(57)【要約】【課題】  片側波帯ミキサの出力には、スプリアスが発生してしまう。【解決手段】  周波数変換回路１０において、ポリフェーズフィルタ１２、１４は、片側波帯ミキサ１６の入出力ポートのうち、少なくとも一つに接続される。ポリフェーズフィルタ１２、１４は、方形波状の信号における低減すべきスプリアスに、自己の周波数領域の極を対応させる。片側波帯ミキサ１６は、二つのポリフェーズフィルタ１２、１４から入力される信号をミキシングして、両信号の周波数の差の周波数成分を生成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
片側波帯ミキサに入力すべき方形波状の信号に含まれる高調波を予め低減し、
高調波が低減された信号を含む複数の信号を、前記片側波帯ミキサでミキシングせしめることを特徴とする周波数変換方法。
【請求項２】
片側波帯ミキサと、
前記片側波帯ミキサの入出力ポートのうち、少なくとも一つに接続されたポリフェーズフィルタと、を備え、
前記ポリフェーズフィルタは、入力される方形波状の信号における低減すべきスプリアスに、自己の周波数領域の極を対応させることを特徴とする周波数変換回路。
【請求項３】
片側波帯ミキサと、
前記片側波帯ミキサの前段に接続されたポリフェーズフィルタと、を備え、
前記ポリフェーズフィルタは、入力される方形波状の信号における低減すべきスプリアスに、自己の周波数領域の極を対応させることを特徴とする周波数変換回路。
【請求項４】
前記ポリフェーズフィルタは、入力される方形波状の信号に含まれる３次高調波に、前記極を対応させることを特徴とする請求項３に記載の周波数変換回路。
【請求項５】
前記ポリフェーズフィルタのうち、少なくとも一つは可変素子を含み、前記極を制御可能にしたことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の周波数変換回路。
【請求項６】
前記周波数領域の極は、負の周波数領域におけるディップ周波数を含むことを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の周波数変換回路。
【請求項７】
方形波状のローカル信号を発振する発振部と、
発振したローカル信号と外部から受信した信号をミキシングして、所定の周波数の信号を生成する請求項２〜６のいずれかに記載の周波数変換回路と、
を備えることを特徴とする通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、片側波帯ミキサを利用して、二つの信号をミキシングすることにより、異なる周波数の信号を生成する周波数変換方法、周波数変換回路、およびそれを搭載した通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
通信システムでは、周波数変換回路が使用され、周波数変換回路としてミキサが利用可能である（例えば、特許文献１参照）。ミキサは、二つの周波数Ｆ１、Ｆ２から、それと異なる二つの周波数（Ｆ１±Ｆ１）を生成することができる。一般的に、生成された周波数のうち、どちらかは不必要な信号すなわちイメージ信号でありフィルタで除去する方式が採用される。
【０００３】
また、片側波帯（ＳＳＢ；single side band）ミキサ（以下、ＳＳＢミキサと表記とする。）は、フィルタを使用しなくてもイメージ信号を除去できるものである。ＳＳＢミキサは、四つのミキサで構成され、これらの入力端子には互いに９０°ずつ位相の異なる信号が入力される。ＳＳＢミキサは、各ミキサの出力を加算することでイメージ信号をキャンセルする。
【０００４】
二つの周波数Ｆ１、Ｆ２から、それらの差の周波数（Ｆ１−Ｆ１）を生成する場合、ＳＳＢミキサの入力信号が正弦波であれば、ＳＳＢミキサの機能により、それらの和の周波数（Ｆ１＋Ｆ１）のイメージ信号は除去される。よって、差の周波数（Ｆ１−Ｆ１）だけを生成することができる。
【特許文献１】特開２００２−１３５１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、周波数シンセサイザなどでＳＳＢミキサを使用する場合のように、ＳＳＢミキサの入力端子の前段には分周器が接続されることが多い。この場合、ＳＳＢミキサの入力信号は正弦波ではなく方形波となる。
【０００６】
ここで、ある周波数ω０の方形波を考えると、この方形波はフーリエ級数展開すれば分かるように、周波数ω０，２ω０，３ω０，４ω０，５ω０・・・の正弦波の合成で表される。つまり、方形波どうしがミキシングされると、その高調波どうしもミキシングされ、多くの不要トーンすなわちスプリアスが生成される。スプリアスが所望波近傍に発生することを抑制するためには、周波数選択性の高いフィルタを使用する必要があり、回路面積を増大させる要因となっていた。さらに、半導体集積回路で上記ミキサを構成する場合、半導体チップのコストを引き上げる要因ともなっていた。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、片側波帯ミキサの出力信号に発生するスプリアスを効率的に低減することができる周波数変換方法、周波数変換回路、およびそれを搭載した通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の周波数変換方法は、片側波帯ミキサに入力すべき方形波状の信号に含まれる高調波を予め低減し、高調波が低減された信号を含む複数の信号を、片側波帯ミキサでミキシングせしめる。低減する「高調波」は、３次高調波であってもよいし、３次および５次高調波であってもよい。
【０００９】
この態様によると、片側波帯ミキサに入力すべき方形波状の信号から予め高調波成分を低減することにより、片側波帯ミキサの出力信号に発生するスプリアスを効率的に低減することができる。
【００１０】
本発明の別の態様は、周波数変換回路である。この周波数変換回路は、片側波帯ミキサと、片側波帯ミキサの入出力ポートのうち、少なくとも一つに接続されたポリフェーズフィルタと、を備える。ポリフェーズフィルタは、入力される方形波状の信号における低減すべきスプリアスに、自己の周波数領域の極を対応させる。「極」を、入力される方形波状信号の周波数の整数倍に調整してもよい。
【００１１】
この態様によると、片側波帯ミキサの出力信号に含まれるスプリアスを効率的に低減することができる。また、ポリフェーズフィルタを用いるため、回路面積の増大を抑制しながら、スプリアスを低減することができる。
【００１２】
本発明のさらに別の態様もまた、周波数変換回路である。この周波数変換回路は、片側波帯ミキサと、片側波帯ミキサの前段に接続されたポリフェーズフィルタと、を備える。ポリフェーズフィルタは、入力される方形波状の信号における低減すべきスプリアスに、自己の周波数領域の極を対応させる。
【００１３】
この態様によると、片側波帯ミキサの出力信号に含まれるスプリアスを効率的に低減することができる。また、ポリフェーズフィルタを用いるため、回路面積の増大を抑制しながら、スプリアスを低減することができる。
【００１４】
ポリフェーズフィルタは、入力される方形波状の信号に含まれる３次高調波に、極を対応させてもよい。また、ポリフェーズフィルタを複数段で構成し、少なくとも３次高調波に極を対応させる段と、５次高調波に極を対応させる段を含んでもよい。
【００１５】
ポリフェーズフィルタのうち、少なくとも一つは可変素子を含み、極を制御可能にしてもよい。これによれば、ポリフェーズフィルタに入力される信号の変化に対して、動的にスプリアスを低減することができる。
【００１６】
周波数領域の極は、負の周波数領域におけるディップ周波数を含んでもよい。低減すべきスプリアスにディップ周波数を対応させるとスプリアスを減衰させる効果が大きい。
【００１７】
本発明のさらに別の態様は、通信システムである。この通信システムは、方形波状のローカル信号を発振する発振部と、発振したローカル信号と外部から受信した信号をミキシングして、所定の周波数の信号を生成する周波数変換回路と、を備える。この態様によると、特性と回路規模を両立した通信システムを構築することができる。
【００１８】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、片側波帯ミキサの出力信号に発生するスプリアスを効率的に低減するすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の概要を説明すると、本発明における周波数変換回路は、ＳＳＢミキサに備わる三つの入出力ポート（ＲＦ，ＬＯ，ＩＦ）のうち、少なくとも一つにポリフェーズフィルタ（ＰＰＦ）を接続した構成を備える。このＳＳＢミキサに二つの方形波が入力され、ミキシングされることにより、それらと異なる周波数の信号を生成する。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態における周波数変換回路の構成を示す図である。周波数変換回路１０にて、周波数Ｆ１の方形波は第１ポリフェーズフィルタ１２に入力される。周波数Ｆ２の方形波は第２ポリフェーズフィルタ１４に入力される。第１ポリフェーズフィルタ１２および第２ポリフェーズフィルタ１４は、四つの入力端子を備え、これらに互いに９０°ずつ位相がシフトされた信号が入力される。第１ポリフェーズフィルタ１２および第２ポリフェーズフィルタ１４は、その周波数特性の極に相当する周波数成分を除去または減衰させ、正弦波の信号をＳＳＢミキサ１６に出力する。なお、第１ポリフェーズフィルタ１２および第２ポリフェーズフィルタ１４の詳細については後述する。
【００２２】
ＳＳＢミキサ１６は、上述したように四つのミキサを備える。ＳＳＢミキサは、二つの入力ポートを備え、それぞれ四本の入力端子を持つ。一方の入力ポートの四本の端子には、第１ポリフェーズフィルタ１２から互いに９０°ずつ位相の異なる信号が入力される。他方の入力ポートの四本の端子には、第２ポリフェーズフィルタ１４から互いに９０°ずつ位相がシフトされた信号が入力される。
【００２３】
ＳＳＢミキサ１６は、第１ポリフェーズフィルタ１２からの信号と、第２ポリフェーズフィルタ１４からの信号を乗算し、それら信号における周波数の差の周波数、すなわち所望波を生成する。ＳＳＢミキサ１６の場合、両信号における周波数の和の周波数を持つ信号は打ち消される。
【００２４】
図２は、ポリフェーズフィルタの構成を示す図である。第１ポリフェーズフィルタ１２は、四本の入力端子と四本の出力端子とを備え、それらを接続する四本の経路には、それぞれ抵抗Ｒ２，Ｒ４，Ｒ６，Ｒ８が設けられる。第１経路の第１抵抗Ｒ２の入力側と、第２経路の第２抵抗Ｒ４の出力側とが接続され、その経路中に第１容量Ｃ２が直列に挿入される。また、第１経路の第１抵抗Ｒ２の出力側と、第４経路の第４抵抗Ｒ８の入力側とが接続され、その経路中に第４容量Ｃ８が直列に設けられる。同様に、第２経路の第２抵抗Ｒ４の入力側と、第３経路の第３抵抗Ｒ６の出力側とが接続され、その経路中に第２容量Ｃ４が直列に設けられる。さらに、第３経路の第３抵抗Ｒ６の入力側と、第４経路の第４抵抗Ｒ８の出力側とが接続され、その経路中に第３容量Ｃ６が直列に設けられる。
【００２５】
この構成にて、第１ポリフェーズフィルタ１２を正の周波数領域で動作させる場合、基準位相の正弦波Ｉ＋を第１経路の入力端子に入力し、基準位相から９０°進んだ正弦波Ｑ＋を第２経路の入力端子に入力し、基準位相から１８０°進んだ正弦波Ｉ−を第３経路の入力端子に入力し、基準位相から２７０°進んだ正弦波Ｑ−を第２経路の入力端子に入力する。
【００２６】
これに対し、第１ポリフェーズフィルタ１２を負の周波数領域で動作させる場合、基準位相の正弦波Ｉ＋を第２経路の入力端子に入力し、基準位相から９０°進んだ正弦波Ｑ＋を第１経路の入力端子に入力し、基準位相から１８０°進んだ正弦波Ｉ−を第４経路の入力端子に入力し、基準位相から２７０°進んだ正弦波Ｑ−を第３経路の入力端子に入力する。
【００２７】
図３は、ポリフェーズフィルタの正と負の周波数特性を連結して示す図である。ポリフェーズフィルタには、図３に示すように、正および負の両方の周波数領域に極ａ、ｂが存在する。とくに、負の周波数領域には大きな減衰を伴う極ａ、すなわちディップ周波数が存在する。
【００２８】
本実施形態では、第１ポリフェーズフィルタ１２および第２ポリフェーズフィルタ１４にて、ディップ周波数が入力信号の周波数の整数倍になるよう調整される。つまり、ポリフェーズフィルタ１２、１４は、入力される方形波に含まれる高調波とくに３次高調波を除去することができるため、ＳＳＢミキサ１６の出力信号に含まれるスプリアスを効率的に低減することができる。
【００２９】
ここで、方形波に含まれる高調波のうち３次高調波を除去すべき事情について説明する。一例としてデューティ比５０％の方形波を考える。これは奇関数であるので、含まれる高調波は奇数次数成分のみとなる。フーリエ級数展開すると下記式となる。
【００３０】
Ｅ＝ｓｉｎω０−１／３ｓｉｎ３ω０＋１／５ｓｉｎ５ω０−１／７ｓｉｎ７ω０＋・・・
【００３１】
高調波の中では、３次高調波が最も振幅が大きく、５次、７次と次数が上がるにしたがって、振幅は小さくなっていく。また、３次高調波は基本波成分に周波数が最も近いため、所望波の最も近傍にスプリアスを生じさせる。つまり、３次高調波の影響が最も大きく、５次、７次と次数が上がるにしたがって悪影響が生じにくくなる。よって、３次高調波を除去することによるスプリアス低減効果は大きいといえる。
【００３２】
図４は、図１に示した周波数変換回路の周波数スペクトラムの遷移を示す図である。第１ポリフェーズフィルタ１２に入力される方形波の周波数スペクトラム２０は、基本波、３次、５次、７次高調波を含む。図４では、第１ポリフェーズフィルタ１２は、３次、５次高調波を除去する。よって、第１ポリフェーズフィルタ１２の出力信号の周波数スペクトラム２２は、主に基本波、７次高調波を含むものとなる。同様に、第２ポリフェーズフィルタ１４に入力される方形波の周波数スペクトラム２４も、基本波、３次、５次、７次高調波を含み、第２ポリフェーズフィルタ１４の出力信号の周波数スペクトラム２６は、主に基本波、７次高調波を含むものとなる。
【００３３】
ＳＳＢミキサ１６は、第１ポリフェーズフィルタ１２および第２ポリフェーズフィルタ１４からの入力信号をミキシングして、所望波Ｄを生成する。ＳＳＢミキサ１６の出力信号の周波数スペクトラム２８は、スプリアスが抑制された所望波Ｄとなる。すなわち、所望波Ｄの近傍にスプリアスが発生せず、所望波Ｄから離れた周波数領域に小さいパワーのスプリアスが発生するのみである。
【００３４】
図５は、本発明の実施形態における周波数変換回路と比較される周波数変換回路の構成を示す図である。この比較されるべき周波数変換回路３０は、ＳＳＢミキサ３２の入出力端子にポリフェーズフィルタが接続されない構成である。ＳＳＢミキサ３２の出力側は、高次バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３４が接続される。なお、バンドパスフィルタの代わりにＬＣ共振器を接続してもよい。
【００３５】
ＳＳＢミキサ３２は、二つの入力ポートを備え、それぞれ四本の入力端子を持つ。一方の入力ポートの四本の端子には、周波数Ｆ１の方形波が互いに９０°ずつ位相がシフトされて入力される。他方の入力ポートの四本の端子には、周波数Ｆ２の方形波が互いに９０°ずつ位相がシフトされて入力される。
【００３６】
ＳＳＢミキサ３２は、異なる入力ポートから入力される周波数Ｆ１の方形波と周波数Ｆ２の方形波とをミキシングし、所望波を生成する。そして、互いに９０°ずつ位相がシフトされた信号を高次バンドパスフィルタ３４に出力する。高次バンドパスフィルタ３４は、所望波を含む所定範囲の周波数成分を通過させ、それ以外の周波数成分を減衰させる。
【００３７】
図６は、図５に示した周波数変換回路３０の周波数スペクトラムの遷移を示す図である。ＳＳＢミキサ３２に入力される二つの方形波の周波数スペクトラム４０、４２は、基本波、３次、５次、７次高調波を含む。ＳＳＢミキサ３２の出力信号の周波数スペクトラム４４には、所望波Ｄの近傍にスプリアスが発生する。例えば、上述した周波数Ｆ１と、周波数Ｆ２の３次高調波との和の周波数成分や、その反対の周波数Ｆ１の３次高調波と、周波数Ｆ２との和の周波数成分などが、影響の大きいスプリアスとして発生する。高次バンドパスフィルタ３４の出力信号の周波数スペクトラム４６は、スプリアスが抑制された所望波Ｄとなる。すなわち、所望波Ｄの近傍のスプリアスを組成する周波数成分は、高次バンドパスフィルタ３４によりフィルタリングされる。
【００３８】
本実施形態における図１の周波数変換回路１０と、図５の周波数変換回路３０とを比較すると、同様にスプリアスを低減することができるが、前者のほうがはるかに小さな回路面積でそれを実現することができる。すなわち、高次バンドパスフィルタやＬＣ共振器などの急峻なフィルタを使用すると、回路面積が増大する。この点、ポリフェーズフィルタは、高次バンドパスフィルタやＬＣ共振器などと比較し、はるかに小さい。アプリケーションによっては、１／１０以下に回路面積を縮小することができる。
【００３９】
次に、本実施形態における周波数変換回路１０の実施例について説明する。図７は、実施例１における周波数変換回路を示す図である。実施例１における周波数変換回路１０２では、ＳＳＢミキサ１６の二つの入力ポートに、それぞれ２段のポリフェーズフィルタが接続される。１段目ポリフェーズフィルタ１２２、１４２の周波数特性の極は、入力信号の３次高調波の周波数に調整される。２段目ポリフェーズフィルタ１２４、１４４の周波数特性の極、例えばディップ周波数は、入力信号の５次高調波の周波数に調整される。実施例１における周波数変換回路１０２では、入力される方形波に含まれる３次と５次の高調波が低減されてからＳＳＢミキサ１６に信号が入力されることから、不要なスプリアスを効率的に抑制することができる。しかも、ポリフェーズフィルタを使用するため、回路規模も余り増大することがない。
【００４０】
図８は、実施例２における周波数変換回路を示す図である。実施例２における周波数変換回路１０４の構成は、基本的に実施例１における構成と同様である。相違点は、実施例１における１段目ポリフェーズフィルタ１２２、２段目ポリフェーズフィルタ１２４を可変素子で構成した点である。すなわち、実施例２における１段目ポリフェーズフィルタ１２３、２段目ポリフェーズフィルタ１２５は、可変抵抗や可変容量などの可変素子を構成素子とする。実施例２における周波数変換回路１０４では、入力信号の周波数が変化する場合でも、１段目ポリフェーズフィルタ１２２および２段目ポリフェーズフィルタ１２４の少なくとも一方の可変素子の値を外部から制御することができる。これにより、各ポリフェーズフィルタ１２３、１２５の周波数特性の極を、上記入力信号の周波数の整数倍に容易に設定することができる。
【００４１】
このように実施例２における周波数変換回路１０４では、入力される方形波に含まれる高調波が低減されてから、ＳＳＢミキサ１６に信号が入力されることから、不要なスプリアスを効率的にかつ動的に抑制することができる。しかも、ポリフェーズフィルタを使用するため、回路規模も余り増大することがない。
【００４２】
図９は、本実施形態における周波数変換回路を適用した、実施例３における通信システムを示す図である。図９の通信システム５０は、ダイレクトコンバージョン受信（ＤＣＲ）方式を示すが、それに限るものではなくヘテロダイン受信方式など、他の受信方式にも適用可能である。
【００４３】
図９にて、アンテナ５２から受信されたＲＦ信号は、バンドパスフィルタ５４を介して、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）５６に入力される。ＬＮＡ５６は、低雑音でＲＦ信号を増幅し、直交ベースバンド信号であるＩ信号用とＱ信号用の二つの周波数変換回路１０に出力する。これらの周波数変換回路１０は、実施例１、２で説明した周波数変換回路１０２、１０４を適用することができる。
【００４４】
局部発振器５８は、ローカル（Ｌｏ）周波数のローカル信号を出力する。位相器６０は、Ｉ系統の周波数変換回路１０には、当該Ｌｏ信号の位相を変化させずに出力し、Ｑ系統の周波数変換回路１０へ出力した当該Ｌｏ信号に対して、位相が９０°進んだ当該Ｌｏ信号をＱ系統の周波数変換回路１０へも出力する。なお、これらに出力される信号は、方形波状のものである。
【００４５】
Ｉ系統用およびＱ系統用の周波数変換回路１０は、ＲＦ信号とＬｏ信号とをミキシングし、それらの差の周波数を持つ信号を、それぞれローパスフィルタ６２、６８に出力する。各ローパスフィルタ６２、６８の出力信号は、それぞれの系統の増幅器６４、７０により増幅され、それぞれの系統のアナログデジタル変換器６６、７２によりデジタル信号に変換される。
【００４６】
このように、通信システム５０に本実施形態における周波数変換回路１０を用いることにより、通信システムの特性向上と小型化を両立することができる。とくに、通信システム５０として説明した回路要素の全部または一部を周波数シンセサイザとして半導体チップ化する場合、チップ面積を縮小することができる。
【００４７】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４８】
実施形態にて、ＳＳＢミキサ１６への異なる周波数の二つの入力信号の両方に対して、ポリフェーズフィルタ１２２、１２４を設ける構成を説明した。この点、片方にだけポリフェーズフィルタを設けてもよい。これによっても、ある程度のスプリアス低減効果は発揮される。
【００４９】
また、ＳＳＢミキサ１６の出力側にポリフェーズフィルタを設けてもよい。この場合、このポリフェーズフィルタにおける周波数領域の極を、ＳＳＢミキサ１６の出力信号に発生する低減すべきスプリアスの周波数領域に、対応させることにより、スプリアスを低減することができる。この場合、ＳＳＢミキサ１６の入力側にポリフェーズフィルタ１２２を設けなくてもよい。
【００５０】
また、実施例１にて、３次、５次高調波を低減するべく、ポリフェーズフィルタを２段構成とした。この点、３次高調波のみを低減すべく１段構成としてもよいし、７次高調波以降の周波数成分も低減すべく、３段以上の構成としてもよい。これによれば、さらに精度よくスプリアスを低減することができる。
【００５１】
さらに、実施例２にて、可変素子を含むポリフェーズフィルタを説明した。この点、周波数変換回路を構成する複数のポリフェーズフィルタのうち、一つ以上が可変素子を含む構成であってもよい。これによれば、部材を効率的に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態における周波数変換回路の構成を示す図である。
【図２】ポリフェーズフィルタの構成を示す図である。
【図３】ポリフェーズフィルタの正と負の周波数特性を連結して示す図である。
【図４】図１に示した周波数変換回路の周波数スペクトラムの遷移を示す図である。
【図５】本発明の実施形態における周波数変換回路と比較される周波数変換回路の構成を示す図である。
【図６】図５に示した周波数変換回路の周波数スペクトラムの遷移を示す図である。
【図７】実施例１における周波数変換回路を示す図である。
【図８】実施例２における周波数変換回路を示す図である。
【図９】本実施形態における周波数変換回路を適用した、実施例３における通信システムを示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  周波数変換回路、  １２  第１ポリフェーズフィルタ、  １４  第２ポリフェーズフィルタ、  １６  ＳＳＢミキサ、  ５０  通信システム、  ５２  アンテナ、  ５４  バンドパスフィルタ、  ５６  ＬＮＡ、  ５８  局部発振器、  ６０  位相器、  ６２  ローパスフィルタ、  ６４  増幅器、  ６６  アナログデジタル変換器。
【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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【図８】
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【図９】
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