説明

FM受信装置

【課題】ノイズの少ないFM受信装置を提供する。
【解決手段】アンテナと、発振回路と、位相比較回路と、チャージポンプ回路と、ループフィルタと、VCOと、VCO発振信号を所定の周波数ごとに分周し分周発振信号を生成する第1の分周回路と、VCO発振信号を所定の周波数ごとに分周し局部発振信号を生成する第2の分周回路とを備え、VCOはLC共振回路を含まない構成のものであり、分周発振信号を位相比較回路の入力信号とするものであって、局部発振信号と電波の信号より、複数の中間周波数信号を生成するミキサと、中間周波数信号をA/D変換するA/D変換器と、A/D変換器より出力された信号のうち、複数の中間周波数信号に対応するいずれか一つを選択し復調するデジタル復調器と、を備えたことを特徴とするFM受信装置を提供することにより上記課題を解決する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、FM受信装置に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、FM受信装置等ではPLLシンセサイザ回路が用いられている。FM受信機等では、高周波のFM信号を受信し、これを信号処理しやすい中間周波数帯域に変換するためにFM信号と中間周波数分の差の周波数を持つ信号を電圧制御発振器(VCO)より発生させる必要がある。
【0003】
このため、参照クロックの位相とVCOにおいて発振させた発振信号を分周した比較信号の位相とを比較し、それによって得られた位相誤差信号を基にチャージポンプを動作させ、このチャージポンプの動作により得られたVCO制御電圧をもとにVCOにおける発振周波数を制御している。
【0004】
特許文献1及び2には、このようなPLLシンセサイザ回路やFM受信機に関する技術が開示されている。
【0005】
図6に、一般的なPLLシンセサイザ回路を用いたFM受信装置の構成を示す。この図に示されるように、一般的なPLLシンセサイザ回路を用いたFM受信装置は、アンテナ101より受信した受信信号を増幅するための低雑音アンプ102と、中間周波数にダウンコンバートするミキサ103と、ダウンコンバートするための局部発振信号を生成するPLLシンセサイザ回路104と、ダウンコンバートされた信号についてアナログフィルタ105を介した後、処理し復調する不図示のベースバンド部等から構成されている。PLLシンセサイザ回路104は、参照クロックを生成する発振器106と、位相周波数比較機(PFD)107と、チャージポンプ(CP)108と、ローパスフィルタにより構成されるループフィルタ(LPF)109と、VCO110と、1/Nの周波数に分周するための整数分周器111から構成されている。
【0006】
日本においては、FM放送の周波数は、0.1MHz毎に割り当てられているため、例えば、アンテナ101より80.3MHzの電波を受信した場合、PLLシンセサイザ回路104から出力される80.0MHzの局部発振信号をミキサ103に入力することにより、0.3MHzの中間周波数信号が出力される。このため、中間周波数が単一で固定(上記例では、0.3MHz)であれば、PLLシンセサイザ回路104における出力の周波数は、0.1MHz毎に出力することが必要である。従って、このPLLシンセサイザ回路104における発振器106において発振させる参照クロックは100kHz(0.1MHz)となる。
【0007】
また、FM放送の受信を行うための受信装置において、良好な受信状態を維持するためには、通常受信、復調した後の音声信号の信号対雑音比(S/N比)は、60dB以上であることが望ましい。一般的に、ベースバンド部のFM変復調におけるS/N比が抑えられてしまうのは、送信機及び受信機における局部発振信号の位相雑音である。局部発振信号は、PLLシンセサイザ回路により生成されるものであり、局部発振信号の位相雑音は、一般的にはPLLシンセサイザ回路内部の電圧制御発振器(Voltage Controlled Oscillator:VCO)の位相雑音特性に最も大きく左右される。
【0008】
このため、FM送受信機に用いられるVCOとしては、位相差雑音特性が良い構成であることが好ましく、インダクタ(L)と容量(C)からなるLC共振回路を有している場合が多い。FM送受信機におけるPLLシンセサイザ回路または、これを含む半導体回路においては、LC共振回路のインダクタに関しては、チップ内部に一体として形成されることなく、外付けの部品として実装する場合がある。これは、FM放送の周波数が76〜108MHzであり、VCO出力として求められる周波数も、同様の76〜108MHzまたはその倍数であり、非常に低周波であるため、インダクタンスが数百nH程度の大きなインダクタが必要である。よって、特性を維持した状態でインダクタをチップ内部に内蔵することが困難となるからである。また、近年では、VCOにおいて2〜3GHz程度の高い周波数信号を生成し、分周して局部発振信号を生成する方法や、性能上の損失を犠牲にしてでも、小型化等のためインダクタをチップ内部に形成することが行われている。
【特許文献1】特開2005−136672号公報
【特許文献2】特開2008−118522号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、LC共振回路により構成されるCVO回路においては、前述のとおりインダクタを外付け部品として実装するか、チップ内に集積する必要がある。インダクタを外付けにした場合においては、部品点数が増加してしまい、また、製造する際に組み立て、検査の工程も増加するため、FM受信機等の価格が高価なものとなってしまうといった問題を有している。また、VCOの一部であるインダクタがチップの入出力パッドを通して外部に実装されるため雑音が混在しやすくなり、VCOの位相雑音特性が低下してしまうといった問題点も有している。
【0010】
一方、インダクタをチップ内に集積すると、一般にインダクタ自体が大きな面積を占めてしまい、これにより、チップ全体の面積も大きくなり、製造単価を上昇させてしまう。また、現在の集積回路の製造技術では、用いられる周波数が高周波である場合、インダクタの配線損失やウエハにおいて生じる渦電流による損失等により、特性の良いインダクタを作ることができず、その結果VCOの位相雑音特性が低下してしまうという問題も有していた。
【0011】
このため、十分に低い位相雑音特性を満足した上で、インダクタを含まない構成、即ち、LC共振回路を含まない構成のVCOにより、PLLシンセサイザ回路が構成されることが、位相雑音特性上好ましい。
【0012】
本発明は、このような問題に対しなされたものであり、インダクタを含まない構成のVCOにおいて、位相雑音特性を向上させることが可能なPLLシンセサイザ回路及びFM受信装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明は、FM周波数の帯域の電波を受信するアンテナと、基準となる周波数信号を発生する発振回路と、前記周波数信号と入力信号との位相差に応じた位相差信号を生成する位相比較回路と、前記位相差信号に基づいてチャージポンプ信号を生成するチャージポンプ回路と、前記チャージポンプ信号を平滑化し制御信号を生成するループフィルタと、前記制御信号に基づいた周波数のVCO発振信号を生成するVCOと、前記VCO発振信号を所定の周波数ごとに分周し分周発振信号を生成する第1の分周回路と、前記VCO発振信号を所定の周波数ごとに分周し局部発振信号を生成する第2の分周回路と、を備え、前記VCOはLC共振回路を含まない構成のものであり、前記分周発振信号を前記位相比較回路の入力信号とするものであって、前記局部発振信号と前記アンテナから受信した電波の信号より、複数の中間周波数信号を生成するミキサと、前記複数の中間周波数信号をA/D変換するA/D変換器と、前記A/D変換器より出力された信号のうち、前記複数の中間周波数信号に対応するいずれか一つを選択し復調するデジタル復調器と、を備えたことを特徴とする。
【0014】
また、本発明は、前記局部発振信号に含まれる信号の周波数間隔は、前記FM周波数帯域の所定の周波数ごとに割り当てられた周波数間隔の2倍であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、インダクタを含まない構成のVCOにおいて、位相雑音特性を向上させることが可能なPLLシンセサイザ回路及びFM受信装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
次に、本発明におけるPLLシンセサイザ回路及びFM受信装置の実施の形態について説明する。
【0017】
最初に、図1及び図6に基づき発明者が本実施の形態に至るまでに検討及び考察した内容について説明する。
【0018】
通常、PLLシンセサイザ回路104においては、ループフィルタ109によって応答特性、安定性が決定される。PLLシンセサイザ回路104におけるループフィルタ109の帯域とスプリアス及びVCO110に起因するPLLシンセサイザ回路104の出力における位相雑音との関係は、ループフィルタ109の帯域を狭くする程、スプリアスは減衰するが、VCO110に起因する位相雑音は増大する。また、ループフィルタ109の帯域を広くする程、スプリアスは増大するが、VCO110に起因する位相雑音は減衰する。
【0019】
ここで、図1に用いられるループフィルタ109の周波数の帯域とVCO110に起因する位相雑音(シングルサイドバンド位相雑音:SSB位相雑音)との関係を示す。具体的には、帯域が20kHzのループフィルタと、帯域が40kHzのループフィルタと、帯域が80kHzのループフィルタを各々用いた場合の周波数と位相雑音の関係を示すものである。一般に、VCO110に起因する位相雑音は、キャリアからの周波数オフセット(横軸)が高い領域では、周波数オフセットの増加に従い減少するが、ループフィルタ109の帯域以下では一定値以上の値となる。図に示されるように、ループフィルタ109の帯域が、80kHz、40kHz、20kHzの順に狭帯化するに従い、VCO110に起因する位相雑音が大きくなる。
【0020】
このような、PLLシンセサイザ回路104のループフィルタ109の帯域と、スプリアス及びVCO110に起因する位相雑音との関係になることは、以下に説明される。
【0021】
主要なスプリアス発生の原因のひとつとしては、定常状態でチャージポンプ108によって参照クロックと同じ同期で生じる誤差出力が挙げられる。これは、参照クロック周波数と同じ周波数オフセットを有するスプリアスとして観測される。このスプリアスは参照クロックと整数分周回路111からの出力である信号とが、ほぼ同期した定常状態において、チャージポンプ108の電流原の電流値に微小な誤差が生じることや、チャージポンプ108の切り替え時に瞬間的に流れる過剰な電流によって誤差が生じることによるものである。このスプリアスは、PLLシンセサイザ回路104の内部の帰還によって減衰させることが可能であり、ループフィルタ109の帯域は、このスプリアスを十分に減衰できるように設定されている。
【0022】
一方、VCO110に起因する位相雑音は、周波数オフセットが、ループフィルタ109の帯域以下では減衰し、帯域外の高周波ではそのまま出力されることによるものである。よって、同じVCO110を用いてもループフィルタ109の帯域を広くすればするほど、PLLシンセサイザ回路104の位相雑音を低減することができる。よって、PLLシンセサイザ回路104において発振器106により発生させる参照クロック周波数を高くし、スプリアスの発生原因である誤差を低減する機能をチャージポンプ108が有すれば、ループフィルタ109をより広帯域化することができる。
【0023】
ここで、中間周波数を単一固定ではなく、複数の中間周波数の中から選択することができるものとすれば、PLLシンセサイザ回路104の周波数が一定であっても、中間周波数を変化させることにより選局することが可能である。具体的には、参照クロックの周波数を高く設定することによりPLLシンセサイザ回路104の切り替えステップの周波数幅を広げることができるのである。また、PLLシンセサイザ回路104で生じるスプリアスの発生源であるチャージポンプ108で、電流源の電流値を補正する回路やスイッチ切り替えの瞬間に流れる電流を減少する回路を用いれば、発生するスプリアスを低減することができ、ループフィルタ109の帯域をより広くできるようになる。
【0024】
以上の考えに基づき、本発明はスプリアスを低減させ、かつ、VCO110に起因する位相雑音を減衰させることを可能としたものである。
【0025】
(第1の実施の形態)
図2に、第1の実施の形態におけるPLLシンセサイザ回路及びFM受信装置のブロック図を示す。本実施の形態におけるPLLシンセサイザ回路は、インダクタを含まない構成、即ち、LC共振回路を含まない構成のものである。
【0026】
本実施の形態におけるFM受信装置は、アンテナ11より受信した受信信号を増幅するための低雑音アンプ12と、中間周波数にダウンコンバートするミキサ13と、ダウンコンバートするための局部発振信号を生成するPLLシンセサイザ回路14と、ダウンコンバートされた信号において余分な周波数成分を除去するためのアナログフィルタ15と、ダウンコンバートされた信号であるアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器16と、A/D変換器16により変換されたデジタル信号において、高長波成分となるノイズ成分を除去するためのデジタルフィルタ17と、デジタル復調器18により構成されている。
【0027】
また、本実施の形態におけるPLLシンセサイザ回路14は、参照クロックとなる周波数信号を生成する発振器21と、位相周波数比較器(PFD)22と、位相周波数比較器22の出力である位相差信号に基づいてチャージポンプ信号を生成するチャージポンプ(CP)23と、チャージポンプ信号の高周波成分を除去し制御信号を生成するためのローパスフィルタにより構成されるループフィルタ(LPF)24と、制御信号である電圧値に基づいた周波数のVCO発振信号を生成するVCO25と、VCO発振信号を1/Nの周波数に分周し分周発振信号を生成するための第1の分周回路である整数分周器26と、整数分周器26とは別に、VCO25からの出力を1/4の周波数に分周するための第2の分周回路である出力分周器27により構成されている。第1の分周回路である整数分周器26からの出力は、位相周波数比較器22に入力することによりフィードバックがかけられ、発振器21より入力した参照クロックとなる周波数信号との位相差が比較されて位相差信号として出力される。尚、VCO25には、LC共振回路は含まれてはいない。
【0028】
本実施の形態では、発振器21において800MHzの周波数の周波数信号を発生させることにより、PLLシンセサイザ回路14の出力周波数は、0.2MHzごとの周波数が出力される。一方、アンテナ11において、受信した電波の周波数が80.3MHzの電波と、80.4MHzの電波である場合、PLLシンセサイザ回路14から出力される80.0MHzの信号をミキサ13に入力することにより、0.3MHzと0.4MHzの中間周波数信号が生成される。この生成された2つの中間周波数信号は、アナログフィルタ15、A/D変換器16、デジタルフィルタ17を介した後、デジタル復調器18に入力される。デジタル復調器18では、0.3MHzと0.4MHzの中間周波数信号に対応する信号のうちいずれか一つを選択することにより選局され復調される。
【0029】
次に、本実施の形態におけるPLLシンセサイザ回路14のチャージポンプ23の構成について説明する。本実施の形態におけるチャージポンプ23は、電流源となるP型FET31と、UPスイッチとなるP型FET32と、DOWN(図中DW)スイッチとなるN型FET33と、電流源となるN型FET34とを直列に接続した構成のものである。この構成のチャージポンプ23は、UPスイッチとなるP型FET32がオン状態となっている間は、チャージポンプ23の出力(CPOUT)からは電流が供給され、DOWN(DW)スイッチとなるN型FET33がオン状態となっている間は、チャージポンプ23の出力(CPOUT)より電流が引き抜かれる。
【0030】
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態は、第1の実施の形態におけるチャージポンプ23の構成が異なる構成のものである。
【0031】
図4に基づき、本実施の形態におけるチャージポンプ23の構成について説明する。
【0032】
本実施の形態におけるチャージポンプ23は、電流源となるP型FET41と、UPスイッチとなるP型FET42と、DOWN(DW)スイッチとなるN型FET43と、電流源となるN型FET44とを直列に接続し、P型FET42及びN型FET43と補完的に作用するP型FET45及びN型FET46が設けられている。P型FET45の入力には、UPスイッチとなるP型FET42に入力される信号の反転信号が、N型FET46の入力には、DOWN(DW)スイッチとなるN型FET43に入力される信号の反転信号が、それぞれ入力されている。
【0033】
このような構成にすることにより、UPスイッチとなるP型FET42がオン状態となるときは、P型FET45はオフ状態となり、UPスイッチとなるP型FET42がオフ状態となるときは、P型FET45はオン状態となる。同様に、DOWN(DW)スイッチとなるN型FET43がオン状態となるときは、N型FET46はオフ状態となり、DOWN(DW)スイッチとなるN型FET43がオフ状態となるときは、N型FET46はオン状態となる。これにより、電流源となるP型FET41及びN型FET44には一定の電流が流れるため、P型FET41及びN型FET44におけるドレイン電圧は各々一定に保たれ、オン、オフのスイッチ切り替え時に、電流源となるP型FET41及びN型FET44におけるドレイン−ソース間の寄生容量により過剰な電流が流れることを防ぐことが可能となる。
【0034】
また、アンプ47が設けられており、アンプ47の一方の入力は、P型FET42とN型FET43との接点と接続されており、アンプ47の出力は、P型FET45とN型FET46との接点とアンプ47の他方の入力と接続されている。これにより、アンプ47によってノード53とノード54とにおける電圧の値は同一に保たれるため、P型FET42及びN型FET43と、P型FET45及びN型FET46とは、どちらも常に同じ動作点を保つことが可能となる。
【0035】
さらに、P型FET48と、P型FET49と、N型FET50と、N型FET51とを直列に接続したレプリカ回路が設けられている。このレプリカ回路は、P型FET41のゲートとP型FET48のゲートが接続されており、N型FET44のゲートとN型FET51のゲートが接続されている。また、アンプ52が設けられており、アンプ52の一方の入力は、P型FET45とN型FET46との接点と接続されており、他方の入力は、P型FET49とN型FET50との接点と接続されており、アンプ52の出力は、P型FET41のゲート及びP型FET48のゲートと接続されている。
【0036】
このようなレプリカ回路が設けられていない場合には、電流源となるP型FET41及びN型FET44の電流値は、チャネル長変調効果の影響により、出力ノード53の電圧値により異なってくるため、チャージポンプの出力(CPOUT)における吐き出し電流と吸い込み電流とが異なるため定常誤差を生じてしまう。しかしながら、上述のようなレプリカ回路を設けることによりノード55における電圧とノード54における電圧とを同一の値となるように、アンプ52を用いて制御することが可能となり、定常誤差の発生を防ぐことができる。具体的には、アンプ52により、電流原であるP型FET41とP型FET48を制御し、電流原であるP型FET41と電流原であるN型FET44の電流値を常に同一に保つことが可能となる。
【0037】
次に、図5に第1の実施の形態において用いたチャージポンプの出力波形(ip1)と、第2の実施の形態において用いたチャージポンプの出力波形(ip2)とを示す。具体的には、参照クロックと整数分周器26からの出力とが、位相周波数比較器22に完全に同期して入力した場合におけるチャージポンプの出力波形である。出力電流が常にゼロとすることによりスプリアスの発生を防ぐ理想的な動作である。第2の実施の形態におけるチャージポンプの方が、出力電流は少なくなっており、スプリアスは低減される。
【0038】
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】帯域の異なるループフィルタとVCOにおける位相雑音との関係図
【図2】第1の実施の形態におけるPLLシンセサイザ回路の構成図
【図3】第1の実施の形態において用いるチャージポンプの回路図
【図4】第2の実施の形態において用いるチャージポンプの回路図
【図5】本発明において用いたチャージポンプの出力波形図
【図6】従来のPLLシンセサイザ回路の構成図
【符号の説明】
【0040】
11 アンテナ
12 低雑音アンプ
13 ミキサ
14 PLLシンセサイザ回路
15 アナログフィルタ
16 A/D変換器
17 デジタルフィルタ
18 デジタル復調器
21 発振器
22 位相周波数比較器(PFD)
23 チャージポンプ(CP)
24 ループフィルタ(LPF)
25 VCO
26 整数分周器
27 出力分周器

【特許請求の範囲】
【請求項1】
FM周波数の帯域の電波を受信するアンテナと、
基準となる周波数信号を発生する発振回路と、
前記周波数信号と入力信号との位相差に応じた位相差信号を生成する位相比較回路と、
前記位相差信号に基づいてチャージポンプ信号を生成するチャージポンプ回路と、
前記チャージポンプ信号を平滑化し制御信号を生成するループフィルタと、
前記制御信号に基づいた周波数のVCO発振信号を生成するVCOと、
前記VCO発振信号を所定の周波数ごとに分周し分周発振信号を生成する第1の分周回路と、
前記VCO発振信号を所定の周波数ごとに分周し局部発振信号を生成する第2の分周回路と、
を備え、前記VCOはLC共振回路を含まない構成のものであり、前記分周発振信号を前記位相比較回路の入力信号とするものであって、
前記局部発振信号と前記アンテナから受信した電波の信号より、複数の中間周波数信号を生成するミキサと、
前記複数の中間周波数信号をA/D変換するA/D変換器と、
前記A/D変換器より出力された信号のうち、前記複数の中間周波数信号に対応するいずれか一つを選択し復調するデジタル復調器と、
を備えたことを特徴とするFM受信装置。
【請求項2】
前記局部発振信号に含まれる信号の周波数間隔は、前記FM周波数帯域の所定の周波数ごとに割り当てられた周波数間隔の2倍であることを特徴とする請求項2に記載のFM受信装置。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate


【公開番号】特開2010−28468(P2010−28468A)
【公開日】平成22年2月4日(2010.2.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−187656(P2008−187656)
【出願日】平成20年7月18日(2008.7.18)
【出願人】(000006747)株式会社リコー (37,907)
【Fターム(参考)】