(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線波として送信されるＲＦ信号を信号成分として有する変調波を出力する信号変換装置であって、
前記ＲＦ信号の周波数よりも高い周波数のノイズ信号を生成するノイズ信号生成部と、
前記ＲＦ信号の周波数に基づいて、前記ノイズ信号生成部を制御する制御部と、
ベースバンド帯域の信号に対して前記ノイズ信号生成部で生成されたノイズ信号を合成する合成部と、
前記合成部で前記ノイズ信号が合成された信号に対してデルタシグマ変調又はダイレクト１ビット変調を行って、前記変調波を出力する変調部を備える、信号変換装置。
【請求項２】
前記変調部から出力された変調波に含まれる重畳ノイズ信号を除去するローパスフィルタをさらに備える、請求項１に記載の信号変換装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記ノイズ信号の周波数帯が前記ＲＦ信号の周波数帯の数倍から数百倍になるように制御する、請求項１又は２に記載の信号変換装置。
【請求項４】
バッファアンプを含む信号波形再生成回路をさらに備え、
前記変調波は、前記信号波形再生成回路を経由して出力される、請求項１から３のいずれかに記載の信号変換装置。
【請求項５】
前記バッファアンプは、ＣＭＯＳ構造を用いたものである、請求項４に記載の信号変換装置。
【請求項６】
少なくとも、前記ノイズ信号生成部と、前記制御部と、前記合成部と、前記変調部とが、高速ビット送信ポートを持つ１つのデジタル部品により構成されている、請求項１から５のいずれかに記載の信号変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、信号変換装置に関し、特に、無線及び有線で利用されるマイクロ波やその周辺の高周波数帯のアナログ信号、及び高速なデジタル信号を変換して出力する信号変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波やその周辺の高周波数帯のアナログ信号、および高速なデジタル信号の変換を行う信号変換装置が用いられている。
【０００３】
下記特許文献１には、バンドパス型デルタシグマ変調方式の信号変換装置により所望の搬送波周波数に変調した信号を送信することができる送信器の構成が記載されている。この送信器では、信号変換装置から出力された矩形波形信号（１ビット変調波信号）が、発振器で発生させた高精度の動作クロックによって動作するフリップフロップ回路を経由して出力されることで、矩形波形信号（１ビット変調波信号）の立ち上り波形及び立ち下がり波形の対称性が改善されるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１４０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のような信号変換装置において、信号を変換する際に量子化が行われると、量子化誤差の大きさが問題となる。量子化誤差が大きいと、量子化雑音が大きくなり、Ｓ／Ｎ比（ＳＮＲ（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ））が小さくなる。Ｓ／Ｎ比が小さい場合、必要な信号を取り出すには、雑音成分をカットするための狭帯域のフィルタを用いる必要がある。出力される信号の周波数が変更されるような用途においては、信号の周波数に合ったフィルタを用いる必要がある。
【０００６】
この発明はそのような問題点を解決するためになされたものであり、雑音成分が小さい信号を出力することができる信号変換装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するためこの発明のある局面に従うと、無線波として送信されるＲＦ信号を信号成分として有する変調波を出力する信号変換装置は、ＲＦ信号の周波数よりも高い周波数のノイズ信号を生成するノイズ信号生成部と、ＲＦ信号の周波数に基づいて、ノイズ信号生成部を制御する制御部と、ベースバンド帯域の信号に対してノイズ信号生成部で生成されたノイズ信号を合成する合成部と、合成部でノイズ信号が合成された信号に対してデルタシグマ変調又はダイレクト１ビット変調を行って、変調波を出力する変調部を備える。
【０００８】
好ましくは、信号変換装置は、変調部から出力された変調波に含まれる重畳ノイズ信号を除去するローパスフィルタをさらに備える。
【０００９】
好ましくは、制御部は、ノイズ信号の周波数帯がＲＦ信号の周波数帯の数倍から数百倍になるように制御する。
【００１０】
好ましくは、信号変換装置は、バッファアンプを含む信号波形再生成回路をさらに備え、変調波は、信号波形再生成回路を経由して出力される。
【００１１】
好ましくは、バッファアンプは、ＣＭＯＳ構造を用いたものである。
【００１２】
好ましくは、少なくとも、ノイズ信号生成部と、制御部と、合成部と、変調部とが、高速ビット送信ポートを持つ１つのデジタル部品により構成されている。
【発明の効果】
【００１３】
これらの発明に従うと、雑音成分が小さい信号を出力することができる信号変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態の１つにおける送受信器の概略構成を示す図である。
【図２】変換装置本体の概略構成を示すブロック図である。
【図３】ノイズ信号を重畳しない場合における変調波の周波数特性の一例を示す図である。
【図４】ノイズ信号を重畳する場合における変調波の周波数特性の一例を示す図である。
【図５】１ビット変調波信号の出力波形について説明する図である。
【図６】本実施の形態における信号の再生成について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態における信号変換装置を用いた送受信器の一例について説明する。
【００１６】
信号変換装置は、無線波として送信されるＲＦ信号を信号成分として有する変調波を出力する。変調波は、『０』『１』で表現されるデジタル信号であり、その波形は矩形波形を理想とするデジタル信号（１ビット変調波信号）である。送受信器は、この１ビット変調波信号をアンテナから外部に出力する。また、送受信器は、送信した信号の反射波を受信し、それに含まれる信号を信号変換装置に入力する。送受信器は、例えば、通信・放送装置や、レーダ装置や、センサ装置や、その他のマイクロ波応用と言われるような無線装置全般に用いられるものである。
【００１７】
［実施の形態］
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態の１つにおける送受信器の概略構成を示す図である。
【００１９】
図１に示されるように、送受信器１０１は、信号変換装置１と、フィルタ（ＦＩＬ）５３と、増幅器５７と、アンテナ１ａとを有している。信号変換装置１は、信号変換装置本体１０（以下、本体１０ということがある）と、バッファアンプ（信号波形再生成回路の一例）２１とを有している。本体１０と、バッファアンプ２１と、フィルタ５３と、増幅器５７とは、この順に直列に接続されている。
【００２０】
なお、図１においては、送受信器１０１に含まれる、信号の送信時に用いられる主要な構成要素のみが示されている。これらの構成要素のほか、フィルタや他の回路素子等が含まれていてもよい。
【００２１】
本体１０は、例えば、高速で動作可能なトランシーバポートを有するＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）である。本体１０は、予め設定されたプログラムに基づいて、種々の動作を行う。すなわち、本体１０の各部は、本体１０がプログラムを実行することにより動作を行う。
【００２２】
図２は、変換装置本体１０の概略構成を示すブロック図である。
【００２３】
図２に示されるように、本体１０には、ノイズ信号生成部１１と、制御部１２と、合成部１５と、変調部１７とが含まれている。変調部１７及びノイズ信号生成部１１は、制御部１２により制御され、駆動される。なお、本体１０には、他の機能を行う部分も設けられていてもよい。
【００２４】
本体１０は、送信するＲＦ信号を含む変調波を１ビット変調波信号Ｓ１として出力する。本体１０から出力された１ビット変調波信号Ｓ１は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１８を経由してバッファアンプ２１に入力される。バッファアンプ２１は、例えばＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）を用いた構造を有するものであり、１ビット変調波信号Ｓ１の周波数帯のような高周波帯で動作可能なものである。バッファアンプ２１は、１ビット変調波信号Ｓ１を、再生成された１ビット変調波信号Ｓ１ａとして出力する（信号の再生成）。信号の再生成については、後述する。
【００２５】
本体１０には、例えば、送信対象となる情報を含むベースバンド帯域のデジタル信号（標本化された信号）が入力される。本体１０において、制御部１２による制御に基づいて、変調部１７で、ベースバンド帯域デジタル信号が１ビットデジタル信号に変換（変調）される。このとき、ベースバンド帯域デジタル信号は、合成部１５を経由して変調部１７に入力される。変調部１７は、入力された信号を、１ビットデジタル方式の信号に変換する。そして、本実施の形態において、変調部１７は、デジタル信号を、例えば、公知の方式であるバンドパスデルタシグマ変調（ＢＰＤＳＭ）方式により変調する。すなわち、変調部１７は、ベースバンド帯域デジタル信号について量子化及び変調を行って、１ビット信号としての変調波信号を本体１０から出力する。出力された１ビット変調波信号は、ローパスフィルタ１８を経由してバッファアンプ２１に入力される（１ビット変調波信号Ｓ１）。なお、変調部１７は、ローパスデルタシグマ変調方式などの他のデルタシグマ変調方式や、高速標本化１ビット変調方式（ダイレクト１ビット変調方式）により１ビット変調波信号を生成してもよい。
【００２６】
本実施の形態において、合成部１５では、ノイズ信号生成部１１により生成されたノイズ信号（ディザ信号）が、入力されたデジタル信号に合成される。ノイズ信号生成部１１は、ＲＦ信号の周波数帯よりも高い周波数帯のノイズ信号を生成する。具体的には、ノイズ信号は、変調波信号帯域の数倍から数百倍の周波数の信号である。換言すると、制御部１２は、ノイズ信号の周波数帯がＲＦ信号の周波数帯の数倍から数百倍になるように、ノイズ信号生成部１１を制御する。
【００２７】
ノイズ信号生成部１１は、量子化雑音を白色化する確率変数を持ったノイズ信号を生成する。主信号周波数の１５倍程度の周波数のノイズ信号を合成することで、２３ｄＢ程度のＳＮＲの改善効果が得られることがわかっている（大賀寿郎・山崎芳男・金田豊著  社団法人電子情報通信学会編  （１９９５）  音響システムとディジタル処理  電子情報通信学会）。このような場合、１５倍のディザ効果が得られると考えられる。すなわち、振幅換算で分解能が増加して１５倍になり、エネルギー換算で２２５倍（２３ｄＢ）の改善効果が得られると推測できる。このようなディザ信号の合成は、量子化雑音の無相関化（白色雑音化）を目的として行われるものであり、厳密には、ディザ効果は、量子化雑音の帯域特性およびスペクトル分布特性にも依存する。そのため、ＳＮＲ改善効果は単純なものではない。
【００２８】
ローパスフィルタ１８は、このようにして生成されるノイズ信号の周波数帯を含む周波数帯域について、レベルをカットするように設定されている。なお、ローパスフィルタ１８に代えて、変調部１７から出力された変調波に含まれる重畳ノイズ信号を除去する重畳ノイズ信号減算回路が用いられていてもよい。
【００２９】
本実施の形態では、このようにノイズ信号が重畳されていることにより、送信する変調波のＳＮＲを大幅に改善することができる。
【００３０】
図３は、ノイズ信号を重畳しない場合における変調波の周波数特性の一例を示す図である。図４は、ノイズ信号を重畳する場合における変調波の周波数特性の一例を示す図である。
【００３１】
図３及び図４のそれぞれにおいて、上側には入力信号の量子化を説明するグラフが示されており、下側には周波数特性の一例を示すグラフが示されている。
【００３２】
本体１０で量子化が行われる場合には、量子化誤差が発生する。量子化誤差は、量子化雑音の発生に繋がる。
【００３３】
すなわち、ノイズ信号を重畳しない場合には、図３の上側において斜線部として示されるように、量子化を行うビット深度に応じて、量子化の対象となるアナログ信号との差が量子化誤差となる。量子化誤差は、図３の下側に示されるように、本来伝送する必要があるＲＦ信号の周波数帯の前後に比較的高いレベルをもつ量子化雑音となる。すなわち、量子化誤差があることにより、ＲＦ信号のＳＮＲが低くなる。
【００３４】
これに対して、ノイズ信号を重畳する場合には、図４の上側に示されるように、統計的に、量子化誤差の発生量が低下する。そのため、図４の下側に太線で示されるように、特にＲＦ信号の周波数帯において、量子化雑音を低下させることができ、雑音のエネルギーをより高い周波数領域に移動させることができる（ディザ信号；重畳ノイズ信号）。変調波に含まれる重畳ノイズ信号は、ローパスフィルタ１８により除去される。したがって、狭帯域フィルタ等を用いることなく、雑音成分を容易に除去することができる。したがって、ＲＦ信号のＳＮＲを高くし、ＲＦ信号の品質を高くすることができる。
【００３５】
以上のように、本実施の形態においては、オーディオ分野において行われているノイズ信号を重畳する技術が、無線分野において用いられている。オーディオ分野においては、１００ｄＢ程度の比較的高いＳＮＲが求められるため、例えば２０ｋＨｚ程度の信号に対して、１万倍の２００ＭＨｚ程度のディザ信号が用いられる。これに対して、無線分野における周波数帯はこれとは大きく異なり、ＳＮＲ改善量は１０−４０デシベル程度があれば足りる。そのため、ＲＦ周波数の数倍から数百倍の周波数帯のノイズ信号を重畳すればよい。したがって、特別な回路を追加することなく、ノイズ信号生成部１１を構成して、ディザを適用した処理を実現することができる。例えば、５００ＭＨｚのＲＦ信号であれば、ディザ信号は５ＧＨｚ帯域の周波数の信号とすれば、十分な効果を得ることができる。
【００３６】
また、本実施の形態において、本体１０は、ＦＰＧＡを用いて構成することができる。したがって、信号変換装置１やそれを用いた送受信器１０１の構成を簡素にすることができる。
【００３７】
ここで、本体１０から出力された１ビット変調波信号Ｓ１は、バッファアンプ２１を経由したうえで信号変換装置１から出力される（再生成された１ビット変調波信号Ｓ１ａ）。バッファアンプ２１により信号の再生成動作が行われることにより、次のような効果が得られる。
【００３８】
図５は、１ビット変調波信号Ｓ１の出力波形について説明する図である。
【００３９】
図５において、上側のグラフは、本体１０から出力される１ビット変調波信号Ｓ１の波形例を示す。下側は、従来技術の一例を比較例として示す。すなわち、下側は、１ビット変調波信号Ｓ１に対して、それに同期した所定のタイミングでフリップフロップ回路を駆動させることで信号の対称性の改善を図った後の１ビット変調波信号の波形例である。なお、ここでは、１ビット変調波信号Ｓ１の周波数が２０Ｇｂｐｓ（１０ＧＨｚ）である場合の例が示されている。
【００４０】
図５の上側のグラフにおいて、１ビット変調波信号Ｓ１の振幅は８０ｍＶｐ−ｐ程度である。すなわち、本体１０から出力される１ビット変調波信号Ｓ１は、振幅が小さくなり、ＳＮＲが小さくなっている。この原因の１つは、本体１０を構成するＦＰＧＡの一般的な構造が挙げられる。すなわち、ＦＰＧＡにおいては高周波信号を扱うことがそれほど想定されておらず、グランド電位が離れており、インピーダンス整合が十分には取られていないことによる。このような本体１０から出力される１ビット変調波信号Ｓ１は、このままでは、アンテナ１ａから出力する変調波に用いるのには適さない。
【００４１】
これに対して、図５の下側に示されるような比較例では、フリップフロップ回路を用いて信号の対称性が改善されると同時に、１ビット変調波信号の振幅が、８００ｍＶｐ−ｐ程度まで増加している。すなわち、フリップフロップ回路やそれを駆動するためのクロック信号生成回路を設けることにより、アンテナ１ａから出力する変調波として利用可能な信号が得られている。しかしながら、このようにしてＧＨｚ帯域での高いＳＮＲを得るためには、１ビット変調波信号Ｓ１に完全に同期した高周波のクロック信号を用意する必要がある。そのため、装置構成が複雑になり、信号変換装置１の製造コストが高くなるという問題があった。
【００４２】
また、図５の上側に示されるように、特に周波数帯が高い場合には、「１」と「０」とが急激に減衰するため、１ビット変調波信号Ｓ１が矩形波状にならず正弦波のような波形に近くなることがある。１ビット変調波信号Ｓ１が正弦波のように常時変化するような波形となる場合において、フリップフロップ回路を用いて信号の対称性を改善するように１ビット変調波信号Ｓ１とクロック信号との同期をとることは、困難であるという問題もある。
【００４３】
図６は、本実施の形態における信号の再生成について説明する図である。
【００４４】
本実施の形態においては、特に高周波のクロック信号やフリップフロップ回路等を用いることなく、バッファアンプ２１により、１ビット変調波信号Ｓ１が再生成されて出力される。すなわち、図６に示されるように、１ビット変調波信号Ｓ１の振幅が小さくても、バッファアンプ２１を経由して出力された再生成された１ビット変調波信号Ｓ１ａは、振幅が１０００ｍＶｐ−ｐ程度と大きく確保される。バッファアンプ２１を用いることにより、「０」「１」のデジタル信号波高値を増幅することができる。すなわち、バッファアンプ２１を用いることにより、通常の増幅器を用いる場合とは異なり、信号成分のみを大きくすることができるので、変調波のＳＮＲを大幅に改善し、高品質の信号を出力することができる。
【００４５】
ここで、本実施の形態においては、バッファアンプ２１を用いた信号波形再生成回路を用いているところ、１ビット変調波信号Ｓ１の波形の対称性は相対的に改善されている。かつ、信号波形再生成回路を用いることで、１ビット変調波信号Ｓ１の信号純度（ＳＮＲ）は改善している。換言すると、１ビット変調波信号Ｓ１のＳＮＲを高くするためには、従来のような信号の対称性を改善する回路は必ずしも設けなくてもよく、バッファアンプ２１を含む信号波形再生成回路を設けることで足りるといえる。従来のような、フリップフロップ回路等のタイミング信号を出力するクロック回路や、タイミング信号を同期させる回路等を設ける必要はなく、簡素な機器構成で、品質のよい信号を出力させることができる。
【００４６】
［その他］
【００４７】
信号変換装置のハードウェア構成は上述に限られるものではない。信号変換装置の本体は、ＦＰＧＡが用いられていなくてもよい。信号変換装置の本体は、予め設定されたプログラムに基づいて種々の動作を行うように、高速ビット送信ポートを持つ１つのデジタル部品や、高速でビット送信を行うことができるＣＰＵ、ＵＳＢやＡＳＩＣなどにより構成されていてもよい。また、送受信器は、１つで用いられるものに限られず、送受信器を複数並べた、フェーズドアレイアンテナやマッシブＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ  Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ  Ｏｕｔｐｕｔ）など、多数のアンテナを用いるような装置に利用することができる。この場合、１つのＦＰＧＡを用いて、複数の１ビット変調波信号のそれぞれを出力できるようにしてもよい。さらに、エネルギー応用の分野において、マイクロ波エネルギー送信器（発振器）に、このような技術を、マイクロ波エネルギーの位相と振幅をデジタル的にコントロールできる小型で高効率な技術として適用してもよい。
【００４８】
上述において、ノイズ信号を、量子化の対象となる、標本化されたアナログ信号に合成するようにしてもよいし、ベースバンド帯域でデジタル化されたアナログ信号にノイズ信号を合成し、量子化されるようにしてもよい。アナログ信号が変換装置本体に入力される場合は、そのアナログ信号をデジタル信号化するアナログデジタル変換回路が変換装置本体に設けられていればよい。また、信号変換装置は、外部から入力されたベースバンド帯域の信号についてノイズ信号を合成したり変調したりする処理を行うものに限られず、信号変換装置の内部で生成されたベースバンド帯域の信号について処理を行うものであってもよい。
【００４９】
上述の実施の形態における処理は、ソフトウェアによって行っても、ハードウェア回路を用いて行ってもよい。
【００５０】
上述の実施の形態における処理を実行するプログラムを提供することもできるし、そのプログラムをＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録してユーザに提供することにしてもよい。プログラムはインターネットなどの通信回線を介して、装置にダウンロードするようにしてもよい。上記のフローチャートで、文章で説明された処理は、そのプログラムに従ってＣＰＵなどにより実行される。
【００５１】
上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５２】
１  信号変換装置
１ａ  アンテナ
１０  信号変換装置本体
１１  ノイズ信号生成部
１２  制御部
１５  合成部
１７  変調部
１８  ローパスフィルタ
２１  バッファアンプ（信号波形再生成回路）
１０１  送受信器
Ｓ１  １ビット変調波信号（変調波）
Ｓ１ａ  バッファアンプを経由した１ビット変調波信号
【図１】
0006627019.tif 000002
【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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