説明

注入同期発振器

【課題】逓倍数が任意の大きな数であっても、位相雑音が低減された注入同期発振器を得る。
【解決手段】注入同期発振器は、注入される注入信号に同期して自励発振周波数の信号を発振する発振器を備える注入同期発振器において、上記自励発振周波数と略同じ周波数の逓倍数分の1の周波数の基準信号が入力されるともに該基準信号にトリガーされてパルスを生成するパルス発生回路と、上記パルス発生回路で生成したパルスとタイミングが異なる少なくとも1つのパルスを生成するとともに該生成されたパルスと上記パルス発生回路で生成したパルスとを合わせて注入信号として出力するパルス数増倍回路と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、小型で軽量の無線信号に用いるマイクロ波またはミリ波の信号を発生する注入同期発振器に関するのである。
【背景技術】
【0002】
マイクロ波またはミリ波帯の無線通信システムやレーダシステム、または光通信システムの送受信装置では、信号源回路に低位相雑音特性が要求されることがある。このような低位相雑音の信号源回路を実現する手段の一つとして注入同期発振器がある。
注入同期発振器の自励発振周波数をf’とし、f’にほぼ等しい周波数をfとし、f/Nの周波数の基準信号より生成されたパルス信号を発振器に注入し、発振器の出力周波数をfに同期させる。このとき、発振器からの出力信号の位相雑音は、基準信号の位相雑音から20log(N)dB増加した値となり、逓倍数Nのみで決定される。つまり、位相雑音の低い基準信号を用いることで、低位相雑音の出力信号が得られる(例えば、非特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】Jri Lee、他1名、「Study of Subharmonically Injection−Locked PLLs」、”IEEE JOURNAL OF SOLID−STATE CIRCUITS”、IEEE、MAY 2009、VOL.44、NO.5、p.1539−1553
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
注入同期発振器においては、ロックレンジが重要である。ロックレンジとは、注入同期がかかる範囲で、発振器の自励発振周波数f’と注入同期時の出力周波数fとの差分の最大値のことである。注入同期動作時の発振器出力の位相雑音特性は、離調周波数がロックレンジより小さい領域では基準信号の位相雑音値から20log(N)増加した値となるが、離調周波数がロックレンジより大きな領域では、注入同期による位相雑音低減効果が得られず、発振器そのものの位相雑音特性となる。このため、ロックレンジは大きくすることが好ましいが、一般的に逓倍数Nが大きくなるほどロックレンジは小さくなる傾向があり、Nが大きな注入同期発振器では位相雑音低減効果が得られにくいという問題がある。例えば、非特許文献1における回路では、注入同期発振器を並列に接続し、個々の逓倍数を小さくすることで、Nが大きな場合でも位相雑音低減効果を得ている。しかし、Nが因数分解できない数の場合は、この構成を実現することができないという問題がある。
【0005】
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、逓倍数が任意の大きな数であっても、位相雑音が低減された注入同期発振器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この発明に係る注入同期発振器は、注入される注入信号に同期して自励発振周波数の信号を発振する発振器を備える注入同期発振器において、上記自励発振周波数と略同じ周波数の逓倍数分の1の周波数の基準信号が入力されるともに該基準信号にトリガーされてパルスを生成するパルス発生回路と、上記パルス発生回路で生成したパルスとタイミングが異なる少なくとも1つのパルスを生成するとともに該生成されたパルスと上記パルス発生回路で生成したパルスとを合わせて注入信号として出力するパルス数増倍回路と、を備える。
【発明の効果】
【0007】
この発明に係る注入同期発振器は、パルス数増倍回路により発振器に注入されるパルスの数が数倍に増えるので、見かけ上注入信号の周波数が大きくなり、実効的な逓倍数が小さくなり、これにより、パルス数増倍回路を備えない従来の注入同期発振器に比べてロックレンジが大きくなり、位相雑音低減効果が得られる周波数範囲が広くなる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】この発明の実施の形態1に係る注入同期発振器の構成図である。
【図2】逓倍数Nが8、発振器6の自励発振周波数がf’Hzとしたときの注入同期発振器の内部のタイミングチャートである。
【図3】この発明の実施の形態2に係る注入同期発振器の構成図である。
【図4】この発明の実施の形態3に係る注入同期発振器の構成図である。
【図5】この発明の実施の形態4に係る注入同期発振器の構成図である。
【図6】この発明の実施の形態5に係る注入同期発振器の構成図である。
【図7】この発明の実施の形態6に係る注入同期発振器の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の注入同期発振器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る注入同期発振器の構成図である。
この発明の実施の形態1に係る注入同期発振器は、発振器6の自励発振周波数f’に略同じ周波数fを逓倍数Nで除算した値の周波数の基準信号が入力される基準信号入力端子1と、基準信号入力端子1に入力が接続されるとともに基準信号によりトリガーされてパルスを発生するパルス発生回路2と、パルス発生回路2が発生するパルスを遅延時間M/(2×f)(但し、Mは1を超え且つ2N未満の整数)だけ遅延する遅延回路4aと、パルス発生回路2が発生するパルスと遅延回路4aが出力するパルスとの排他的論理和を出力するXOR回路5と、XOR回路5から出力される電荷が注入されて発振し出力信号を出力する発振器6と、を備える。尚、遅延回路4aとXOR回路5とから基準信号の1つの周期内に含まれるパルスの数を2倍以上に増やすパルス数増倍回路3が構成される。
【0010】
パルス発生回路2には、遅延回路4aの入力とXOR回路5の一方の入力が接続されている。また、遅延回路4aの出力がXOR回路5の他方の入力が接続されている。XOR回路5では、2つの入力の排他的論理和、すなわち一方の入力にパルスが入力されたときだけパルスを出力し、2つの入力にパルスがともに入力されていないときやパルスがともに入力されているときにはパルスを出力させない。
【0011】
次に、この発明の実施の形態1に係る注入同期発振器の内部の動作を説明する。図2は、逓倍数Nが8、発振器6の自励発振周波数がf’Hzとしたときの注入同期発振器の内部のタイミングチャートである。
基準信号としては周波数f’に略同じ周波数fHzとすると、周波数f/8のパルス信号がパルス発生回路2に入力される。
パルス発生回路2では、基準信号の立ち上がりに同期してパルス幅1/(2×f)のパルスを発生する。尚、ここでは基準信号の立ち上がりに同期してパルスを出力する動作としたが,立ち下がり同期でも良いし,立ち上がりと立ち下がりの両方に同期してパルスを出力しても良い。
【0012】
パルス発生回路2の出力は、分岐され、分岐された一方の出力はXOR回路4に入力され、分岐された他方の出力は遅延回路4aに入力される。
遅延回路4aでは、遅延時間がTに設定されており、遅延時間Tは2/fと設定されている。従って、入力されたパルスは遅延時間Tだけ遅延されて出力される。
【0013】
XOR回路5では、パルス発生回路2から直接入力されたパルスと遅延回路4aで遅延されたパルスが排他的論理和の演算が施され、基準信号の1つの周期内に2つのパルスが含まれる注入信号として合成され、注入信号が発振器6に注入される。
【0014】
この発明の実施の形態1に係る注入同期発振器では、パルス数増倍回路3により発振器6に注入されるパルスの数が2倍に増えるので、見かけ上注入信号の周波数が大きくなり、実効的な逓倍数が小さくなる、これにより、パルス数増倍回路3を備えない従来の注入同期発振器に比べてロックレンジが大きくなり、位相雑音低減効果が得られる周波数範囲が広くなる。
【0015】
実施の形態2.
図3は、この発明の実施の形態2に係る注入同期発振器の構成図である。
この発明の実施の形態2に係る注入同期発振器は、この発明の実施の形態1に係る注入同期発振器とパルス数増倍回路3Bが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
この発明の実施の形態2に係るパルス数増倍回路3Bは、この発明の実施の形態1に係るパルス数増倍回路3に遅延回路4aの遅延時間Tと異なる遅延時間Tの遅延回路4bを追加し、且つ2入力のXOR回路5の代りに3入力の排他的論理和の演算を行うXOR回路5Bを備える。
【0016】
遅延回路4bの遅延時間T2は、S/(2×f)と設定され、SはMと異なり、1を超え且つ2N未満の整数である。
XOR回路5Bでは、パルス発生回路2から直接入力されたパルスと遅延回路4a、4bでそれぞれ遅延されたパルスの3つのパルスが入力され、3入力の排他的論理和の演算が施される。3入力の排他的論理和の演算では、入力されるパルスが1つだけ入力されたときパルスを出力し、2つまたは3つのパルスが同時に入力されたときにはパルスを出力しない。
そして、XOR回路5Bから基準信号の1つの周期内に2つのパルスが含まれる注入信号が発振器6に注入される。
【0017】
この発明の実施の形態2に係る注入同期発振器では、パルス数増倍回路3Bにより発振器6に注入されるパルスの数が3倍に増えるので、この発明の実施の形態1に係る注入同期発振器より見かけ上注入信号の周波数がさらに大きくなり、実効的な逓倍数がさらに小さくなる、これにより、ロックレンジがさらに大きくなり、位相雑音低減効果が得られる周波数範囲がさらに広くなる。
尚、この発明の実施の形態2に係る注入同期発振器では、遅延時間の異なる2つの遅延回路4a、4bを備えているが、遅延時間がそれぞれ異なる3つ以上の遅延回路を備えても良い。
また、パルス発生回路2から直接XOR回路5Bに入力しているが、分岐された経路の全てに遅延時間がそれぞれ異なる遅延回路を備えても同様な効果が得られる。
【0018】
実施の形態3.
この発明の実施の形態1に係る注入同期発振器には、次に述べるような問題点がある。遅延回路4aの遅延時間Tが、上述のM/(2×f)(但し、Mは1を超え且つ2N未満の整数)の値からずれた場合、発振器6への注入信号が、出力信号と位相まで含めた完全同期とならなくなる。このため、出力信号が基準信号の周期で変調され出力信号のスプリアスが大きくなったり、場合によっては同期そのものが不可能になったりする可能性がある。つまり、遅延回路の遅延時間を予め出力信号の周期に合わせて適切な値に設定する必要がある。
【0019】
図4は、この発明の実施の形態3に係る注入同期発振器の構成図である。
この発明の実施の形態3に係る注入同期発振器は、この発明の実施の形態1に係る注入同期発振器とパルス数増倍回路3の代りにパルス数増倍回路3Cを備え、さらに制御電圧生成回路20を備えたことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
この発明の実施の形態3に係るパルス数増倍回路3Cは、遅延回路4aの代りに可変遅延回路8aを備える。そして、可変遅延回路8aは、入力される制御電圧に応じて遅延時間が可変されるので、パルス発生回路2から発生されて分岐されたパルスを遅延時間を変えて遅延する。
【0020】
制御電圧生成回路20は、発振器6からの出力信号を分岐した一方の信号が入力されるとともに出力信号を逓倍数のNでN分周してタイミングの異なる2つの信号φ、φを出力する多相出力周波数分周器9と、パルス発生回路2が出力するパルスθと信号φが入力されるとともに入力されるパルスθと信号φの位相差ψを出力する位相比較器10aと、可変遅延回路8aが出力するパルスθと信号φが入力されるとともに入力されるパルスθと信号φの位相差ψを出力する位相比較器10bと、位相比較器10aと位相比較器10bから出力される位相差ψ、ψの差分Δを零に収束させる制御電圧を生成する差分増幅回路11aと、差分増幅回路11aから出力される制御電圧の高周波成分をカットするローパスフィルタ(LPF)12aと、を備える。
【0021】
以下の制御電圧生成回路20の説明では、図2のタイミングチャートに従って信号を出力する。すなわち、多相出力周波数分周器9は、発振器6の出力信号を8分周し、1番目の信号φと3番目の信号φを出力する。位相比較器10aでは、信号φとパルス発生回路2が発生したパルスθとの位相差ψを算出する。位相比較器10bでは、信号φと可変遅延回路8aから出力されるパルスθとの位相差ψを算出する。
差分増幅回路11aでは、位相比較器10aから出力される位相差ψと位相比較器10bから出力される位相差ψの差分Δを算出し、差分Δが零に収束するように制御電圧を出力する。
LPF12aでは、差分増幅回路11aから出力される制御電圧の高周波成分を遮断して可変遅延回路8aに入力する。
【0022】
次に、この発明の実施の形態3に係る注入同期発振器の内部動作の説明を行う。
多相出力周波数分周器9は、発振器6の出力信号を8分周し、1番目と3番目のタイミングの2つの信号φと信号φを出力する。この多相出力周波数分周器9は、入力信号に同期して出力信号を生成するため、信号φとφのタイミング差として、分周器入力信号の整数倍に正確に一致した値を生成することができる。
この2つの信号φ、φを基準として負帰還がかかるように可変遅延回路8aの遅延が調整され、XOR回路5に入力される2つの信号θ、θの遅延差ψ、ψが、多相出力周波数分周器9の2つの信号φ、φのタイミング差と等しくなるように収束する。
【0023】
つまり、図2のタイミングチャート上で示す時間Tが、出力信号の整数倍の値となるため、発振器6への注入信号が、完全に発振器6の出力信号に同期した信号となる。このようにすることにより、適切なタイミングの注入信号が自動生成され、注入同期が取れ易く、出力信号のスプリアスの小さな注入同期発振器が実現できる。
【0024】
実施の形態4.
図5は、この発明の実施の形態4に係る注入同期発振器の構成図である。
この発明の実施の形態4に係る注入同期発振器は、この発明の実施の形態3に係る注入同期発振器とパルス数増倍回路3Dと制御電圧生成回路20Bが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
この発明の実施の形態4に係るパルス数増倍回路3Dは、この発明の実施の形態3に係るパルス数増倍回路3Cにもう一つ可変遅延回路8aを追加し且つ2入力のXOR回路5の代りに3入力の排他的論理和の演算を行うXOR回路5Bを備えることが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
【0025】
この発明の実施の形態4に係る制御電圧生成回路20Bは、この発明の実施の形態4に係る制御電圧生成回路20に位相比較器10c、差分増幅回路11b、LPF12bを追加し、且つ多相出力周波数分周器9からタイミングの異なる3つの信号φ、φ、φが出力されることが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
【0026】
多相出力周波数分周器9は、発振器6から出力される出力信号をN分周し、タイミングの異なる3つの信号φ、φ、φを出力する。
3個の位相比較器10a、10b、10cは、XOR回路5Bに入力される3つの信号θ、θ、θそれぞれと多相出力周波数分周器9から出力される3つの信号φ、φ、φそれぞれとの位相差ψ、ψ、ψを算出する。
差分増幅回路11a、11bは、それぞれ位相比較器10aから出力される位相差ψを基準として、位相比較器10bから出力される位相差ψと位相比較器10cから出力される位相差ψとの差分Δ、Δを検出し、差分Δ、Δをそれぞれ零になるよう制御電圧を生成する。
LPF12a、12bは、差分増幅回路11a、11bから出力される制御電圧の高周波成分をカットする。
【0027】
この発明の実施の形態4に係る注入同期発振器は、パルス数を3倍とするパルス数増倍回路3Dを備え、各パルスの遅延時間が自動的に最適値に調整され、注入同期が取れ易く、出力信号のスプリアスの小さな注入同期発振器が実現できる。
なお、可変遅延回路、位相比較器、差分増幅回路、LPFの並列数を変えることで、さらにパルス数を増やし、実効的な逓倍数Nを小さくすることも可能である。
【0028】
実施の形態5.
上述の実施の形態3、4に係る注入同期発振器では、出力信号のスプリアスを低減することができるが、注入同期発振器の特性上、完全にスプリアスを消去することは難しい。
この発明の実施の形態5に係る注入同期発振器は、この問題を解決することを目的としている。
【0029】
図6は、この発明の実施の形態5に係る注入同期発振器の構成図である。
この発明の実施の形態5に係る注入同期発振器は、この発明の実施の形態1に係る注入同期発振器に位相同期回路(Phase−Locked Loop:PLL)19を追加したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。尚、この発明の実施の形態2乃至4に係る注入同期発振器に対しても位相同期回路19を追加しても同様な効果を奏する。
【0030】
位相同期回路19は、発振器6から出力される出力信号と位相同期回路19から出力される出力信号との位相差を電圧に変換して出力する位相周波数比較器14と、位相周波数比較器14から出力される電圧を増幅するチャージポンプ15と、増幅された電圧の短周期の信号変動を遮断するループフィルタ16と、入力された電圧によって出力信号の周波数を制御する電圧制御発振器17と、電圧制御発振器17から出力される出力信号の周波数を分周数分の1にして出力する周波数分周器18と、を備える。
【0031】
ここで周波数分周器18の分周数を1とすれば、発振器6の出力信号と同じ周波数の信号が電圧制御発振器17から出力される。
位相同期回路19のループフィルタ16により、発振器6からの出力信号のキャリア近傍のスペクトルが抑圧されるため、出力端子7からはスプリアスの小さな出力信号を得ることができる。
尚、周波数分周器18の分周数は1以上の任意の値が選択できるが、位相雑音の観点から見れば、分周数が大きくなると位相同期回路19で発生する雑音の影響が大きくなるため、可能な限り分周数は小さいほうが好ましい。
【0032】
実施の形態6.
図7は、この発明の実施の形態6に係る注入同期発振器の構成図である。
この発明の実施の形態6に係る注入同期発振器は、この発明の実施の形態3に係る注入同期発振器に位相同期回路(PLL)19を追加したことと多相出力周波数分周器9に位相同期回路19から出力される出力信号を入力することが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。尚、この発明の実施の形態4に係る注入同期発振器に対しても位相同期回路19を追加し、且つ多相出力周波数分周器9に位相同期回路19から出力される出力信号を入力しても同様な効果を奏する。
【0033】
この発明の実施の形態6に係る注入同期発振器は、発振器6と出力端子7の間にスプリアス抑圧用の位相同期回路19を配置しているので、単に位相同期回路19が出力信号のスプリアスを抑圧するだけでなく、多相出力周波数分周器9の入力信号もスプリアスが抑圧されゆらぎの小さな信号となるため、多相出力周波数分周器9の各出力信号間のタイミング差の精度が高まり、注入同期動作が確実に行えるようになる。
【符号の説明】
【0034】
1 基準信号入力端子、2 パルス発生回路、3、3B、3C、3D パルス数増倍回路、4a、4b 遅延回路、5、5B XOR回路、6 発振器7 出力端子、8a 可変遅延回路、9 多相出力周波数分周器、10a、10b、10c 位相比較器、11a、11b 差分増幅回路、12a、12b ローパスフィルタ(LPF)、14 位相周波数比較器、15 チャージポンプ、16 ループフィルタ、17 電圧制御発振器、18 周波数分周器、19 位相同期回路、20、20B 制御電圧生成回路。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
注入される注入信号に同期して自励発振周波数の信号を発振する発振器を備える注入同期発振器において、
上記自励発振周波数と略同じ周波数の逓倍数分の1の周波数の基準信号が入力されるともに該基準信号にトリガーされてパルスを生成するパルス発生回路と、
上記パルス発生回路で生成したパルスとタイミングが異なる少なくとも1つのパルスを生成するとともに該生成されたパルスと上記パルス発生回路で生成したパルスとを合わせて注入信号として出力するパルス数増倍回路と、
を備えることを特徴とする注入同期発振器。
【請求項2】
上記パルス数増倍回路は、
上記パルス発生回路から出力され分岐された複数のパルスの全てまたは1つを除いてそれぞれ異なる遅延時間になるように遅延する少なくとも1つの遅延回路と、
上記遅延回路から出力されるパルスを合成する、または上記遅延回路から出力されるパルスと上記除かれた1つのパルスを合成するXOR回路と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の注入同期発振器。
【請求項3】
上記パルス数増倍回路は、
遅延時間が入力される制御電圧により可変されるとともに上記パルス発生回路から出力され分岐された複数のパルスの全てまたは1つを除いてそれぞれ異なる遅延時間になるように遅延する少なくとも1つの遅延回路と、
上記遅延回路から出力されるパルスを合成する、または上記遅延回路から出力されるパルスと上記除かれた1つのパルスを合成するXOR回路と、
を備え、
上記発振器の出力信号を分周器により上記逓倍数で分周して上記XOR回路に入力されるパルスの数と同じタイミングの異なる信号を出力し、上記XOR回路に入力されるパルスと上記分周器から出力される信号の位相差の差分が零になる上記制御信号を生成する制御電圧生成回路を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の注入同期発振器。
【請求項4】
上記発振器の後段に配置される位相同期回路を備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の注入同期発振器。
【請求項5】
上記発振器の後段に配置される位相同期回路を備え、
上記パルス数増倍回路は、
遅延時間が入力される制御電圧により可変されるとともに上記パルス発生回路から出力され分岐された複数のパルスの全てまたは1つを除いてそれぞれ異なる遅延時間になるように遅延する少なくとも1つの遅延回路と、
上記遅延回路から出力されるパルスを合成する、または上記遅延回路から出力されるパルスと上記除かれた1つのパルスを合成するXOR回路と、
を備え、
上記位相同期回路の出力信号を分周器により上記逓倍数で分周して上記XOR回路に入力されるパルスの数と同じタイミングの異なる信号を出力し、上記XOR回路に入力されるパルスと上記分周器から出力される信号の位相差の差分が零になる上記制御信号を生成する制御電圧生成回路を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の注入同期発振器。

【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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【図7】
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【公開番号】特開2012−109695(P2012−109695A)
【公開日】平成24年6月7日(2012.6.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−255476(P2010−255476)
【出願日】平成22年11月16日(2010.11.16)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】