JP2009111652A - 局部発振器および無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ループ帯域内のノイズ増大を招くことなく、ヘテロダイン方式におけるローカル周波数の変調精度を向上することを目的とする。
【解決手段】
本発明の局部発振器は、基準発振器２１４で生成された基準信号から複数の参照周波数に対応した複数の参照信号を生成する第１ＰＬＬ３１２と、第１ＰＬＬ３１２からの複数の参照信号から複数のローカル周波数に対応した複数のローカル信号を生成する第２ＰＬＬ３１４と、を備えることを特徴としている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ヘテロダイン方式におけるローカル信号を生成する局部発振器およびそれを用いた無線通信装置に関する。

近年、ＰＨＳ(Personal Handy phone System)や携帯電話等に代表される無線通信装置が普及し、場所や時間を問わず通話や情報入手が可能となった。特に昨今では、無線通信装置で送受信される情報量も増加の一途を辿り、より高速な無線通信方式の導入が必要となってきた。

近年の高速デジタル無線通信としては、スペクトラム拡散通信方式を用いたものが主流となっている。かかるスペクトラム拡散通信方式では、高速なデータ通信を行うため、変復調に用いられるシンボル数の増加に伴う無線信号のスペクトラム広帯域化や、６４ＱＡＭ(Quadrature Amplitude Modulation)や２５６ＱＡＭといった振幅成分を必要とする多値変調化が要求されている。

このような様々な通信方式を用いる無線通信装置では、一般に、受信したＲＦ(Radio Frequency)信号と局部発振器のローカル信号とを混合して得られる周波数差をＩＦ(Intermediate Frequency)信号に変換しそれを増幅した後で復調するヘテロダイン方式が採用されている。上記ローカル信号は、基準発振器からの基準信号を位相同期回路（Phase Locked Loop：以下、単にＰＬＬと言う。）で逓倍されたものが用いられ、変調方式の高速化に応じて変調精度の向上が望まれる。

図７は、従来のＰＬＬ１０の機能を示した機能ブロック図である。ＰＬＬ１０では、基準発振器１２からの基準信号をカウンタ１４でＲ分周した信号の位相と、ＶＣＯ(Voltage Controlled Oscillator)１６の出力をカウンタ１８でＮ分周した信号の位相と、を位相比較器２０で比較し、その出力を、ループフィルタとしてのＬＰＦ（Low Pass Filter：低域通過フィルタ）２２を通じて再びＶＣＯ１６にフィードバックする。こうして、ＶＣＯ１６からの最終的な出力信号の位相が基準信号の位相と同期し、かつ所望する周波数（基準信号のＮ／Ｒ倍）を得ることができる（例えば、特許文献１）。

一方、ＯＦＤＭＡ(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access)やマルチキャリア通信においては、複数のキャリアを用いて広帯域通信を行っているのでシングルキャリア通信と相違しローカル信号の周波数を変更する必要がない。この場合、高い変調精度特性が要求される場合であっても、ＰＬＬ回路の分周比を適切な値に設定することで対応できる。従って、ローカル信号の変調精度の劣化は、ＰＬＬのループ帯域内のノイズレベルに依るところが大きくなる。

上述したループ帯域内のノイズは、ＰＮ１Ｈｚ＋２０ｌｏｇ（Ｎ）＋１０ｌｏｇ（ｆｒ）で表される。ここで、ＰＮ１Ｈｚは、ＰＬＬ回路固有の１Ｈｚあたりの正規化位相ノイズフロア、ＮはＰＬＬ１０のカウンタ１８の可変カウント値、ｆｒは位相比較周波数（基準周波数／Ｒ）である。かかるＰＮ１Ｈｚは、分数分周のＰＬＬより整数分周のＰＬＬの方が優れ、例えば−２２０ｄＢ程度のノイズ特性を得ることができる。従って、整数分周のＰＬＬを用いてカウント値Ｎを小さくすると、ＰＮ１Ｈｚおよび２０ｌｏｇ（Ｎ）のいずれの項でもノイズの低減を図れる。

しかし、ＲＦにおけるチャンネル間が例えば２０ＭＨｚ離れている場合、任意のチャネルのローカル周波数を２０００ＭＨｚとすると、隣接するチャネルのローカル周波数は２０２０ＭＨｚとなる。カウント値Ｎを小さく維持するため高い基準周波数、例えば４０ＭＨｚを用いると、ローカル周波数２０００ＭＨｚにはカウント値Ｎを５０とすることで対応できるが、隣接するローカル周波数２０２０ＭＨｚではカウント値Ｎが５０．５となり、分数分周のＰＬＬを用いなくてはならなくなる。

従って、整数分周のＰＬＬを利用するためには、基準周波数として帯域内で利用される総てのローカル周波数の最大公約数を選択する必要がある。例えば、上述したローカル周波数２０００ＭＨｚ、２０２０ＭＨｚの場合最大公約数は２０ＭＨｚとなる。しかし、整数分周のＰＬＬの選択と基準周波数の低減とはトレードオフの関係にあり、基準周波数を４０ＭＨｚから２０ＭＨｚに落とした場合、カウント値Ｎが２倍になり、ループ帯域内の位相ノイズ特性は３ｄＢ劣化することとなる。
特開平１１−４６１５６号公報

ここで、整数分周のＰＬＬを利用し、カウント値を５０程度、基準周波数を４０ＭＨｚ程度に維持する手段を検討すると、基準発振器を複数準備し基準周波数自体を切り換えて利用することが考えられる。例えば、図８のＰＬＬ３０では、カウント値Ｎを５０に固定したままローカル周波数２０００ＭＨｚと２０２０ＭＨｚとを生成するため、４０ＭＨｚと４０．４ＭＨｚ基準周波数を有する２つの基準発振器１２ａ、１２ｂを準備している。

ここでは、カウント値Ｎを整数にできるので、整数分周のＰＬＬと低いカウント値Ｎとを維持することはできる。しかし、複数の基準発振器が必要となり、その切り換え制御が煩雑になるばかりでなく、著しいコストの増大を招いてしまう。また、ＩＦ信号を生成するＰＬＬには固定された基準周波数が必要なので、切り換えを伴う基準周波数を利用することができない。

本発明は、従来におけるローカル信号の生成回路が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ループ帯域内のノイズ増大を招くことなく、ローカル周波数の変調精度の向上が可能な局部発振器および無線通信装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明のある観点によれば、基準発振器で生成された基準信号から複数の参照周波数に対応した複数の参照信号を生成する第１ＰＬＬと、第１ＰＬＬと直列に接続され、第１ＰＬＬからの複数の参照信号から複数のローカル周波数に対応した複数のローカル信号を生成する第２ＰＬＬと、を備えることを特徴とする局部発振器が提供される。

本発明は、ローカル信号のリファレンスとなる基準信号を、第１ＰＬＬで生成される参照信号で代用することで、基準発振器を複数準備しなくとも、同等の精度の複数の参照信号を用いることができる。従って、低いカウント値Ｎを維持してループ帯域内のノイズ増大を抑えつつ、ローカル周波数の変調精度を向上することが可能となる。

第１ＰＬＬの低域通過フィルタのカット周波数は１００Ｈｚ以下であることが望ましい。

第１ＰＬＬからの参照信号は、周波数の変動頻度が少なく高速ロックアップを伴わないため、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）の周波数を低くしてループ帯域を狭めることができる。かかる構成により第１ＰＬＬのノイズ特性を向上することが可能となる。

局部発振器は、加速度センサが所定量の振動を検知すると、第１ＰＬＬの低域通過フィルタから出力されていたロック電圧で固定する電圧固定回路をさらに備えてもよい。

上述したように第１ＰＬＬのループ帯域を狭くしノイズ特性の向上を優先すると当該局部発振器が受ける振動等によりロック外れが生じる虞がある。そこで、加速度センサにより振動を検知し、所定量の振動を検知するとロック電圧を固定（維持）する。かかる構成により第１ＰＬＬのノイズ特性を維持しつつロック外れを回避することが可能となる。

上記課題を解決するために、本発明の他の観点によれば、基準発振器と、基準発振器で生成された基準信号から複数の参照周波数に対応した複数の参照信号を生成する第１ＰＬＬ、第１ＰＬＬからの複数の参照信号から複数のローカル周波数に対応した複数のローカル信号を生成する第２ＰＬＬを有する局部発振器と、ローカル信号により振り分けられる複数のチャネルに割り当てられたＣＣＨを対象としてキャリアセンスを行い、その結果を用いて参照周波数およびローカル周波数を設定する周波数設定部と、を備えることを特徴とする無線通信装置が提供される。

かかる発明では、上述した局部発振器同様、ローカル信号のリファレンスとなる基準信号を、第１ＰＬＬで生成される参照信号で代用することで、基準発振器を複数準備しなくとも、同等の精度の複数の参照信号を用いることができる。従って、ループ帯域内のノイズ増大を抑えつつ、ローカル周波数の変調精度を向上することが可能となる。

上述した局部発振器における技術的思想に対応する構成要素やその説明は、当該無線通信装置にも適用可能である。

以上説明したように本発明の局部発振器は、ループ帯域内のノイズ増大を招くことなく、ローカル周波数の変調精度を向上することができる。

以下に図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

ＰＨＳ端末や携帯電話等に代表される無線端末では、所定間隔をおいて配される基地局との無線通信システムが構築される。本実施形態における無線通信装置は、無線通信を行うこのような無線端末や基地局を含んでいる。ここでは、理解を容易にするため無線端末、特にＰＨＳ端末を例に挙げて説明するが、その説明が基地局にも適用できるのは言うまでもない。

（ＰＨＳ端末１００）
図１は、ＰＨＳ端末１００のハードウェア構成を示した機能ブロック図であり、図２は、ＰＨＳ端末１００の外観を示した斜視図である。ＰＨＳ端末１００は、端末制御部１１０と、端末メモリ１１２と、表示部１１４と、操作部１１６と、音声入力部１１８と、音声出力部１２０と、無線通信部１２２とを含んで構成される。

上記端末制御部１１０は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路によりＰＨＳ端末１００全体を管理および制御する。端末制御部１１０は、端末メモリ１１２のプログラムを用いて、ＰＨＳ端末１００を利用した通話機能やメール配信機能も当然にして遂行する。

上記端末メモリ１１２は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成され、端末制御部１１０で処理されるプログラムや音声データ等を記憶する。

上記表示部１１４は、液晶ディスプレイ、ＥＬ(Electro Luminescence)、ＰＤＰ(Plasma Display Panel)等で構成され、端末メモリ１１２に記憶された、または通信網１３０を介してアプリケーション中継サーバ（図示せず）から提供される、ＷｅｂブラウザやアプリケーションのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示することができる。

上記操作部１１６は、キーボード、十字キー、ジョイスティック等のスイッチから構成され、ユーザの操作入力を受け付ける。

上記音声入力部１１８は、マイク等の音声認識装置で構成され、通話時に入力されたユーザの音声をＰＨＳ端末１００内で処理可能な電気信号に変換する。

上記音声出力部１２０は、スピーカで構成され、ＰＨＳ端末１００で受信した通話相手の音声信号を音声に変えて出力する。また、着信音や、操作部１１６の操作音、アラーム音等も出力できる。

上記無線通信部１２２は、携帯電話網における基地局１３０と無線通信を行う。かかる無線通信としては、基地局１３０内でフレームを時分割した複数のタイムスロットをそれぞれＰＨＳ端末１００のチャネルに割り当てて通信を行う時分割多重方式等がある。かかる無線通信部１２２の回路を以下に示す。

また、ここではＰＨＳ端末１００を主として説明しているが、無線通信装置としての基地局１３０も無線通信部１２２を有しており、特に基地局１３０の無線通信部１２２では、周波数設定部も設けられている。かかる周波数設定部は、ローカル信号により振り分けられる複数のチャネルに割り当てられたＣＣＨ(Control CHannel)を対象としてキャリアセンスを行い、同一帯域内干渉の発生の有無を確認して、参照周波数およびローカル周波数を設定する。

（無線通信部１２２）
図３は、無線通信部１２２の詳細な回路を示した回路図である。無線通信部１２２の送信ベースバンド制御部２００は、送信する信号をベースバンド帯域内で処理する。送信ベースバンド制御部２００で処理されたデジタル信号は、Ｄ／Ａコンバータ２０２および増幅器２０４を通じて実際のアナログ波形に変形される。そして、かかるアナログ波形のスプリアスやアンチエイリアシングノイズを除去するため１次ＩＦ−ＢＰＦ(Band Pass Filter)２０６を通じ、乗算器２０８でＩＦ局部発振器２１０からの中間信号と乗算し、増幅器２１２で増幅する。ＩＦ局部発振器２１０では、基準発振器２１４からの基準信号から中間周波数を有する中間信号を生成している。

そして、２次ＩＦ−ＢＰＦ２１６を通じた信号を乗算器２１８で送信ＲＦ局部発振器２２０からの送信周波数と乗算（拡散）し、ＲＦ(Radio Frequency)−ＢＰＦ２３２および増幅器２３４を介してデュプレクサ２３６に送信される。送信ＲＦ局部発振器２２０は、後述する受信ＲＦ局部発振器２５６と共に本実施形態の局部発振器を構成し、送信ベースバンド制御部２００に応じて基準発振器２１４からの基準信号を送信用のローカル信号に変更する。

デュプレクサ２３６は、増幅器２３４の信号を受け、アンテナ２３８への無線信号を制御しつつ、アンテナ２３８からの信号を受信し、受信系の増幅器２５０に送信する。また、当該無線通信装置をシンプレックスとする場合には、デュプレクサ２３６の代わりに単なるスイッチを設けてもよい。

受信系の流れとして、基地局１３０からの信号を受信したデュプレクサ２３６は、増幅器２５０に信号を伝達する。増幅器２５０から出力された受信信号は、ＲＦ−ＢＰＦ２５２を通じ乗算器２５４で受信ＲＦ局部発振器２５６からの受信用のローカル信号に除算（逆拡散）され、中間周波数に落とされる。そして、増幅器２５８および１次ＩＦ−ＢＰＦ２６０を通じて、乗算器２６２で、ＩＦ局部発振器２１０からの中間信号で除算され、増幅器２６４および２次ＩＦ−ＢＰＦ２６６を介してＡ／Ｄコンバータ２６８によってデジタル化される。受信ベースバンド制御部２７０は、このようにデジタル化された受信信号をベースバンド帯域内で処理する。

次に、送信ＲＦ局部発振器２２０や受信ＲＦ局部発振器２５６に代表される局部発振器の構成を、送信ＲＦ局部発振器２２０を例にとって説明する。

図４は、送信ＲＦ局部発振器２２０の構成を説明するための機能ブロック図である。かかる送信ＲＦ局部発振器２２０は、基準発振器２１４で生成された基準信号から複数の参照周波数に対応した複数の参照信号を生成する第１ＰＬＬ３１２と、第１ＰＬＬ３１２からの複数の参照信号から複数のローカル周波数に対応した複数のローカル信号を生成する第２ＰＬＬ３１４と、を含んで構成される。

第１ＰＬＬ３１２と第２ＰＬＬ３１４とは生成する周波数帯域こそ違っているが対称的な構成になっている。位相比較器３２０は、基準発振器２１４からの基準信号をカウンタ３２２でＲ分周した信号の位相と、ＶＣＯ３２４の出力をプリスケーラ３２６で１／４や１／８に周波数分周しさらにカウンタ３２８でＮ分周した信号の位相とを比較する。ＬＰＦ３３０は、位相比較器３２０の出力の高域周波数をカットしＶＣＯ３２４に伝達する。こうして、ＶＣＯ３２４からの最終的な出力信号（参照信号）の位相が基準信号と同期する。

同様に、第２ＰＬＬ３１４の位相比較器３４０は、第１ＰＬＬ３１２からの参照信号をカウンタ３４２でＲ分周した信号の位相と、ＶＣＯ３４４の出力をプリスケーラ３４６で周波数分周しさらにカウンタ３４８でＮ分周した信号の位相とを比較する。ＬＰＦ３５０は、位相比較器３４０の出力の高域周波数をカットしＶＣＯ３４４に伝達する。こうして、ＶＣＯ３４４からの最終的な出力信号（ローカル信号）の位相が参照信号と同期する。

本実施形態は、ローカル信号のリファレンスとなる基準信号を、第１ＰＬＬ３１２で生成される参照信号で代用することで、基準発振器２１４を複数準備しなくとも、同等の精度の複数の参照信号を用いることができる。従って、低いカウント値Ｎを維持してループ帯域内のノイズ（ＰＮ１Ｈｚ＋２０ｌｏｇ（Ｎ）＋１０ｌｏｇ（ｆｒ））の増大を抑えつつ、ローカル周波数の変調精度を向上することが可能となる。

上述したように第１ＰＬＬ３１２と第２ＰＬＬ３１４は対称的に構成されるが、それぞれの機能に基づいてループ帯域が相違している。第１ＰＬＬ３１２からの参照信号は、周波数の変動頻度が少なく高速ロックアップを伴わないため、ＬＰＦ３３０の周波数を低くしてループ帯域を狭めることができる。

図５は、ノイズ特性を示した説明図である。図５（ａ）で示すように、基準発振器２１４の発振出力３６０はＶＣＯ３２４の発振出力３６２と比較してノイズ特性が十分に高く、第１ＰＬＬ３１２の発振出力３６４は、ループ帯域内で基準発振器２１４の発振出力３６０が支配的となり、ループ帯域外でＶＣＯ３２４の発振出力３６２が支配的となる。ここで、ＬＰＦ３３０のカット周波数を例えば１００Ｈｚ以下となるように下げるとループ帯域が狭まり、ノイズ特性は、図５（ｂ）のように第１ＰＬＬ３１２の発振出力３６４が基準発振器２１４の発振出力３６０に近くなる。従って、第１ＰＬＬ３１２の参照信号を基準信号とほぼ同等に扱うことが可能となる。こうして、出力すべき参照周波数の振幅を維持しつつ、その周波数以外のノイズフロアを下げることができる。また、ＬＰＦ３３０のカット周波数は、上述した１００Ｈｚ以下に限らず、基準発振器２１４や第２ＰＬＬ３１４のループ帯域に応じて適切な値を設定するとよい。

しかし、第１ＰＬＬ３１２のループ帯域を狭くしノイズ特性の向上を優先すると当該局部発振器（送信ＲＦ局部発振器２２０、受信ＲＦ局部発振器２５６）が受ける振動等によりロック電圧が飛んでしまい所望するロック電圧に戻らない所謂ロック外れが生じる。ロック外れが生じると、第１ＰＬＬ３１２を初期化しなくてはならない。以下にロック外れを回避する電圧固定回路３７０を説明する。

図６は、電圧固定回路３７０を説明するための機能ブロックである。電圧固定回路３７０は、第１ＰＬＬ３１２のロック電圧を固定するために追加的に設けられた回路であり、スイッチ３７２と、抵抗３７４と、ＡＤＣ(Analog to Digital Converter)３７６と、ラッチ回路３７８と、ＤＡＣ３８０と、ＬＰＦ３８２とを含んで構成される。

電圧固定回路３７０のスイッチ３７２の接点は、通常ＬＰＦ３３０側に倒れており、第１ＰＬＬ３１２の機能である基準信号との同期機能が遂行されている。一方、ＬＰＦ３３０から出力されたロック電圧は、高抵抗値の抵抗３７４およびＡＤＣ３７６を介してそのデジタル値がラッチ回路３７８にラッチされ、ロック電圧が常に維持されている。

ここで、加速度センサ３９０が所定量の振動を検知すると、スイッチ３７２の接点がＬＰＦ３８２側に倒れ、ラッチ回路３７８でラッチされていたロック電圧がＤＡＣ３８０およびノイズを除去するＬＰＦ３８２を介してＶＣＯ３２４に供給される。こうして第１ＰＬＬ３１２のＬＰＦ３３０から出力されるロック電圧を直前の電圧に一時的に固定することができ、第１ＰＬＬ３１２のノイズ特性を維持しつつロック外れを回避することが可能となる。

また、図６では、ロック電圧を実測、維持しているが、予めロック電圧を測定しておき、加速度センサ３９０が所定量の振動を検知すると、その測定されたロック電圧に固定することもできる。かかる構成では、図６の抵抗３７４、ＡＤＣ３７６、ラッチ回路３７８の代わりに温度とロック電圧とを関連付けたテーブルを記憶したメモリを準備し、第１ＰＬＬ３１２の温度に応じたロック電圧を出力する。ここでは、図６の回路と比べて消費電力を削減することができ、ロック電圧をＤＡＣ３８０に出力する制御を端末制御部１１０で兼用することで回路の占有領域およびコストも削減することが可能となる。また、かかる回路や図６の回路に拘わらず、ロック電圧を所定値に維持可能な様々な回路を本実施形態に適用することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態ではＰＨＳ端末を挙げて説明したが、携帯端末として、例えば、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、デジタルカメラ、音楽プレイヤー、カーナビゲーション、ポータブルテレビ、ゲーム機器、ＤＶＤプレイヤー、リモートコントローラ等様々な電子機器を適用することができる。

本発明は、ヘテロダイン方式におけるローカル信号を生成する局部発振器およびそれを用いた無線通信装置に利用することができる。

ＰＨＳ端末のハードウェア構成を示した機能ブロック図である。 ＰＨＳ端末の外観を示した斜視図である。 無線通信部の詳細な回路を示した回路図である。 局部発振器の構成を説明するための機能ブロック図である。 ノイズ特性を示した説明図である。 電圧固定回路を説明するための機能ブロックである。 従来のＰＬＬの機能を示した機能ブロック図である。 ＰＬＬの他の機能を示した機能ブロック図である。

符号の説明

１００ …ＰＨＳ端末
２２０ …送信ＲＦ局部発振器
２５６ …受信ＲＦ局部振器
３００ …局部発振器
３１２ …第１ＰＬＬ
３１４ …第２ＰＬＬ
３７０ …電圧固定回路

Claims (6)

1. 基準発振器で生成された基準信号から複数の参照周波数に対応した複数の参照信号を生成する第１位相同期回路と、
   前記第１位相同期回路と直列に接続され、前記第１位相同期回路からの複数の参照信号から複数のローカル周波数に対応した複数のローカル信号を生成する第２位相同期回路と、
   を備えることを特徴とする局部発振器。
2. 前記第１位相同期回路の低域通過フィルタのカット周波数は１００Ｈｚ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の局部発振器。
3. 加速度センサが所定量の振動を検知すると、前記第１位相同期回路の低域通過フィルタから出力されていたロック電圧で固定する電圧固定回路をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の局部発振器。
4. 基準発振器と、
   前記基準発振器で生成された基準信号から複数の参照周波数に対応した複数の参照信号を生成する第１位相同期回路、該第１位相同期回路からの複数の参照信号から複数のローカル周波数に対応した複数のローカル信号を生成する第２位相同期回路を有する局部発振器と、
   前記ローカル信号により振り分けられる複数のチャネルに割り当てられたＣＣＨを対象としてキャリアセンスを行い、その結果を用いて前記参照周波数およびローカル周波数を設定する周波数設定部と、
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
5. 前記第１位相同期回路の低域通過フィルタのカット周波数は１００Ｈｚ以下であることを特徴とする、請求項４に記載の無線通信装置。
6. 加速度センサと、
   加速度センサが所定量の振動を検知すると、前記第１位相同期回路の低域通過フィルタから出力されていたロック電圧で固定する電圧固定回路と、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項４または５に記載の無線通信装置。

Images