時間変化率（グラフの傾き）の絶対値よりも大きくなるように制御してもよい。

　また、アップチャープ期間とダウンチャープ期間とのいずれの周波数掃引を距離計測センサに利用するかを問わず、図５に例示するようにブランク期間を３以上の区間に分割した分周比制御を実行することも可能である。

　以上説明してきたとおり、本発明に係る周波数掃引発振回路は、出力周波数に生じる過渡変動の悪影響を緩和することができる効果を有し、距離計測センサ用の周波数掃引発振回路等として有用である。

５　周波数掃引発振回路
１０　入力端子
１１　位相比較器
１２　ループフィルタ
１３　電圧制御発振器（ＶＣＯ）
１４　分周器
１５　分周器制御回路
１６　出力端子
２０　積分器
２１　カウンタ
２２　制御回路

Claims (3)

1. 　基準周波数信号が入力される入力端子と、
   　出力周波数信号に接続された出力端子と、
   　位相比較信号に基づき前記出力周波数信号を出力する電圧制御発振器と、
   　分周器制御信号を出力する分周器制御回路と、
   　前記出力周波数信号が入力され、前記分周器制御信号で指定される分周比で前記出力周波数信号を分周して分周周波数信号を出力する分周器と、
   　前記基準周波数信号と前記分周周波数信号との位相を比較し、前記位相比較信号を出力する位相比較器とを備えた周波数掃引発振回路であって、
   　前記分周器制御回路は、アップチャープ期間に前記分周比を第１の分周比から、前記第１の分周比よりも大きい第２の分周比へ増加させた後に、ブランク期間に前記分周比を前記第２の分周比から、前記第１の分周比よりも大きくかつ前記第２の分周比よりも小さい第３の分周比へ減少させたうえで前記第１の分周比へ戻すような前記分周器制御信号を出力し、
   　前記ブランク期間での前記第３の分周比から前記第１の分周比への前記分周比の減少における前記分周比の時間変化率の絶対値は、前記ブランク期間での前記第２の分周比から前記第３の分周比への前記分周比の減少における前記分周比の時間変化率の絶対値よりも小さくなるように制御される周波数掃引発振回路。
2. 　基準周波数信号が入力される入力端子と、
   　出力周波数信号に接続された出力端子と、
   　位相比較信号に基づき前記出力周波数信号を出力する電圧制御発振器と、
   　分周器制御信号を出力する分周器制御回路と、
   　前記出力周波数信号が入力され、前記分周器制御信号で指定される分周比で前記出力周波数信号を分周して分周周波数信号を出力する分周器と、
   　前記基準周波数信号と前記分周周波数信号との位相を比較し、前記位相比較信号を出力する位相比較器とを備えた周波数掃引発振回路であって、
   　前記分周器制御回路は、ダウンチャープ期間に前記分周比を第１の分周比から、前記第１の分周比よりも小さい第２の分周比へ減少させた後に、ブランク期間に前記分周比を前記第２の分周比から、前記第１の分周比よりも小さくかつ前記第２の分周比よりも大きい第３の分周比へ増加させたうえで前記第１の分周比へ戻すような前記分周器制御信号を出力し、
   　前記ブランク期間での前記第３の分周比から前記第１の分周比への前記分周比の増加における前記分周比の時間変化率は、前記ブランク期間での前記第２の分周比から前記第３の分周比への前記分周比の増加における前記分周比の時間変化率よりも小さくなるように制御される周波数掃引発振回路。
3. 　請求項１又は２に記載の周波数掃引発振回路を備えた距離計測センサ。

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