(57)【要約】【課題】局部発振信号の高次の高調波成分を用いたサブハーモニックミキサーにおける変換効率の向上。【解決手段】周波数変換部３０に入力されたＲＦ信号は、ミキサー３３によって局部発振信号Ｌｏと合成（乗算）され、更にサンプルホールド回路３７によってタイミング信号ＳＡＭＰに従ってサンプル・アンド・ホールドされ、ＬＰＦ３９を通過してＩＦ信号として出力される。局部発振信号生成部３１にて生成される局部発振信号Ｌｏは、ＲＦ信号の周波数ＦＲＦの略１／Ｎの周波数ＦＬｏの信号であり、タイミング調整回路３５にて生成されるタイミング信号ＳＡＭＰは、局部発振信号Ｌｏに同期したパルス信号である。ＬＰＦ３９は、ＲＦ信号と局部発振信号Ｌｏの第Ｎ高調波との差周波数｜ＦＲＦ−ＦＬｏ×Ｎ｜の周波数を含む低帯域の信号を通過させ、帯域外の周波数成分を遮断する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号の受信信号に局部発振信号を乗算して当該局部発振信号の高調波と前記高周波信号の周波数との差周波数の信号を取り出す周波数変換回路であって、
前記受信信号に前記局部発振信号を乗算するミキサー部と、
前記局部発振信号に同期したタイミング信号を生成するタイミング信号生成部と、
前記タイミング信号に従って前記ミキサー部の出力信号をサンプル・アンド・ホールドするサンプル・アンド・ホールド部と、
前記サンプル・アンド・ホールド部の出力信号から前記差周波数の信号成分を抽出するフィルター部と、
を備えた周波数変換回路。
【請求項２】
前記フィルター部は、前記高調波の周波数を、前記局部発振信号のＮ倍（Ｎ≧３）の周波数として前記抽出を行うように、抽出する周波数帯域が定められている、
請求項１に記載の周波数変換回路。
【請求項３】
前記局部発振信号を方形波として生成する局部発振信号生成部を更に備え、
前記サンプリング信号生成部は、前記方形波として生成された局部発振信号と、当該局部発振信号を遅延させた遅延信号とから、当該局部発振信号のエッジに同期したパルス信号を前記タイミング信号として生成する、
請求項１又は２に記載の周波数変換回路。
【請求項４】
前記高周波信号は周波数が予め規定された単一の周波数であり、
前記単一の周波数専用の周波数変換回路として構成された、
請求項１〜３の何れか一項に記載の周波数変換回路。
【請求項５】
前記高周波信号は、測位用衛星が発信する衛星信号である、
請求項１〜４の何れか一項に記載の周波数変換回路。
【請求項６】
請求項５に記載の周波数変換回路を備えた受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数変換回路及びこの周波数変換回路を備えた受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信装置では、受信信号に、装置内部の局部発振器で生成した局部発振信号（ローカル信号）を乗算して中間周波数の信号（ＩＦ信号）に変換（ダウンコンバート）するミキサーが用いられる。このとき、受信信号の周波数に近い周波数の局部発振信号が必要であるが、受信信号が高周波信号（ＲＦ信号）のときなど、必要な高周波の局部発振器の作成が困難な場合には、必要な周波数の１／Ｎの発振周波数の局部発振器を用いて、受信信号の周波数と局部発振信号の第Ｎ高調波（Ｎ倍波）との差周波数の信号を得るサブハーモニックミキサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−３８６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、サブハーモニックミキサーで得られるＩＦ信号は、局部発振信号の高調波（第Ｎ高調波）を利用するため、原理的に、次数Ｎが大きくなるほど、取り出せる信号の大きさが小さくなり変換効率が低下する。本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、局部発振信号の高次の高調波成分を用いたサブハーモニックミキサーにおける変換効率を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための第１の形態は、高周波信号の受信信号に局部発振信号を乗算して当該局部発振信号の高調波と前記高周波信号の周波数との差周波数の信号を取り出す周波数変換回路であって、前記受信信号に前記局部発振信号を乗算するミキサー部と、前記局部発振信号に同期したタイミング信号を生成するサンプリング信号生成部と、前記タイミング信号に従って前記ミキサー部の出力信号をサンプル・アンド・ホールドするサンプル・アンド・ホールド部と、前記サンプル・アンド・ホールド部の出力信号から前記差周波数の信号成分を抽出するフィルター部とを備えた周波数変換回路である。
【０００６】
この第１の形態によれば、高周波信号の受信信号に局部発振信号を乗算して、高周波信号の周波数と局部発振信号の高調波との差周波数の信号を取り出す周波数変換回路において、高周波信号の受信信号に局部発振信号を乗算するミキサー部の出力信号が、サンプル・アンド・ホールド部によって、局部発振信号に同期したタイミング信号に従ってサンプル・アンド・ホールドされる。そして、フィルター部によって、このサンプル・アンド・ホールド部の出力信号から、高周波信号の周波数と局部発振信号の高調波との差周波数の信号が抽出される。このように、ミキサー部の出力信号が大きい時にサンプリングしその値をホールドすることによって、フィルター部によって抽出される信号が大きくなり、周波数変換回路の変換効率の向上が実現される。
【０００７】
また、第２の形態として、第１の形態の周波数変換回路であって、前記フィルター部は、前記高調波の周波数を、前記局部発振信号のＮ倍（Ｎ≧３）の周波数として前記抽出を行うように、抽出する周波数帯域が定められている周波数変換回路を構成しても良い。
【０００８】
この第２の形態によれば、周波数変換回路では、周波数が局部発振信号のＮ（Ｎ≧３）倍の高調波（第Ｎ高調波）と、受信信号である高調波信号の周波数との差周波数の信号が取り出される。
【０００９】
また、第３の形態として、第１又は第２の形態の周波数変換回路であって、前記局部発振信号を方形波として生成する局部発振信号生成部を更に備え、前記サンプリング信号生成部は、前記方形波として生成された局部発振信号と、当該局部発振信号を遅延させた遅延信号とから、当該局部発振信号のエッジに同期したパルス信号を前記タイミング信号として生成する周波数変換回路を構成しても良い。
【００１０】
この第３の形態によれば、方形波として生成された局部発振信号と、この局部発振信号を遅延させた遅延信号とから、局部発振信号のエッジに同期したパルス信号が、タイミング信号として生成される。
【００１１】
また、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の周波数変換回路であって、前記高周波信号は周波数が予め規定された単一の周波数であり、前記単一の周波数専用の周波数変換回路を構成しても良い。
【００１２】
また、第５の形態として、第１〜第４の何れかの形態の周波数変換回路であって、前記高周波信号は、測位用衛星が発信する衛星信号である周波数変換回路として構成しても良い。
【００１３】
更に、第６の形態として、第５の形態の周波数変換回路を備えた受信装置を構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ＧＰＳ受信装置のブロック構成図。
【図２】周波数変換部のブロック構成図。
【図３】ミキサーの回路図。
【図４】局部発振信号生成部の回路図。
【図５】タイミング調整回路及びサンプルホールド回路の回路図。
【図６】タイミング信号の生成原理の説明図。
【図７】周波数変換部の各部における信号波形図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、以下では、本発明を、測位用衛星の一種であるＧＰＳ（Global Positioning System）衛星から発信されているＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信装置に適用した場合を説明するが、本発明の適用可能な実施形態がこれに限定されるものではない。
【００１６】
図１は、本実施形態におけるＧＰＳ受信装置１のブロック構成図である。図１に示すように、ＧＰＳ受信装置１は、ＧＰＳアンテナ１０と、ＲＦ（Radio Frequency）受信回路部２０と、ベースバンド部４０とを備えて構成される。
【００１７】
ＧＰＳアンテナ１０は、測位用衛星の一種であるＧＰＳ衛星から発信されているＧＰＳ衛星信号を含むＲＦ信号を受信する。なお、ＧＰＳ衛星信号は、ＧＰＳ衛星毎に異なる拡散符号の一種であるＰＲＮ（Pseudo Random Noise）コードで直接スペクトラム拡散方式により変調された１．５７５４２［ＧＨｚ］の通信信号である。ＰＲＮコードは、コード長１０２３チップを１フレームとする繰返し周期１ｍｓの擬似ランダム雑音符号である。
【００１８】
ＲＦ受信回路部２０は、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）フィルター２１と、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）２２と、周波数変換部３０と、増幅部２３と、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）２４とを有する。
【００１９】
ＳＡＷフィルター２１は、バンドパスフィルターであり、ＧＰＳアンテナ１０で受信されたＲＦ信号に対して、所定帯域の信号を通過させ、帯域外の周波数成分を遮断する。ＬＮＡ２１は、低雑音アンプであり、ＳＡＷフィルター２１から出力されたＲＦ信号を増幅する。
【００２０】
周波数変換部３０は、ＬＮＡ２１から出力されたＲＦ信号に、その周波数ＦＲＦの略１／Ｎ（Ｎ≧３）の周波数ＦＬｏの局部発信信号Ｌｏを乗算して、該ＲＦ信号を周波数｜ＦＲＦ−ＦＬｏ×Ｎ｜の中間周波数信号（ＩＦ信号）に変換するサブハーモニック方式の周波数変換を行う。
【００２１】
増幅部２３は、周波数変換部３０から出力されたＩＦ信号を増幅する。ＡＤＣ２４は、増幅部２３から出力されたアナログ信号であるＩＦ信号を、デジタル信号に変換する。
【００２２】
ベースバンド部４０は、ＲＦ受信回路部２０から出力されたＩＦ信号に対する相関処理を行ってＧＰＳ衛星信号を捕捉・抽出し、データを復号して航法メッセージや時刻情報を取り出し、疑似距離の算出演算や測位演算を行う。
【００２３】
図２は、周波数変換部３０のブロック構成図である。図２に示すように、周波数変換部３０は、局部発振信号生成部３１と、ミキサー３３と、タイミング調整回路３５と、サンプルホールド回路３７と、ＬＰＦ３９とを備えて構成される。
【００２４】
局部発振信号生成部３１は、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）等の発振器を有し、受信されるＲＦ信号の周波数ＦＲＦの略１／Ｎの周波数ＦＬｏの局部発振信号（ローカル信号）Ｌｏを生成する。
【００２５】
ミキサー３３は、例えば、ギルバート・セルやダブル・バランス型のミキサーで実現され、ＬＮＡ２２から入力されるＲＦ信号に、局部発振信号生成部３１から出力された局部発振信号Ｌｏを乗算（合成）する。ミキサー３３は、サブハーモニックミキサーとして用いるため、このミキサー３３から出力される信号ＭＩＸには、ＲＦ信号と局部発振信号Ｌｏの第Ｎ高調波との差周波数｜ＦＲＦ−ＦＬｏ×Ｎ｜の信号が含まれている。
【００２６】
サンプルホールド回路３７は、タイミング調整回路３５から出力されたタイミング信号ＳＡＭＰに従って、ミキサー３３から出力された信号ＭＩＸをサンプル・アンド・ホールドする。タイミング調整回路３５は、局部発振信号生成部３１から出力された局部発振信号Ｌｏに同期したパルス信号を、タイミング信号ＳＡＭＰとして生成する。
【００２７】
ＬＰＦ３９は、サンプルホールド回路３７から出力される信号ＨＯＬＤに対して、ＲＦ信号と局部発振信号Ｌｏの第Ｎ高調波との差周波数｜ＦＲＦ−ＦＬｏ×Ｎ｜の周波数を含む低帯域の信号を通過させ、帯域外の周波数成分を遮断する。これにより、周波数変換部３０からは、周波数｜ＦＲＦ―ＦＬｏ×Ｎ｜の信号がＩＦ信号として出力される。
【００２８】
なお、本実施形態では、周波数変換部３０において利用する局部発振信号Ｌｏの高調波は第３高調波以上（Ｎ≧３）が好適であり、第１０高調波以上（Ｎ≧１０）とすればより好適である。すなわち、局部発振信号生成部３１が有する発振器（局部発振器）の発振周波数が、より低い周波数となり、電力消費が少なくて済むからである。
【００２９】
また、本実施形態はＧＰＳ受信装置であり、受信する周波数は１種類（１．５７５４２［ＧＨｚ］）である。このため、局部発振器に要求される発振周波数も１種類である。サブハーモニックミキサーを利用する受信装置では、局部発振信号Ｌｏの高調波を利用するため、局部発振器の精度が重要である。複数種類の周波数の受信を前提とした受信装置では、受信周波数それぞれに応じた高精度の局部発振器が複数必要である。しかし、本実施形態では、予め定められた１種類の局部発振器があれば良いため、複数種類の周波数を受信する受信装置と比較して構成が容易である。
【００３０】
図３〜図５は、ミキサー３３としてギルバート・セル・ミキサーを用いて周波数変換部３０を構成した場合の回路の一例を示す図である。先ず、図３は、ミキサー３３の回路図である。図３に示すように、ミキサー３３は、複数のＭＯＳトランジスタで構成されるギルバート・セル・ミキサーである。このミキサー３３には、ＲＦ信号が信号ＲＦ＋，ＲＦ−の差動形式で入力されるとともに、局部発振信号Ｌｏが信号Ｌｏ＋，Ｌｏ−の差動形式で入力される。そして、ミキサー３３からは、入力されたＲＦ信号及び局部発振信号Ｌｏを乗算（混合）した信号ＭＩＸが、信号ＭＩＸ＋，ＭＩＸ−の差動形式で出力される。このため、ミキサー３３の入力段には、ＬＮＡ２２から出力されたＲＦ信号を、差動形式の入力信号ＲＦ＋，ＲＦ−に変換する変換回路３４が設けられている。なお、図２のブロック構成図では、この変換回路３４の図示を省略している。
【００３１】
図４は、局部発振信号生成部３１の回路図である。図４に示すように、局部発振信号生成部３１は、所定周波数ＦＬｏの局部発振信号Ｌｏを生成するＶＣＯを有する。このＶＣＯで生成された正弦波の発振信号Ｌｏは、ＭＯＳトランジスタで構成されるスイッチング回路によって方形波に変換される。
【００３２】
また、局部発振信号生成部３１の出力段には、局部発振信号生成部３１で生成された局部発振信号Ｌｏを、差動形式の信号Ｌｏ＋，Ｌｏ−に変換する変換回路３２が設けられている。局部発振信号生成部３１で生成された局部発振信号Ｌｏは、この変換回路３２によって差動信号Ｌｏ＋，Ｌｏ−に変換されて、ミキサー３３に入力される。なお、図２のブロック構成図では、この変換回路３２の図示を省略している。
【００３３】
図５は、タイミング調整回路３５及びサンプルホールド回路３７の回路図である。図５に示すように、サンプルホールド回路３７には、ミキサー３３から差動形式の出力信号ＭＩＸ＋，ＭＩＸ−が入力されるとともに、タイミング調整回路３５から差動形式のタイミング信号ＳＡＭＰ＋，ＳＡＭＰ−が入力される。そして、サンプルホールド回路３７からは、入力されたミキサー出力信号ＭＩＸ＋，ＭＩＸ−それぞれを、タイミング信号ＳＡＭＰ＋，ＳＡＭＰ−に従ってサンプル・アンド・ホールドした信号が出力される。このサンプルホールド回路３７の出力信号は、後段のＬＰＦ３９を通過した後、ＩＦ信号として出力される。
【００３４】
ＬＰＦ３９は、２段のＬＰＦ３９ａ，ＬＰＦ３９ｂで構成されている。前段のＬＰＦ３９ａは、局部発振信号Ｌｏの周波数成分ＦＬｏを通過させ、ＲＦ信号の周波数成分ＦＲＦを遮断する通過特性を有している。そして、後段のＬＰＦ３９ｂは、ＩＦ信号の周波数成分ＦＩＦを通過させ、局部発振信号Ｌｏの周波数成分ＦＬｏを遮断する通過特性を有している。
【００３５】
タイミング調整回路３５は、遅延回路３５ａと、パルス生成回路３５ｂと、差動信号生成回路３５ｃとを有している。遅延回路３５ａは、入力された局部発振信号Ｌｏを、所定時間Δｔだけ遅延させる。パルス生成回路３５ｂは、入力された局部発振信号Ｌｏと、遅延回路３５ａによって遅延された遅延信号Ｌｏｌとの差分信号を算出することで、局部発振信号Ｌｏの立ち上がり（エッジ）に同期したパルス信号を生成する。差動信号生成回路３５ｃは、パルス生成回路３５ｂによって生成されたパルス信号を、差動形式の信号ＳＡＭＰ＋，ＳＡＭＰ−に変換する。
【００３６】
図６は、タイミング調整回路３５におけるタイミング信号ＳＡＭＰの生成原理を説明する図であり、該回路の各部における電圧波形を示している。図６では、横方向を時間ｔとして、上から順に、入力される局部発振信号Ｌｏ、遅延回路３５ａから出力される遅延信号Ｌｏｌ、パルス生成回路３５ｂから出力されるパルス信号、のそれぞれの電圧波形を示している。
【００３７】
図６に示すように、遅延回路３５ａによって、入力された局部発振信号Ｌｏを所定時間Δｔだけ遅延させた遅延信号Ｌｏｌが生成される。次いで、パルス生成回路３５ｂによって、入力された局部発振信号Ｌｏと遅延信号Ｌｏｌの差分が算出されて、局部発振信号Ｌｏの立ち上がりタイミング（エッジ）に同期したパルス信号が生成される。このパルス信号が、タイミング信号ＳＡＭＰとなる。
【００３８】
そして、生成されたタイミング信号ＳＡＭＰは、差動信号生成回路３５ｃによって差動形式の信号ＳＡＭＰ＋，ＳＡＭＰ−に変換され、サンプルホールド回路３７に入力される。
【００３９】
図７は、周波数変換部３０を図３〜図５に示した回路構成とした場合の動作を説明する図であり、図３〜図５に示した各回路における各部の電圧波形を示している。図７では、横方向を時間ｔとして、上から順に、周波数変換部３０に入力されるＲＦ信号、ミキサー３３に入力される局部発振信号Ｌｏ（Ｌｏ＋，Ｌｏ−）、サンプルホールド回路３７に入力されるタイミング信号ＳＡＭＰ（ＳＡＭＰ＋，ＳＡＭＰ−）、ミキサー３３からの出力信号ＭＩＸ（ＭＩＸ＋，ＭＩＸ−）、ＬＰＦ３９ａからの出力信号ＦＩＬ（ＦＩＬ＋，ＦＩＬ−）、ＬＰＦ３９からの出力信号（すなわち、周波数変換部３０から出力されるＩＦ信号ＩＦ＋，ＩＦ−）、のそれぞれの電圧波形を示している。更に、従来との比較のため、ミキサー３３の出力信号ＭＩＸに対して、サンプルホールド回路３７を介さずにＬＰＦ３９を通過させた信号ＩＦＤＩＲ（ＩＦＤＩＲ＋，ＩＦＤＩＲ−）を、ＩＦ信号とともに示している。また、各波形は、実線と破線とで差動信号を表している。
【００４０】
図７に示すように、高周波信号であるＲＦ信号に、該ＲＦ信号に対して低周波数の信号である局部発振信号Ｌｏが乗算（合成）されて生成されたミキサー３３の出力信号ＭＩＸは、局部発振信号Ｌｏの立ち上がりのタイミングでその振幅が最大となり、時間経過とともに低下しながら所定電圧に収束する鋸歯形状の波形となる。また、タイミング調整回路３５によって生成されたタイミング信号ＳＡＭＰは、局部発振信号Ｌｏの立ち上がりに同期したパルス波形となる。
【００４１】
そして、ミキサー３３の出力信号ＭＩＸは、サンプルホールド回路３７によってタイミング信号ＳＡＭＰに従ったタイミングでサンプル・アンド・ホールドされ、更に、ＬＰＦ３９ａを通過することでその高周波成分が除去されて信号ＦＩＬとして出力される。つまり、ＬＰＦ３９ａから出力される信号ＦＩＬは、ミキサー３３の出力信号ＭＩＸが最大振幅となるタイミングでその振幅値をサンプリングし、そのサンプリングした振幅値を次のサンプリングタイミングまで保持（ホールド）した波形となる。
【００４２】
更に、ＬＰＦ３９ａから出力される信号ＦＩＬは、後段のＬＰＦ３９ｂを通過することで、高周波成分が除去されてより低周波数のＩＦ信号ＩＦとして出力される。このＩＦ信号ＩＦ＋，ＩＦ−の差電圧が、ＩＦ信号ＩＦの振幅に相当する。
【００４３】
そして、本実施形態の周波数変換部３０から出力されるＩＦ信号ＩＦと、サンプルホールド回路３７を通していないＩＦ信号ＩＦＤＩＲとを比較すると、ＩＦ信号のほうがその振幅が大きいことがわかる。これは、サンプルホールド回路３７によって、ミキサー３３の出力信号ＭＩＸが最大振幅となるタイミングでサンプリングされ、その次のタイミングまでの間、サンプリングした振幅値が保持されることで、該タイミング間での信号ＭＩＸの低下に伴うＩＦ信号の低下が緩和されるためである。これにより、従来と比較して、変換効率が向上されたサブハーモニック方式の周波数変換部３０が実現される。
【００４４】
［変形例］
なお、本発明の適用は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００４５】
（Ａ）タイミング信号ＳＡＭＰ
例えば、上述の実施形態では、サンプルホールド回路３７に入力するタイミング信号ＳＡＭＰを、局部発振信号Ｌｏの立ち上がりタイミングに同期したパルス信号としたが、立ち下がりタイミングに同期したパルス信号としても良いし、或いは、立ち上がり及び立ち下がりタイミングの両方に同期したパルス信号としても良い。
【００４６】
（Ｂ）ミキサー３３
また、上述の実施形態では、ミキサー３３を、ギルバート・セル或いはダブル・バランス型としたが、サブハーモニックミキサーであれば何れでも良い。
【００４７】
（Ｃ）受信装置
また、上述の実施形態では、ＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信装置としたが、例えばＧＬＯＮＡＳＳ（GLObal Navigation Satellite System）といった他の衛星測位システムにおける衛星信号を受信する受信装置にも同様に適用可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１  ＧＰＳ受信装置、１０  ＧＰＳアンテナ、２０  ＲＦ受信回路部、２１  ＳＡＷフィルター、２２  ＬＮＡ、２３  増幅部、２４  ＡＤＣ、３０  周波数変換部、３１  局部発振信号生成部、３３  ミキサー、３５  タイミング調整回路、３７  サンプルホールド回路、３９  ＬＰＦ、４０  ベースバンド部
【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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