説明

周波数ホッピングシステムに用いられる周波数合成器

【課題】高集積度、低複雑度、低電力消費、小面積のUWB周波数合成器を提供する。
【解決手段】周波数合成器は、電圧制御信号に基づいて発振周波数を生成する電圧制御発振器と、第一分周器で発振周波数を偶数で分周して第一分周信号として生成し、第一分周信号に基づいて電圧制御信号を生成する位相ロックループシステムと、発振周波数を偶数で分周して第二分周信号及び第三分周信号として生成する第二分周器と、第二分周信号と第三分周信号を混合して第一混合信号として生成する第一単側波帯ミクサーと、サブバンド第一選択信号に基づいて第一混合信号と第一分周信号を混合して第二混合信号として生成する第二単側波帯ミクサーと、サブバンド第二選択信号に基づいて第一混合信号または第二混合信号を選択的に出力するマルチプレクサーとを含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は周波数合成器に関し、特に周波数ホッピングシステムに用いられる周波数合成器に関する。
【背景技術】
【0002】
無線通信システムでは、トランシーバーは周波数合成器で帯域の異なる搬送周波数(中心周波数とも称する)を生成し、これに基づいて無線信号を送受信する。例えば次世代のUWB(超広帯域)通信システムは、多帯域OFDM(直交周波数分割多重)と周波数ホッピング方式を結合して通信を行う。IEEE 802.15.3aなどの通信プロトコルによれば、UWBは5つの帯域モードを有し、そのうち第一帯域モードは帯域幅528MHzのサブバンドを3本備え、その中心周波数はそれぞれ3432MHZ、3960MHz、4488MHzである。多帯域ODFMは時間・周波数インターリービング方式でODFMシンボルを受発信する。すなわち、シンボル受信時、システムは3つのサブバンドで交代で動作する。各シンボルの長さ312.5nsとされる。換言すればシステムは312.5nsごとに1個のシンボルを送信/受信して周波数ホッピングを完成させ、そのうち周波数ホッピング(例えば3960MHzから4488MHzに変更する)は9.5ns以内に完成しなければならない。したがって、UWBシステムに用いられる周波数合成器は、3本のサブバンドの中心周波数をすべてカバーし、かつ9.5ns以内に周波数ホッピングを完成させなければならない。
【0003】
従来の周波数合成器において、位相ロックループ(PLL)の周波数変更の収束時間はPLLの帯域幅によって決められる。収束時間を9.5ns以下に抑えようとすれば、PLLの帯域幅は100MHzにしなければならない。また、PLLの安定性を保持するため、PLLに用いる基準周波数はその帯域幅の10倍以上にしなければならない。そのため、UWBシステムに用いる従来の周波数合成器は1GHz以上の基準周波数を持たなければならず、コスト面から見れば実現しにくいものである。
【0004】
上記問題の解決策は数多く提案されている。例えば、国際固体回路会議ISSCC
2005 Sec 11.9 p.216-218は、互いに独立した3組のPLLと電圧制御発振器(VCO)で周波数3432MHz、3960MHz、4488MHzの搬送波信号をそれぞれ生成する周波数合成器を提案している。このような周波数合成器はPLLの周波数変換を待つ必要がないが、3組のPLLを同時に利用するため大量の電力と大きなチップ面積を要し、経済的ではない。
【0005】
そのほか、IEEE固体回路雑誌JSSC 2005 Aug.
p.1671-1679は、互いに独立した2組のPLLとマルチプレクサーからなる周波数合成器を提案している。同提案は、マルチプレクサーがPLLのいずれかを選ぶたび、選ばれない他方のPLLが周波数変換を行う。このようなパイプライン式処理は周波数合成器の変換時間を9.5nsから312.5nsに延長することができるが、2組のPLLは2倍の電力とチップ面積を要するほか、PLLとVCOごとに3本のサブバンドをカバーしなければならないため、回路の簡素化には不向きである。
【0006】
それ以外、1組のPLLとVCOに単側波帯(SSB)ミクサーを合わせて3つの搬送波信号を生成するという、論理的に最も簡素化された構造も提案されている。図1を参照する。図1は従来の周波数合成器10を表す説明図である。周波数合成器10は前記3本のサブバンドの中心周波数を生成する装置であり、VCO11と、PLL回路12と、分周器14と、SSBミクサー16と、マルチプレクサー(MUX)18を含む。VCO11とPLL回路12は周波数f1(3960MHz)のI/Q(同相直交)信号を生成し、分周器14はf1を7.5で分周して周波数f2(528MHz)のI/Q信号を生成し、SSBミクサー16はf1とf2を相乗して周波数3432MHzと4488MHzの搬送波信号を生成し、更に制御信号SC1に基づいてそのいずれかを選んで周波数f3として出力する。MUX18は制御信号SC2に基づいて周波数f1(3960MHz)またはf3(3432MHzまたは4488MHz)のいずれかを選んで出力する。しかし、分周器14の係数7.5は整数ではないため、位相差90度のI/Q信号を生成しにくい。それを改善するため回路を増設しなければならず、不便である。
【0007】
また、イメージ信号抑制能力はSSBミクサーの性能を判断する重要な基準である。イメージ信号が高すぎると、発信端の不要波(spur)により受信端の信号対雑音比(SN比)は低下しかねない。イメージ信号抑制能力を向上させるため、ミクサーに入力するI/Q信号を理想的(信号強度が同じ、位相差が90度)にすることが必要である。これは当業者に周知されているため、詳しい説明は省略とする。しかし、高周波数の応用では理想的なI/Q信号が生成しにくいため、混合後のイメージ信号を除去するにはSSBミクサーに狭帯域フィルターを増設しなければならない。イメージ信号除去の難易度はQ指数によって示され、ここでQ指数=混合後の主信号/(主信号とイメージ信号の周波数差)とする。例えば図1に示すSSBミクサー16のQ指数は(f1+f2)/(2×f2)=4.25である。Q指数が高ければ、イメージ信号を除去するにはQ値の高い狭帯域フィルターをSSBミクサーに設けなければならない。Q値の高いフィルターは設計しにくいため、回路を設計するときはQ値の低い応用に適する周波数を考慮すべきである。
【0008】
図2を参照する。図2は従来の周波数合成器20を表す説明図である。周波数合成器20はVCO200と、PLL回路210と、分周器220、230と、選択ユニット240と、SSBミクサー250、260を含む。図2に示すように、VCOの発振周波数は4.224GHzであり、ミクサー250に入力される周波数は528MHz及び264MHzである。したがって、ミクサー250のQ指数は(528+264)/(2×264)=1.5である。ミクサー260に入力する周波数を4224MHz及び264MHzとすれば、ミクサー260のQ指数は(4224+264)/(2×264)=8となる。ミクサー260のQ指数が高すぎるため、それに取り付ける狭帯域フィルターは設計しにくい。また、図2に示すように、I/Q信号を生成するにはVCO200に多相フィルター(PPF)の増設が必要である。
【0009】
上記問題を改善するため、アメリカ特許出願2006/0183455A1号は下記の周波数合成器を掲示している。同周波数合成器は、VCOと、複数の分周器と、PPFと、PLLと、ミクサーを含む。その動作について、まずVCOで7920MHzの周波数を出力し、これを分周器で3960MHz及び528MHzに分周し、更にPPFで528MHzの周波数信号をI/Q信号に変換してから、ミクサーで所要の搬送波周波数を生成する。同特許出願はミクサーのQ指数を4に抑えることができるが、I/Q信号を生成するにはPPFを必要とするほか、VCOの周波数を8GHzという高い値にしなければならない。
【0010】
したがって本発明は、低複雑度・低電力消費で所要面積が小さいUWB周波数合成器の開発を目的とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明は高集積度、低複雑度、低電力消費、小面積のUWB周波数合成器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明は周波数ホッピングシステムに用いられる周波数合成器を提供する。該周波数合成器は、電圧制御信号に基づいて発振周波数を生成する電圧制御発振器(VCO)と、第一分周器を備え、第一分周器で上記発振周波数を10で分周して第一分周信号として生成し、更に第一分周信号に基づいて上記電圧制御信号を生成するPLL(位相ロックループ)システムと、VCOに結合され、上記発振周波数を2で分周して第二分周信号及び第三分周信号として生成する第二分周器と、第二分周器に結合され、第二分周信号と第三分周信号を混合して第一混合信号として生成する第一単側波帯(SSB)ミクサーと、PLLシステムと第一SSBミクサーに結合され、サブバンド第一選択信号に基づいて第一混合信号と第一分周信号を混合して第二混合信号として生成する第二SSBミクサーと、第一SSBミクサーと第二SSBミクサーに結合され、サブバンド第二選択信号に基づいて第一混合信号または第二混合信号を選択的に出力するマルチプレクサーとを含む。
【発明の効果】
【0013】
本発明は1組のVCO、PLL回路及び2組のSSBミクサーからなる周波数合成器を提供する。本発明による周波数合成器はSSBミクサーとPLL回路の電力消費が低く、分周器のみでイメージ周波数成分を除去でき、SSBミクサーに狭帯域フィルターを増設することを必要としないため、高集積度、低複雑度、低電力消費、小面積などの特長を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
かかる装置の特徴を詳述するために、具体的な実施例を挙げ、図を参照にして以下に説明する。
【0015】
図3を参照する。図3は本発明による周波数ホッピングシステムに用いられる周波数合成器300を表す説明図である。説明を簡素化するため、下記周波数合成器300をUWBの第一帯域モードで作動して、中心周波数3432MHz、3960MHz、4488MHzを生成する装置とする。周波数合成器300はVCO310と、PLLシステム320と、第二分周器340と、第一SSBミクサー350と、第二SSBミクサー360を含む。VCO310は電圧制御信号VCTRLに基づいて周波数5280MHzの発振周波数focを生成する。第一分周器330を備えるPLLシステム320は、第一分周器330で発振周波数focを10で分周して第一分周信号fd1として生成し、更に第一分周信号fd1を分周して、その結果を内部基準周波数と比較して電圧制御信号VCTRLを生成し、これに基づいてVCO310の発振周波数focを5280MHzに維持する。VCO310に結合される第二分周器340は発振周波数focを2、4で分周し、それぞれ第二分周信号fd2と第三分周信号fd3として生成する。偶数による分周に基づき、第一分周器330はI/Q信号を含む第一分周信号fd1を、第二分周器340はI/Q信号を含む第二分周信号fd2と第三分周信号fd3を容易に生成できる。上記第一分周信号fd1のI/Q信号周波数は528MHzであり、第二分周信号fd2のI/Q信号周波数は2640MHzであり、第三分周信号fd3のI/Q信号周波数は1320MHzである。第二分周器340に結合される第一SSBミクサー350は、第二分周信号fd2と第三分周信号fd3を混合して周波数3960MHzの第一混合信号fm1として生成し、PLLシステム320の第一分周器330と第一SSBミクサー350に結合される第二SSBミクサー360は、サブバンド第一選択信号BS0に基づいて第一混合信号fm1と第一分周信号fd1を混合して第二混合信号fm2として生成する。詳しく言えば、第二SSBミクサー360はサブバンド第一選択信号BS0に基づいて第一混合信号fm1と第一分周信号fd1の周波数を加算または減算し、周波数4488MHzまたは3432MHzの第二混合信号fm2を出力する。MUX370はサブバンド第二選択信号BS1に基づいて第一混合信号fm1か第二混合信号fm2を選択的に出力する。したがって、周波数合成器300は3432MHz、3960MHz、4488MHzの出力周波数fo1、fo2、fo3、すなわち第一帯域モードにおける3本のサブバンドの中心周波数を生成できる。例えば、周波数合成器300で周波数fo1(3432MHz)を出力する場合、第二SSBミクサー360はサブバンド第一選択信号BS0に基づいて第一混合信号fm1と第一分周信号fd1を減算し、MUXはサブバンド第二選択信号BS1に基づいて第二混合信号fm2を選んで出力する。第一SSBミクサー350と第二SSBミクサー360で行われる周波数計算は当業者に周知されているため、詳しい説明は省略とする。
【0016】
図4を参照する。図4は図3に示すPLLシステム320の内部構造を表す説明図である。PLLシステム320は出力端OP1と、出力端OP2と、入力端IN1と、PLL回路400と、第一分周器330と、第三分周器410を含む。出力端OP1は制御電圧信号VCTRLをVCO310に出力し、出力端OP2は第一分周信号fd1を第二SSBミクサー360に出力し、入力端IN1はVCO310から発振周波数focを受信する。第三分周器410は第一分周器330による第一分周信号fd1を8で分周してフィードバック周波数fbとして生成する。PLL400はフィードバック周波数fbと内部の基準周波数frefに基づいて電圧制御信号VCTRLを生成し、VCO310の動作周波数を5280MHzに維持する。基準周波数fref(本実施例では66MHzとする)はPLL回路400内の石英発振器により生成され、PLL回路400はフィードバック周波数fbと基準周波数frefを比較して電圧制御信号VCTRLを生成し、これでVCO310を制御する。これは当業者に周知されているため、詳しい説明は省略とする。
【0017】
図5を参照する。図5は図3に示すPLLシステム320の第一分周器330の内部構造を表す説明図である。分周ユニットFD1、FD2からなる第一分周器330は発振周波数focを10で分周し、そのうち分周ユニットFD1は発振周波数focを5で分周して周波数fddとして生成し、分周ユニットFD2は周波数fddを2で分周して、I/Q信号を含んだ周波数528MHzの第一分周信号fd1として生成する。図6を参照する。図6は図3に示す第二分周器340の内部構造を表す説明図である。第二分周器340は入力端IN2と、出力端OP3、OP4と、分周ユニットFD3、FD4を含む。入力端IN2はVCO310から発振周波数focを受信し、出力端OP3、OP4はそれぞれ第二分周信号fd2と第三分周信号fd3を第一SSBミクサー350に出力する。分周ユニットFD3は発振周波数focを2で分周して、I/Q信号を含んだ周波数2640MHzの第二分周信号fd2として生成し、分周ユニットFD4は第二分周信号fd2を2で分周して、I/Q信号を含んだ周波数1320MHzの第三分周信号fd3として生成する。
【0018】
したがって、第一SSBミクサー350のQ指数は(2640+1320)/(2×1320)=1.5であり、第二SSBミクサー360のQ指数は(3960+528)/(2×528)=4である。そのため、周波数合成器300はQ指数の低い狭帯域フィルターのみでイメージ周波数成分を除去でき、Q値の高いフィルターを必要としない。また、各分周信号のI/Q信号を生成するにはPFFが不要とされ、第一分周器330と第二分周器340で発振周波数focを偶数で分周するのみで所要の信号を生成できる。本発明は偶数による分周を採用するため、第一分周器330と第二分周器340に複雑な回路を設けなくともデューティーサイクル50%、位相差90度かつ同一の周波数を有するI/Q信号を生成できる。
【0019】
注意すべきは、上記第一分周器330と第二分周器340の数量と分周率はシステムによって変更することができる。また、上記VCO、分周器の数量と分周率はUWBシステムの第一帯域モードを前提にして定められたものであり、本発明を限定するものではない。
【0020】
以上は本発明に好ましい実施例であって、本発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、本発明の精神の下においてなされ、本発明に対して均等の効果を有するものは、いずれも本発明の特許請求の範囲に属するものとする。
【産業上の利用可能性】
【0021】
本発明は分周器の数量と分周率を適切に設定することを内容とし、実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】従来の周波数合成器を表す説明図である。
【図2】その他従来の周波数合成器を表す説明図である。
【図3】本発明による周波数ホッピングシステムに用いられる周波数合成器を表す説明図である。
【図4】図3に示すPLLシステムの内部構造を表す説明図である。
【図5】図3に示すPLLシステムの第一分周器の内部構造を表す説明図である。
【図6】図3に示す第二分周器の内部構造を表す説明図である。
【符号の説明】
【0023】
10、20、300 周波数合成器
11、200、310 VCO
12、210、400 PLL回路
14、220、230、410 分周器
16、250、260 ミクサー
18、370 マルチプレクサー
240 選択ユニット
320 PLLシステム
330 第一分周器
340 第二分周器
350 第一SSBミクサー
360 第二SSBミクサー
BS0 サブバンド第一選択信号
BS1 サブバンド第二選択信号
f1〜f3、fdd 周波数
FD1〜FD4 分周ユニット
fd1 第一分周信号
fd2 第二分周信号
fd3 第三分周信号
fm1 第一混合信号
fm2 第二混合信号
fo1〜fo3 出力周波数
foc 発振周波数
IN1、IN2 入力端
OP1〜OP4 出力端
SC1、SC2 制御信号
VCTRL 電圧制御信号

【特許請求の範囲】
【請求項1】
周波数ホッピングシステムに用いられる周波数合成器であって、
電圧制御信号に基づいて発振周波数を生成する電圧制御発振器(VCO)と、
第一分周器を備え、第一分周器で上記発振周波数を第一偶数で分周して第一分周信号として生成し、更に第一分周信号に基づいて上記電圧制御信号を生成するPLL(位相ロックループ)システムと、
VCOに結合され、上記発振周波数を第二偶数で分周して第二分周信号及び第三分周信号として生成する第二分周器と、
第二分周器に結合され、第二分周信号と第三分周信号を混合して第一混合信号として生成する第一単側波帯(SSB)ミクサーと、
PLLシステムと第一SSBミクサーに結合され、サブバンド第一選択信号に基づいて第一混合信号と第一分周信号を混合して第二混合信号として生成する第二SSBミクサーと、
第一SSBミクサーと第二SSBミクサーに結合され、サブバンド第二選択信号に基づいて第一混合信号または第二混合信号を選択的に出力するマルチプレクサーとを含むことを特徴とする周波数合成器。
【請求項2】
前記PLLシステムは更に、
前記VCOに結合され、電圧制御信号を出力する第一出力端と、
第一分周ユニットと第二SSBミクサーに結合され、第一分周信号を第二SSBミクサーに出力する第二出力端と、
前記VCOと第一分周器に結合され、発振周波数を受信して第一分周器に送る入力端と、
第一分周器に結合され、第一分周信号を分周してフィードバック周波数として生成する第三分周器と、
上記第三分周器と第一出力端に結合され、フィードバック周波数と基準周波数に基づいて電圧制御信号を生成するPLL回路とを含むことを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項3】
前記第三分周器は第一分周信号を8で分周して周波数約66MHzのフィードバック周波数として生成することを特徴とする請求項2記載の周波数合成器。
【請求項4】
前記第一分周器は発振周波数を10で分周することを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項5】
前記第一分周器は、
前記発振周波数を5で分周して第一中心周波数として生成する第一分周ユニットと、
前記第一中心周波数を2で分周して第一分周信号として生成する第二分周ユニットとを含むことを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項6】
前記第二分周器は発振周波数を2で分周して第二分周信号として生成することを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項7】
前記第二分周器は発振周波数を4で分周して第三分周信号として生成することを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項8】
前記第二分周器は、
前記VCOに結合され、発振周波数を受信する入力端と、
前記第一SSBミクサーに結合され、第二分周信号を出力する第一出力端と、
前記第一SSBミクサーに結合され、第三分周信号を出力する第二出力端と、
前記発振周波数を2で分周して第二分周信号として生成する第一分周ユニットと、
前記第一分周器と第二出力端に結合され、第二分周信号を2で分周して第三分周信号として生成する第二分周ユニットとを含むことを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項9】
前記第二SSBミクサーは第一混合信号と第一分周信号の周波数を加算または減算し、第二混合信号の周波数を生成することを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項10】
前記発振周波数は5280MHzであることを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項11】
前記第一分周信号は第一同相信号(I信号)と第一直交信号(Q信号)を含むことを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項12】
前記第一同相信号と第一直交信号の周波数は約528MHzであることを特徴とする請求項11記載の周波数合成器。
【請求項13】
前記第二分周信号は第二同相信号(I信号)と第二直交信号(Q信号)を含むことを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項14】
前記第二同相信号と第二直交信号の周波数は2640MHzであることを特徴とする請求項13記載の周波数合成器。
【請求項15】
前記第三分周信号は第三同相信号(I信号)と第三直交信号(Q信号)を含むことを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項16】
前記第三同相信号と第三直交信号の周波数は1320MHzであることを特徴とする請求項15記載の周波数合成器。
【請求項17】
前記第一混合信号の周波数は3960MHzであることを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項18】
前記第二混合信号の周波数は3432MHzまたは4488MHzであることを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。
【請求項19】
前記PPLシステムは第一分周信号を分周して第一周波数として生成し、更に第一周波数を内部の基準周波数と比較して電圧制御信号を生成することを特徴とする請求項1記載の周波数合成器。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2008−283659(P2008−283659A)
【公開日】平成20年11月20日(2008.11.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−208378(P2007−208378)
【出願日】平成19年8月9日(2007.8.9)
【出願人】(503264927)安國國際科技股▲ふん▼有限公司 (8)
【Fターム(参考)】