周波数シンセサイザ

周波数シンセサイザとは

周波数シンセサイザは、電子的な高調波合成を利用して、無線通信機器の発振回路を生成する技術です。単にシンセサイザとも呼ばれますが、そのほとんどが位相同期回路（PLL: Phase-Locked Loop）方式で実現されており、特にPLLシンセサイザと呼ばれることが一般的です。

PLLシンセサイザの重要性

PLLシンセサイザは、ラジオやテレビのチューナー、携帯電話、コードレス電話など、電波を利用するほぼ全ての機器の局部発振器として広く利用されています。この技術なくして、今日の携帯電話の普及はあり得なかったと言っても過言ではありません。

基本的なPLLシンセサイザの仕組み

PLLシンセサイザが実用化される以前（1978年頃まで）は、VFO（Variable Frequency Oscillator）が主流でした。VFOは、LC発振器のコンデンサを可変容量式にしたもので、発振周波数の精度や安定性に課題がありました。また、バリコンという機械部品を使用しているため、マイクロコントローラでの制御が難しいという欠点も抱えていました。

一方、水晶発振器は非常に安定した周波数を生成できますが、周波数が固定であるため、必要な周波数ごとに水晶振動子を用意しなければならないという問題がありました。

そこで、PLL技術を応用することで、1つの水晶発振器（TCXO）を用いてVFOの発振周波数を正確かつ安定に制御できるようになりました。具体的には、VFOのバリコンをバリキャップに置き換え（この形態のVFOをVCO: Voltage Controlled Oscillatorと呼びます）、PLLによって水晶発振器と同じ位相になるように制御します。位相がずれないように制御することで、結果的にVFOの発振周波数も水晶発振器と同じになります。

このままではVFOの周波数が固定されてしまうため、VFOの出力に分周器を接続します。分周器は、周波数を整数で割ることができる部品で、例えば2で割ると2分周、3で割ると3分周します。分周した信号と水晶発振器の位相を比較することで、VFOの発振周波数は水晶発振器の周波数の分周数倍になります。そして、分周数を変更することで、VFOの周波数を変化させることができます。

例えば、水晶発振器の周波数を10kHzとすると、

10,000分周の場合：VFOの発振周波数は100.00MHzで水晶発振器と位相が合います。
10,001分周の場合：VFOの発振周波数は100.01MHzで水晶発振器と位相が合います。

このように、連続的ではないものの、分周数を変えることで周波数を制御できるのがPLLシンセサイザの基本的な仕組みです。この例における10kHzを比較周波数と言います。一般的に、比較周波数と周波数設定間隔は同じになります。

改良されたPLLシンセサイザ

上記の例では、10kHzの水晶発振器が必要になりますが、実際には10～20MHz程度の水晶発振器の方が安価、小型、高精度に製造できます。そこで、より高い周波数の水晶発振器を固定分周して10kHzを生成します。この分周器を固定分周器と呼び、分周前の周波数を基準周波数と呼びます。

例えば、水晶発振器が12.8MHzの場合、1280分周することで10kHzが得られます。

より細かい周波数設定が必要な場合は、基準周波数を低くすれば良いのですが、基準周波数を低くすると、ロックアップタイム（周波数を設定してからPLLによる位相制御が完了するまでの時間）が長くなり、実用的ではなくなってしまいます。そこで、ΔΣ変調などの技術を用いて分周数を等価的に非整数とし、発振周波数を連続的に変化させることができるようにしたものがFractional-N PLLシンセサイザです。

DDSシンセサイザ

DDS（Direct Digital Synthesizer）シンセサイザは、デジタルシグナルプロセッサを用いたD/A変換によって直接波形を生成する方式であり、PLLを使用しない周波数シンセサイザです。この方式は、高速な周波数切り替えや、より複雑な波形生成に優れています。

まとめ

周波数シンセサイザは、現代の無線通信技術において不可欠な要素です。PLLシンセサイザをはじめとする様々な技術の進歩により、小型で高性能な無線機器の開発が可能になりました。今後も、より高度な周波数シンセサイザの開発が進むことで、私たちの生活はさらに便利になっていくでしょう。

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