JP4683032B2 - 無線通信機 - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信機において、送受信周波数を生成する際に使用する発振回路の出力偏差を、送受信には使用しない別の発振回路から出力される信号をもとに算出し、その偏差に応じて、送受信周波数を補正するものである。
無線通信機は、送受信周波数に応じて、LC発振回路、セラミック発振子、水晶発振子などを使って、送受信周波数の基になる周波数生成し使用している。
しかしながら、これらの発振回路は温度特性を呈しており、無線機器が使用される環境が、高温であったり、あるいは低温である場合は、無線通信規格に適合するような周波数偏差内で送信できなくなったり、さらには、周波数偏差が大きくなると通信自体も成立しない場合も発生する。
このような場合、従来は、TCXO(Temperature Compensated Xtal Oscillator)のように水晶発振子と、発振子自身の温度特性を打ち消すように補正をかける素子、あるいはロジックを一つのパッケージにした部品を使って解決したり、温度検知回路を設け、その信号レベルをVCOX(Voltage Controlled Xtal Oscillator)に入力し、周波数を制御する方法、あるいは、あらかじめ水晶発振等の発振回路等の温度特性を補整するための情報を記録部に記録し、温度検知回路で検出した値に応じて、補整量を記録部より呼び出して補整を実施する方法などがある(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−007714号公報
しかしながら、上記のような温度検知素子をつかった補正方法であると、温度検知素子の精度により、比較的大きな誤差が生じてしまう。加えて、水晶振動子の温度特性はかなり大きな幅を持っているだけでなく、水晶振動子を実装した周辺回路の影響や個体差にも影響することから、水晶振動子だけでなく周辺回路を含めた補正を行う必要がある。
よってTCXO等の素子を製造する際に、一品ごとに調整が必要であったり、その発振回路を搭載した通信機器全体で、一品ごとに補正する必要がある。さらに、調整を行う際には、実際に無線機器を送信状態、あるいは受信状態にして周波数を確認する必要があるが、その周波数を捉えるためには高い周波数に対応した計測器が必要になり、非常に高価でかつ、高精度なものが必要となる。
また、温度補正を施した発振素子は、その構成により印可電圧範囲が限られてくることや、消費電流が大きく、電池等を搭載した機器では実装が難しいこともある。
そこで本発明では、無線通信の送受信周波数を生成する発振子とは別に、比較的温度特性が一定の発振子を使い、無線通信に使用する発振子の偏差をカウントし、そのカウント量に応じて送受信周波数を補正するものである。
本発明によれば、無線通信機ごとに、温度に対する補正、調整をする負担を低減し、温
度にたいしてロバストな無線通信機を提供できる。
第1の発明は、通信時の周波数の源発振を生成する第1発振部と、第1発振部とは別の周波数を生成する第2発振部と、前記第2発振部から出力される周波数量を基準として前記第1発振部の偏移量を演算する計数部と、無線通信を行う際に、あらかじめ決められた値と前記計数部により演算された偏移量とを使用して送信周波数を生成するためのレジスタ設定を行う演算部と、前記演算部から出力される送信周波数と前記第1発振部から出力される周波数を用いて送信するための信号を生成する無線通信部と、を備えた無線通信機である。
これによって、無線通信機は高精度の周波数をもって送信することができる。
第2の発明は、通信時の周波数の源発振を生成する第1発振部と、第1発振部とは別の周波数を生成する第2発振部と、前記第2発振部から出力される周波数量を基準として前記第1発振部の偏移量を演算する計数部と、無線通信を行う際に、あらかじめ決められた値と前記計数部により演算された偏移量とを使用して受信周波数を生成するためのレジスタ設定を行う演算部と前記演算部から出力される受信周波数と前記第1発振部から出力される周波数を用いて受信するための信号を生成する無線通信部と、を備えた無線通信機である。
これによって、無線通信機器は、高精度の周波数をもって受信することができる。
第3の発明は、特に第1または第2の発明の計数部において、第2発振部から生成された信号周期をもとに、第1発振部から生成される信号周期を計数して出力するものである。
これによって、第1発振部の発振量の絶対偏移量を把握することができ、その量をもとに高精度の周波数で、送受信を行なうことができる。
第4の発明は、特に第1または第2の発明の計数部において、第2発振部から生成された信号周期をもとに、第1発振部から生成される信号の周波数を計数して出力するものである。
これによって、第1発振部の発振量の絶対偏移量を把握することができ、その量をもとに高精度の周波数で、送受信を行なうことができる。
また、第5の発明は、特に第1または第2の発明の計数部において、第2発振部から生成された信号周期と第1発振部から生成される信号周期との差を計数して出力するものである。
これによって、第1発振部の発振量の絶対偏移量を把握することができ、その量をもとに高精度の周波数で、送受信を行なうことができる。
以下、本発明の実施の形態1について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態の無線通信システムについて説明する。図1は、本発明の実施の形態の無線通信機の構成図の一例である。
無線通信機100は、無線通信における送信周波数と受信周波数を源となる発振部101と、無線通信時の送受信周波数、送信出力、出力データ、周波数偏移量、伝送レート、変調方式など、あらかじめ決められたプロトコルに沿ってデータを生成する演算部102、演算部102で生成されたデータをもとに信号処理を行い、送信するための信号を生成したり、あるいは無線通信機100の外部より送信されてきた信号を受信するため高周波部103、高周波部103で生成された信号を出力することは、外部から送信されてきた信号を受信するための通信部104と、無線通信の送受信周波数の源になる発振部101とは別に、基準周波数を生成する基準発振部111と、発振部101の基準周波数を分周する分周器110と、基準発振部111の周波数を分周するための基準分周器112と、分周器110と基準分周器112の出力信号をつかって、発振部101の出力周波数を計数するための計数器113から構成されている。
ここで、発振部101は、無線送受信に使用する周波数にあわせて、セラミック振動子、水晶振動子、またはディスクリート部品を使って構成された発振回路である。そして、特に発振部101が水晶振動子で構成されている場合、その水晶振動子に使用されている水晶片のカット角や水晶片の密度、寸法、弾性率によって温度特性が異なってくる。
また一方で、得たい周波数によって、振動モードがある程度決められ、一般的に数百キロヘルツから数百メガヘルツまでは、厚みすべりの振動モードで振動させるために、ATカットと呼ばれる水晶のカット方法用いる。本実施の形態ではATカットされた水晶片を用いることとする。このATカットされた水晶片の温度特性は、一般的に図2に示すような三次曲線の特性となっている。また、この水晶振動子を使った無線通信機100の送受信周波数の温度特性もほぼ図2のような特性を呈する。
ATカットの温度特性曲線は、比較的、25℃前後の温度で、平坦な特性を得られる。しかしながら、ATカットのカット角を変えていくと、温度特性の変化幅も変化し、なおかつ変化の方向も正側と負側両方にシフトする。またその変化幅も変曲点から離れれば離れるほど大きくなる。カット角は、製造装置に依存するため、ある程度はバラつき、そのバラつき量が温度特性に影響することになる。
一方で、基準発振部111は、発振部101と同様に、水晶振動子を使って構成された発振回路であるが、基準発振部111に関しては、たとえば、振動モードが輪郭すべりモードのNТカット、CTカット、DTカット、SLカット、屈曲モードであれば、XYカットやNTカット、総合モードであればGTカット、伸張モードの場合はXカットで加工された水晶片を用いた水晶振動子を使用することにする。各々の方法でカットされた水晶片の温度特性は、ATカットされた水晶体の温度特性とは異なり、後述する図5に示すような二次曲線の特性となっている。前記のNTカットやXカット等で製造された水晶振動子は、一般的には25℃付近を頂点とし、上に凸となった放物線を呈しているため、温度が変化した際の周波数偏差の変化量は、大きく変化する。しかしながら、温度特性の曲線位置を決める自由度が少なく、ほぼ設計した水晶片の寸法によって、頂点温度が決まるため、温度特性を予測しやすい。
次に、本発明の無線通信機100における通信時のシステム処理を説明する。
図1に示す無線通信機100が送信する際には、あらかじめ決められたプロトコル定められた仕様に基づき、送信周波数を生成する。周波数の生成はたとえば、次のような式を基に算出される。
F(送受信周波数)=ch(通信チャンネル)×d(チャンネルスパン)+f0(基準
通信周波数)。
あらかじめ決められたプロトコルでは、送受信する周波数帯や、チャンネルのスパン決められており、通信チャネルに応じて、基準通信周波数f0の周波数から、チャンネルスパンdを考慮して、通信チャネルchを掛け算して、通信チャンネルを決定する。これらの周波数を生成する際は、無線通信機100内の、発振部101の信号を分周したり、逓倍することにより実現する。したがって、発振部101で生成される信号が雰囲気温度等の影響で変化すれば、送受信周波数Fの値も変化することになる。
ここで、通信チャンネルやチャンネルスパンは、あらかじめ定められたプロトコルにより決定されて、相対的に決まる量であるのに対し、基準周波数f0は、通信チャネル、チャンネルスパンを算出する上で、基準となるため絶対的な量になる。
以下に、発振部101の基準周波数からのずれ量を算出する方法を説明していく。
まず、送信する際に、発振部101の発振周波数のずれ量を算出するため、発振部101から出力される信号を分周器110で分周し、計数器113に入力する。計数器113では、計数する際の基準周波数として、基準発振部111で生成し、基準分周器112で分周したものを使用する。ここで、基準発振部111で生成される基準発振は、高安定性を持った発振回路または、温度特性が既知のものを使用する。また計数部では、たとえば直接方式で計数を行う場合は、基準分周器112から出力される信号をゲート信号として、分周器110から入力される信号の波数を計数することや、分周器110の周器を直接測定するレシプロカル方式等を使用し計数してもよい。また、ここでは、発振部101の発振周波数のずれ量を検出するために、被測定対象を発振部101の分周とし、計数するための基準周波数を基準発振部111の分周としたが、計数する際に、これは逆でも算出可能である。
続いて、算出したズレ量は、演算部102において、送受信周波数Fを算出する際に基準通信周波数f0に対して微調整を行うための量として加えられる。
次に、上記のように構成された本発明の実施の形態の無線通信機100の処理の流れを図3ともに説明していく。図3は、本実施の形態に係る無線通信機100の送信時の動作フローを示す。
無線通信機100において、あらかじめ定められ時期に送信を行うには、はじめに発振部101および、基準発振部111を通常発振動作にさせ、それぞれの出力を分周器110と基準分周器112にそれぞれ入力する(S301)。S301のステップでは、発振部101の出力と基準発振部111の出力を、それぞれ適当な周波数に分周し、計数器113に入力する信号を準備する動作にあたる。
次に分周器110の出力と基準分周器112の出力の計数器113に入力する。その上で、基準分周器112を基準として、分周器110の周波数の計数動作を行う(S302)。S302のステップでは、発振部101の周波数偏差量を、計数器113を用いて算出動作を行う。
続いてS302で計数動作の結果は、発振部101の周波数偏差量の出力しており、これを、演算部102に入力し周波数偏差量に対する補正量を算出する。補正量は、たとえば、偏差量に対して符号を逆転するような関数を用意し算出する(S303)。つまりS303では、発振部101の周波数偏差を補正するための補正量を算出する演算を実施するステップになる。
次に送信周波数の設定を決定する。これは、演算部102で実施し、その設定は、通信プロトコルに応じて、送信スパン、送信チャンネル、周波数偏移量、送信出力、変調の種類さらには、送信するデータなどを決定した上で、基準送信周波数f0に、S303で算出した補正量を加算して、送信周波数Fの設定を決定する(S304)。S304では、無線通信機100から送信する際に必要な情報を生成しレジスタ設定するステップに当たる。
さらにS304で設定された送信周波数Fをもとに、あらかじめ決められデータを高周波部103で変調し、通信部104からアンテナ等などを使って送信を行う(S305)。S305のステップでは、S304で設定されたレジスタを基に、通信部104を動作させ信号を生成し、信号を出力するステップにあたる。
以上の送信時の動作フローは、受信時の動作にも適応できる。受信時は、あらかじめ定められた時期に、受信周波数を上記フローのS301からS304のように補正を行い、算出された補正量を基に生成された受信周波数Fをもとに、通信部104で受信された信号を高周波部103で復調を行いことで実現できる。
以上のように、無線通信機100は、送受信時の周波数を生成するための発振部101のズレ量を、別の基準発振部111をもとに計数し、その量をもって通信時の送受信周波数を補正することにより、簡単な構成かつ、正確に周波数を精度高く生成することが可能となる。
(実施の形態2)
図4は本発明の実施の形態2における無線通信機の内部構成図を示している。実施の形態1と同様の機能を有する構成に関する説明は省略し、図1と相違する無線通信機100内の記録部114と温度検知部115および、演算部102について説明を行う。
記録部114は、基準発振部111の温度特性データや発振部101の個体差データを記憶しておく機能を有する。基準発振部111が温度特性を持っていて、その温度特性あらかじめ分かっている場合には、特性を記録部に保持しておき、基準発振部111を基準分周器112で分周し、計数器113で、発振部101の周波数を計数する際のゲート時間あるいは、カウント時に記録部114に記録されている温度特性を持って補正行う。
記録部114に記録されるデータは、たとえば、基準発振部111を構成回路や使用部品などの影響で、個体差が生じているのであれば、ある一定の値のオフセット量を一つ持っても良いし、温度特性のような一定のオフセット量ではなく、変化する量であれば複数点のデータ、あるいは、関数として保持する。
ここで、基準発振部111の温度特性の一例を図5に示す。図5に示す基準発振部111の温度特性は、2次曲線データで与えられるため、曲線の係数データで与えられ、個体差は、温度T0におけるΔfで与えられる。これらのデータを保持し、後述する温度検知部115で検出する温度データを下に補正を演算部102で施せば、基準発振部111の温度特性や個体差を吸収することが可能となる。
一般的に、基準発振部111に使用する発振部は温度特性の個体差が少ない構成のものを使用することが可能なので、無線通信機100を製造する際に、基準発振部111の温度特性の関数の係数、およびあらかじめ決められた温度T0におけるΔfを測定して、記録部114を記録しておけばよい。
続いて、温度検知部115について説明していく。温度検出部は、NTCサーミスタやPTCサーミスタなど一般的にサーミスタ素子と呼ばれるものや、半導体素子、金属、セラミンクを組み合わせた素子、あるいは温度特性を持った受動素子などで構成されており、周囲温度を検知する機能を有する。より正確に温度を検出するために、温度特性を持った素子を被測定対象である基準発振部111の出来だけ近傍に配置すると良い。
次に、演算部102について説明する。実施の形態1では、発振部101と基準発振部111の出力、あるいはそれぞれの出力を一旦、分周器110や基準分周器112で分周した後に計数器113に入力し、発振部101の周波数偏差量を計数し、その値を基に発振部101の偏差量に対する補正量を演算し、無線通信機100の送受信動作に使用する周波数設定レジスタに反映させた。
ここでは、これらの機能は同様に有し、加えて基準発振部111の個体差や温度特性を補正する作用も有している。ここは、後者の基準発振部111の補正について説明していく。
すでに記載したように基準発振部111の近傍に温度検知部115が配置され、温度検知部115取得した温度データは、演算部102取り込まれる。取り込む方法として、演算部102に対し直接、離散値変換をして入力しても良いし、外部のコンパレータのような回路を用意し、温度検知部115で検知する値が、あらかじめ決められた値を超えた場合検知する方法でもよい。このように、取得した温度データは、記録部114に記録されている温度に対する周波数偏差量の関数、あるいはテーブルデータと照合し、温度データに対する周波数偏差量を算出する。
一方、基準発振部111の周波数データ、あるいはクロックデータも基準分周器112を介して記録部114に取り込み、すでに算出した周波数偏差量をもとに補正演算を行う。
次に、補正された周波数データ、あるいはクロックデータを計数器113に入力して、より正確な基準周波数を提供する。
以上のような、記録部114、温度検知部115および演算部102の構成をもてば、基準発振部111出力、あるいはその分周出力の周波数偏差量を補正することができ、より正確に計数器113で発振部101の出力を計数することができる。
また、上記構成では、基準発振部111の周波数データなどを演算部102に取り込む方法を記載したが、基準発振部111の出力、あるいはその分周出力を先に、計数器113に取り込み、発振部101の仮の周波数偏差を計数し、計数結果を演算部にした際に、温度検知部115で検知した温度を基に記録部114に記憶された特性データを参照し、計数結果を補正しても良い。
以上のような構成で、あらかじめ基準発振部111の温度特性やばらつきを記録部114に記録し、無線通信機100において送受信する際に温度検知部115で、無線機器2内にある基準発振部111の近傍の温度あるいは周辺温度を測定した上で、記録部114内のデータを用い、基準発振部111の発振周波数を補正すれば、計数器113で発振部101の出力を計数する際に、より精度よく計数することが可能である。
次に、上記のように構成された本発明の実施の形態の無線通信機100の処理の流れを図6を使用して説明していく。図6は、本実施の形態に係る無線通信機100の送信時の動作フローを示す。
無線通信機100において、あらかじめ定められた間隔で送信を行なうには、はじめに、基準発振部111から出力される周波数の温度バラつきや個体ばらつきを補正する処理を行なう。そのために、温度検知部115を起動させ、基準発振部111の温度または周辺を温度を検知する(S601)。S601のステップは、基準発振部111の表面温度などを温度検知部115で検出することで、基準発振部111の温度特性のどの温度点で動作しているかを把握するためのデータを取得することになる。
次に温度検知部115で得た、検出値を基に演算部102において、検知温度における補正量を算出する。算出方法としてあらかじめ記録部114に記録されていた、温度に対する補正量を記録したテーブルを使用したり、温度に対する補正量を算出するための関数を使って算出する。
たとえば、温度に対する補正量を算出するための関数を使う場合、記録部114には、基準発振部111の個体差および温度特性などのバラつきを含んだ関数の係数が記録されている。例をあげると、補正量Δfに対して、補正量は、(t−p)^2+qで算出できる。
ここで、tは検出温度で、pとqが基準発振部111の個体差おとび温度特性を表現する係数となる。また補正量Δfは、周波数または周波数偏差で出力されるため、それを周期など時間の次元へ変換を行なう(S602)。ステップS602では、ステップS601で、取得した基準発振部111の表面温度などを測定して取得した動作温度点をもとに、あらかじめ記録部114に記憶されている基準発振部111の個体バラつきや温度特性などを表現する関数や変換テーブル等を使用し、周波数偏差を算出し、それを基に、個体差や基準発振部111の温度特性の周波数偏差量を算出し、補正量を出力する処理を行う。
次に分周器110の出力と基準分周器112の出力を計数器113に入力する(S603)。ステップS603の処理は、後に行う計数処理の能力に応じて周波数の適正化を行う動作であり、計数器113の能力が高ければ、分周器を使用する必要はなく直接入力してもよい。計数器113の能力が高くなければ、それぞれの発振部から出力された周波数を適当な数値で分周し、周波数を下げるような処理を実施する。
続いて、基準分周器112の出力は、一旦、ステップS602で算出された補正量を考慮して補正処理を行う(S604)。ステップS604では、基準分周器112の出力の周波数偏差量を補正する処理を行う。たとえば基準分周器112を演算部102に取り込み、周期情報に変換し、ステップS602で算出した補正量を加算したうえで再度、出力する処理を実施する。
その上で、ステップS603で補正した基準分周器112の分周出力と、分周器110の出力は、計数器113に入力され計数動作を行う(S605)。
ステップS605は、ステップS604で補正された基準発振周波数出力を基準にし、発振部101の分周出力の計数を実施する。ただし、この基準は逆であっても計数は実施できる。
ステップS605で計数動作の結果は、発振部101の偏差量の出力しており、この出力を演算部102に入力し、発振部101の偏差量に対する補正量を算出する。補正量は、たとえば、偏差量に対して符号を逆転するような関数を用意し算出する。次に送信周波数の設定を決定する。これは、演算部102で実施し、その設定は、通信プロトコルに応
じて、送信スパン、送信チャンネル、送信出力などを決定した上で、基準送信周波数f0に、ステップS606で算出した補正量を加算して、送信周波数Fの設定を決定する(S606)。
ステップS606で算出する補正量は、計数結果から発振部101の周波数偏差を算出し、それを補正する補正量を算出する。この補正量は、発振部101を直接補正する補正量ではなく、無線通信機100において、送受信する設定する、送受信チャンネルを設定するチャンネル設定レジスタの設定量を補正する値となる。
ステップS606で設定された送信周波数Fをもとに、あらかじめ決められデータを高周波部103で変調し、通信部104からアンテナ等などを使って送信を行う(S607)。
以上の送信時の動作フローは、受信時の動作にも適応できる。受信時は、あらかじめ定められた時期に、受信周波数を上記フローのステップS601からS607のように補正を行い、された受信周波数Fをもとに、通信部104で受信された信号を高周波部103で復調を行うことで実現できる。
以上のように、無線通信機100は、送受信時の周波数を生成するための発振部101のズレ量を、別の基準発振部111をもとに計数し、その量をもって通信時の送受信周波数を補正することにより、簡単な構成かつ、高精度に生成することが可能となる。
本発明では、無線通信機の送受信周波数を自ら補正する構成を具備することで、簡単に、かつ高精度の発振を生成することができる。
本発明の実施の形態1の無線通信機の内部構成図 発振部の温度特性図 本発明の実施の形態1の無線通信機の送信時の動作フロー図 本発明の実施の形態2の無線通信機の内部構成図 基準発振部の温度特性図 本発明の実施の形態2の無線通信機の内部構成図
符号の説明
100 無線通信機
101 発振部
102 演算部
103 高周波部
104 通信部
110 分周器
111 基準発振部
112 基準分周器
113 計数器
114 記録部
115 温度検知部

Claims (4)

  1. 通信時の周波数の源発振を生成する発振部と、
    前記発振部とは別の周波数を生成する基準発振部と、
    前記基準発振部で生成される周波数の偏移量の温度特性を示す温度関数の係数を記憶する記憶部と、
    前記基準発振部の温度を測定する温度検知部と、
    前記基準発振部の周波数及び前記発振部の周波数の補正を行う演算部と、
    前記発振部の偏移量を演算する計数部と、
    前記演算部において補正された発振部の周波数を所定のプロトコルに用いて決定される送信周波数でデータを送信する通信部と、を備え、
    前記演算部は、前記記録部に記録された温度特性と前記温度検知部で測定された温度から前記基準発振部の周波数偏移量を出力し補正を行い、
    前記計数部がその補正された前記基準発振部の周波数を基準として前記発振部の偏移量を演算した後に、前記演算部はその偏移量を使用して前記発振部の周波数を補正する無線通信機。
  2. 前記計数部は、前記基準発振部から生成された信号周期をもとに、前記発振部から生成される信号周期を計数して出力する請求項1記載の無線通信機。
  3. 前記計数部は、前記基準発振部から生成された信号周期をもとに、前記発振部から生成される信号の周波数を計数して出力する請求項1記載の無線通信機。
  4. 前記計数部は、前記基準発振部から生成された信号周期と前記発振部から生成される信号周期との差を計数して出力する請求項1記載の無線通信機。
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