JP2875811B2 - 信号多重化回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、一定の周波数間隔の搬送波周波数を有する
複数の送信信号を合成する信号多重化回路に関する。

［従来の技術］ 第９図は、従来の信号多重化回路の基本構成を示すブ
ロック図である。

この従来回路は、複数（ｎ個）の周波数変換回路10の
それぞれの出力を電力合成回路20で線形合成するもので
あり、周波数変換回路10は、入力ポート３から信号を受
け、局部発振器２とミクサ７と帯域通過ろ波器８とを有
している。

局部発振器２は全て独立に動作するように示してある
が、全ての局部発振器２の周波数精度を良好にするため
に、周波数発振器を１つのみ設け、この出力を信号入力
端の数だけ分配し、これに基づいて各局部発振器が所望
の周波数の搬送波を出力するように構成する場合もあ
る。この場合、局部発振器２はシンセサイザで構成され
る。なお、電力合成回路20は、トランス回路やハイブリ
ッド回路等で構成された電力合成回路である。

次に、上記従来の信号多重化回路の動作について説明
する。

各周波数変換回路10は、それに接続されている局部発
振器２の搬送波周波数によって、入力ポート３の入力信
号を、希望する周波数帯のチャネル信号に周波数変換す
る。この変換された信号が電力合成回路20に入力され、
各周波数変換回路10から出力された角周波数ω_１、
ω_２、……、ω_ｎのチャネル信号は電力合成回路20で線
形合成される。

この場合、各局部発振器２の搬送波周波数を互いに異
なる値に設定すれば、第11図に示すように、周波数空間
上で多重化された信号が、電力合成回路20の出力ポート
21から得られる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の信号多重化回路を実際の通信に利用する場合、
出力ポート21から得られる多重化信号の包絡線電力に着
目すると、各チャネル信号の瞬時位相が一致した瞬間
に、全てのチャネル信号の電圧が同相合成されるので、
包絡線電力は大幅に増大する。

さらに、等振幅で同一の周波数を有する信号（以下、
この信号を「無変調信号」という）が全ての入力ポート
３に印加され、局部発振器２の搬送波周波数の周波数間
隔△ωが一定であり、しかも初期位相が一致すると、周
波数変換回路10の出力は△ωの周波数間隔を有する無変
調信号になる。したがって、この場合、全てのチャネル
信号の同相合成される状態が周期的に発生する。

第10図は、上記条件のもとで、信号多重化回路の無変
調信号を10波印加したときに、出力ポート21から得られ
る多重化信号の包絡線電力の計算結果を示す図である。

この図において、横軸は時間を示し、縦軸は、出力ポ
ート21から得られる包絡線電力を示している。ただし、
Ｔは、包絡線の周期を示し、Ｔ＝２π／△ωであり、a₀
は、周波数変換回路10の出力信号の振幅値であり、Z
₀は、周波数変換回路の出力の線路の特性インピーダン
スである。なお、第10図の縦軸は、１チャネル信号当り
の電力a²/Z₀で正規化して示してある。

第10図から分かるように、上記条件のもとでは、出力
ポート21から得られる多重化信号の包絡線電力は、Ｔ毎
に周期的に大幅に増大し、その包絡線電力の尖頭値は、
１チャネル信号当りの電力（a²/Z₀）の100倍にも達す
る。

第12図は、上記条件のもとで従来の信号多重化回路を
使用した場合、周波数変換回路10が使用されている個数
ｎと、一定の周波数間隔の無変調信号を上記周波数変換
回路10に印加したときに、出力ポート21から得られる包
絡線電力の尖頭値との関係を示すグラフである。

第12図において、その横軸は、周波数変換回路10の設
置数ｎを示し、その縦軸は、出力ポート21で得られる包
絡線電力の尖頭値を示している。ここで、P₀＝a²/Z₀で
あり、上記縦軸は、nP₀で正規化して示してある。

第12図から分かるように、無変調信号数がｎであると
きに、包絡線電力の尖頭値もｎであり、この最大値がnP
₀で正規化されているので、出力ポート21から得られる
多重化信号の包絡線電力の尖頭値は、n²P₀になる。そし
て、この尖頭値n²P₀が、第10図に示すように、必ず周期
的に発生する。

したがって、従来の信号多重化回路の出力部に増幅器
を設け、上記多重化された信号をその増幅器によって低
歪で増幅しようとすると、その増幅器の所要飽和出力
を、多重化信号の包絡線電力の最大値n²P₀以上に設定す
る必要がある。

つまり、上記従来の回路は、複数の周波数変換回路に
それぞれ備えた局部発振器が全て互いに同相で動作する
と、その変換出力が合成回路で同相合成されるので、そ
の出力が周期的に増大するという問題がある。また、局
部発振器を独立に動作させると、電源オンのタイミング
によっては、出力が周期的に増大するという状態が確率
的に起こり得るという問題がある。

本発明は、一定の周波数間隔の搬送波周波数を有する
複数の送信信号を合成する場合であって、多重化する無
変調信号の数が増加した場合に、出力の包絡線電力が大
幅に増大することを防止する信号多重化回路を提供する
ことを目的とするものである。

［課題を解決する手段］ 本発明の第１の発明は、一つの基準発振器（４）と、
入力信号の周波数を変換する複数の周波数変換手段（10
a、10b、10c、10d）と、周波数変換された信号を合成す
る電力合成手段（20）とを有する信号多重化回路におい
て、各周波数変換手段は、シンセサイザ（５）と移相手
段（６）と周波数混合手段（７）と第１の帯域通過ろ波
手段（８）とを有し、前記シンセサイザは、上記基準発
振器によって駆動され、前記周波数混合手段は、前記入
力信号と前記シンセサイザの出力が印加され、前記第１
の帯域通過ろ波手段は、周波数混合手段の出力から、所
定の周波数成分を除去し、前記移相手段は、前記シンセ
サイザと前記周波数混合手段の間、前記第１の帯域通過
ろ波手段と前記電力合成手段の間又は前記周波数混合手
段と前記第１の帯域通過ろ波手段の間の一つの間に設
け、各周波数変換手段毎に移相させることを特徴とす
る。

本発明の第２の発明は、請求項１記載の信号多重化回
路において、前記電力合成手段の出力における特定周波
数の電力を検出するための第２の帯域通過ろ波手段（3
1）と、前記第２の帯域通過ろ波手段を通過した信号を
検波する包絡線検波手段（32）を設け、該包絡線検波手
段の出力に基づいて前記移相手段の位相又は前記第２の
帯域通過ろ波手段の中心周波数を制御することを特徴と
する。

本発明の第３の発明は、一つの基準発振器（４）、変
調信号によって周波数変調される複数の周波数変調手段
（40）、周波数変調手段毎に設けた移相手段（６）及び
該移相手段の出力信号を合成する電力合成手段（20）と
を有する信号多重化回路において、前記複数の周波数変
調手段は前記基準発振器によって駆動され、前記移相手
段は、前記周波数変調手段と前記電力合成手段の間に設
け、各周波数変調手段毎に移相させることを特徴とす
る。

［作用］ 本発明の第１の発明は、一つの基準発振器に基づいて
発生された各チャネルの搬送波の瞬時位相（各周波数変
換手段の出力の瞬時位相）が一致したとき、多重化され
た信号の包絡線電力が大幅に増大する場合において、搬
送波の位相を調整して多重化された信号の包絡線電力を
小さくするものである。

本発明の第２の発明は、請求項１記載の信号多重化回
路において、電力合成手段の出力における特定周波数の
電力を検出して、各周波数変換手段毎に設けた位相手段
を制御し包絡線電力を小さくすることができる。また、
電力合成手段の出力における特定周波数の電力を検出し
て、その特定周波数を抽出する第２の帯域通過ろ波器の
中心周波数を制御して、安定的に特定周波数の電力を検
出することができる。

本発明の第３の発明は、基準発振器によって駆動され
る複数の周波数変調手段毎に移相手段を設け、各周波数
変調手段毎にその搬送波の位相を移相させることによ
り、（９）式の右辺第２総和項を減少させて、多重化さ
れた信号の包絡線電力を小さくするものである。

［実施例］ 第１図は、第１発明の第１実施例である信号多重化回
路の構成を示すブロック図である。

なお、同一の部材には同一の符号を付してある。他の
実施例についても同様である。

この実施例は、１つの基準周波数発振器４と、複数の
周波数変換回路10aと、複数の周波数変換回路10aの各出
力信号を電力合成する電力合成回路20とを有する。

周波数変換回路10aは、入力ポート３からの入力信号
を受け、基準周波数発振器４に位相同期させるシンセサ
イザ５と、移相器６と、ミクサ７と、帯域ろ波器８とを
有する。

ここで、シンセサイザ５としてPLL形周波数シンセサ
イザを使用すれば、その出力信号の初期位相を基準周波
数発振器４の出力信号に同期させることができる。ま
た、シンセサイザ５は、発振器によって駆動される発振
手段の一例である。

移相器６は、サーキュレータ、可変遅延線路、または
バラクタダイオード等で構成できる周知の部品である
（宮内、山本：「通信用マイクロ波回路」、314〜321
頁、電子通信学会、昭和56年参照）。また、移相器６
は、周波数混合手段によって周波数変換された信号の位
相を変化させる移相手段の一例である。

ミクサ７は、発振手段の出力信号によって、入力信号
の周波数を変換する周波数混合手段の一例であり、帯域
通過ろ波器８は、周波数混合手段の出力から所定の周波
数成分を除去する帯域ろ波手段の一例である。

また、周波数変換手段は３つ以上設けられ、１つの周
波数変換手段に設けらた発振手段による位相と、他の上
記周波数変換手段に設けらた上記発振手段による位相と
が同一に設定され、さらに、移相手段によって、各周波
数変換回路の出力信号の位相を互いに異ならせてある。

上記第１実施例は、周波数変換回路10aの中に、基準
信号発振器４に位相同期するシンセサイザ５と、移相器
６とを具備することが、従来例と異なる。

次に、上記実施例の動作について説明する。

まず、多重化される無変調信号の数をｎ（ｎ≧３）と
し、第ｐ番目の周波数変換回路10a内のシンセサイザ５
の出力信号電圧g_pを、 g_p＝A_C cosΩ_p t ……（１） とおく。ただし、ｐ＝1,2,…ｎであり、A_cは振幅を示
し、Ω_ｐは角周波数を示すものである。

このときに、全てのシンセサイザ５の出力の初期位相
が互いに一致しているので、移相器６を介して、ミクサ
７で無変調信号と周波数混合された後で、帯域通過ろ波
器８でろ波されたｐ番目の周波数変換回路10aの出力電
圧f_pは、 f_p＝A_m cos（ω_pt＋θ_０＋θ_ｐ） …（２） とおくことができる。ただし、A_mは振幅であり、ω_ｐは
角周波数であり、θ_０はシンセサイザ５の出力の初期位
相であり、θ_ｐは移相器６による移相量を示すものであ
る。

ここで、θ_０＝０とおいても本質的な違いが生じない
ので、（２）式の位相項を改めて、 f_p＝A_m cos（ω_pt＋θ_ｐ） …（３） とおく。そして、入力ポート３に無変調信号が印加さた
ときに、電力合成回路20で電力合成されて出力ポート21
から得られる多重化信号電圧ｆは、 である。

ここで、ベクトル表示を用いれば、（３）式は、 F_p＝A_m exp｛ｊ（ω_pt＋θ_ｐ）｝ …（５） となり、同様にベクトル表示を用いれば（４）式は、 となる。

また、出力ポート21から得られる多重化信号の包絡線
電力を求めるために、（６）式を用いて電圧実効値の２
乗、すなわち、包絡線電力を計算すると、 である。ただし、演算子「・」はベクトルの内積を表
す。シンセサイザ５による搬送波周波数の角周波数間隔
△ωが一定であると、各角周波数について、 ω_p+1−ω_ｐ＝△ω …（８） とおくことができる。ただし、ｐ＝1,2,…ｎである。し
たがって、（７）式は、 となる。

このとき、（９）式を最小にするような移相器６の移
相量の一般解を解析的に求めることは困難である（M.R.
Schroeder、“Synthesis of low−peak−factor sig
nals and binary sequences with low autocorre
lation、"IEEE Trans.Inform.Theory、pp.85−89、Ja
n.1970参照）。ここでは、（９）式の右辺を小さくする
実施例として、第２総和項を最小化しうる初期位相を求
めることを示す。（９）式の右辺の第２総和項には同一
の角周波数成分Δωを有するcosの項が（ｎ−１）だけ
有るので、対称多相交流の起電力の瞬時値とのアナロジ
ーにより、初期位相θ_ｐを（θ_p+1−θ_ｐ）−（θ_ｐ−
θ_p-1）＝２π／（ｎ−１）のように設定することで、
（９）式の右辺の第２総和項を零にすることができる。
この一例として、 θ_ｐ＝｛（ｐ−１）（ｐ−２）／（ｎ−１）｝π …（10） と設定する方法がある。ここで、 ｐ＝1,2,・・・、ｎ である。（10）式のように設定すれば、少なくとも
（９）式の右辺の第２総和項の分だけ包絡線電力を小さ
くすることができる。

第２図は、上記第１実施例において、出力ポート21か
ら得られる多重化信号の包絡線電力の計算結果を示す図
である。

この第２図において、横軸、縦軸は、従来例を示す第
10図のそれらと一致させてある。

この第２図において、（９）式の右辺第２項を消去し
たので、出力ポート21から得られる多重化信号の包絡線
電力の最大値は、従来と比べると、約1/5（0.19）に減
少している。ただし、（９）式の右辺第３項以降が残っ
ているので、若干の周期性が残っている。

第３図は、移相器６の移相量を（10）式のように設定
する場合の、包絡線電力尖頭値の低減効果を検証するこ
とを目的として求めたもので、入力ポート３に印加され
る無変調信号の数ｎと、そのときの出力ポート21から得
られる多重化信号の包絡線電力の尖頭値との関係を示す
グラフであり、（９）式を用いて計算した結果を示す図
である。なお、第３図の横軸、縦軸は、従来例を示す第
12図のそれらと一致させてある。

上記第１実施例において、第３図に示すように、１チ
ャネル信号あたりの電力をP₀とすれば、多重化信号の尖
頭値は、ほぼ1.9nP₀となる。

上記説明は、移相器６の移相量を（10）式のように設
定した場合であるが、移相器６の移相量の設定を他の方
法で行なってもよい。たとえば、（９）式の包絡線電力
尖頭値を低減するような初期位相の組み合わせを予め求
めておき、この初期位相の組み合わせで、移相器６の移
相量を設定するようにしてもよい。

上記第１実施例によれば、シンセサイザ５による搬送
波周波数の周波数間隔が一定であっても、位相器６によ
る移相量を適切に設定することによって、多重化信号の
包絡線電力が大幅に増大することを防止できる。

第４図は、上記第１発明の第２実施例を示すブロック
図である。

この第２実施例は、周波数変換回路10aの代りに、周
波数変換回路10bを設けたものであり、この周波数変換
回路10は、帯域通過ろ波器８の後に移相器６を設けたも
のである。

周波数変換回路10aの代りに周波数変換回路10bを設け
ても、入力が無変調信号であれば、ミクサ７の出力が無
変調信号になるので、電力合成回路20に入力される信号
の位相を調節することができる。したがって、多重化さ
れる無変調信号の数に応じて、移相器６の移相量を（1
0）式によって予め設定すれば、第１図に示す信号多重
化回路と同様に、多重化信号の包絡線電力が大幅に増大
することを防止できる。

第５図は、上記第１発明の第３実施例を示すブロック
図である。

この第３実施例は、周波数変換回路10aの代りに、周
波数変換回路10cを設けたものであり、この周波数変換
回路10cは、帯域通過ろ波器８の前に移相器６を設けた
ものである。このように帯域通過ろ波器８の前に移相器
６を設けた場合も、第４図に示す第２実施例と同様に説
明できる。

第６図は、上記第１発明の第４実施例を示すブロック
図である。

この第４実施例は、周波数変換回路10aの代りに、周
波数変換回路10dを設けたものであり、この周波数変換
回路10dは、第２実施例の周波数変換回路10b内に、減衰
器R1、R2を設けたものである。

上記第１実施例において、各周波数変換回路10aの出
力信号の振幅が等しいときに、その効果が顕著である
が、上記各周波数変換回路10aの出力信号が等振幅でな
い場合には、周波数変換回路10d内に設けた減衰器R1、R
2によって各周波数変換回路10aの出力信号を等振幅にす
ればよい。また、減衰器R1、R2のいずれかを省略しても
よく、減衰器R1、R2の代りに増幅器を設けてもよい。

上記第１発明は、周波数変換回路に移相機能を具備さ
せた点が特徴であり、移相器の設置位置には制限を受け
ない。したがって、上記移相器は、上記のように局部発
振器の直後に設けてもよく、ミクサの後部に設けてもよ
く、また帯域ろ波器の後部に設けてもよい。これは、上
記いずれの場合も、周波数変換回路の出力の位相を調整
できるので、その効果が同じであるためである。

第７図は、第２発明の実施例を示す図である。

この実施例は、特定周波数の出力信号の電力を検出す
る狭帯域通過ろ波器31と、包絡線検波器32と、制御部30
とを第１図に示す実施例に付加したものである。

この実施例において、特定周波数の信号のみが狭帯域
通過ろ波器31を通過し、この通過した信号を検波器32が
検波し、この検波した電圧を制御部30が検出する。そし
て、この検出した電圧に基づいて、上記特定周波数の信
号の電圧が大きくならないように、周波数変換回路10a
の移相器６を制御部30が制御する。なお、狭帯域通過ろ
波器31の中心周波数を制御部30が制御する。

第７図に示す実施例において、周波数変換回路10aの
代りに周波数変換回路10b、10C、10dを設けてもよい。

第８図は、第３発明の一実施例を示すブロック図であ
る。

この実施例の信号多重化回路は、１つの基準周波数発
振器４と、複数個ｎ（ｎ≧３）の周波数変調回路40と、
周波数変調回路40の出力信号を移相する移相器６と、移
相器６の出力信号を線形合成する電力合成回路20とを有
する。

周波数変調回路40は、入力ポート３からの信号を受
け、後述の電圧制御形発振器（VCO）46の出力信号を分
周する分周器43と、基準周波数発振器４の出力の位相と
分周器43の出力の位相とを比較する位相比較器44と、低
域通過形ろ波器（LPF）45と、電圧制御形発振器46とを
有する。

なお、各周波数変調回路40における分周器43の分周比
は、互いに異なる値に設定されている。また、各移相器
６の移相量は、多重化される無変調信号の数に応じて、
（10）式によって設定してある。

次に、第８図に示す実施例の動作について説明する。

まず、基準周波数発振器４の信号に基づいて、分周器
43の分周比で、希望する周波数帯のチャネル信号が発生
する。このチャネル信号と入力ポート３から入力された
信号とによって、電圧制御形発振器46が変調信号を出力
する。

周波数変調回路40の出力信号は、移相器６で移相され
た後、電力合成回路20に入力され、線形合成される。

この場合、各分周器43による分周比が互いに異なる値
に設定されているので、電力合成回路20の出力ポート21
には、周波数空間で多重化された出力信号が発生する。

入力ポート３に信号が入力されないとき（つまり、直
流電圧が印加されたとき）は、変調回路40の出力が無変
調信号になり、第１図における説明と同様である。

したがって、多重化される無変調信号の数に応じて、
各移相器６の移相量を（10）式によって設定すれば、第
１図に示す信号多重化回路と同一の効果を得ることがで
きる。

［発明の効果］ 本発明によれば、多重化信号の包絡線電力が大幅に増
大することを防止できるので、互いに異なる周波数のチ
ャネル信号を多数、一括して増幅する共通増幅器、衛星
通信等のマルチキャリア送信機に適用すれば、増幅器の
所要飽和出力を大幅に低減することができるという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第１発明の第１実施例を示すブロック図であ
る。 第２図は、上記実施例における信号多重化回路の出力特
性を示す図である。 第３図は、上記第１発明を用いた場合に印加される無変
調信号数と多重化信号の包絡線電力の尖頭値との関係を
示す図である。 第４図は、上記第１発明の第２実施例を示すブロック図
である。 第５図は、上記第１発明の第３実施例を示すブロック図
である。 第６図は、上記第１発明の第４実施例を示すブロック図
である。 第７図は、上記第１発明の第１実施例における応用例を
示すブロック図である。 第８図は、第２発明の一実施例を示すブロック図であ
る。 第９図は、従来の信号多重化回路を示すブロック図であ
る。 第10図は、上記従来回路における出力特性を示す図であ
る。 第11図は、周波数空間上で多重化された多重化信号の説
明図である。 第12図は、上記従来例において印加される無変調信号数
と多重化信号の包絡線電力の尖頭値との関係を示す図で
ある。 ２……局部発振器、 ３……入力ポート、 ４……基準発振器、 ５……シンセサイザ、 ６……移相器（移相手段）、 ７……ミクサ（周波数混合手段）、 ８……帯域通過ろ波器（第１の帯域通過ろ波手段）、 10a、10b、10c、10d……周波数変換回路（周波数変換手
段）、 20……電力合成回路（電力合成手段）、 21……出力ポート、 30……制御部、 31……狭帯域通過ろ波器（第２の帯域通過ろ波手段）、 32……包絡線検波器（包絡線検波手段）、 40……周波数変調回路（周波数変調手段）、 43……分周器、 44……位相比較器、 45……低域通過ろ波器、 46……電圧制御形発振器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−176221（ＪＰ，Ａ) Ｂ．Ｍ．Ｐｏｐｏｖｉｃ，”Ｓｙｎｔ ｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｅｆｆ ｉｃｉｅｎｔ ＭｕｌｔｉＴｏｎｅ Ｓ ｉｇｎａｌｓ ｗｉｔｈ Ｆｌａｔ Ａ ｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ" ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｍｕｎ, 39，７，ｐｐ．1031−1033，Ｊｕｌ. 1991 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H04J 1/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一つの基準発振器と、入力信号の周波数を
   変換する複数の周波数変換手段と、周波数変換された信
   号を合成する電力合成手段とを有する信号多重化回路に
   おいて、 各周波数変換手段は、シンセサイザと移相手段と周波数
   混合手段と第１の帯域通過ろ波手段とを有し、 前記シンセサイザは、上記基準発振器によって駆動さ
   れ、 前記周波数混合手段は、前記入力信号と前記シンセサイ
   ザの出力が印加され、 前記第１の帯域通過ろ波手段は、周波数混合手段の出力
   から、所定の周波数成分を除去し、 前記移相手段は、前記シンセサイザと前記周波数混合手
   段の間、前記第１の帯域通過ろ波手段と前記電力合成手
   段の間又は前記周波数混合手段と前記第１の帯域通過ろ
   波手段の間の一つの間に設け、各周波数変換手段毎に移
   相させることを特徴とする信号多重化回路。
2. 【請求項２】請求項１記載の信号多重化回路において、 前記電力合成手段の出力における特定周波数の電力を検
   出するための第２の帯域通過ろ波手段と、 前記第２の帯域通過ろ波手段を通過した信号を検波する
   包絡線検波手段を設け、 該包絡線検波手段の出力に基づいて前記移相手段の位相
   又は前記第２の帯域通過ろ波手段の中心周波数を制御す
   ることを特徴とする信号多重化回路。
3. 【請求項３】一つの基準発振器、変調信号によって周波
   数変調される複数の周波数変調手段、周波数変調手段毎
   に設けた移相手段及び該移相手段の出力信号を合成する
   電力合成手段とを有する信号多重化回路において、 前記複数の周波数変調手段は前記基準発振器によって駆
   動され、 前記移相手段は、前記周波数変調手段と前記電力合成手
   段の間に設け、各周波数変調手段毎に移相させることを
   特徴とする信号多重化回路。