WO2020137657A1 - アナログ/デジタル変換装置、無線通信装置、及びアナログ/デジタル変換方法 - Google Patents

アナログ/デジタル変換装置、無線通信装置、及びアナログ/デジタル変換方法 Download PDF

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Definitions

  • the present disclosure relates to an analog/digital conversion device, a wireless communication device, and an analog/digital conversion method.
  • an analog/digital converter having a sample hold circuit for sampling and holding an analog input signal at a discrete time corresponding to a sampling frequency and an analog/digital conversion circuit for converting the amplitude of the sampled signal into a digital signal by quantizing Digital conversion devices are known.
  • the original analog input signal can be restored from the sampling result without error by limiting the maximum frequency of the analog input signal to one half or less of the sampling frequency (Nyquist sampling theorem).
  • analog input is performed in order to perform analog/digital conversion on an analog input signal in a radio frequency (RF) band and down-convert (that is, convert to a frequency band lower than the RF band).
  • RF radio frequency
  • a sampling frequency (Fs) that is at least twice the bandwidth (BW) of the analog input signal is set, and the analog input signal is within the Nth Nyquist zone. It is necessary to perform analog/digital conversion on the image on the first Nyquist zone sampled under the conditions.
  • An analog/digital conversion device includes a sample hold circuit that samples and holds an analog input signal in synchronization with a first sampling clock signal, a filter circuit that smoothes an output signal of the sample hold circuit, An analog/digital conversion circuit for sampling the output signal of the filter circuit in synchronization with a second sampling clock signal different from the first sampling clock signal and outputting a digital signal corresponding to the amplitude of the sampled signal.
  • An analog/digital conversion device is synchronized with a distribution circuit that distributes an analog input signal into N (N ⁇ 2) pieces and N first sampling clock signals that are out of phase with each other and have the same frequency.
  • a sample circuit that samples and holds the N analog input signals, a combining circuit that combines the output signals of the N sample and hold circuits, and a second sampling clock signal that is different from the first sampling clock signal.
  • An analog/digital conversion circuit that samples the output signal of the synthesis circuit in synchronization with the sampling clock signal and outputs a digital signal according to the amplitude of the sampled signal.
  • the wireless communication device includes the analog/digital conversion device according to the first or second aspect.
  • An analog/digital conversion method is to sample and hold an analog input signal in synchronization with a first sampling clock signal, to smooth the sampled and held analog signal, and Analog-to-digital conversion for sampling the smoothed analog signal in synchronization with a second sampling clock signal different from the one sampling clock signal and outputting a digital signal according to the amplitude of the sampled signal; including.
  • An analog/digital conversion method is to divide an analog input signal into N (N ⁇ 2) pieces and to synchronize with N first sampling clock signals having different phases and equal frequencies. Sampling and holding the N analog input signals, synthesizing the output signals of the sampled and held N analog signals, and a second sampling clock signal different from the first sampling clock signal And sampling the output signal in synchronization with, and outputting a digital signal according to the amplitude of the sampled signal.
  • -Current wireless communication needs to support various bands (carrier frequencies) and wide bandwidths (for example, 100 MHz or more). Therefore, in order to perform undersampling, it is necessary to change the sampling frequency according to the change in the frequency or bandwidth of the analog input signal.
  • the sample/hold circuit and the analog/digital conversion circuit are synchronized with the common sampling clock signal, and the analog/digital conversion circuit outputs the signal within the period in which the sample/hold circuit holds the signal. To sample.
  • the sampling frequency of the sampling clock signal (sampling frequency) is changed according to the change of the frequency or bandwidth of the analog input signal, the sampling frequency of the digital signal output by the analog/digital conversion device will also be changed.
  • the digital circuit for example, DSP
  • DSP digital signal processing circuit
  • the digital circuit in the latter stage of the analog/digital converter requires a fixed sampling frequency. Therefore, a process (so-called sampling rate conversion) of converting the sampling frequency of the digital signal output from the analog/digital conversion device according to the requirements of the digital circuit in the subsequent stage is required, and there is a problem that the process becomes complicated.
  • the present disclosure makes it possible to output a digital signal having an appropriate sampling frequency even when undersampling is performed.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the analog/digital conversion device 1 according to the first embodiment.
  • the analog/digital converter 1 performs under-sampling in order to perform analog/digital conversion on the analog input signal IN in the RF band and down-convert (that is, convert to a frequency band lower than the RF band). ..
  • sampling is performed at a sampling frequency (Fs) that is less than the Nyquist frequency, which is twice the highest frequency of the analog input signal IN.
  • Fs sampling frequency
  • the analog/digital conversion device 1 includes a sample hold (S/H) circuit 10, a filter circuit 20, an analog/digital conversion (ADC) circuit 30, and a clock generation circuit 40.
  • S/H sample hold
  • ADC analog/digital conversion
  • the analog input signal IN and the first sampling clock signal CLK1 are input to the S/H circuit 10.
  • the S/H circuit 10 samples and holds the analog input signal IN in synchronization with the first sampling clock signal CLK1 and outputs the sampled and held signal S/H_out to the filter circuit 20.
  • the S/H circuit 10 includes, for example, a switch SW, a capacitor C provided on the output side of the switch SW, and a buffer amplifier 11 provided at the output stage of the S/H circuit 10.
  • the switch SW becomes conductive (ON state) when the first sampling clock signal CLK1 is at high level (H level), and outputs the analog input signal IN to the subsequent stage via the buffer amplifier 11.
  • the switch SW is in a non-conducting state (OFF state) when the first sampling clock signal CLK1 is at a low level (L level).
  • the capacitor C holds a voltage proportional to the average value of the voltages when the switch SW is in the ON state when the first sampling clock signal CLK1 is at the L level.
  • the voltage held by the capacitor C is output via the buffer amplifier 11. That is, the period in which the first sampling clock signal CLK1 is at L level corresponds to the holding period in which the S/H circuit 10 holds the signal.
  • the filter circuit 20 smoothes the signal S/H_out input from the S/H circuit 10, and outputs the smoothed signal S/H_filter to the ADC circuit 30.
  • the filter circuit 20 includes, for example, a low pass filter (LPF) for removing high frequency components included in the output signal S/H_out of the S/H circuit 10.
  • LPF low pass filter
  • the filter circuit 20 may include a bandpass filter (BPF) instead of the LPF as long as it is a filter capable of removing high frequency components.
  • the output signal S/H_filter of the filter circuit 20 and the second sampling clock signal CLK2 are input to the ADC circuit 30.
  • the second sampling clock signal CLK2 is a sampling clock signal different from the first sampling clock signal CLK1.
  • the ADC circuit 30 samples the output signal S/H_filter of the filter circuit 20 in synchronization with the second sampling clock signal CLK2 and outputs a digital signal OUT according to the amplitude of the sampled signal.
  • the ADC circuit 30 outputs an N (N ⁇ 1)-bit digital signal OUT to the digital circuit 4 (not shown in FIG. 1, see FIG. 5) in the subsequent stage.
  • the clock generation circuit 40 generates the first sampling clock signal CLK1 and the second sampling clock signal CLK2.
  • the clock generation circuit 40 outputs the first sampling clock signal CLK1 to the S/H circuit 10 and outputs the second sampling clock signal CLK2 to the ADC circuit 30.
  • the first sampling clock signal CLK1 and the second sampling clock signal CLK2 may be asynchronous with each other. Alternatively, the first sampling clock signal CLK1 and the second sampling clock signal CLK2 may have different frequencies.
  • the frequency of the first sampling clock signal CLK1 is less than the Nyquist frequency which is twice the highest frequency of the analog input signal IN.
  • the clock generation circuit 40 variably sets the frequency of the first sampling clock signal CLK1 according to the change of the frequency and/or the bandwidth of the analog input signal IN in order to perform undersampling.
  • the frequency of the first sampling clock signal CLK1 is “Fs” and the bandwidth of the analog input signal IN is “BW”.
  • the clock generation circuit 40 Fs>2BW ⁇ (1)
  • the frequency (Fs) of the first sampling clock signal CLK1 is set so as to satisfy the above condition.
  • the clock generation circuit 40 sets the frequency (Fs) of the first sampling clock signal CLK1 so that the analog input signal IN falls within the Nth Nyquist zone.
  • the frequency (carrier frequency) of the analog input signal IN is “Fc”
  • the center of the secondary Nyquist zone is Fc.
  • the clock generation circuit 40 Fs 4Fc/(2NZ-1) (2)
  • the frequency (Fs) of the first sampling clock signal CLK1 is set so as to satisfy the above condition.
  • the frequency (Fc) of the analog input signal IN may deviate from the center of the Nyquist zone as long as the signal can be taken out without any problem in the first Nyquist zone.
  • the clock generation circuit 40 determines the frequency of the second sampling clock signal CLK2 according to the sampling frequency requirement that the digital circuit 4 in the subsequent stage of the ADC circuit 30 (the subsequent stage of the analog/digital conversion device 1) requires for the digital input signal.
  • the frequency of the second sampling clock signal CLK2 may be constant regardless of changes in the frequency and/or bandwidth of the analog input signal.
  • the clock generation circuit 40 sets the frequency of the second sampling clock signal CLK2 as Fs_req. Good.
  • the clock generation circuit 40 sets the frequency of four times Fs_req to the frequency of the second sampling clock signal CLK2. You may set as.
  • the clock generation circuit 40 sets the frequency of M times Fs_req to the second sampling clock signal CLK2. You may set as a frequency.
  • the filter circuit 20 smoothes the output signal S/H_out of the S/H circuit 10, so that the ADC circuit 30 can perform the arbitrary timing. It is possible to perform sampling. That is, the ADC circuit 30 can perform sampling at a timing other than the period in which the S/H circuit 10 holds a signal as in the conventional case.
  • the clock generation circuit 40 needs to support various bands (carrier frequencies) and wide bandwidths (for example, 100 MHz or more).
  • the frequency of the second sampling clock signal CLK2 can be kept constant even if the frequency of the first sampling clock signal CLK1 is changed.
  • the analog/digital converter 1 can output the digital signal OUT having a constant sampling frequency even if the frequency of the first sampling clock signal CLK1 is changed. Therefore, it is not necessary to perform complicated sampling rate conversion. Therefore, it is possible to suppress complication of processing in the analog/digital conversion device 1 that performs undersampling.
  • FIG. 2 is a time chart showing operation waveforms of the analog/digital conversion device 1 according to the first embodiment.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents amplitude.
  • the S/H circuit 10 samples and holds the analog input signal IN in synchronization with the first sampling clock signal CLK1 and outputs the sampled and held analog signal S/H_out.
  • the period when the first sampling clock signal CLK1 is at the H level corresponds to the sampling period.
  • the period in which the first sampling clock signal CLK1 is at L level corresponds to the holding period in which the S/H circuit 10 holds the signal.
  • the ADC circuit 30 needs to sample the analog signal S/H_out within the holding period of the S/H circuit 10. Therefore, the S/H circuit 10 and the ADC circuit 30 need to be synchronized with the common sampling clock signal.
  • the analog/digital conversion apparatus 1 is configured so that the filter circuit 20 smoothes the analog signal S/H_out and the ADC circuit 30 samples the smoothed analog signal. Therefore, the ADC circuit 30 can perform sampling at a timing other than the holding period of the S/H circuit 10.
  • the ADC circuit 30 can operate in synchronization with the second sampling clock signal CLK2 different from the first sampling clock signal CLK1, and the second sampling clock signal CLK2 can be set to an arbitrary frequency. Therefore, the analog/digital conversion device 1 can output the digital signal OUT having a desired sampling frequency.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the analog/digital conversion device 1 according to the second embodiment.
  • the analog/digital conversion device 1 performs undersampling as in the first embodiment.
  • the analog/digital conversion apparatus 1 includes a distribution circuit 50, two sample hold (S/H) circuits 12 and 13, a combining circuit 60, and an analog/digital conversion (ADC) circuit 30. And a clock generation circuit 40 and an inverting circuit (inverter circuit) 41.
  • the distribution circuit 50 divides the analog input signal IN into two, outputs one analog input signal IN to the S/H circuit 12, and outputs the other analog input signal IN to the S/H circuit 13.
  • the analog input signal IN and the first sampling clock signal CLK1 are input to the S/H circuit 12.
  • the S/H circuit 12 samples and holds the analog input signal IN in synchronization with the first sampling clock signal CLK1 and outputs the sampled and held signal S/Hout1 to the synthesis circuit 60.
  • the S/H circuit 12 samples and holds the analog input signal IN when the first sampling clock signal CLK1 is at a high level (H level).
  • the analog input signal IN and the first sampling clock signal CLK1' are input to the S/H circuit 13.
  • the first sampling clock signal CLK1' is an inverted version of the phase of the first sampling clock signal CLK1. Therefore, the first sampling clock signals CLK1 and CLK1' have an opposite phase relationship with each other.
  • the S/H circuit 13 samples and holds the analog input signal IN in synchronization with the first sampling clock signal CLK1', and outputs the sampled and held signal S/Hout2 to the synthesis circuit 60.
  • the S/H circuit 12 samples and holds the analog input signal IN when the first sampling clock signal CLK1' is at the H level.
  • the S/H circuits 12 and 13 sample and hold the analog input signal IN at complementary timings. Specifically, while the S/H circuit 12 outputs the output signal S/Hout1, the S/H circuit 13 does not output the output signal S/Hout2, and the S/H circuit 13 outputs the output signal S/Hout2. During the period, the S/H circuit 12 does not output the output signal S/Hout1.
  • the combining circuit 60 combines the signal S/Hout1 input from the S/H circuit 12 and the signal S/Hout2 input from the S/H circuit 13, and outputs the combined signal Smerge to the ADC circuit 30.
  • the S/H circuits 12 and 13 output signals S/Hout1 and S/Hout2 at complementary timings. Therefore, when the synthesizing circuit 60 synthesizes the signals S/Hout1 and S/Hout2, a stepwise continuous waveform is obtained as the signal Serge.
  • the ADC circuit 30 receives the output signal Smerge of the synthesis circuit 60 and the second sampling clock signal CLK2.
  • the second sampling clock signal CLK2 is a sampling clock signal different from the first sampling clock signal CLK1.
  • the ADC circuit 30 samples the output signal Smerge of the synthesizing circuit 60 in synchronization with the second sampling clock signal CLK2 and outputs a digital signal OUT corresponding to the amplitude of each sampled signal.
  • the ADC circuit 30 outputs an L (L ⁇ 1) bit digital signal OUT to the digital circuit 4 in the subsequent stage.
  • the clock generation circuit 40 generates the first sampling clock signal CLK1 and the second sampling clock signal CLK2.
  • the clock generation circuit 40 outputs the first sampling clock signal CLK1 to the S/H circuit 12 and the inverting circuit 41, and outputs the second sampling clock signal CLK2 to the ADC circuit 30.
  • the first sampling clock signal CLK1 and the second sampling clock signal CLK2 may be asynchronous with each other. Alternatively, the first sampling clock signal CLK1 and the second sampling clock signal CLK2 may have different frequencies.
  • the inverting circuit 41 inverts the phase of the first sampling clock signal CLK1 input from the clock generating circuit 40 and outputs the first sampling clock signal CLK1' to the S/H circuit 13.
  • the inverting circuit 41 may perform phase inversion by shifting the phase of the first sampling clock signal CLK1 by 180°.
  • the frequency of the first sampling clock signal CLK1 generated by the clock generation circuit 40 is less than the Nyquist frequency which is twice the highest frequency of the analog input signal IN.
  • the specific method of setting the frequencies of the first and second sampling clock signals CLK1 and CLK2 is the same as in the first embodiment.
  • the synthesizing circuit 60 outputs a stepwise continuous waveform as the signal Smage, so that the ADC circuit 30 performs sampling at an arbitrary timing. Is possible.
  • the clock generation circuit 40 needs to support various bands (carrier frequencies) and wide bandwidths (for example, 100 MHz or more).
  • the frequency of the second sampling clock signal CLK2 can be kept constant even if the frequency of the first sampling clock signal CLK1 is changed.
  • the analog/digital conversion apparatus 1 can output the digital signal OUT having a constant sampling frequency even if the frequency of the first sampling clock signal CLK1 is changed. Therefore, it is not necessary to perform complicated sampling rate conversion. Therefore, it is possible to suppress complication of processing in the analog/digital conversion device 1 that performs undersampling.
  • FIG. 4 is a time chart showing operation waveforms of the analog/digital conversion device 1 according to the second embodiment.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents amplitude (voltage).
  • the S/H circuit 12 samples and holds the analog input signal IN when the first sampling clock signal CLK1 is at H level, and outputs the sampled and held signal S/Hout1. ..
  • the S/H circuit 13 samples and holds the analog input signal IN when the first sampling clock signal CLK1' is at the H level, and outputs the sampled and held signal S/Hout2.
  • the synthesizing circuit 60 synthesizes the signals S/Hout1 and S/Hout2, a stepwise continuous waveform is obtained as the signal Serge.
  • the ADC circuit 30 samples the signal Merge at the timing when the second sampling clock signal CLK2 rises from the L level to the H level.
  • the ADC circuit 30 can perform the sampling operation in synchronization with the second sampling clock signal CLK2 different from the first sampling clock signal CLK1, and the second sampling clock signal CLK2 can be set to an arbitrary frequency. .. Therefore, the analog/digital conversion device 1 can output the digital signal OUT having a desired sampling frequency.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of a receiver of a wireless communication device including the analog/digital conversion device 1 according to the first or second embodiment described above.
  • the wireless communication device includes an antenna 2, an analog circuit 3, and a digital circuit 4 in addition to the analog/digital conversion device 1 according to the above-described embodiment.
  • the antenna 2 receives a radio signal and outputs the received radio signal to the analog circuit 3.
  • the analog circuit 3 includes a low noise amplifier (LNA) and an analog filter circuit.
  • the analog circuit 3 outputs an RF band analog signal to the analog/digital converter 1.
  • LNA low noise amplifier
  • the analog/digital converter 1 performs analog/digital conversion on an analog signal in the RF band input from the analog circuit 3 and performs down conversion (that is, conversion into a frequency band lower than the RF band).
  • the digital signal is output to the digital circuit 4.
  • the analog/digital conversion device 1 may perform down conversion to the intermediate frequency (IF) band or may perform down conversion to the base band (BB) band.
  • IF intermediate frequency
  • BB base band
  • the digital circuit 4 includes a DSP that performs digital signal processing such as digital filter processing, and performs digital signal processing on the digital signal input from the analog/digital conversion device 1 and outputs the digital signal.
  • DSP digital signal processing
  • N N ⁇ 2 or more S/H circuits may be provided.
  • the distribution circuit 50 distributes the analog input signal IN to three or more S/H circuits, and the combining circuit 60 combines the output signals of the three or more S/H circuits.
  • a phase shift circuit that shifts the phase of the first sampling clock signal CLK1 by 120° is provided instead of the inverting circuit 41.
  • the phase shift circuit outputs the three first sampling clock signals CLK1 whose phases are shifted by 120° to the three S/H circuits.
  • the clock generation circuit 40 sets the H-level time length of the first sampling clock signal CLK1 to be the time obtained by dividing one cycle of the first sampling clock signal CLK1 into three equal parts.
  • the three S/H circuits output signals to the synthesizing circuit 60 at different timings, and when the synthesizing circuit 60 synthesizes the output signals of the three S/H circuits, a stepwise continuous waveform is generated as the signal Serge. Will be obtained.
  • the analog/digital conversion device 1 may be integrated on a semiconductor substrate and configured as a semiconductor integrated circuit.

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Abstract

アナログ/デジタル変換装置1は、第1サンプリングクロック信号CLK1と同期してアナログ入力信号をサンプリング及び保持するS/H回路10と、S/H回路10の出力信号を平滑化するフィルタ回路20と、第1サンプリングクロック信号CLK1とは異なる第2サンプリングクロック信号CLK2と同期してフィルタ回路20の出力信号をサンプリングするとともに、該サンプリングした信号の振幅に応じたデジタル信号を出力するADC回路30とを備える。

Description

アナログ/デジタル変換装置、無線通信装置、及びアナログ/デジタル変換方法
 本開示は、アナログ/デジタル変換装置、無線通信装置、及びアナログ/デジタル変換方法に関する。
 従来、アナログ入力信号をサンプリング周波数に応じた離散時間でサンプリング及び保持するサンプルホールド回路と、サンプリングされた信号の振幅を量子化することでデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換回路とを有するアナログ/デジタル変換装置が知られている。
 通常、アナログ入力信号の最高周波数をサンプリング周波数の2分の1以下に制限することにより、サンプリング結果から基のアナログ入力信号を誤らずに復元できるとされている(ナイキストのサンプリング定理)。
 近年では、無線通信装置において無線周波数(RF)帯のアナログ入力信号に対してアナログ/デジタル変換を行うとともにダウンコンバート(すなわち、RF帯よりも低い周波数帯への変換)を行うために、アナログ入力信号の最高周波数の2倍に満たないサンプリング周波数でサンプリングを行うアンダーサンプリングと呼ばれる技術が注目されている(例えば、特許文献1参照)。
 アンダーサンプリングを行うアナログ/デジタル変換装置では、アナログ入力信号の帯域幅(BW)に対して2倍以上のサンプリング周波数(Fs)を設定し、且つN次のナイキストゾーンにアナログ入力信号が収まっている必要があり、その条件でサンプリングされた第1ナイキストゾーン上のイメージに対してアナログ/デジタル変換を行う。
特開2008-72406号公報
 第1の態様に係るアナログ/デジタル変換装置は、第1サンプリングクロック信号と同期してアナログ入力信号をサンプリング及び保持するサンプルホールド回路と、前記サンプルホールド回路の出力信号を平滑化するフィルタ回路と、前記第1サンプリングクロック信号とは異なる第2サンプリングクロック信号と同期して前記フィルタ回路の出力信号をサンプリングするとともに、該サンプリングした信号の振幅に応じたデジタル信号を出力するアナログ/デジタル変換回路とを備える。
 第2の態様に係るアナログ/デジタル変換装置は、アナログ入力信号をN(N≧2)個に分配する分配回路と、互いに位相が異なり且つ周波数が等しいN個の第1サンプリングクロック信号と同期して、前記N個のアナログ入力信号をサンプリング及び保持するN個のサンプルホールド回路と、前記N個のサンプルホールド回路の出力信号を合成する合成回路と、前記第1サンプリングクロック信号とは異なる第2サンプリングクロック信号と同期して前記合成回路の出力信号をサンプリングするとともに、該サンプリングした信号の振幅に応じたデジタル信号を出力するアナログ/デジタル変換回路とを備える。
 第3の態様に係る無線通信装置は、第1又は2の態様に係るアナログ/デジタル変換装置を備える。
 第4の態様に係るアナログ/デジタル変換方法は、第1サンプリングクロック信号と同期してアナログ入力信号をサンプリング及び保持することと、前記サンプリング及び保持されたアナログ信号を平滑化することと、前記第1サンプリングクロック信号とは異なる第2サンプリングクロック信号と同期して、前記平滑化されたアナログ信号をサンプリングするとともに、該サンプリングした信号の振幅に応じたデジタル信号を出力するアナログ/デジタル変換ことと、を含む。
 第5の態様に係るアナログ/デジタル変換方法は、アナログ入力信号をN(N≧2)個に分配することと、互いに位相が異なり且つ周波数が等しいN個の第1サンプリングクロック信号と同期して、前記N個のアナログ入力信号をサンプリング及び保持することと、前記サンプリング及び保持されたN個のアナログ信号の出力信号を合成することと、前記第1サンプリングクロック信号とは異なる第2サンプリングクロック信号と同期して前記出力信号をサンプリングするとともに、該サンプリングした信号の振幅に応じたデジタル信号を出力することと、を含む。
第1実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置の構成を示すブロック図である。 第1実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置の動作波形を示すタイムチャートである。 第2実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置の構成を示すブロック図である。 第2実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置の動作波形を示すタイムチャートである。 第1又は第2実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置を備える無線通信装置の受信機の構成例を示すブロック図である。
 現在の無線通信では様々なバンド(キャリア周波数)且つ広い帯域幅(例えば、100MHz以上)に対応する必要がある。そのため、アンダーサンプリングを行うためには、アナログ入力信号の周波数や帯域幅の変更に応じてサンプリング周波数を変更する必要がある。
 ここで、従来のアナログ/デジタル変換装置では、サンプルホールド回路及びアナログ/デジタル変換回路が共通のサンプリングクロック信号に同期し、サンプルホールド回路が信号を保持する期間内でアナログ/デジタル変換回路がその信号をサンプリングする。
 このため、アナログ入力信号の周波数や帯域幅の変更に応じてサンプリングクロック信号の周波数(サンプリング周波数)を変更すると、アナログ/デジタル変換装置が出力するデジタル信号のサンプリング周波数も変更されることになる。
 しかしながら、アナログ/デジタル変換装置の後段のデジタル回路(例えば、DSP)は固定のサンプリング周波数を要求する。そのため、アナログ/デジタル変換装置が出力するデジタル信号のサンプリング周波数を後段のデジタル回路の要件に合わせて変換する処理(いわゆる、サンプリングレート変換)が必要になり、処理が複雑化する問題があった。
 そこで、本開示は、アンダーサンプリングを行う場合であっても、適切なサンプリング周波数を有するデジタル信号を出力することを可能とする。
 図面を参照して実施形態について説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
 [第1実施形態]
 (アナログ/デジタル変換装置の構成例)
 図1は、第1実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1の構成を示すブロック図である。アナログ/デジタル変換装置1は、RF帯のアナログ入力信号INに対してアナログ/デジタル変換を行うとともにダウンコンバート(すなわち、RF帯よりも低い周波数帯への変換)を行うために、アンダーサンプリングを行う。アンダーサンプリングでは、アナログ入力信号INの最高周波数の2倍であるナイキスト周波数に満たないサンプリング周波数(Fs)でサンプリングを行う。
 図1に示すように、アナログ/デジタル変換装置1は、サンプルホールド(S/H)回路10と、フィルタ回路20と、アナログ/デジタル変換(ADC)回路30と、クロック生成回路40とを有する。
 S/H回路10には、アナログ入力信号IN及び第1サンプリングクロック信号CLK1が入力される。S/H回路10は、第1サンプリングクロック信号CLK1と同期してアナログ入力信号INをサンプリング及び保持し、サンプリング及び保持された信号S/H_outをフィルタ回路20に出力する。
 S/H回路10は、例えば、スイッチSWと、スイッチSWの出力側に設けられたキャパシタCと、S/H回路10の出力段に設けられたバッファアンプ11とを有する。スイッチSWは、第1サンプリングクロック信号CLK1がハイレベル(Hレベル)のときに導通状態(ON状態)になり、アナログ入力信号INを、バッファアンプ11を介して後段に出力する。一方、スイッチSWは、第1サンプリングクロック信号CLK1がローレベル(Lレベル)のときに非導通状態(OFF状態)になる。キャパシタCは、第1サンプリングクロック信号CLK1がLレベルのときに、スイッチSWがON状態のときの電圧の平均値に比例した電圧を保持する。キャパシタCにより保持される電圧はバッファアンプ11を介して出力される。すなわち、第1サンプリングクロック信号CLK1がLレベルの期間は、S/H回路10が信号を保持する保持期間に相当する。
 フィルタ回路20は、S/H回路10から入力された信号S/H_outを平滑化し、平滑化された信号S/H_filterをADC回路30に出力する。フィルタ回路20は、例えば、S/H回路10の出力信号S/H_outに含まれる高周波数成分を除去するためのローパスフィルタ(LPF)を含む。但し、高周波数成分を除去可能なフィルタであればよく、フィルタ回路20は、LPFに代えて、バンドパスフィルタ(BPF)を含んでもよい。
 ADC回路30には、フィルタ回路20の出力信号S/H_filterと、第2サンプリングクロック信号CLK2とが入力される。第2サンプリングクロック信号CLK2は、第1サンプリングクロック信号CLK1とは異なるサンプリングクロック信号である。ADC回路30は、第2サンプリングクロック信号CLK2と同期してフィルタ回路20の出力信号S/H_filterをサンプリングするとともに、該サンプリングした信号の振幅に応じたデジタル信号OUTを出力する。ADC回路30は、N(N≧1)ビットのデジタル信号OUTを後段のデジタル回路4(図1において不図示。図5参照)に出力する。
 クロック生成回路40は、第1サンプリングクロック信号CLK1及び第2サンプリングクロック信号CLK2を生成する。クロック生成回路40は、第1サンプリングクロック信号CLK1をS/H回路10に出力するとともに、第2サンプリングクロック信号CLK2をADC回路30に出力する。第1サンプリングクロック信号CLK1及び第2サンプリングクロック信号CLK2は、互いに非同期であってもよい。或いは、第1サンプリングクロック信号CLK1及び第2サンプリングクロック信号CLK2は、互いに周波数が異なっていてもよい。
 第1サンプリングクロック信号CLK1の周波数は、アナログ入力信号INの最高周波数の2倍であるナイキスト周波数未満である。
 具体的には、クロック生成回路40は、アンダーサンプリングを行うために、アナログ入力信号INの周波数及び/又は帯域幅の変更に応じて、第1サンプリングクロック信号CLK1の周波数を可変設定する。例えば、第1サンプリングクロック信号CLK1の周波数を「Fs」、アナログ入力信号INの帯域幅を「BW」とする。この場合、クロック生成回路40は、
   Fs>2BW    ・・・(1)
 を満たすように、第1サンプリングクロック信号CLK1の周波数(Fs)を設定する。
 また、クロック生成回路40は、N次のナイキストゾーンにアナログ入力信号INが収まるように第1サンプリングクロック信号CLK1の周波数(Fs)を設定する。例えば、ナイキストゾーンを「NZ」(NZ=1、2、3、4・・・)、アナログ入力信号INの周波数(キャリア周波数)を「Fc」とし、2次ナイキストゾーンの中心をFcとする。この場合、クロック生成回路40は、
   Fs=4Fc/(2NZ-1)    ・・・(2)
 を満たすように、第1サンプリングクロック信号CLK1の周波数(Fs)を設定する。但し、第1ナイキストゾーンで問題なく信号が取り出せれば、アナログ入力信号INの周波数(Fc)はナイキストゾーンの中心からずれていてもよい。
 一方、クロック生成回路40は、ADC回路30の後段(アナログ/デジタル変換装置1の後段)のデジタル回路4がデジタル入力信号に要求するサンプリング周波数要件に応じて、第2サンプリングクロック信号CLK2の周波数を設定する。第2サンプリングクロック信号CLK2の周波数は、アナログ入力信号の周波数及び/又は帯域幅の変更にかかわらず一定であってもよい。
 例えば、ADC回路30の後段にデジタル信号プロセッサ(DSP)があり、このDSPが入力のサンプリング周波数として「Fs_req」を要求する場合、クロック生成回路40は、第2サンプリングクロック信号CLK2の周波数をFs_reqとしてもよい。或いは、ADC回路30とDSPとの間に、4分の1のダウンサンプリング(デシメーション)を行う回路がある場合、クロック生成回路40は、Fs_reqの4倍の周波数を第2サンプリングクロック信号CLK2の周波数として設定してもよい。言い換えると、ADC回路30とDSPとの間に、M分の1のダウンサンプリング(デシメーション)を行う回路がある場合、クロック生成回路40は、Fs_reqのM倍の周波数を第2サンプリングクロック信号CLK2の周波数として設定してもよい。
 このように、第1実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1によれば、フィルタ回路20がS/H回路10の出力信号S/H_outを平滑化することにより、ADC回路30が任意のタイミングでサンプリングを行うことを可能としている。すなわち、ADC回路30は、従来のように、S/H回路10が信号を保持する期間以外のタイミングでもサンプリングを行うことができる。
 アンダーサンプリングを行うアナログ/デジタル変換装置1において、クロック生成回路40が、様々なバンド(キャリア周波数)且つ広い帯域幅(例えば、100MHz以上)に対応する必要がある。この場合、第1実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1によれば、第1サンプリングクロック信号CLK1の周波数を変更しても、第2サンプリングクロック信号CLK2の周波数を一定に維持できる。
 従って、第1実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1は、第1サンプリングクロック信号CLK1の周波数が変更されても、一定のサンプリング周波数を有するデジタル信号OUTを出力可能である。このため、複雑なサンプリングレート変換を行うことが不要である。よって、アンダーサンプリングを行うアナログ/デジタル変換装置1における処理の複雑化を抑制できる。
 (アナログ/デジタル変換装置の動作例)
 図2は、第1実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1の動作波形を示すタイムチャートである。なお、図2において、横軸は時間を示し、縦軸は振幅を示している。
 図2に示すように、S/H回路10は、第1サンプリングクロック信号CLK1と同期してアナログ入力信号INをサンプリング及び保持し、サンプリング及び保持されたアナログ信号S/H_outを出力する。
 ここで、第1サンプリングクロック信号CLK1がHレベルの期間はサンプリング期間に相当する。一方、第1サンプリングクロック信号CLK1がLレベルの期間は、S/H回路10が信号を保持する保持期間に相当する。
 なお、従来のアナログ/デジタル変換装置では、フィルタ回路20が存在しないため、S/H回路10の保持期間内でADC回路30がアナログ信号S/H_outをサンプリングする必要がある。このため、S/H回路10及びADC回路30が共通のサンプリングクロック信号に同期している必要がある。
 一方、第1実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1は、フィルタ回路20がアナログ信号S/H_outを平滑化し、平滑化されたアナログ信号をADC回路30がサンプリングするように構成されている。このため、S/H回路10の保持期間以外のタイミングにおいてもADC回路30がサンプリングを行うことができる。
 これにより、ADC回路30は、第1サンプリングクロック信号CLK1とは異なる第2サンプリングクロック信号CLK2に同期して動作することが可能であり、第2サンプリングクロック信号CLK2を任意の周波数に設定できる。このため、所望のサンプリング周波数を有するデジタル信号OUTをアナログ/デジタル変換装置1が出力可能である。
 [第2実施形態]
 第2実施形態について、第1実施形態との相違点を主として説明する。以下において、第2実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1の構成について説明する。
 (アナログ/デジタル変換装置の構成例)
 図3は、第2実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1の構成を示すブロック図である。アナログ/デジタル変換装置1は、第1実施形態と同様にアンダーサンプリングを行う。
 図3に示すように、アナログ/デジタル変換装置1は、分配回路50と、2個のサンプルホールド(S/H)回路12及び13と、合成回路60と、アナログ/デジタル変換(ADC)回路30と、クロック生成回路40と、反転回路(インバータ回路)41とを有する。
 分配回路50は、アナログ入力信号INを2個に分配し、一方のアナログ入力信号INをS/H回路12に出力するとともに、他方のアナログ入力信号INをS/H回路13に出力する。
 S/H回路12には、アナログ入力信号IN及び第1サンプリングクロック信号CLK1が入力される。S/H回路12は、第1サンプリングクロック信号CLK1と同期してアナログ入力信号INをサンプリング及び保持し、サンプリング及び保持された信号S/Hout1を合成回路60に出力する。S/H回路12は、第1サンプリングクロック信号CLK1がハイレベル(Hレベル)のときにアナログ入力信号INをサンプリング及び保持する。
 S/H回路13には、アナログ入力信号IN及び第1サンプリングクロック信号CLK1’が入力される。第1サンプリングクロック信号CLK1’は、第1サンプリングクロック信号CLK1の位相を反転したものである。このため、第1サンプリングクロック信号CLK1及びCLK1’は互いに逆位相の関係にある。S/H回路13は、第1サンプリングクロック信号CLK1’と同期してアナログ入力信号INをサンプリング及び保持し、サンプリング及び保持された信号S/Hout2を合成回路60に出力する。S/H回路12は、第1サンプリングクロック信号CLK1’がHレベルのときにアナログ入力信号INをサンプリング及び保持する。
 このように、S/H回路12及び13は、相補のタイミングでアナログ入力信号INのサンプリング及び保持を行う。具体的には、S/H回路12が出力信号S/Hout1を出力する間はS/H回路13が出力信号S/Hout2を出力せず、S/H回路13が出力信号S/Hout2を出力する間はS/H回路12が出力信号S/Hout1を出力しない。
 合成回路60は、S/H回路12から入力された信号S/Hout1とS/H回路13から入力された信号S/Hout2とを合成し、合成された信号SmergeをADC回路30に出力する。S/H回路12及び13が相補のタイミングで信号S/Hout1及びS/Hout2を出力している。このため、合成回路60が信号S/Hout1及びS/Hout2を合成すると、信号Smergeとして階段状の連続波形が得られることになる。
 ADC回路30には、合成回路60の出力信号Smergeと、第2サンプリングクロック信号CLK2とが入力される。第2サンプリングクロック信号CLK2は、第1サンプリングクロック信号CLK1とは異なるサンプリングクロック信号である。ADC回路30は、第2サンプリングクロック信号CLK2と同期して合成回路60の出力信号Smergeをサンプリングするとともに、各サンプリングした信号の振幅に応じたデジタル信号OUTを出力する。ADC回路30は、L(L≧1)ビットのデジタル信号OUTを後段のデジタル回路4に出力する。
 クロック生成回路40は、第1サンプリングクロック信号CLK1及び第2サンプリングクロック信号CLK2を生成する。クロック生成回路40は、第1サンプリングクロック信号CLK1をS/H回路12及び反転回路41に出力するとともに、第2サンプリングクロック信号CLK2をADC回路30に出力する。第1サンプリングクロック信号CLK1及び第2サンプリングクロック信号CLK2は、互いに非同期であってもよい。或いは、第1サンプリングクロック信号CLK1及び第2サンプリングクロック信号CLK2は、互いに周波数が異なっていてもよい。
 反転回路41は、クロック生成回路40から入力された第1サンプリングクロック信号CLK1の位相を反転し、第1サンプリングクロック信号CLK1’をS/H回路13に出力する。反転回路41は、第1サンプリングクロック信号CLK1の位相を180°シフトすることで位相反転を行ってもよい。
 クロック生成回路40が生成する第1サンプリングクロック信号CLK1の周波数は、アナログ入力信号INの最高周波数の2倍であるナイキスト周波数未満である。なお、第1及び第2サンプリングクロック信号CLK1、CLK2の周波数の具体的な設定方法は、第1実施形態と同様である。
 このように、第2実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1によれば、合成回路60が信号Smergeとして階段状の連続波形を出力することにより、ADC回路30が任意のタイミングでサンプリングを行うことを可能としている。
 アンダーサンプリングを行うアナログ/デジタル変換装置1において、クロック生成回路40が、様々なバンド(キャリア周波数)且つ広い帯域幅(例えば、100MHz以上)に対応する必要がある。この場合、第2実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1によれば、第1サンプリングクロック信号CLK1の周波数を変更しても、第2サンプリングクロック信号CLK2の周波数を一定に維持できる。
 従って、第2実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1は、第1サンプリングクロック信号CLK1の周波数が変更されても、一定のサンプリング周波数を有するデジタル信号OUTを出力可能である。このため、複雑なサンプリングレート変換を行うことが不要である。よって、アンダーサンプリングを行うアナログ/デジタル変換装置1における処理の複雑化を抑制できる。
 (アナログ/デジタル変換装置の動作例)
 図4は、第2実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1の動作波形を示すタイムチャートである。なお、図4において、横軸は時間を示し、縦軸は振幅(電圧)を示している。
 図4に示すように、S/H回路12は、第1サンプリングクロック信号CLK1がHレベルにあるときに、アナログ入力信号INをサンプリング及び保持し、サンプリング及び保持された信号S/Hout1を出力する。
 また、S/H回路13は、第1サンプリングクロック信号CLK1’がHレベルにあるときに、アナログ入力信号INをサンプリング及び保持し、サンプリング及び保持された信号S/Hout2を出力する。
 合成回路60が信号S/Hout1及びS/Hout2を合成すると、信号Smergeとして階段状の連続波形が得られる。ADC回路30は、第2サンプリングクロック信号CLK2がLレベルからHレベルに立ち上がるタイミングで信号Smergeをサンプリングする。
 これにより、ADC回路30は、第1サンプリングクロック信号CLK1とは異なる第2サンプリングクロック信号CLK2に同期してサンプリング動作をすることが可能であり、第2サンプリングクロック信号CLK2を任意の周波数に設定できる。このため、所望のサンプリング周波数を有するデジタル信号OUTをアナログ/デジタル変換装置1が出力可能である。
 [無線通信装置の構成例]
 図5は、上述した第1又は第2実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1を備える無線通信装置の受信機の構成例を示すブロック図である。
 図5に示すように、無線通信装置は、上述した実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1に加えて、アンテナ2と、アナログ回路3と、デジタル回路4とを備える。
 アンテナ2は、無線信号を受信し、受信した無線信号をアナログ回路3に出力する。
 アナログ回路3は、ローノイズアンプ(LNA)及びアナログフィルタ回路等を含む。アナログ回路3は、RF帯のアナログ信号をアナログ/デジタル変換装置1に出力する。
 アナログ/デジタル変換装置1は、アナログ回路3から入力されたRF帯のアナログ信号に対してアナログ/デジタル変換を行うとともに、ダウンコンバート(すなわち、RF帯よりも低い周波数帯への変換)を行い、デジタル信号をデジタル回路4に出力する。アナログ/デジタル変換装置1は、中間周波数(IF)帯へのダウンコンバートを行ってもよいし、ベースバンド(BB)帯へのダウンコンバートを行ってもよい。
 デジタル回路4は、デジタルフィルタ処理等のデジタル信号処理を行うDSPを含み、アナログ/デジタル変換装置1から入力されたデジタル信号に対してデジタル信号処理を行って出力する。
 [その他の実施形態]
 上述した第2実施形態において、2個のS/H回路12及び13を設ける一例について説明したが、N個(N≧2)以上のS/H回路を設けてもよい。例えば、3個以上のS/H回路を設けてもよい。この場合、分配回路50はアナログ入力信号INを3個以上のS/H回路に分配し、合成回路60は3個以上のS/H回路の出力信号を合成する。
 例えば、S/H回路を3個とする場合、反転回路41に代えて、第1サンプリングクロック信号CLK1の位相を120°ずつシフトする位相シフト回路を設ける。この位相シフト回路は、位相が120°ずつシフトした3個の第1サンプリングクロック信号CLK1を3個のS/H回路に出力する。また、クロック生成回路40は、第1サンプリングクロック信号CLK1のHレベルの時間長を、第1サンプリングクロック信号CLK1の1周期を3等分した時間とするように設定する。その結果、3個のS/H回路がそれぞれ異なるタイミングで合成回路60に信号を出力し、合成回路60が3個のS/H回路の出力信号を合成すると、信号Smergeとして階段状の連続波形が得られることになる。
 なお、上述した第1又は第2実施形態に係るアナログ/デジタル変換装置1を半導体基板上に集積化し、半導体集積回路として構成してもよい。
 以上、図面を参照して実施形態について詳しく説明したが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
 本願は、日本国特許出願第2018-241036号(2018年12月25日出願)及び日本国特許出願第2018-241049号(2018年12月25日出願)の優先権を主張し、その内容の全てが本願明細書に組み込まれている。

Claims (10)

  1.  第1サンプリングクロック信号と同期してアナログ入力信号をサンプリング及び保持するサンプルホールド回路と、
     前記サンプルホールド回路の出力信号を平滑化するフィルタ回路と、
     前記第1サンプリングクロック信号とは異なる第2サンプリングクロック信号と同期して前記フィルタ回路の出力信号をサンプリングするとともに、該サンプリングした信号の振幅に応じたデジタル信号を出力するアナログ/デジタル変換回路と、を備える
     アナログ/デジタル変換装置。
  2.  前記フィルタ回路は、前記サンプルホールド回路の出力信号に含まれる高周波数成分を除去するためのローパスフィルタ又はバンドパスフィルタを含む
     請求項1に記載のアナログ/デジタル変換装置。
  3.  アナログ入力信号をN(N≧2)個に分配する分配回路と、
     互いに位相が異なり且つ周波数が等しいN個の第1サンプリングクロック信号と同期して、前記N個のアナログ入力信号をサンプリング及び保持するN個のサンプルホールド回路と、
     前記N個のサンプルホールド回路の出力信号を合成する合成回路と、
     前記第1サンプリングクロック信号とは異なる第2サンプリングクロック信号と同期して前記合成回路の出力信号をサンプリングするとともに、該サンプリングした信号の振幅に応じたデジタル信号を出力するアナログ/デジタル変換回路と、を備える
     アナログ/デジタル変換装置。
  4.  前記Nの値は、2であり、
     前記2個の第1サンプリングクロック信号は、互いに逆位相の関係にある
     請求項3に記載のアナログ/デジタル変換装置。
  5.  前記第1サンプリングクロック信号の周波数は、前記アナログ入力信号の周波数及び/又は帯域幅の変更に応じて可変である
     請求項1乃至4のいずれか1項に記載のアナログ/デジタル変換装置。
  6.  前記第2サンプリングクロック信号の周波数は、前記第1サンプリングクロック信号によらずに、前記アナログ/デジタル変換回路の後段のデジタル回路がデジタル入力信号に要求するサンプリング周波数要件に応じて設定される
     請求項1乃至5のいずれか1項に記載のアナログ/デジタル変換装置。
  7.  前記第1サンプリングクロック信号の周波数は、前記アナログ入力信号の最高周波数の2倍であるナイキスト周波数未満であり、
     前記アナログ/デジタル変換装置は、無線周波数帯の前記アナログ入力信号に対してアナログ/デジタル変換を行うとともに、前記無線周波数帯よりも低い周波数帯への変換を行う
     請求項1乃至6のいずれか1項に記載のアナログ/デジタル変換装置。
  8.  請求項1乃至7のいずれか1項に記載のアナログ/デジタル変換装置を備える
     無線通信装置。
  9.  第1サンプリングクロック信号と同期してアナログ入力信号をサンプリング及び保持することと、
     前記サンプリング及び保持されたアナログ信号を平滑化することと、
     前記第1サンプリングクロック信号とは異なる第2サンプリングクロック信号と同期して、前記平滑化されたアナログ信号をサンプリングするとともに、該サンプリングした信号の振幅に応じたデジタル信号を出力することと、を含む
     アナログ/デジタル変換方法。
  10.  アナログ入力信号をN(N≧2)個に分配することと、
     互いに位相が異なり且つ周波数が等しいN個の第1サンプリングクロック信号と同期して、前記N個のアナログ入力信号をサンプリング及び保持することと、
     前記サンプリング及び保持されたN個のアナログ信号の出力信号を合成することと、
     前記第1サンプリングクロック信号とは異なる第2サンプリングクロック信号と同期して前記出力信号をサンプリングするとともに、該サンプリングした信号の振幅に応じたデジタル信号を出力することと、を含む
     アナログ/デジタル変換方法。
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