JP2010130629A - 周波数シンセサイザ及び電子回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超広帯域である５２８ＭＨｚの帯域幅を持つ複数の信号を高速に切り替え可能で、更にバンドグループ及びサブバンドを任意に設定・切り替えが可能な、周波数ホッピング通信の技術を提供する。
【解決手段】周波数シンセサイザは、基準信号発生器１が単一の基準周波数ｆ１を出力しており、中心周波数生成手段２に入力される。さらに、中心周波数生成手段２からはオフセット周波数生成手段３及びミキサ４にそれぞれ周波数ｆ２及びｆ３（中心周波数及び基準周波数）の信号が出力され、オフセット周波数生成手段３からはミキサ４に周波数ｆ４（オフセット周波数）の周波数が出力される。そして、ミキサ４にて周波数ｆ３及びｆ４が周波数ミキシングされ、周波数ｆ５の信号を合成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、周波数シンセサイザに関し、さらに詳しくは、基準周波数を元にして、必要とする周波数を生成する周波数シンセサイザに関わるものであり、特に、ＵＷＢ帯におけるマルチバンドＯＦＤＭ方式の通信に関して、ＵＷＢ全帯域（３．１〜１０．６ＧＨｚ）を利用することに注目した周波数シンセサイザに関するものである。

一般に無線通信システムは、データの送受を行うために所定の周波数帯域を用いる。例えば、広くワイヤレスLocal Area Network（ＬＡＮ）の米国標準として知られるＩＥＥＥ８０２．１１ｇでは、２．４ＧＨｚから２．４７ＧＨｚの周波数帯を用い、通信距離５０〜１００ｍの範囲で最大の伝送速度として５４Ｍｂｐｓを達成する。
しかしながら、一般のユーザのデータに対する要求は年々高まり、高精細静画像のほか音楽データや動画像データを短時間にユーザの携帯機器へダウンロードすることが強く期待されている。この要求に応える１つの技術が超広帯域（Ultra Wide Band：ＵＷＢ）無線通信である。ＵＷＢ無線通信は、２００２年４月に米国連邦通信委員会がＵＷＢの商用利用を許可して以来、多くの機関が研究開発を進めている。

具体的には、マルチキャリア方式に、直交周波数分割多重方式（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：ＯＦＤＭ）を用いた、超広帯域通信システム（ＵＷＢ）が、米国のＩＥＥＥの８０２．１５ａ規格に提案された。その後、このＵＷＢは、Multi-Band OFDM Alliance（：ＭＢＯＡ）にて、Multi-Band OFDM（：ＭＢ−ＯＦＤＭ、マルチバンドＯＦＤＭ）と呼ばれている。
ＵＷＢ無線通信に関しては、近年、屋内通信に向けてこのマルチバンドＯＦＤＭ方式を用いたＵＷＢ無線通信用の周波数配置が提案されている。このマルチバンドＯＦＤＭ方式を用いたＵＷＢ無線通信用の周波数配置（サブバンド構造）を図１７に示す。図１７に示すように、マルチバンドＯＦＤＭではＵＷＢの民生利用帯域として解放された３．１〜１０．６ＧＨｚの周波数帯を１４のサブバンドに分割し、これらのサブバンドのうちの幾つかを組み合わせて利用している。

具体的には、３４３２ＭＨｚを中心周波数とし５２８ＭＨｚの帯域幅を有する第１のサブバンドから、１０２９６ＭＨｚを中心周波数とする同じく５２８ＭＨｚの帯域幅を有する第１４のサブバンドまで分割されている。これらサブバンドは３つのサブバンド毎にグループ化され、第１から第３、第４から第６、第７から第９、第１０から第１２、そして第１３と第１４で形成する５グループで構成する。各サブバンドの中心周波数は、低い周波数から順に、３４３２、３９６０、４４８８、５０１６、５５４４、６０７２、６６００、７１２８、７６５６、８１８４、８７１２、９２４０、９７６８、１０２９６（単位：ＭＨｚ）である。各バンドグループ毎にピコネットと称す通信ネットワークを形成される。
通信時はある１つのバンドグループを利用し、バンドグループ内の３つのサブバンドを３１２．５ｎＳ毎に切り替えながら、即ち周波数ホッピングさせながら、ＯＦＤＭシンボルを伝送する。これらにより、伝送速度が大きく、かつ超広帯域にスペクトラム拡散された無線信号を実現している。周波数ホッピング時の搬送波周波数切り替えに許容される時間は最大９．５ｎＳと規定されている。このような高速な周波数ホッピングを用いた送受信機には、高速な周波数切り替えが可能なローカル信号発生器が必要である。
発振周波数を切り換えることの出来る周波数シンセサイザとしてよく知られた公知技術に、位相同期ループ（ＰＬＬ）を用いたものがある。ＰＬＬは、ループ内に持つ分周比Ｎの分周器によって、基準となるクロックのＮ倍の周波数を持つ出力クロックを得ることができる周波数逓倍回路である。そこで、上記分周比Ｎをセレクタ等で変更できるようにすれば、出力クロックの周波数を切り換えることが出来る。また基準となるクロックを水晶発信器で生成すれば高精度の出力クロックを得ることが出来る。

しかしながら、上記分周比Ｎを切り換えてからＰＬＬの出力周波数が所望の値にロックするまでには、ＰＬＬ内にあるローパスフィルタで決まる時定数だけの時間がかかり、数ｍＳ要する欠点がある。この時定数には基準クロックによって決まる上限周波数があるため、ロックするまでにある一定の時間（一般的には数百マイクロ秒）がかかってしまう。さらに９．５ｎＳ以内に周波数切り替えを完了するには、９．５ｎＳの間に複数回の位相比較動作が必要となるため、位相比較周波数は少なくともＧＨｚ前後のオーダとなり、移動体無線通信に要求される位相雑音特性と消費電力、コストを全て満足させることは困難である。またこれだけ広帯域に周波数を可変でき、かつ無線通信用途に耐える位相雑音特性を有する電圧制御発振器が実現困難である。
従って、従来の周波数ホッピングシステムに用いられる、高速な周波数ロックの可能なＰＬＬ周波数シンセサイザを利用する方式では、９．５ｎＳ以内の周波数ホッピングは不可能である。以上の背景から、ＵＷＢ無線通信用の搬送波信号を広い周波数範囲にわたって生成するための技術開発が必要となる。

従来技術として特許文献１には、無線送受信装置が超広帯域信号を高速に切り替えるＵＷＢ方式の周波数ホッピング通信機能を備え、本装置では、局部発振回路における位相切り替えスイッチの制御によるＳＳＢミキサの入力端子の信号入力を切り替えと共に、四相直交信号を切り替えにより、高速に周波数ホッピングする。また、ＳＳＢミキサの出力端子から、第１及び第２の四相直交信号を混合した和成分または差成分のいずれかを出力する周波数ホッピング通信用ＩＣについて開示されている。
また、特許文献２には、超広帯域で使用する搬送波周波数を生成するための構成において、低位相雑音化と低消費電力化を同時に実現する周波数シンセサイザについて開示されている。
また、特許文献３には、高精度に生成された基準クロックを元に、デジタル的な演算とＤ／Ａコンバータ、ローパスフィルタを用いて所望の周波数の正弦波信号を発生させ、その正弦波信号を元の基準クロックとミキシングし、適切なフィルタを通す事で所望の周波数の正弦波を生成する事ができる周波数シンセサイザについて開示されている。
特開２００７−２９５０６６公報 特開２００７−３２９８０４公報 特開２００７−２１５０３９公報

しかし、特許文献１と３の従来技術では、バンドグループ１又は６３３６ＭＨｚ〜７３９２ＭＨｚ帯のみの利用であり、ＵＷＢ帯全域（〜１０．６ＭＨｚ）を活用していない。多数のユーザへ高速データ伝送用無線通信を提供するためには、約３ＧＨｚから約１０ＧＨｚまでおよぶＵＷＢ帯域に設けられたサブバンド（計１４つ）を広く用いてピコネット数を増やすことが必要である（他の無線システムとの干渉避けるため）。そのため、ＵＷＢ信号を送受信する無線回路では、受信信号の復調と送信信号の変調の目的で第１から第１４のサブバンド周波数を搬送波信号として生成することが必要となる。この観点から、ＵＷＢ帯全域を活用しないことは高速データ伝送用無線通信を実現するにあたってボトルネックとなる。
また、特許文献２の従来技術では、高周波域で６つ以上のＳＳＢミキサが必要であり、このようなＳＳＢミキサはチップ面積と消費電力の大きい素子であるので、全体のチップサイズが増大する。また、２分周器も７つ以上（３分周器及び５分周器で使用されるため）と多く、高周波用（２つ）では共振負荷用のインダクタが必要であり、チップ面積の増加と、消費電流の増加を招くといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、基準周波数が１つであること、高周波を扱うＳＳＢミキサの数及びＳＳＢミキサのカスケード接続される数を抑えること、バンドグループを決定してからバンドを決定する（ホッピングする）こと等に注目し、超広帯域である５２８ＭＨｚの帯域幅（周波数切り替え幅）を持つ複数の信号を高速に切り替え（サブバンドの切り替え）可能で、更にバンドグループ及びサブバンドを任意に設定・切り替えが可能な、周波数ホッピング通信の技術を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、単一周波数である基準周波数を有する基準信号を元に周波数を合成する周波数シンセサイザであって、前記基準信号を出力する基準信号発生器と、該基準信号発生器が出力する基準信号を元に中心周波数を生成する中心周波数生成手段と、該中心周波数生成手段より生成された周波数を元にオフセット周波数を生成するオフセット周波数生成手段と、複数の周波数を合成する第１のミキサと、を備え、前記第１のミキサは、前記中心周波数生成手段で生成された中心周波数と、前記オフセット周波数生成手段で生成されたオフセット周波数と、を合成した周波数を出力することを特徴とする。
請求項２は、前記中心周波数生成手段が、周波数分周手段と周波数ミキシング手段により構成され、前記周波数分周手段は、前記基準周波数を分周した分周信号及び前記基準信号を出力し、前記周波数ミキシング手段は、前記基準信号と前記分周信号とを周波数ミキシングすることを特徴とする。
請求項３は、前記周波数分周手段から生成される生成周波数が３つ以上の場合、前記周波数ミキシング手段は、周波数ミキシングするための第２のミキサを２つ以上有し、各第２のミキサからの変調信号及び前記基準信号を選択して前記第１のミキサに出力することを特徴とする。

請求項４は、前記周波数分周手段の生成周波数が２つの場合、前記周波数ミキシング手段では、周波数ミキシングするための前記第２のミキサを１つ有し、前記第２のミキサの変調信号及び前記基準信号を選択して前記第１のミキサに出力することを特徴とする。
請求項５は、前記周波数分周手段が、第１の二分周器と第３のミキサにより構成されることを特徴とする。
請求項６は、前記オフセット周波数生成手段に入力される信号を、前記周波数分周手段から得ることを特徴とする。
請求項７は、前記オフセット周波数生成手段の生成周波数が２つ以上であり、該出力を選択して前記オフセット周波数として前記第１のミキサに出力することを特徴とする。
請求項８は、前記オフセット周波数生成手段が出力するオフセット周波数が１つであることを特徴とする。
請求項９は、前記オフセット周波数生成手段が、第２の二分周器及び第４のミキサにより構成されることを特徴とする。
請求項１０は、前記第１及び第２の二分周器が２つのラッチで構成されることを特徴とする。

請求項１１は、前記ラッチがコモンモードロジックであることを特徴とする。
請求項１２は、前記第１乃至４のミキサでの片側波帯を、ダブルバランスミキサとバンドパスフィルタにより構成して生成することを特徴とする。
請求項１３は、前記第１乃至４のミキサでの片側波帯を、約９０°位相シフトのある信号を扱うシングルサイドバンドミキサにより構成して生成することを特徴とする。
請求項１４は、前記基準信号発生器がＰＬＬにより構成されていることを特徴とする。
請求項１５は、前記ＰＬＬ内の位相比較器に帰還させる信号を前記中心周波数生成手段から得ることを特徴とする。
請求項１６は、前記ＰＬＬ内の位相比較器に帰還させる信号を前記オフセット周波数生成手段から得ることを特徴とする。
請求項１７は、マルチバンドＯＦＤＭ方式に関わる無線通信において、ＵＷＢ全帯域を利用することを目的とする請求項１乃至１６の何れか一項に記載の周波数シンセサイザを有することを特徴とする。

本発明によれば、基準信号発生器１は単一の基準周波数ｆ１を出力しており、中心周波数生成手段２に入力される。さらに、中心周波数生成手段２からはオフセット周波数生成手段３及びミキサ４にそれぞれ周波数ｆ２及びｆ３（中心周波数及び基準周波数）の信号が出力され、オフセット周波数生成手段３からはミキサ４に周波数ｆ４（オフセット周波数）の周波数が出力される。そして、ミキサ４にて周波数ｆ３及びｆ４が周波数ミキシングされ、周波数ｆ５の信号を合成している。このことによって、周波数ｆ３をバンドグループの中心周波数（図１にて囲い線がある周波数）、周波数ｆ４をバンドグループ内での隣接するサブバンドと捉えれば、バンドグループを決定してからバンドを決定する（ホッピングする）ことが可能となる（バンドグループを決める中心周波数とその中心周波数を軸に各バンドをホッピングするという形）。つまり、切り替えの命令（信号）が与えられたとき、その命令のみで直接バンドを切り替えることが出来る。これは、バンドを切り替える際に、周波数の選択が一箇所のみで済むことを示している。さらに中心周波数生成手段２及びオフセット周波数生成手段３内において、周波数ミキシング後のバンドパスフィルタの中心周波数や、あるいは出力部のセレクタを変化させれば、基準信号の周波数を変更する事無く周波数切り換えを行えるので、高速な周波数切り換えを実現する事が出来る。また、基準周波数も１つで実現出来る。

また、実施形態１における中心周波数生成手段２が、周波数分周手段２ａと周波数ミキシング手段２ｂで構成される形となっており、周波数分周手段２ａからは基準周波数ｆ１及びそれを分周した周波数ｆ１ａを持つ信号が周波数ミキシング手段２ｂに出力されている。さらに比較的周波数の高い基準周波数ｆ１を分周することで、基準周波数ｆ１及び基準周波数ｆ１より低い周波数を複数用意し、これらを周波数ミキシングすることで所望の中心周波数を得ることが出来る。周波数分周手段２ａにより周波数の低い信号を初段で扱うことで、インダクタを用いた共振負荷回路を必要とするＳＳＢミキサ等の数を低く抑えることが可能となる。
また、周波数分周手段２ａの生成周波数を３つ以上、周波数ミキシング手段２ｂにおいて周波数ミキシングするための第２ミキサを２つ以上有し、第２ミキサの変調信号及び基準信号を選択し第１ミキサに出力することで、１４つのサブバンドの生成が可能である。基準周波数は７１２８ＭＨｚであり、周波数分周手段２ａと周波数ミキシング手段２ｂによりバンドグループの中心周波数（計５つ）が合成されている。さらに、ＣＭＯＳトランジスタを使用したとして周波数特性によりゲインが低下する周波数（５ＧＨｚ以上とする）を出力するＳＳＢミキサをカウントすると、ミキサ４を含めＳＳＢミキサは４つで実現できる。これは周波数分周手段２ａにおいて、７１２８ＭＨｚという信号から３１６８ＭＨｚ及び１５８４ＭＨｚという信号を生成するには５ＧＨｚ以上の信号を扱うＳＳＢミキサは多くても１つであるからである。５２８ＭＨｚの信号については周波数分周手段２ａにおける比較的周波数の低い信号から生成すれば良く、高周波信号を出力するＳＳＢミキサは必要ない。ＳＳＢミキサが４つで済むことはサイズが大きい素子である共振用インダクタの数が減少することになるので、チップサイズの増大を抑え、コスト面での利点が得られる。

また、周波数分周手段２ａの生成周波数が唯２つであり、周波数ミキシング手段２ｂにおいて周波数ミキシングするための第２ミキサを唯１つ有し、第２ミキサの変調信号及び基準信号を選択し第１ミキサに出力することで、１４つのサブバンドの生成が可能である。基準周波数は６６００ＭＨｚであり、周波数分周手段２ａと周波数ミキシング手段２ｂにより周波数（計３つ）が合成されている。さらに、ＣＭＯＳトランジスタを使用したとして周波数特性によりゲインが低下する周波数（５ＧＨｚ以上とする）を出力するＳＳＢミキサをカウントすると、ミキサ４を含めＳＳＢミキサは３つで実現できる。これは周波数分周手段２ａにおいて、６６００ＭＨｚという信号から２６４０ＭＨｚという信号を生成するには５ＧＨｚ以上の信号を扱うＳＳＢミキサは多くても１つであるからである。５２８ＭＨｚ及び１０５６ＭＨｚの信号については周波数分周手段２ａにおける比較的周波数の低い信号から生成すれば良く、高周波信号を出力するＳＳＢミキサは必要ない。このようなＳＳＢミキサが３つで済むことはサイズが大きい素子である共振用インダクタの数が減少することになるので、チップサイズの増大を抑え、コスト面での利点が得られる。
また、周波数分周手段２ａが、第１二分周器と第３ミキサで構成されることで、１４つのサブバンドの生成が可能である。基準周波数は６６００ＭＨｚであり、周波数分周手段２ａと周波数ミキシング手段２ｂにより周波数（計３つ）が合成されている。さらに、ＣＭＯＳトランジスタを使用したとして周波数特性によりゲインが低下する周波数（５ＧＨｚ以上とする）を出力するＳＳＢミキサをカウントすると、ミキサ４を含めＳＳＢミキサは３つで実現できる。また、必要とする分周器は基本的な２分周器のみで構成可能である。ＳＳＢミキサが３つで済むことはサイズが大きい素子である共振用インダクタの数が減少することになるので、チップサイズの増大を抑え、コスト面での利点が得られる。

また、オフセット周波数生成手段３に入力される信号を、周波数分周手段２ａから得ることで、周波数分周手段２ａで扱う信号を有効に活用でき、さらにオフセット周波数生成手段３に与える信号を別途ＰＬＬ等で生成しなくとも良いため、チップ面積や消費電力及び設計の煩雑さを抑え、コスト面での大きな利点がある。
また、オフセット周波数生成手段３の生成周波数が２つ以上であり、該出力を選択してオフセット周波数として第１ミキサに出力することで、セレクタ３ａにより５２８ＭＨｚと１０５６ＭＨｚとを選択し、バンドグループ内でのホッピングを可能にしている。そのため、図８に示す通り、ミキサ４は１つで良く、チップ面積や消費電力を抑え、コスト面での大きな利点がある。
また、オフセット周波数生成手段３が出力するオフセット周波数が１つであることで、オフセット周波数生成手段３に与える信号の周波数は１５８４ＭＨｚであり、そこから５２８ＭＨｚの信号を生成するには３分周器が必要であるが、１５８４ＭＨｚという比較的低周波の信号を扱うためその分周器の容易に実現出来る。信号の周波数が１つで済むことは回路の規模を小さく抑えるのに有効な手段として活用出来る。

また、オフセット周波数生成手段３の出力が、第２二分周器及び第４ミキサで構成されることで、基準周波数が１つであること、高周波を扱うＳＳＢミキサの数及びＳＳＢミキサのカスケード接続される数を抑えること、バンドグループを決定してからバンドを決定する（ホッピングする）ことに大きな利点があり、超広帯域である５２８ＭＨｚの帯域幅（周波数切り替え幅）を持つ複数の信号を高速に切り替え（サブバンドの切り替え）可能で、更にバンドグループ及びサブバンドを任意に設定・切り替えが可能な、周波数ホッピング通信の技術を提供可能となっている。これはＵＷＢ帯におけるマルチバンドＯＦＤＭ方式の通信に関して、ＵＷＢ全帯域（３．１〜１０．６ＧＨｚ）でのバンドに切り替え可能なものである。このことは、ピコネット数を増やすことにつながり、多数のユーザへ高速データ伝送用無線通信を提供することが可能となる。また、基準周波数が１つであり、高周波を扱うＳＳＢミキサの数も他の公開・公告公報、文献に比べ低く、チップ面積や消費電力の上で大きな利点があり、全体的なコスト削減を実現出来る。
また、第１及び第２二分周器が２つのラッチで構成されることで、周波数が１／２である直交信号を容易に得ることが出来る。

また、ラッチがＣＭＬ（コモンモードロジック）であることで、周波数が１／２である直交信号を容易に得られるだけでなく、システム全体として安定した高速動作が期待出来る
また、第１乃至４ミキサでの片側波帯の生成を、ＤＢＭ（ダブルバランスミキサ）とＢＰＦ（バンドパスフィルタ）とで実施することで、設計及びチップ面積の面で優れた点を持つことが出来る。
また、第１乃至４ミキサでの片側波帯の生成を、約９０°位相シフトのある信号を扱うＳＳＢ（シングルサイドバンド）ミキサで実施することで、全ての回路が差動回路で構成されている場合、例えばｓｉｎ（２×π×ｆ２×ｔ）の正・負をスイッチ部で入れ替えられる（スワップ回路やセレクタ回路）ようするなどしておけば、和周波と差周波を選択的に得ることが出来る。このような入れ替えの回路は容易な回路で実現出来る。
また、基準信号発生器がＰＬＬ（PHASE-LOCKED-LOOPS）であることで、周波数シンセサイザが出力する複数の周波数全体の制度を高めることに繋がる。

また、ＰＬＬ内の位相比較器に帰還させる信号を中心周波数生成手段から得ることで、ＰＬＬ内部で一定の周波数レベルまで下げる必要を省くことが出来、このことはチップ面積や消費電力の面で大きな利点を得ることが出来る。
また、ＰＬＬ内の位相比較器に帰還させる信号を前記オフセット周波数生成手段から得ることで、ＰＬＬ以降で合成でき得る最小の周波数を帰還させることが出来、ＰＬＬ内部でさらに分周するにしてもその負担は大幅に軽減出来る。このことは、低チップ面積や低消費電力、また設計労力等の削減に大きな効果をあげることが出来る。
また、マルチバンドＯＦＤＭ方式に関わる無線通信において、Ultra Wide Band（ＵＷＢ）全帯域を利用することを目的とする請求項１乃至１９に記載の周波数シンセサイザを有することで、超広帯域である５２８ＭＨｚの帯域幅（周波数切り替え幅）を持つ複数の信号を高速に切り替え可能で、更にバンドグループ及びサブバンドを任意に設定・切り替えが可能な、周波数ホッピング通信の技術を提供するにあたって、基準周波数が１つであること、高周波を扱うＳＳＢミキサの数及びＳＳＢミキサのカスケード接続される数を抑えること、バンドグループを決定してからバンドを決定する（ホッピングする）こと等において大きな優位点を持つ電子回路装置が実現可能となる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る周波数シンセサイザの基本的な構成を示す図である。基準信号発生器１は単一の基準周波数ｆ１を出力しており、中心周波数生成手段２に入力される。さらに、中心周波数生成手段２からはオフセット周波数生成手段３及びミキサ４にそれぞれ周波数ｆ２及びｆ３（中心周波数及び基準周波数）の信号が出力され、オフセット周波数生成手段３からはミキサ４に周波数ｆ４（オフセット周波数）の周波数が出力される。そして、ミキサ４にて周波数ｆ３及びｆ４が周波数ミキシングされ、周波数ｆ５の信号を合成している。

ここで、周波数ｆ３をバンドグループの中心周波数（図１７にて囲い線がある周波数）、周波数ｆ４をバンドグループ内での隣接するサブバンドのオフセット周波数と捉えれば、バンドグループを決定してからバンドを決定する（ホッピングする）ことが可能となる（バンドグループを決める中心周波数とその中心周波数を軸に各バンドをホッピングするという形）。また、基準周波数も１つで実現している。
即ち、切り替えの命令（信号）が与えられたとき、その命令のみで直接サブバンドが切り替わるアーキテクチャーとなっている。これは、サブバンドを切り替える際に、周波数の選択（切り替え）が一箇所のみで済むことを示している。従って、中心周波数生成手段２及びオフセット周波数生成手段３内において、周波数ミキシング後のバンドパスフィルタの中心周波数や、あるいは出力部のセレクタを変化させれば、基準信号の周波数を変更する事無く周波数切り換えを行えるので、高速な周波数切り換えを実現する事ができる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る周波数シンセサイザの基本的な構成を示す図である。実施形態１における中心周波数生成手段２が、周波数分周手段２ａと周波数ミキシング手段２ｂで構成される形となっており、周波数分周手段２ａからは基準周波数ｆ１及びそれを分周した周波数ｆ１ａを持つ信号が周波数ミキシング手段２ｂに出力されている。
比較的周波数の高い基準周波数ｆ１を分周することで基準周波数ｆ１及び基準周波数ｆ１より低い周波数を複数用意し、これらを周波数ミキシングすることで所望の中心周波数を得る。周波数分周手段２ａにより周波数の低い信号を初段で扱うことで、インダクタを用いた共振負荷回路を必要とするＳＳＢミキサ等の数を低く抑えることが可能となる。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。この実施例では、具体的に図１７に示された１４つのサブバンドの生成が可能である。基準周波数は７１２８ＭＨｚであり、周波数分周手段２ａと周波数ミキシング手段２ｂによりバンドグループの中心周波数（計５つ）が合成されている。
この構成によれば、ＣＭＯＳトランジスタを使用したとして周波数特性によりゲインが低下する周波数（５ＧＨｚ以上とする）を出力するＳＳＢミキサをカウントすると、ミキサ４を含めＳＳＢミキサは４つで実現できる。これは周波数分周手段２ａにおいて、７１２８ＭＨｚという信号から３１６８ＭＨｚ及び１５８４ＭＨｚという信号を生成するには５ＧＨｚ以上の信号を扱うＳＳＢミキサは多くても１つであるからである。５２８ＭＨｚの信号については周波数分周手段２ａにおける比較的周波数の低い信号から生成すれば良く、高周波信号を出力するＳＳＢミキサは必要ない。≪特開２００７−３２９８０４≫では高周波信号を扱うＳＳＢミキサが６つ以上必要であり、このようなＳＳＢミキサが４つで済むことはサイズが大きい素子である共振用インダクタの数が減少することになるので、チップサイズの増大を抑え、コスト面での利点がある。

図４は、本発明の第４の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。ここでは、具体的に図１７に示された１４つのサブバンドの生成が可能である。基準周波数は６６００ＭＨｚであり、周波数分周手段２ａと周波数ミキシング手段２ｂにより周波数（計３つ）が合成されている。
バンドグループの中心周波数（計５つ）を生成しているわけではないが、オフセット周波数生成手段３に用意した５２８ＭＨｚ、１０５６ＭＨｚ信号のみでバンドグループ内のサブバンドを遷移することが出来る。バンドグループを決定してからバンドを決定することに変わりはない。
バンドグループ２においては、サブバンドを遷移する際に中心周波数生成手段２の出力周波数ｆ３を変化させなくてはならないが、そもそも日本やヨーロッパではバンドグループ２は使用不可であるので、特に問題はない。

この構成によれば、ＣＭＯＳトランジスタを使用したとして周波数特性によりゲインが低下する周波数（５ＧＨｚ以上とする）を出力するＳＳＢミキサをカウントすると、ミキサ４を含めＳＳＢミキサは３つで実現できる。これは周波数分周手段２ａにおいて、６６００ＭＨｚという信号から２６４０ＭＨｚという信号を生成するには５ＧＨｚ以上の信号を扱うＳＳＢミキサは多くても１つであるからである。５２８ＭＨｚ及び１０５６ＭＨｚの信号については周波数分周手段２ａにおける比較的周波数の低い信号から生成すれば良く、高周波信号を出力するＳＳＢミキサは必要ない。
≪特開２００７−３２９８０４公報≫では高周波信号を扱うＳＳＢミキサが６つ以上必要であり、このようなＳＳＢミキサが３つで済むことはサイズが大きい素子である共振用インダクタの数が減少することになるので、チップサイズの増大を抑え、コスト面での利点がある。

図５は、本発明の第５の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。ここでは、具体的に図１７に示された１４つのサブバンドの生成が可能である。基準周波数は６６００ＭＨｚであり、周波数分周手段２ａと周波数ミキシング手段２ｂにより周波数（計３つ）が合成されている。
バンドグループの中心周波数（計５つ）を生成しているわけではないが、オフセット周波数生成手段３に用意した５２８ＭＨｚ、１０５６ＭＨｚ信号のみでバンドグループ内のサブバンドを遷移することが出来る。バンドグループを決定してからバンドを決定することに変わりはない。
バンドグループ２においては、サブバンドを遷移する際に中心周波数生成手段２の出力周波数ｆ３を変化させなくてはならないが、そもそも日本やヨーロッパではバンドグループ２は使用不可であるので、特に問題はない。
この構成によれば、ＣＭＯＳトランジスタを使用したとして周波数特性によりゲインが低下する周波数（５ＧＨｚ以上とする）を出力するＳＳＢミキサをカウントすると、ミキサ４を含めＳＳＢミキサは３つで実現できる。また、必要とする分周器は基本的な２分周器のみで構成可能である。
≪特開２００７−３２９８０４公報≫では高周波信号を扱うＳＳＢミキサが６つ以上必要であり、このようなＳＳＢミキサが３つで済むことはサイズが大きい素子である共振用インダクタの数が減少することになるので、チップサイズの増大を抑え、コスト面での利点がある。

図６は、本発明の第６の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。オフセット周波数生成手段３が必要とする周波数はバンドグループ間でのサブバンドの遷移であることを考えると５２８ＭＨｚ又は１０５６ＭＨｚであり、中心周波数と比較すると非常に低い信号を扱う。つまり、５２８ＭＨｚ又は１０５６ＭＨｚの元となる信号も高い必要はない。
ここで、周波数分周手段２ａは周波数を分周している箇所であり、低い周波数を持つ信号が得られやすい。また、オフセット周波数生成手段３に与える信号を別途ＰＬＬ等で生成することはチップ面積の増大に繋がる。図６から、具体的に５２８ＭＨｚ及び１０５６ＭＨｚの倍数である２６４０ＭＨｚを与えることで、オフセット周波数ｆ４の生成が可能であることが容易であることが分かる。
この構成によれば、周波数分周手段２ａで扱う信号を有効に活用でき、さらにオフセット周波数生成手段３に与える信号を別途ＰＬＬ等で生成しなくとも良いため、チップ面積や消費電力及び設計の煩雑さを抑え、コスト面での大きな利点がある。

図７は、本発明の第７の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。中心周波数生成手段２から出力される中心周波数と５２８ＭＨｚ又は１０５６ＭＨｚとがミキシングされた周波数信号（計３つ）を用意した上で３つの周波数を選択する場合、図７でのミキサ４に相当するミキサがもう１つ必要であり、これは広帯域でかつ高周波数域の信号を出力するＳＳＢミキサであるので、サイズが大きい素子である共振用インダクタの数が増大する。
この構成によれば、セレクタ３ａを設けることで５２８ＭＨｚと１０５６ＭＨｚとを選択し、バンドグループ内でのホッピングを可能にしている。そのため、図７に示す通り、ミキサ４は１つで良く、チップ面積や消費電力を抑え、コスト面での大きな利点がある。
図８は、本発明の第８の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。この構成によれば、オフセット周波数生成手段３に与える信号の周波数は１５８４ＭＨｚであり、そこから５２８ＭＨｚの信号を生成するには３分周器が必要であるが、１５８４ＭＨｚという比較的低周波の信号を扱うためその分周器の実現は容易である。信号の周波数が１つで済むことは回路の規模を小さく抑えるのに有効な手段である。

図９及び図１０は、本発明の第９の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。図９は実施形態３に係るものであり、図１０は実施形態４に係るものである。図９を見てみると、実際にＵＷＢ帯の全１４サブバンドの生成が可能であり、かつバンドグループの指定を行ったうえでのサブバンドのホッピングが可能である。さらに、ＣＭＯＳトランジスタを使用したとして周波数特性によりゲインが低下する周波数（５ＧＨｚ以上とする）を出力するＳＳＢミキサをカウントすると、ミキサ４を含めＳＳＢミキサは４つで実現できることが具体的に示されている。
図１０を見てみると、実際にＵＷＢ帯の全１４サブバンドの生成が可能であり、かつバンドグループの指定（日本及びヨーロッパで使用不可能なバンドグループ２を除く）を行ったうえでのサブバンドのホッピングが可能である。この構成によれば、ＣＭＯＳトランジスタを使用したとして周波数特性によりゲインが低下する周波数（５ＧＨｚ以上とする）を出力するＳＳＢミキサをカウントすると、ミキサ４を含めＳＳＢミキサは３つで実現できることが具体的に示されている。

この構成によれば、基準周波数が１つであること、高周波を扱うＳＳＢミキサの数及びＳＳＢミキサのカスケード接続される数を抑えること、バンドグループを決定してからバンドを決定する（ホッピングする）ことに大きな利点があり、超広帯域である５２８ＭＨｚの帯域幅（周波数切り替え幅）を持つ複数の信号を高速に切り替え（サブバンドの切り替え）可能で、更にバンドグループ及びサブバンドを任意に設定・切り替えが可能な、周波数ホッピング通信の技術を提供可能となっている。これはＵＷＢ帯におけるマルチバンドＯＦＤＭ方式の通信に関して、ＵＷＢ全帯域（３．１〜１０．６ＧＨｚ）でのバンドに切り替え可能なものである。このことは、ピコネット数を増やすことにつながり、多数のユーザへ高速データ伝送用無線通信を提供することが可能となる。また、基準周波数が１つであり、高周波を扱うＳＳＢミキサの数も他の公開・公告公報、文献に比べて低く、チップ面積や消費電力の上で大きな利点があり、全体的なコスト削減を実現できる。

本発明の第１０の実施形態に係る周波数シンセサイザの説明を示す。≪Behzad Razavi、黒田忠広監訳、”ＲＦマイクロエレクトロニクス”、２００５、Ｐ．２６７、図７．４５≫にある２分周回路は良く知られた容易に実現可能な回路であり、マスタースレーブのフリップフロップ（ラッチ）を用いて周波数２ｆの信号から生成する方法である。その出力信号は周波数ｆを持ち、かつ直交信号（クアドラチャ信号、位相が９０°異なる信号）となる。この信号はＳＳＢミキサを実現するために必須のものである。該直交信号を得るための構成としては、シンプルかつ設計が容易である点が優れている。
次に、本発明の第１１の実施形態に係る周波数シンセサイザの説明を示す。≪Behzad Razavi、黒田忠広監訳、”ＲＦマイクロエレクトロニクス”、２００５、Ｐ．３１７、図７．４５（ｂ）≫にあるＣＭＬ（コモンモードロジック、カレントステアリングとも言う）回路をラッチ回路として用いることで、高速動作が可能な２分周器の実現が可能となる。このＣＭＬ回路は動作点等を決めなければならず、その設定によっては希望の動作が行われないが、本発明では数ＧＨｚの信号を扱うため、ＣＭＬ回路を積極的に使用することでシステム全体として安定した高速動作が期待できる。また直交信号も得られる。

次に、本発明の第１２の実施形態に係る周波数シンセサイザの説明を示す。≪Behzad Razavi、黒田忠広監訳、”ＲＦマイクロエレクトロニクス”、２００５、Ｐ．３１７、図７．４６（ａ）≫にあるＳＳＢミキサは２つの信号を周波数ミキシングし、ＢＰＦ（バンドパスフィルタにより、その和もしくは差の周波数を得る。これは、良く知られたＤＢＭ（ダブルバランスミキサ）１つとＢＰＦ（バンドパスフィルタ）で実現可能であり、設計及びチップ面積の面で優れた点がある。
次に、本発明の第１３の実施形態に係る周波数シンセサイザの説明を示す。≪Behzad Razavi、黒田忠広監訳、”ＲＦマイクロエレクトロニクス”、２００５、Ｐ．３１７、図７．４６（ｂ）≫にあるＳＳＢミキサが差周波と和周波を切り替えて出力する仕組みは、次の通りである。

まず、周波数ｆ１の成分と、周波数ｆ２の成分のそれぞれに、ｓｉｎとｃｏｓを用意する。これは実施形態１１及び１２で得られる直交信号を示している。
和周波を得るための信号処理の一例として、次のような方法がある。
ｓｉｎ（２×π×ｆ１×ｔ）×ｃｏｓ（２×π×ｆ２×ｔ）＋ｃｏｓ（２×π×ｆ１×ｔ）×ｓｉｎ（２×π×ｆ２×ｔ）＝ｓｉｎ｛２×π×（ｆ１＋ｆ２）×ｔ｝
一方差周波を得るには、次のようにすればよい。
ｓｉｎ（２×π×ｆ１×ｔ）×ｃｏｓ（２×π×ｆ２×ｔ）−ｃｏｓ（２×π×ｆ１×ｔ）×ｓｉｎ（２×π×ｆ２×ｔ）＝ｓｉｎ｛２×π×（ｆ１−ｆ２）×ｔ｝
全ての回路が差動回路で構成されている場合、例えばｓｉｎ（２×π×ｆ２×ｔ）の正・負をスイッチ部で入れ替えられる（スワップ回路やセレクタ回路）ようするなどしておけば、和周波と差周波を選択的に得ることが出来る。このような入れ替えの回路は容易な回路で実現できる。

図１１及び図１２は、本発明の第１４の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。基準信号発生器１がＰＬＬに置き換わっているが、もしＰＬＬでないＶＣＯ等のみで実現するとなると、電源電圧及び制御電圧変動により出力周波数が変動する等の問題が発生する。一方、ＲＦトランシーバにおいては、発振器の周波数は大変厳しい仕様であり、非常に高い精度で出力されなければならない。
このことから、高精度で安定的な周波数を発生する水晶発信器等の出力周波数を参照するＰＬＬは、厳しい仕様を満たすためには必要な回路であり、ＰＬＬを使用することで周波数シンセサイザが出力する複数の周波数全体の精度を高めることに繋がる。
図１３及び図１４は、本発明の第１５の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。ＰＬＬは水晶発信器等の出力周波数（数十ＭＨｚ）を参照信号とするため、ＰＬＬの出力信号をいくつか分周して周波数を下げなければならない。この分周する過程をＰＬＬ内部でなく、図１３及び図１４におけるＰＬＬ以降の経路で得られることが出来れば効率的である。
この構成によれば、中心周波数生成手段２の出力信号を利用し、図１３では１５８４ＭＨｚ信号、図１４では２６４０ＭＨｚ信号をＰＬＬに帰還させており、ＰＬＬ内部でこの周波数レベルまで下げる必要が省けていることが分かる。このことはチップ面積や消費電力の面で大きな利点となる。

図１５及び図１６は、本発明の第１６の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。ＰＬＬは水晶発信器等の出力周波数（数十ＭＨｚ）を参照信号とするため、ＰＬＬの出力信号をいくつか分周して周波数を下げなければならない。この分周する過程をＰＬＬ内部でなく、図１５及び図１６におけるＰＬＬ以降の経路で得られることが出来れば効率的である。
この構成によれば、オフセット周波数生成手段３の出力信号を利用し、図１４及び図１５共にでは５２８ＭＨｚ信号をＰＬＬに帰還させており、ＰＬＬ内部でこの周波数レベルまで下げる必要が省けていることが分かる。このことはチップ面積や消費電力の面で大きな利点となる。
またＰＬＬ以降で合成でき得る最小の周波数を帰還させているので、ＰＬＬ内部でさらに分周するにしてもその負担は大幅に軽減できる。このことは、低チップ面積や低消費電力、また設計労力等の軽減に大きな効果がある。

次に、本発明の第１７の実施形態として、マルチバンドＯＦＤＭ方式に関わる無線通信において、Ultra Wide Band（ＵＷＢ）全帯域を利用する実施形態１乃至１６の周波数シンセサイザを有する電子回路装置がある。
ＵＷＢシステムにおいて多数のユーザへ高速データ伝送用無線通信を提供するためには、約３ＧＨｚから約１０ＧＨｚまでおよぶＵＷＢ帯域に設けられたサブバンド（計１４つ）を広く用いてピコネット数を増やすことが必要である。そのため、ＵＷＢ信号を送受信する無線回路では、受信信号の復調と送信信号の変調の目的で上記第１から第１４のサブバンド周波数を搬送波信号として生成することが必要となる。そしてその搬送波信号を高速に切り替える周波数ホッピング動作が規定されている。

この課題に対して、実施形態１乃至１６では、周波数発振器（基準信号発信器）、複数の周波数分周器、周波数混合器（ミキサ）を有し、信号の加算、減算を繰り返した後、特定の信号に切り替えて出力することで、所望信号を、９ｎＳ以内で周波数遷移させている。
超広帯域である５２８ＭＨｚの帯域幅（周波数切り替え幅）を持つ複数の信号を高速に切り替え可能で、更にバンドグループ及びサブバンドを任意に設定・切り替えが可能な、周波数ホッピング通信の技術を提供するにあたって、基準周波数が１つであること、高周波を扱うＳＳＢミキサの数及びＳＳＢミキサのカスケード接続される数を抑えること、バンドグループを決定してからバンドを決定する（ホッピングする）こと等において大きな優位点を持つ電子回路装置が実現可能となる。

以上、本発明を、具体的に実施の形態を用いて説明したが、本発明は上述した実施の形態には限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲で変形したものも本発明に含まれることは言うまでもない。
また、“約９０°位相シフトのある信号”は、実用上８０°以上１００°以下とするのが好ましい。

本発明の第１の実施形態に係る周波数シンセサイザの基本的な構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る周波数シンセサイザの基本的な構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。 本発明の第６の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。 本発明の第７の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。 本発明の第８の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である。 本発明の第９の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である（その１）。 本発明の第９の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である（その２）。 本発明の第１４の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である（その１）。 本発明の第１４の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である（その２）。 本発明の第１５の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である（その１）。 本発明の第１５の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である（その２）。 本発明の第１６の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である（その１）。 本発明の第１６の実施形態に係る周波数シンセサイザの具体的な構成を示す図である（その２）。 マルチバンドＯＦＤＭ方式を用いたＵＷＢ無線通信用の周波数配置（サブバンド構造）を示す図である。

符号の説明

１ 基準信号発生器、２ 中心周波数生成手段、２ａ 周波数分周手段、２ｂ 周波数ミキシング手段、３ オフセット周波数生成手段、３ａ セレクタ、４ ミキサ

Claims (17)

1. 単一周波数である基準周波数を有する基準信号を元に周波数を合成する周波数シンセサイザであって、
   前記基準信号を出力する基準信号発生器と、該基準信号発生器が出力する基準信号を元に中心周波数を生成する中心周波数生成手段と、該中心周波数生成手段より生成された周波数を元にオフセット周波数を生成するオフセット周波数生成手段と、複数の周波数を合成する第１のミキサと、を備え、
   前記第１のミキサは、前記中心周波数生成手段で生成された中心周波数と前記オフセット周波数生成手段で生成されたオフセット周波数とを合成した周波数を出力することを特徴とする周波数シンセサイザ。
2. 前記中心周波数生成手段が、周波数分周手段と周波数ミキシング手段により構成され、前記周波数分周手段は、前記基準周波数を分周した分周信号及び前記基準信号を出力し、前記周波数ミキシング手段は、前記基準信号と前記分周信号とを周波数ミキシングすることを特徴とする請求項１に記載の周波数シンセサイザ。
3. 前記周波数分周手段から生成される生成周波数が３つ以上の場合、前記周波数ミキシング手段は、周波数ミキシングするための第２のミキサを２つ以上有し、各第２のミキサからの変調信号及び前記基準信号を選択して前記第１のミキサに出力することを特徴とする請求項２に記載の周波数シンセサイザ。
4. 前記周波数分周手段の生成周波数が２つの場合、前記周波数ミキシング手段では、周波数ミキシングするための前記第２のミキサを１つ有し、前記第２のミキサの変調信号及び前記基準信号を選択して前記第１のミキサに出力することを特徴とする請求項２に記載の周波数シンセサイザ。
5. 前記周波数分周手段が、第１の二分周器と第３のミキサにより構成されることを特徴とする請求項２乃至４の何れか一項に記載の周波数シンセサイザ。
6. 前記オフセット周波数生成手段に入力される信号を、前記周波数分周手段から得ることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の周波数シンセサイザ。
7. 前記オフセット周波数生成手段の生成周波数が２つ以上であり、該出力を選択して前記オフセット周波数として前記第１のミキサに出力することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の周波数シンセサイザ。
8. 前記オフセット周波数生成手段が出力するオフセット周波数が１つであることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の周波数シンセサイザ。
9. 前記オフセット周波数生成手段が、第２の二分周器及び第４のミキサにより構成されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の周波数シンセサイザ。
10. 前記第１及び２の二分周器が２つのラッチで構成されることを特徴とする請求項５乃至９の何れか一項に記載の周波数シンセサイザ。
11. 前記ラッチがコモンモードロジックであることを特徴とする請求項１０に記載の周波数シンセサイザ。
12. 前記第１乃至４のミキサでの片側波帯を、ダブルバランスミキサとバンドパスフィルタにより構成して生成することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の周波数シンセサイザ。
13. 前記第１乃至４のミキサでの片側波帯を、約９０°位相シフトのある信号を扱うシングルサイドバンドミキサにより構成して生成することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の周波数シンセサイザ。
14. 前記基準信号発生器がＰＬＬにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか一項に記載の周波数シンセサイザ。
15. 前記ＰＬＬ内の位相比較器に帰還させる信号を前記中心周波数生成手段から得ることを特徴とする請求項１４に記載の周波数シンセサイザ。
16. 前記ＰＬＬ内の位相比較器に帰還させる信号を前記オフセット周波数生成手段から得ることを特徴とする請求項１４に記載の周波数シンセサイザ。
17. マルチバンドＯＦＤＭ方式に関わる無線通信において、ＵＷＢ全帯域を利用することを目的とする請求項１乃至１６の何れか一項に記載の周波数シンセサイザを有することを特徴とする電子回路装置。

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