(57)【要約】【課題】  周波数オフセット型にして位相ノイズの問題を解決しながら、フィルタの問題が生じない構成の周波数シンセサイザを提供する。【解決手段】  電圧制御型発振器１に、電圧制御型発振器１の発振周波数をオフセットさせるイメージリジェクションミキサ１０が接続され、そのイメージリジェクションミキサ１０の出力信号の周波数が分周器３、４により分周されて、位相比較器８に供給される。一方、基準周波数を発生する基準信号発生器６が設けられ、その出力信号またはその出力信号を分周した位相比較周波数ｆφの基準信号が位相比較器８に供給される。そして、位相比較器８において、前述の分周器３、４から供給される信号と、基準信号ｆφとの位相差を検出し、その位相差に基づいて制御電圧を電圧制御型発振器１に供給する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧制御型発振器と、該電圧制御型発振器に接続され、前記電圧制御型発振器の発振周波数をオフセットさせてイメージ成分を抑圧するイメージリジェクションミキサと、該イメージリジェクションミキサの出力信号の周波数を分周する分周器と、基準周波数を発生する基準信号発生器と、前記分周器の出力信号と前記基準信号発生器から生成される位相比較周波数を有する信号との位相差を検出し、該位相差に基づいて制御電圧を前記電圧制御型発振器に供給する位相比較器とを有するＰＬＬ型の周波数シンセサイザ。
【請求項２】
前記イメージリジェクションミキサが、前記電圧制御型発振器の出力を９０度の位相の異なる信号に分配する９０度分配器と、該９０度分配器の出力側にそれぞれ接続される第１および第２のミキサと、該第１および第２のミキサのそれぞれに供給されると共に、プログラマブル分周器によりその周波数を可変され得るオフセット周波数信号と、該第１および第２のミキサのそれぞれの混合出力を合成して出力する合成器とからなる請求項１記載の周波数シンセサイザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）方式の周波数シンセサイザに関する。さらに詳しくは、いかなる周波数においても、低位相雑音を実現することができるＰＬＬ型の周波数シンセサイザに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来一般的に用いられている周波数シンセサイザは、図４に示されるような構成になっている（たとえば特許文献１参照）。すなわち、図４において、電圧制御型発振器（以下、ＶＣＯともいう）１から発振した出力は、その一部が分岐されて、１／Ｍ，１／（Ｍ＋１）のモジュラス・プリスケーラ３で分周され、さらにプログラマブルな１／Ｎのプログラマブル分周器４に送られて分周される。このモジュラス・プリスケーラ３およびプログラマブル分周器４にはＡカウンタ５が接続され、Ａカウンタ５からのカウント数が加算されるようになっており、結局ＶＣＯの発振周波数の１／（Ｍ・Ｎ＋Ａ）の周波数が出力されて、位相比較器（ＰＦＤ）８に入力されている。
【０００３】
一方、基準信号発生器６は、たとえば水晶発振器などの安定した基準周波数ｆｒの発振器が用いられ、その発振周波数を１／Ｎｒの分周器７により分周して位相比較周波数ｆφの信号として位相比較器８に入力される。この位相比較器８で両信号の位相が一致しているか否かが検査され、一致していない場合には、その差が電圧に変換されてＶＣＯ１にフィードバックされ、その位相が完全に一致するようにＶＣＯ１の電圧が制御される。この位相比較器８の出力側には、ループフィルタ（Ｌ／Ｆ）９が接続され、位相比較器８で発生する高調波成分の除去および系の応答特性や定常特性を決定するようになっている。そして、ＶＣＯ１から所定の周波数ｆｏの発振出力が供給される。この構成で、出力の周波数ｆｏは、次式（１）で表される。
【０００４】
ｆｏ＝（Ｍ・Ｎ＋Ａ）・ｆφ      （１）
ここで、ｆｏ／ｆφを逓倍数Ｎｏとすると、Ｎｏは整数でなければならない。何故ならば、多くの場合、シンセサイザは、周波数をステップ的に可変させる機能を有するので、式（１）に示すＮ、Ａをプログラマブルに可変し、ｆｏをｆφの整数倍に変化させるからである。したがって、出力の絶対周波数ｆｏは、周波数ステップサイズ（相対周波数）、逓倍数（Ｎｏ）それぞれの整数倍になる。したがって、ｆｏをたとえば２６１７.５ＭＨｚのような細かい数値の周波数を必要とする場合には、たとえば０.５ＭＨｚのようなｆｏの最小単位以下の周波数をｆφとしないと、整数倍にすることができない。
【０００５】
一方、このような周波数シンセサイザでは、逓倍数Ｎｏが大きい、すなわちｆφが小さいと、位相雑音特性が悪くなることが知られている。すなわち、シンセサイザの位相雑音は、一般に、基準信号発生器６の雑音または位相比較器８のフロア雑音に、２０・ｌｏｇ（Ｎｏ）（常用対数値）を加えたものであることが知られている。
【０００６】
たとえば、出力の周波数ｆｏが２６１７.５ＭＨｚの場合を例にとると、ｆφは０.５ＭＨｚとなり、Ｎｏは、２６１７.５÷０.５＝５２３５となる。この場合の周波数ステップサイズはｆφとなる。また、基準信号源の雑音は、１ｋＨｚで、−１５４ｄＢｃ／Ｈｚであるため、帯域内の位相雑音特性は、−１５４＋２０・ｌｏｇ５２３５＝−８０（ｄＢｃ／Ｈｚ）となる。一方、このときの位相雑音特性の測定結果は、図６に示されるようになる。すなわち、位相雑音特性の測定値と計算値とがほぼ一致する。
【０００７】
また、図４に示される構造の変形型として、図５に示されるように、モジュラス・プリスケーラ３の前段にミキサ２１とバンドパスフィルタＢＰＦ２２とを接続し、ミキサ２１でＶＣＯ１の出力とオフセット周波数ｆosの出力とを混合することにより、ＶＣＯ１の発振周波数をオフセット周波数ｆosだけずらした周波数オフセット型シンセサイザが知られている。この構成で、オフセット周波数ｆosとして発振周波数ｆｏの端数的な周波数をオフセットさせることにより、位相比較周波数ｆφ（ステップサイズ周波数）を大きくすることができ、逓倍数Ｎｏを小さくすることができる。しかし、このミキサ２１で発生するスプリアスを除去するためフィルタ２２が必要となるが、（ｆｏ−ｆos）がｆｏに近くなると、フィルタ２２の構成が困難になる。すなわち、このような構成でｆφを大きくするには、たとえばｆosを１７.５ＭＨｚとすることで、ｆφを１０ＭＨｚにすることができるが、現実問題として、２６００ＭＨｚに対する１７.５ＭＨｚ離れた信号を除去するフィルタはその製造が非常に困難である。狭帯域のフィルタとして、水晶フィルタなどを用いると、ＰＬＬループ特性に影響を及ぼし、ＰＬＬそのものが収束しないなどの問題が生じる。
【特許文献１】特開平１０−５１５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、電圧制御型発振器の発振周波数をそのまま分周し、基準発振器に基づいて形成される位相比較周波数ｆφ（周波数ステップサイズ）を小さくすると、逓倍数Ｎｏが大きくなり、位相雑音が大きくなるという問題がある。一方、電圧制御型発振器の出力をその発振周波数より非常に小さいオフセット周波数の信号と混合して差分周波数にして分周する周波数オフセット型にするとノイズの問題は解決されるが、その差分周波数が発振器の周波数と近く、分離するフィルタを形成するのが非常に難しいという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、周波数オフセット型にして位相ノイズの問題を解決しながら、フィルタの問題が生じない構成の周波数シンセサイザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による周波数シンセサイザは、電圧制御型発振器と、該電圧制御型発振器に接続され、前記電圧制御型発振器の発振周波数をオフセットさせてイメージ成分を抑圧するイメージリジェクションミキサと、該イメージリジェクションミキサの出力信号の周波数を分周する分周器と、基準周波数を発生する基準信号発生器と、前記分周器の出力信号と前記基準信号発生器から生成される位相比較周波数を有する信号との位相差を検出し、該位相差に基づいて制御電圧を前記電圧制御型発振器に供給する位相比較器とを有している。ここに基準信号発生器から生成されるとは、基準信号発生器から出力される信号そのものの他、その出力の周波数を分周器などにより変えられたものなどを含む意味である。
【００１１】
前記イメージリジェクションミキサは、たとえば前記電圧制御型発振器の出力を９０度の位相の異なる信号に分配する９０度分配器と、該９０度分配器の出力側にそれぞれ接続される第１および第２のミキサと、該第１および第２のミキサのそれぞれに供給されると共に、プログラマブル分周器によりその周波数を可変され得るオフセット周波数信号と、該第１および第２のミキサのそれぞれの混合出力を合成して出力する合成器とからなっている。
【発明の効果】
【００１２】
この構成にすることにより、電圧制御型発振器の発振周波数をオフセットさせ、しかもこの発振周波数のオフセットをイメージリジェクションミキサにより形成しているため、位相比較周波数ｆφを高くすることができ、かつ、フィルタを用いることなく高調波の影響を受けなくすることができ、逓倍数ｆｏ／ｆφを小さくすることができる。その結果、位相雑音特性を低下させることができる。すなわち、このイメージリジェクションミキサへ入力するオフセット周波数を、大きな位相比較周波数ｆφに対しても整数倍にしやすい周波数に設定することができるため、位相比較周波数ｆφを高くすることができる。また、イメージリジェクションミキサを用いているため、９０度位相をずらした信号が合成され、スプリアスを相殺することができる。その結果、フィルタを挿入することなくスプリアスの問題を解決することができ、スプリアスの問題も解決することができると共に、位相比較周波数ｆφを高くすることができるため、逓倍数を小さくすることができて位相雑音特性も向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
つぎに、図面を参照しながら本発明の周波数シンセサイザについて説明をする。本発明による周波数シンセサイザは、図１にその一実施形態の回路図が示されるように、電圧制御型発振器（ＶＣＯ）１に、電圧制御型発振器１の発振周波数をオフセットさせてイメージ成分を抑圧するイメージリジェクションミキサ１０が接続され、そのイメージリジェクションミキサ１０の出力信号の周波数が分周器（モジュラス・プリスケーラ３、プログラマブル分周器４）により分周されて、位相比較器８に供給される。一方、基準周波数ｆｒを発生する基準信号発生器６が設けられ、その基準信号発生器６から生成される位相比較周波数ｆφの基準信号が位相比較器８に供給される。そして、位相比較器８において、前述のプログラマブル分周器４から供給される信号と、基準信号の位相比較周波数ｆφとの位相差を検出し、その位相差に基づいて制御電圧を電圧制御型発振器１に供給する構成になっている。なお、位相比較器８と電圧制御型発振器１との間には、位相比較器８で発生する高調波成分の除去および系の応答特性や定常特性を決定するループフィルタ（Ｌ／Ｆ）９が接続されている。
【００１４】
イメージリジェクションミキサ１０は、図１に示されるように、電圧制御型発振器１の出力の一部が、位相を９０度異ならせて分岐する９０度ハイブリッド（９０°HYB）１１に入力され、９０度ハイブリッド１１の分岐ポートにそれぞれ接続される第１および第２のミキサ１２、１３で、オフセット周波数ｆosの信号Ｉ、Ｑと混合されて、電圧制御型発振器１の周波数ｆｏがオフセットされｆｏ±ｆosとなり、合成器１４で両出力が合成されることにより、スプリアスが除去されたオフセット信号が出力される。オフセット周波数ｆosの信号は、図１に示される例では、基準信号発生器６の出力の一部が分岐されて、コンピュータにより分周比１／ｎを変えることができるプログラマブル分周器１５を介して印加されるようになっている。その結果、コンピュータにより分周比１／ｎを変えることにより、オフセットする周波数を自由に変更することができる。
【００１５】
このイメージリジェクションミキサ１０のオフセット周波数ｆosの信号として、７.５ＭＨｚの信号を加え、９０度ハイブリッド１１への入力信号Ｆinの周波数を２６０７.５ＭＨｚとして、周波数２６００ＭＨｚの出力信号Ｆoutを得た場合のスプリアス特性を調べた結果が図２に示されている。図２からも分るように、Ｆinに対してＦoutは２０ｄＢｃ以上得られている。デジタルシンセサイザの多くの場合、デジタル的に周波数分周を行うプリスケーラを有しており、デジタル回路構成なので、イメージリジェクションミキサを通過した２０ｄＢの抑圧比をもつスプリアス信号は、デジタル回路構成では無視することができる。また、前述のように、この回路はデジタルプログラマブル回路として構成することができるので、オフセット周波数を自由に調整することができる。その結果、フィルタを設けることなく、ＰＬＬ回路を構成することができる。
【００１６】
その他のＰＬＬの部分は、従来の構成と同じである。すなわち、電圧制御型発振器１の出力は、その一部が分岐されて、前述のイメージリジェクションミキサ１０に入力され、その出力がモジュラス・プリスケーラ３に入力されて１／Ｍに分周され、さらにコンピュータにより分周比Ｎを自由に変えられるプログラマブル分周器４に入力されて１／Ｎに分周される。このモジュラス・プリスケーラ３およびプログラマブル分周器４には、やはりコンピュータにより加算数を制御することができるＡカウンタ５により、分周比を微調整することができるようになっている。その結果、電圧制御型発振器１で発振する周波数ｆｏは、（ｆｏ−ｆos）／（Ｍ・Ｎ＋Ａ）となって、位相比較器８に供給される。
【００１７】
一方、基準周波数ｆｒで発振する基準信号発生器６の出力が、分周器７により１／Ｎｒに分周されて位相比較器８に入力され、位相比較器８で（ｆｏ−ｆos）／（Ｍ・Ｎ＋Ａ）の信号とｆｒ／Ｎｒの信号との位相が比較され、位相が完全に一致していない場合には、その差を電圧にして電圧制御型発振器１に供給されるようになっている。この位相比較器８の後ろにループフィルタ（Ｌ／Ｆ）９が接続されている。
【００１８】
たとえば２６０７.５〜２６５７.５ＭＨｚで１０ＭＨｚステップでｆｏを出力する場合の具体例について説明をする。基準信号発生器６の発振周波数ｆｒを７０ＭＨｚとし、プログラマブル分周器１５の分周比ｎを４とすると、オフセット周波数ｆosは１７.５ＭＨｚとなり、第１および第２のミキサ１２、１３の差分の出力を取り出すことにより、イメージリジェクションミキサ１７の出力は、周波数ｆ１が２５９０〜２６４０ＭＨｚとなる。また、出力周波数ｆｏが２６１７.５ＭＨｚ、モジュラス・プリスケーラ３の分周比Ｍを１６、プログラマブル分周器４の分周比Ｎを１６、Ａカウンタ５の数Ａを４とすると、モジュラス・プリスケーラ３、プログラマブル分周器４を経た信号の周波数は、
（２６１７.５−１７.５）／（１６×１６＋４）＝１０
となり、分周器７の分周比Ｎｒを７とすることにより、位相比較周波数（周波数ステップサイズ）ｆφを１０ＭＨｚとプログラマブル分周器４の出力の１０ＭＨｚとを位相比較器８で比較することができ、電圧制御型発振器１の発振周波数を所望の２６１７.５ＭＨｚに調整することができる。
【００１９】
また、このときの位相雑音特性は、逓倍数（Ｍ・Ｎ＋Ａ）が２６０＝２６００÷１０となるので、２０.ｌｏｇ２６０＝４８.３（ｄＢｃ／Ｈｚ）となり、また、１０ＭＨｚの位相雑音は、−１４２ｄＢｃ／Ｈｚなので、帯域内雑音は、−１４２＋４８.３＝−９３.７（ｄＢｃ／Ｈｚ）となる。一方、雑音特性の測定結果は、図３に示されるように、−９３ｄＢｃ／Ｈｚとなり、イメージリジェクションミキサにて加えられた１７.５ＭＨｚの雑音に影響されることがないことが分る。逆にいえば、図６に示される従来の逓倍数の大きい場合の位相雑音特性よりも、１３ｄＢｃ／Ｈｚ程度向上させることができる。
【００２０】
本発明によれば、オフセット周波数を形成するのに、イメージリジェクションミキサを用い、オフセット周波数ｆosを、プログラマブル分周器１５を用いて可変させることができるため、オフセット周波数を非常に低い周波数、数ｋＨｚ〜数十ＭＨｚとすることができ、微小ステップサイズに可変することができる。その結果、位相比較周波数ｆφを小さくしなくてもすみ、逓倍数Ｎｏ（＝ｆｏ／ｆφ）を小さくすることができ、位相雑音特性を良好にすることができる。しかも、イメージリジェクションミキサを用いているため、有効にスプリアスを除去することができ、スプリアスを除去するフィルタを用いる必要もなく、非常に位相雑音やスプリアスの影響のない周波数シンセサイザが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による周波数シンセサイザの一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１のイメージリジェクションミキサ部のノイズ特性を示す説明図である。
【図３】図１に示される周波数シンセサイザの位相雑音特性を示す図である。
【図４】従来における周波数シンセサイザの構成例を示す図である。
【図５】従来における周波数シンセサイザの他の構成例を示す図である。
【図６】図４に示される周波数シンセサイザの位相雑音特性を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１    電圧制御型発振器
３    モジュラス・プリスケーラ
４    プログラマブル分周器
５    Ａカウンタ
６    基準信号発生器
７    分周器
８    位相比較器
９    ループフィルタ
１０    イメージリジェクションミキサ
１２    第１のミキサ
１３    第２のミキサ
１５    プログラマブル分周器
【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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