JP2014103668A - 直交回路網及び直交信号生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの直交信号について、振幅を等しくすると共に位相関係が直交となるように自動的に調整可能とする。
【解決手段】直交回路網は、入力ＬＯ信号に対して、振幅が等しく位相関係が直交な２つの直交信号を生成する。ＲＣ回路が第１直交パスとなり、ＣＲ回路が第２直交パスとなる。ＲＣ／ＣＲ回路からの出力信号の振幅を検出し、振幅制御信号を生成する。制限増幅器３０及び３２は、これら出力信号の振幅を制限する。これら振幅制限出力信号間の位相差が検出されて、位相制御信号が生成される。振幅及び位相制御信号は、合成されて、ＲＣ／ＣＲ回路夫々の制御信号が生成されて、これらが自動的に整合され、２つの直交信号について、振幅を等しくすると共に位相を直交させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、直交周波数コンバータに関し、特に、位相及び振幅を検出し、直交周波数コンバータの出力信号中の位相エラー及び振幅エラーを除去する自動直交回路網に関する。

直交（Ｉ／Ｑ）周波数コンバータは、直交局部発振（ＬＯ）信号で駆動される１対のミキサを有し、これらの性能に依存している。このとき、直交ＬＯ信号とは、つまり、周波数が同じで、位相が９０度ずれた２つの信号のことである。望ましい結果を得るためのシンプルな方法は、２つの位相シフト・パスを有する直交回路網に単一の周波数を入力するもので、このとき、一方の位相シフト・パスが、シャント・コンデンサ（Ｃ）がつながった直列の抵抗（Ｒ）、つまり、ＲＣを有し、もう一方の位相シフト・パスが、シャント抵抗がつながった直列のコンデンサ、つまり、ＣＲを有している。もしこれら抵抗が等しく、また、これらコンデサが等しければ、その単一周波数の入力に関して、２つのパスの出力信号の振幅が等しく、位相が互いに直交するという、ある特定の周波数が存在する。その特定周波数以外では、位相関係は維持されるものの、振幅は変化する。

１つの局部発振器（ＬＯ）から互いに直交する信号を生成する１つの方法では、複数の振幅検出器とフィードバック制御ループとを利用し、これら直交信号間の振幅がマッチング（合致）するまで、ＲＣパス及びＣＲパス中の抵抗又はコンデンサの値を調整する。この方法は、米国特許第５６４４２６０号明細書（発明者：ダシルバ）及び英国特許第１３４５２７４号明細書（発明者：ラッツェル）で説明されている。

米国特許第５６４４２６０号明細書 英国特許第１３４５２７４号明細書 米国特許第４９０８５３２号明細書

しかし、この方法では、回路網の調整できない要素がマッチングしていなかったり、可変要素が正確に調整できなかったり、寄生要素が存在したりする場合に、位相関係を完全に直交にし、振幅を完全に等しくすることができない。例えば、理想的でないコンポーネント（例えば、抵抗Ｒが他の抵抗と比べて大きすぎたり、小さすぎたりする場合や、コンデンサＣに同じ問題がある場合など）のために、１つの直交信号パス中のＲＣ回路の周波数が低すぎる一方で、他方の直交信号パス中のＣＲ回路の周波数が高すぎるということが生じる。図１は、上述のダシルバによる米国特許第５６４４２６０号の実施形態における特性を示すグラフである。これは、特定の周波数（ここでは、１００ＭＨｚ）において、２つの直交信号の振幅は等しいが、２つの直交信号間の位相差（位相デルタ）は、その周波数スペクトラム（この例では１００ＭＨｚのＬＯ周波数において）を横切るときに変化することを示しており、その位相差は、９０度ではなく、１００度である。適切な位相関係を実現するため、ダシルバの米国特許第５６４４２６０号の図７の実施形態では、検出された振幅に合わせて、変動のないＶcal信号を利用して位相関係を調整しており、このとき、Ｖcal信号の値は、局部発振器から入力信号の特定周波数に関して、ルックアップ・テーブルに記憶された値から選択される。しかし、Ｖcal信号では、時間経過や温度が原因で生じる回路網のダイナミックな変化を考慮できないので、回路網を周波数について校正する必要が生じ、更に、もし校正ができなければ、ある程度の位相エラーが常に存在することになる。

上述以外の方法としては、もし振幅のマッチング（合致）が重要でなければ、位相検出器とフィードバック・ループを用いて、一方の直交（ＲＣ）パス又は他方の直交（ＣＲ）パスのどちらを、位相が完全に直交になるまで調整するというものがあり、これは、米国特許第４９０８５３２号（発明者：チャドウィック）に説明されている。しかし、振幅のマッチングを無視するというのは、信号が限られた段数の回路を通過するにしても、振幅エラーを起こすことになる。種々の振幅差が存在する広い範囲に渡って位相差が９０度なので、その範囲の一方の端部や他方の端部では、制限増幅器で振幅を制限できない信号に苦しむことになる。これは、２つのミキサ間のマッチングが悪化する原因となる。それは、２つのミキサそれぞれの入力端子において、局部発振器の信号レベルは同じではないからである。

そこで、局部発振器に由来する２つの直交信号について、振幅を等しくし、理想的な直交位相関係とするための、直交周波数コンバータ用の自動直交回路網が望まれている。

本発明は、位相及び振幅検出機能を有する自動直交回路網を提供するもので、これは、局部発振器に由来する２つの直交信号について、振幅を等しくし、理想的な直交位相関係を実現する。ＲＣ回路が第１の直交パスを提供し、ＣＲ回路が第２の直交パスを提供する。ＲＣ回路／ＣＲ回路の出力信号の振幅が検出されて、振幅制御信号が生成される。また、ＲＣ回路／ＣＲ回路の出力信号は、それぞれ振幅がリミッタで制限され、これらリミッタの出力端子における出力信号間の位相が検出されて、位相制御信号が生成される。これら振幅及び位相制御信号を合成し、ＲＣ回路／ＣＲ回路を自動的に整合（align）させるためのＲＣ回路／ＣＲ回路それぞれの制御信号を生成することで、２つの直交信号は、振幅が等しく、理想的な直交位相関係となる。

より具体的には、本発明の概念１は、所望周波数信号について振幅が等しく、位相が理想的に直交する直交出力信号を生成する自動直交回路網であって、
上記所望周波数信号を入力信号として１対の中間直交信号を夫々の出力端子に生成する１対の直交信号パスと、
上記中間直交信号夫々の振幅を検出し、振幅制御信号を生成する振幅検出手段と、
上記中間直交信号間の位相差を検出し、位相制御信号を生成する位相差検出手段と、
上記振幅及び位相制御信号を合成して、１対の上記直交パスを整合させる夫々の直交制御信号を自動的に生成し、上記直交出力信号を等しい振幅とし、位相を理想的な直交とする合成手段と
を具えている。

本発明の概念２は、上記概念１の自動直交回路網であって、このとき、１対の上記直交信号パスが、
上記所望周波数信号を入力信号とし、出力端子を有するＲＣ回路と、
上記所望周波数信号を入力信号とし、出力端子を有するＣＲ回路と、
上記ＲＣ及びＣＲ回路夫々の上記出力端子に結合された入力端子を有し、夫々の出力端子から上記中間直交信号を供給する上記ＲＣ及びＣＲ回路夫々の線形増幅器と
を有している。

本発明の概念３は、上記概念２の自動直交回路網であって、上記振幅検出手段が、
上記中間直交信号の１つを入力信号として、第１振幅信号を生成する第１ダイオード検出器と、
上記中間直交信号のもう１つを入力信号として、第２振幅信号を生成する第２ダイオード検出器と、
上記第１及び第２振幅信号を合成し、上記第１及び第２振幅信号の差分である振幅制御信号を出力端子に生成する合成手段と
を有している。

本発明の概念４は、上記概念３の自動直交回路網であって、このとき、上記位相差検出手段が、
上記中間信号の１つを受ける入力端子を夫々有し、夫々の出力端子に上記直交出力信号を生成する上記ＲＣ及びＣＲ回路夫々の制限増幅器と、
上記制限増幅器の上記出力端子に結合された入力端子と、位相差信号を生成する出力端子とを有する位相検出器と、
上記位相差信号を第１入力信号とし、グランド信号を第２入力信号として、位相制御信号を出力端子に生成する比較器と
を有している。

本発明の概念５は、上記概念４の自動直交回路網であって、このとき、上記合成手段が、
上記振幅及び位相制御信号を加算し、上記ＲＣ回路に関する第１制御信号を生成する加算手段と、
上記振幅及び位相制御信号の差分を生成し、上記ＣＲ回路に関する第２制御信号を生成する差分生成手段と
を有し、これによって、上記ＲＣ及びＣＲ回路を自動的に整合させ、上記直交出力信号の振幅を等しくし、位相を理想的に直交させることを特徴としている。

本発明の概念６は、夫々に入力される１つの周波数信号から複数の直交出力信号を生成するＲＣ直交パス及びＣＲ直交パスを有すると共に、上記ＲＣ直交パス及びＣＲ直交パス夫々からの上記直交出力信号の振幅を検出し、上記周波数信号に由来する上記直交出力信号の振幅が、特定周波数において確実に等しくなるようにする振幅制御信号を生成する振幅検出手段とを有する改良型直交回路網であって、
上記直交出力信号の振幅を制限し、制限直交出力信号を直交出力信号として生成する制限手段と、
上記制限直交出力信号間の位相差を検出し、位相制御信号を生成する位相差検出手段と、
上記振幅及び位相制御信号を合成し、上記ＲＣ直交パス及びＣＲ直交パスの夫々を自動的調整して、上記制限直交出力信号の振幅を等しくし、位相を理想的に直交させるのを確実にする合成制御信号を生成する合成手段と
を具えることを特徴としている。

本発明の概念７は、上記概念６の改良型直交回路網であって、このとき、上記位相差検出手段は、上記制限直交出力信号を入力信号とし、上記位相制御信号を出力信号とする位相検出器を有している。

本発明の概念８は、上記概念７の改良型直交回路網であって、このとき、上記合成手段は、
上記振幅検出手段及び上記位相検出器からの上記振幅及び位相制御信号を入力信号とし、上記ＲＣ直交パスを調整する上記振幅及び位相制御信号の和である第１合成制御信号を出力信号とする第１合成部と、
上記振幅検出手段及び上記位相検出器からの上記振幅及び位相制御信号を入力信号とし、上記ＣＲ直交パスを調整する上記振幅及び位相制御信号の差である第２合成制御信号を出力信号とする第２合成部と
を有し、上記第１及び第２合成制御信号は、上記制限直交出力信号の振幅を等しくし、位相を理想的に直交させるのを確実にする合成信号であることを特徴としている。

本発明の概念９は、上記概念８の改良直交回路網であって、このとき、上記制限手段は、
上記ＲＣ直交パスからの出力信号を入力信号として受けるように結合され、上記位相検出器の入力端子の１つに結合された出力端子に第１制限直交出力信号を生成する第１制限増幅器と、
上記ＣＲ直交パスからの出力信号を入力信号として受けるように結合され、上記位相検出器のもう１つの入力端子に結合された出力端子に第２制限直交出力信号を生成する第２制限増幅器と
を有し、このとき、上記第１及び第２制限直交出力信号が上記制限直交出力信号であることを特徴としている。

本発明の概念１０は、振幅が等しく位相が理想的に直交する直交信号を１つの周波数信号について自動的に生成する方法であって、
上記周波数信号を１対の直交信号パスに入力し、上記直交信号パス夫々の出力端子に１対に中間直交信号を生成するステップと、
上記中間直交信号夫々の振幅を検出し、振幅制御信号を生成するステップと、
上記中間直交信号間の位相差を検出し、位相制御信号を生成するステップと、
上記振幅及び位相制御信号を合成し、１対の上記直交パスを整合させる夫々の直交制御信号を自動的に生成することで、出力される上記直交信号について、振幅を等しくするとともに、位相を理想的に直交させるステップと
を具えている。

本発明の概念１１は、上記概念１０の方法であって、上記中間直交信号の振幅を制限し、制限直交信号を、位相差検出ステップで入力される上記中間直交信号として生成するステップを更に具えている。

本発明の目的、効果及び他の新規な点は、以下の詳細な説明を添付の特許請求の範囲及び図面とともに読むことによって明らかとなろう。

図１は、局部発振入力信号についての直交信号の振幅は確実に等しくする一方で、位相は理想的な直交関係にならない従来技術を説明するグラフである。 図２は、本発明による自動直交回路網のブロック図である。 図３は、本発明による自動直交回路網からの出力信号を描いたグラフである。

図２を参照すると、局部発振器（ＬＯ）からの信号が１対のパスに入力される。第１のパス（ＲＣ）は、グラウンドに結合された第１コンデンサ１４と直列な第１可変抵抗１２を有し、第２のパス（ＣＲ）は、グラウンドに結合された第２可変抵抗１８と直列な第２コンデンサ１６を有する。夫々のパスの抵抗／コンデンサ接続点は、夫々対応するバッファ線形増幅段２０及び２２の入力端子に結合される。増幅段２０及び２２からの出力信号は、夫々対応するダイオード・ピーク検出器２４及び２６に供給され、増幅段２０及び２２からの出力信号の振幅が夫々検出される。ダイオード・ピーク検出器２４及び２６からの振幅信号は、第１差動ＤＣ増幅器２８に入力され、その出力端子に現れる差分は、ＤＣ振幅制御信号であって、もし２つの信号の振幅が等しければゼロであるし、また、どちらの信号の振幅が大きいかに応じてプラスかマイナスのどちらの差分が現れる。

夫々の増幅段２０及び２２の後、これらパスは、夫々対応する制限増幅段３０及び３２を駆動し、これらの出力信号は、ＬＯ入力信号に対して所望の直交コンポーネント（ＬＯ−Ｉ及びＬＯ−Ｑ）となる。また、これら出力信号は、位相検出器３４にも入力される。位相検出器３４からの出力信号は、第２差動ＤＣ増幅器３６に入力され、第２差動ＤＣ増幅器３６の第２入力端子はグラウンドに接続される。第２差動ＤＣ増幅器３６は、位相制御信号を供給し、もし位相関係が理想的な直交位相であるならゼロとなり、もし位相関係が理想的な直交位相でないならゼロ以外となる。

差動ＤＣ増幅器２８及び３６夫々からのＤＣ制御信号は、夫々の合算回路網３８及び４０に入力される。このとき、一方は、加算器として動作し、他方は減算器として動作する。加算器３８からの出力信号は、第１パスの入力部にある第１可変抵抗１２を制御する一方、減算器４０からの出力信号は、第２パスにおけるグラウンドに接続された第２可変抵抗１８を制御する。ＬＯ−Ｉ及びＬＯ−Ｑの振幅が等しく、位相関係が理想的な直交であれば、差動ＤＣ増幅器２８及び３６の入力端子夫々におけるＤＣエラー信号はゼロまで低減し、ＤＣ制御信号はその値を維持する。

”現実”の環境では、直交パス夫々のＲＣ及びＣＲ回路は理想的ではなく、また、制限増幅器３０及び３２は、これら自身が入力信号振幅に応じた位相エラーを生じさせてしまう。ダシルバやチャドウィックによる上述の米国特許に示された従来技術は、どれもこうした問題に対して完全には答えていない。チャドウィックの米国特許の技術だけでは、位相検出器３４を調整可能範囲の中心にくるようにするものがなく、ＲＣ／ＣＲ回路は、位相を一定に維持しようとして、調整可能範囲の一端から他端までふらつく。結果的に、ＲＣ／ＣＲ回路は、夫々の調整可能範囲の一端へと追いやられ、ここから復帰するのが困難となる。ダシルバの米国特許の技術では、ＲＣ／ＣＲ回路が、単一の周波数でのみ、それらの振幅がバランスするので、そこに固定されるように機能する。しかし、それでも、理想的な直交位相関係を壊してしまう大きな位相エラーが生じることがあり、このエラーは自動的には修正できない。

図３は、振幅及び位相の両検出機能を用いて、２つの直交信号パスで生じるどのような位相／振幅エラーでも自動的に補正する図２の回路網で得られる結果のグラフを示す。この結果では、ＲＣ及びＣＲ回路が自動的に正しく整合されるため、ＬＯ周波数（この例では１００ＭＨｚ）において、振幅が等しく、また、全周波数範囲に渡って位相関係が９０度で一定である。この例のグラフでは、実線１０２はＲＣ回路の振幅を示し、実線１０４はＣＲ回路の振幅を示し、１００ＭＨｚで交差する（即ち、振幅が等しい）ことが示されている。また、破線１１２は、ＲＣ回路の位相を示し、１００ＭＨｚでは−４５度である。破線１１４は、ＣＲ回路の位相を示し、１００ＭＨｚでは＋４５度である。そして、破線１１２及び１１４間の位相差は、全周波数範囲に渡って９０度に維持されている。

このように、本発明は、ＲＣ／ＣＲ回路間の振幅差を検出すると共に、直交出力信号間の理想的な直交位相からの変位を検出してフィードバックする振幅及び位相の両方の検出機能を有する自動直交回路網を提供する。このとき、振幅差及び理想直交位相からの変位に基いて、ＲＣ／ＣＲ回路を整合させる自動制御信号が生成され、これにより、２つの直交信号の振幅を等しくするよう制御されると共に、これら直交信号間の位相関係が理想的な直交位相となるように制御される。

１２ 第１可変抵抗
１４ 第１コンデンサ
１６ 第２コンデンサ
１８ 第２可変抵抗
２０ バッファ線形増幅段
２２ バッファ線形増幅段
２４ ダイオード・ピーク検出器
２６ ダイオード・ピーク検出器
２８ 第１差動ＤＣ増幅器
３０ 制限増幅段（Limiting amplifier stage）
３２ 制限増幅段
３４ 位相検出器
３６ 第２差動ＤＣ増幅器
３８ 合算回路網（加算器）
４０ 合算回路網（減算器）

Claims (7)

1. 所望周波数信号について振幅が等しく、位相が理想的に直交する直交出力信号を生成する直交回路網であって、
   上記所望周波数信号を入力信号として１対の中間直交信号を夫々の出力端子に生成する１対の直交信号パスと、
   上記中間直交信号夫々の振幅を検出し、振幅制御信号を生成する振幅検出手段と、
   上記中間直交信号間の位相差を検出し、位相制御信号を生成する位相差検出手段と、
   上記振幅及び位相制御信号を合成して、１対の上記直交パスを整合させる夫々の直交制御信号を自動的に生成し、上記直交出力信号を等しい振幅とし、位相を理想的な直交とする合成手段と
   を具える直交回路網。
2. １対の上記直交信号パスが、
   上記所望周波数信号を入力信号とし、出力端子を有するＲＣ回路と、
   上記所望周波数信号を入力信号とし、出力端子を有するＣＲ回路と、
   上記ＲＣ及びＣＲ回路夫々の上記出力端子に結合された入力端子を有し、夫々の出力端子から上記中間直交信号を供給する上記ＲＣ及びＣＲ回路夫々の線形増幅器と
   を有することを特徴とする請求項１記載の直交回路網。
3. 上記振幅検出手段が、
   上記中間直交信号の１つを入力信号として、第１振幅信号を生成する第１ダイオード検出器と、
   上記中間直交信号のもう１つを入力信号として、第２振幅信号を生成する第２ダイオード検出器と、
   上記第１及び第２振幅信号を合成し、上記第１及び第２振幅信号の差分である振幅制御信号を出力端子に生成する合成手段と
   を有することを特徴とする請求項２記載の直交回路網。
4. 上記位相差検出手段が、
   上記中間信号の１つを受ける入力端子を夫々有し、夫々の出力端子に上記直交出力信号を生成する上記ＲＣ及びＣＲ回路夫々の制限増幅器と、
   上記制限増幅器の上記出力端子に結合された入力端子と、位相差信号を生成する出力端子とを有する位相検出器と、
   上記位相差信号を第１入力信号とし、グランド信号を第２入力信号として、位相制御信号を出力端子に生成する比較器と
   を有することを特徴とする請求項２又は３記載の直交回路網。
5. 夫々に入力される１つの周波数信号から複数の直交出力信号を生成するＲＣ直交パス及びＣＲ直交パスを有すると共に、上記ＲＣ直交パス及びＣＲ直交パス夫々からの上記直交出力信号の振幅を検出し、上記周波数信号に由来する上記直交出力信号の振幅が、特定周波数において確実に等しくなるようにする振幅制御信号を生成する振幅検出手段とを有する直交回路網であって、
   上記直交出力信号の振幅を制限し、制限直交出力信号を直交出力信号として生成する制限手段と、
   上記制限直交出力信号間の位相差を検出し、位相制御信号を生成する位相差検出手段と、
   上記振幅及び位相制御信号を合成し、上記ＲＣ直交パス及びＣＲ直交パスの夫々を自動的調整して、上記制限直交出力信号の振幅を等しくし、位相を理想的に直交させるのを確実にする合成制御信号を生成する合成手段と
   を具えることを特徴する直交回路網。
6. 上記合成手段は、
   上記振幅検出手段及び上記位相検出器からの上記振幅及び位相制御信号を入力信号とし、上記ＲＣ直交パスを調整する上記振幅及び位相制御信号の和である第１合成制御信号を出力信号とする第１合成部と、
   上記振幅検出手段及び上記位相検出器からの上記振幅及び位相制御信号を入力信号とし、上記ＣＲ直交パスを調整する上記振幅及び位相制御信号の差である第２合成制御信号を出力信号とする第２合成部と
   を有し、上記第１及び第２合成制御信号は、上記制限直交出力信号の振幅を等しくし、位相を理想的に直交させるのを確実にする合成信号であることを特徴とする請求項５記載の直交回路網。
7. 振幅が等しく位相が理想的に直交する直交信号を１つの周波数信号について自動的に生成する方法であって、
   上記周波数信号を１対の直交信号パスに入力し、上記直交信号パス夫々の出力端子に１対に中間直交信号を生成するステップと、
   上記中間直交信号夫々の振幅を検出し、振幅制御信号を生成するステップと、
   上記中間直交信号間の位相差を検出し、位相制御信号を生成するステップと、
   上記振幅及び位相制御信号を合成し、１対の上記直交パスを整合させる夫々の直交制御信号を自動的に生成することで、出力される上記直交信号について、振幅を等しくするとともに、位相を理想的に直交させるステップと
   を具える直交信号生成方法。

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