JP2001045081A - Signal processing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、キャリア信号に
重畳された目的信号を複素データとして取り出す信号処
理方法に関する。The present invention relates to a signal processing method for extracting a target signal superimposed on a carrier signal as complex data.
【0002】[0002]
【従来の技術】無線通信システム等では、データを複素
数として取り扱うことが一般的である。受信信号から複
素数データを求めるため、2個のアナログミキサを用
い、キャリアと同じ周波数をもつ2種類の正弦波をリフ
ァレンス信号として乗算する直交検波方式が従来より用
いられている。図25に上記2個のアナログミキサを用
いる受信装置のブロック図を示す。2. Description of the Related Art In a radio communication system or the like, data is generally handled as a complex number. In order to obtain complex data from a received signal, a quadrature detection method in which two analog mixers are used, and two types of sine waves having the same frequency as the carrier are multiplied as a reference signal has conventionally been used. FIG. 25 shows a block diagram of a receiving apparatus using the two analog mixers.
【0003】上記2種類の信号は、位相が90度シフト
された信号であり、通常、コサイン、サインの信号を使
用する。乗算器であるミキサの出力には、周波数ゼロ近
傍と、キャリアの2倍の周波数近傍にスペクトルを持つ
信号が現れる。この2倍の周波数成分をローパスフィル
タで除去することによって、周波数ゼロ近傍のベースバ
ンド信号のみを取り出すことができる。The above two types of signals are signals whose phases are shifted by 90 degrees, and usually use cosine and sine signals. At the output of the mixer, which is a multiplier, a signal having a spectrum appears near the frequency of zero and near the frequency twice the frequency of the carrier. By removing the double frequency component with a low-pass filter, it is possible to extract only a baseband signal near zero frequency.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかし、アナログ素子
であるミキサを使用する限り、実数チャンネルI(in
−phase:同相成分)、虚数チャンネルQ(qua
drature:直交成分)の両チャンネルの信号の位
相、振幅のマッチングをとることが非常に困難になる。
また、アナログ部品の特性のバラツキ、温度変化、経年
変化による特性劣化の問題を抱えている。However, as long as a mixer which is an analog element is used, the real number channel I (in
-Phase: in-phase component), imaginary channel Q (qua
It becomes very difficult to match the phases and amplitudes of the signals of both channels (i.e., the quadrature component).
In addition, there is a problem of characteristic degradation due to variations in characteristics of analog parts, temperature changes, and aging.
【0005】そこで、アナログフロントエンドの段階で
A/D変換し、ディジタル処理で目的信号の復調を行う
ことが考えられるが、キャリア周波数の2倍よりも高い
周波数で直接サンプリングすることはデータ量が増加
し、ハードウェアの規模が大きくなるなどのため、キャ
リア周波数の2倍よりも低い周波数でサンプリングする
アンダーサンプリングが考えられる。Therefore, it is conceivable to perform A / D conversion at the analog front end stage and demodulate the target signal by digital processing. However, direct sampling at a frequency higher than twice the carrier frequency requires a large amount of data. Undersampling at a frequency lower than twice the carrier frequency is conceivable due to an increase in the hardware scale and the like.
【0006】しかし、アンダーサンプリングされた離散
時間信号には多くの折り返しスペクトルが含まれている
ため、これを除去するための急峻なフィルタリングが必
要である。また、サンプリングされた実数値信号を複素
数データに変換するためには極めて複雑な指数演算が必
要である。これらの演算をリアルタイムで処理するため
には極めて高速な処理装置が必要となるという問題点が
あった。However, since an undersampled discrete-time signal contains many aliasing spectra, it is necessary to perform steep filtering to remove the aliasing spectrum. Also, converting a sampled real-valued signal into complex data requires an extremely complicated exponent operation. In order to process these operations in real time, there is a problem that an extremely high-speed processing device is required.
【0007】この発明は、アンダーサンプリングでサン
プリングされた信号を極めて簡略な処理でフィルタリン
グするとともに複素データ化することのできる信号処理
方法を提供することを目的とする。It is an object of the present invention to provide a signal processing method capable of filtering a signal sampled by undersampling by extremely simple processing and converting the signal into complex data.
【0008】さらに、この発明は、信号の持つ最高周波
数の少なくとも2倍の周波数でサンプリングした信号を
極めて簡略な処理でフィルタリングするとともに複素デ
ータ化することのできる信号処理方法を提供することを
目的とする。A further object of the present invention is to provide a signal processing method capable of filtering a signal sampled at a frequency at least twice the highest frequency of the signal by extremely simple processing and converting the signal into complex data. I do.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、目的
信号の中心周波数f0 が、f0 =±fS /4に写像され
るようなサンプリング周波数fS でサンプリングされた
サンプリングデータを順次入力し、入力されたサンプリ
ングデータを実数部および虚数部に交互に分岐する分岐
処理、前記実数部および虚数部において、入力されたサ
ンプリングデータの符号を1つおきに反転するシフト処
理、ローパスフィルタのフィルタ係数を1つずつ交互
に、シフト処理された実数部のサンプリングデータおよ
び虚数部のサンプリングデータに乗算し、実数部、虚数
部毎に乗算結果を集計して実数部データ、虚数部データ
とする複素化処理、を有することを特徴とする。According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for converting sampling data sampled at a sampling frequency f S such that the center frequency f 0 of the target signal is mapped to f 0 = ± f S / 4. A branching process of sequentially inputting and alternately branching input sampling data into a real part and an imaginary part; a shift processing of inverting the sign of the input sampling data every other in the real part and the imaginary part; a low-pass filter Are alternately multiplied one by one with the shifted sampling data of the real part and the sampling data of the imaginary part, and the multiplication results are totaled for each of the real part and the imaginary part. Complexing processing.
【0010】請求項2の発明は、請求項1の発明におい
て、前記順次入力されるサンプリングデータは、キャリ
ア周波数fC に対して、k=0,1,2,…として、f
S =4fC /(4k+1)またはfS =4fC /(4k
+3)となるようなサンプリング周波数fS でサンプリ
ングされたサンプリングデータであることを特徴とす
る。[0010] invention of claim 2 is the invention of claim 1, the sampling data to which the sequentially input, to the carrier frequency f C, k = 0, 1, 2, as ..., f
S = 4f C / (4k + 1) or f S = 4f C / (4k
+3) is characterized by being sampling data sampled at a sampling frequency f S that becomes +3).
【0011】請求項3の発明は、請求項1、2の発明に
おいて、前記ローパスフィルタは、フィルタ長が偶数で
あることを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, in the first and second aspects, the low-pass filter has an even filter length.
【0012】請求項4の発明は、請求項1、2の発明に
おいて、前記ローパスフィルタは、フィルタ長が奇数で
あることを特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, in the first and second aspects of the invention, the low-pass filter has an odd filter length.
【0013】この発明は、図1(A)に示すようなキャ
リアに重畳された目的信号を離散時間信号として復元す
るためのものである。この目的信号は周波数軸上では、
同図(B)のようにキャリア周波数を中心とするスペク
トルとして現れる。この信号を、たとえば、fS =4f
0 となるようなサンプリング周波数fS でサンプリング
すると、図2(A)に示すようなスペクトルが周波数軸
上に写像される。このうちハッチングしたスペクトルを
取り出して復元する。なお、この図では0〜πに写像さ
れたスペクトルを復元するようにしているが、−π〜0
に写像されたスペクトルを復元するようにしてもよい。
また、信号を、たとえば、fS =4f0/3となるよう
なサンプリング周波数fS でアンダーサンプリングする
と0〜πに写像されるスペクトルが反転するが、これを
演算で再度反転して復元してもよい。The present invention is to restore a target signal superimposed on a carrier as shown in FIG. 1A as a discrete time signal. This target signal is on the frequency axis
It appears as a spectrum centered on the carrier frequency as shown in FIG. This signal is, for example, f S = 4f
When sampling is performed at a sampling frequency f S that becomes 0 , a spectrum as shown in FIG. 2A is mapped on the frequency axis. The hatched spectrum is extracted and restored. In this figure, the spectrum mapped to 0 to π is restored.
May be restored.
Further, signals, such as, but spectrum is mapped to the undersampling 0~π at f S = 4f 0/3 to become such a sampling frequency f S is inverted, which was restored by reversed again in operation Is also good.
【0014】このスペクトルは、上記したようにfS =
4f0 でサンプリングされたものであるため、そのサン
プリング点は、同図(C)の複素平面、同図(B)の時
間軸に示すような4点(+I,+Q,−I,−Q)であ
ると考えることができる。This spectrum can be expressed as f s =
Since it is sampled at 4f 0 , the sampling points are four points (+ I, + Q, -I, -Q) as shown on the complex plane in FIG. Can be considered.
【0015】したがって、図3(A)に示すようにこれ
を交互に実数部および虚数部に分岐し、さらに実数部、
虚数部において1つおきに符号を反転することによっ
て、実数部データ、虚数部データを復元することができ
る。この処理を、周波数軸で考えると、図2(A)に示
す中心周波数がπ/2(fS /4)シフトされたスペク
トルをベースバンドにシフトする処理になっている。す
なわち、この処理によりスペクトルの中心周波数f0 が
0にシフトされる。Therefore, as shown in FIG. 3A, this is alternately branched into a real part and an imaginary part,
By inverting the sign of every other imaginary part, the real part data and the imaginary part data can be restored. This process, given the frequency axis, and is processing in which the center frequency shown in FIG. 2 (A) shifted to π / 2 (f S / 4 ) shifted baseband spectrum. That is, the center frequency f 0 of the spectrum is shifted to 0 by this processing.
【0016】しかし、図3(B)に示すようにこの実数
部データと虚数部データは、交互でありそれぞれ1サン
プリング時刻ずつずれたものになっている。また、図2
(A)に示すようにアンダーサンプリングした場合に
は、目的のスペクトル以外に折り返しスペクトルが発生
している。この不要スペクトルを除去するためにローパ
スフィルタのフィルタ演算を行うが、このときサンプリ
ング時刻のずれに合わせて間隔をあけてフィルタ演算を
行うことにより、フィルタの補間効果によってサンプリ
ング時刻のずれを解消することができる。すなわち、図
4に示すようにサンプリング時刻がずれていてもその時
刻に合わせたフィルタ係数を乗算することにより、その
時刻に合わせた重み付けが行われ、フィルタからの出力
はそのフィルタ長の中心時刻のものとして扱うことがで
きるようになる。However, as shown in FIG. 3B, the real part data and the imaginary part data are alternate and shifted by one sampling time. FIG.
When undersampling is performed as shown in (A), a folded spectrum occurs in addition to the target spectrum. In order to remove this unnecessary spectrum, filter operation of a low-pass filter is performed. At this time, the filter operation is performed at intervals according to the shift of the sampling time, thereby eliminating the shift of the sampling time by the interpolation effect of the filter. Can be. That is, as shown in FIG. 4, even if the sampling time is shifted, by multiplying the filter coefficient according to the time, weighting is performed according to the time, and the output from the filter is the center time of the filter length. It can be treated as something.
【0017】[0017]
【発明の実施の形態】図5は、受信信号をミキサによっ
てダウンコンバートすることなく、アンダーサンプリン
グによってA/D変換を行うダイレクトサンプリング方
式を用いる受信回路のブロック図を示している。同図
(A)は無線システムの受信復調回路を示し、同図
(B)は超音波システムの受信復調回路を示している。
同図(A)において、アンテナ1から入力された高周波
信号はアンプ2、4でプリアンプされ、バンドパスフィ
ルタ3で狭い周波数帯域に帯域制限されたのち、A/D
変換器5でA/D変換される。A/D変換されたサンプ
リングデータはDSP6に入力され、DSP6内で目的
信号が復元される。また同図(B)は、アンテナ1に代
えてトランスデューサ1’を備えているが、これ以外は
同図(A)の構成と同様である。このように、これらの
ブロック図を比較すると、センサ部の構成や使用される
キャリア周波数が異なることを除けばほぼ同様の構成で
あり、処理形態は同一である。このようなアンダーサン
プリングによる目的信号の復調は、狭帯域信号を用いる
無線機、レーダ、ソナー、魚群探知機、超音波診断装
置、超音波流量計等に利用でき、一般に電波、超音波、
音波等の波動を扱う測定装置に応用可能である。FIG. 5 is a block diagram of a receiving circuit using a direct sampling method for performing A / D conversion by undersampling without down-converting a received signal by a mixer. FIG. 1A shows a reception demodulation circuit of a wireless system, and FIG. 1B shows a reception demodulation circuit of an ultrasonic system.
In FIG. 1A, a high-frequency signal input from an antenna 1 is pre-amplified by amplifiers 2 and 4 and band-limited by a band-pass filter 3 to a narrow frequency band.
A / D conversion is performed by the converter 5. The A / D converted sampling data is input to the DSP 6, and the target signal is restored in the DSP 6. FIG. 2B includes a transducer 1 ′ instead of the antenna 1, but is otherwise the same as the configuration in FIG. As described above, when these block diagrams are compared, they have almost the same configuration except that the configuration of the sensor unit and the used carrier frequency are different, and the processing form is the same. Demodulation of the target signal by such undersampling can be used for radio equipment using narrow band signals, radar, sonar, fish finder, ultrasonic diagnostic equipment, ultrasonic flow meter, etc.
The present invention is applicable to a measuring device that handles a wave such as a sound wave.
【0018】≪アンダーサンプリングの説明≫まず、ア
ンダーサンプリングにおいてエイリアシングを生じない
条件について説明する。アンダーサンプリングを利用す
る場合、エイリアシングを避けるため、可能な限り目的
信号以外の不要波を抑えた狭帯域信号(バンドパス信
号)を用いる。また、アンダーサンプリングでは多くの
写像スペクトルが生じるが、DSP等によってディジタ
ル信号処理を行うためには、できるかぎり低い周波数領
域、たとえば中心周波数がゼロ(DC)の写像スペクト
ルを用いたほうが後の計算が容易である。ただし、そう
でない場合であっても、DCからのシフト分はシステム
設計時に確定できるためDSPの演算でDCへ逆にシフ
トが可能である。この実施形態では、このシフトを符号
の反転のみで行うようにしている。{Description of Undersampling} First, conditions under which aliasing does not occur in undersampling will be described. When undersampling is used, a narrow band signal (bandpass signal) in which unnecessary waves other than the target signal are suppressed as much as possible is used to avoid aliasing. In addition, many mapping spectra are generated by undersampling. However, in order to perform digital signal processing by a DSP or the like, it is better to use a mapping spectrum whose frequency is as low as possible, for example, a center frequency of zero (DC). Easy. However, even in such a case, the shift amount from DC can be determined at the time of system design, so that it is possible to reversely shift to DC by the DSP operation. In this embodiment, this shift is performed only by inversion of the sign.
【0019】図6は、A/D変換器のサンプリングによ
って写像スペクトルがどのように形成されるかを示す図
である。この図において入力信号は上記帯域制限された
バンドパス信号であり、入力信号帯域幅B、入力信号の
最高周波数fMAX 、サンプリング周波数fS である。ま
た、元のアナログ信号のスペクトルを影付きで示してい
る。FIG. 6 is a diagram showing how a mapping spectrum is formed by sampling of the A / D converter. In this figure, an input signal is a band-pass signal whose band is limited, and has an input signal bandwidth B, a maximum frequency f MAX of the input signal, and a sampling frequency f S. In addition, the spectrum of the original analog signal is shaded.
【0020】図6(A)はfMAX の2倍の周波数でサン
プリングしたときを示している。同図(B)はfMAX の
2倍よりも高い周波数でサンプリングしたときを示して
いる。同図(C)はfMAX =1.5Bの信号をfS =3
Bでサンプリングしたとき、すなわち、fMAX の2倍の
周波数でサンプリングしたときを示している。同図
(D)は中間周波数または狭帯域周波数で信号を処理す
る場合を示しており、fS>2fMAX となるfS でサン
プリングしたときを示している。同図(E)は中間周波
数がさらに高くなった場合の処理例を示しており、fS
<fMAX となるfSでサンプリングしたときを示してい
る。同図(F)は(E)と同じ入力信号をf S =2.5
Bでサンプリングした場合を示している。これらの方式
では、写像スペクトルがDCからfS /2の間に発生し
ているがこの写像スペクトル(の高域と低域)が反転し
ている。同図(G)は中間周波数がさらに高くなった場
合を示しており、このときもDCからfS /2の間に発
生した写像スペクトルが反転している。同図(H)は中
間周波数がさらに高くなった場合を示しており、このと
きはDCからfS /2の間に発生した写像スペクトルは
反転せずに元のスペクトルの完全な複製になっている。FIG. 6A shows fMAX At twice the frequency of
Shows when pulling is performed. FIG. 2B shows fMAX of
Shows when sampling at a frequency higher than twice
I have. FIG. 4C shows fMAX = 1.5B signal to fS = 3
B, ie, fMAX Twice of
This shows a case where sampling is performed at a frequency. Same figure
(D) processes the signal at the intermediate or narrow band frequency
And fS> 2fMAX FS In the sun
Shows when pulling is performed. The figure (E) shows the intermediate frequency.
7 shows an example of processing when the number is further increased, and fS
<FMAX FSIndicates when sampling was performed.
You. FIG. 11F shows the same input signal as in FIG. S = 2.5
B shows a case where sampling is performed. These methods
Then, the mapping spectrum is changed from DC to fS / 2
However, this mapping spectrum (high and low frequencies) is inverted
ing. The same figure (G) shows the case where the intermediate frequency becomes higher.
In this case, DC is also fS Depart between / 2
The generated mapping spectrum is inverted. Figure (H) is middle
This shows the case where the inter-frequency becomes higher.
It is f from DCS The mapping spectrum generated during / 2 is
It is a perfect duplicate of the original spectrum without inversion.
【0021】この図から明らかなように、アンダーサン
プリングによってDC付近に発生する写像スペクトルが
反転するかしないかは、DCと元の信号領域の間に何個
の写像スペクトルが発生するかによって決まる。元の信
号領域をカウントに入れる場合、折り返し回数をNとす
れば、Nが偶数のとき反転、奇数のとき反転なしとな
る。As is apparent from this figure, whether the mapping spectrum generated near DC due to undersampling is inverted or not depends on how many mapping spectra are generated between DC and the original signal area. When the original signal area is included in the count, if the number of times of folding is N, the inversion is performed when N is an even number, and no inversion is performed when N is an odd number.
【0022】fMAX =N・B ,N=1,2,3,…が
成立するとき、最小サンプリング周波数fS =2Bが可
能である。たとえば同図(G)、(H)では、元の信号
領域をカウントに入れない場合、写像スペクトルの個数
は3と8であるため、それぞれ反転スペクトルと非反転
スペクトルとなっている。なお、この反転、非反転はシ
ステム設計の段階でキャリア周波数に対してサンプリン
グ周波数をどう設定するかによって決定することができ
る。ただし、DSP等を用いてFFTで周波数処理を行
う場合には、ディジタル信号処理の段階でスペクトルデ
ータを反転することは容易であるため、スペクトルの反
転・非反転はほとんど問題にならない。When f MAX = N · B, N = 1, 2, 3,..., The minimum sampling frequency f S = 2B is possible. For example, in FIGS. 9G and 9H, when the original signal area is not included in the count, the number of mapped spectra is 3 and 8, so that they are an inverted spectrum and a non-inverted spectrum, respectively. The inversion and non-inversion can be determined by how the sampling frequency is set for the carrier frequency at the stage of system design. However, when frequency processing is performed by FFT using a DSP or the like, it is easy to invert the spectrum data at the stage of digital signal processing, and inversion / non-inversion of the spectrum hardly causes a problem.
【0023】図7は、以上のことをもとにして求めたア
ンダーサンプリングを行った場合の入力信号帯域幅B、
入力信号最高周波数fMAX 、サンプリング周波数fS の
関係を示す図である。同図の実線がアンダーサンプリン
グに要求される最低サンプリング周波数の条件である。FIG. 7 shows the input signal bandwidth B when the undersampling obtained based on the above is performed.
FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between an input signal maximum frequency f MAX and a sampling frequency f S. The solid line in the figure is the condition of the minimum sampling frequency required for undersampling.
【0024】ここで、サンプリング周波数fS でサンプ
リングされた入力信号を連続時間信号として扱うと、周
波数スペクトル上ではこの信号を周期fS で繰り返す周
期信号として考えることができる。すなわち、fS /2
ごとに非反転のスペクトルと反転したスペクトルが現
れ、fS で繰り返す。Here, if the input signal sampled at the sampling frequency f S is treated as a continuous time signal, it can be considered as a periodic signal that repeats this signal at a period f S on the frequency spectrum. That is, f S / 2
Spectrum inversion to the spectrum of the non-reversed each appeared and repeated at f S.
【0025】以下、バンドパス信号をサンプリングする
場合に、適切なサンプリング周波数を選択するための条
件について説明する。Hereinafter, conditions for selecting an appropriate sampling frequency when a bandpass signal is sampled will be described.
【0026】図8は、連続波バンドパス信号の正の周波
数成分(反転しない写像スペクトル)を0≦Ω≦πに写
像する場合を示している。以下、入力信号の周波数帯域
(すなわち目的信号のスペクトル)の下限周波数、上限
周波数をそれぞれfL 、fUとする。FIG. 8 shows a case where the positive frequency component (mapping spectrum without inversion) of the continuous wave bandpass signal is mapped to 0 ≦ Ω ≦ π. Hereinafter, the lower limit frequency and the upper limit frequency of the frequency band of the input signal (that is, the spectrum of the target signal) are referred to as f L and f U , respectively.
【0027】なお、同図に示すスペクトルは、所望周波
数スペクトルのみとしてもよく、所望周波数スペクトル
にガードバンドが加わったスペクトルと考えてもよい。
図8(A)は元の連続波信号を示している。図8(B)
は、サンプリング周波数がf S であるサンプリング信号
の周波数スペクトルδS (f)を表している。この図の
場合には、信号帯域の下限周波数であるfL がサンプリ
ング周波数fS の整数倍になるように調節してある(f
L =k・fS )。またサンプリング周波数fSは信号の
帯域幅B=fU −fL の2倍に設定してある(fS =2
B)。ただし、kは整数である。これから、サンプリン
グ周波数fS は一意に決定される。The spectrum shown in FIG.
Only a few spectra may be used,
May be considered as a spectrum in which a guard band is added to the spectrum.
FIG. 8A shows the original continuous wave signal. FIG. 8 (B)
Means that the sampling frequency is f S Is the sampling signal
Frequency spectrum δS (F). In this figure
In this case, the lower limit frequency f of the signal bandL Is a sampler
Frequency fS (F)
L = KfS ). Also, the sampling frequency fSIs the signal
Bandwidth B = fU −fL Is set to twice (fS = 2
B). Here, k is an integer. From now on, Sampling
Frequency fS Is uniquely determined.
【0028】すると、周波数帯域の上端周波数fU 、周
波数スペクトルの中心周波数f0 は、 fU =(k+1/2)fS f0 =fL +B/2=(k+1/4)fS とそれぞれ表現できる。この関係から、サンプリング周
波数fS は、Then, the upper end frequency f U of the frequency band and the center frequency f 0 of the frequency spectrum are expressed as f U = (k + /) f S f 0 = f L + B / 2 = (k + /) f S Can be expressed. From this relationship, the sampling frequency f S is
【数1】 と決定される。(Equation 1) Is determined.
【0029】図8(C)は、サンプリング周波数fS で
A/D変換されたディジタルデータの周波数スペクトル
X(Ω)を示している。この図8(C)から、0〜2π
の周波数帯域のうち、元信号の正の周波数領域fL 〜f
U に対応する写像スペクトルが占有する帯域は0〜π領
域であり、負の周波数スペクトル成分がπ〜2πまたは
−π〜0の領域を占めている。なお、周波数スペクトル
の中心周波数f0 はΩ=π/2に写像される。FIG. 8C shows a frequency spectrum X (Ω) of digital data A / D converted at the sampling frequency f S. From FIG. 8C, 0 to 2π
Of the original signal, the positive frequency regions f L to f L of the original signal
The band occupied by the mapping spectrum corresponding to U is in the range of 0 to π, and the negative frequency spectrum component occupies the range of π to 2π or -π to 0. Note that the center frequency f 0 of the frequency spectrum is mapped to Ω = π / 2.
【0030】また、図9は、バンドパス信号の正の周波
数成分を−π≦Ω≦0に写像した場合の周波数スペクト
ルの関係を示す図である。この場合には、信号帯域の上
限周波数fU をサンプリング周波数fS の整数倍とする
(fU =k・fS )。すると、 fL =(k−1/2)fS f0 =fL +B/2=fU −B/2=(k−1/4)f
S と表現できる。この関係から、サンプリング周波数fS
は、FIG. 9 is a diagram showing the relationship of the frequency spectrum when the positive frequency component of the band-pass signal is mapped to -π ≦ Ω ≦ 0. In this case, the upper limit frequency f U of the signal band is set to an integral multiple of the sampling frequency f S (f U = k · f S ). Then, f L = (k − /) f S f 0 = f L + B / 2 = f U −B / 2 = (k − /) f
Can be expressed as S. From this relationship, the sampling frequency f S
Is
【数2】 と求まる。なお、(数2)式では、k=0のときサンプ
リング周波数fS が負になるのでk=1からとなる。ま
たは、(Equation 2) Is obtained. In the expression (2), when k = 0, the sampling frequency f S becomes negative, so that k = 1. Or
【数3】 とも表現してもよい。(Equation 3) May also be expressed.
【0031】図9においては、バンドパス信号の正の周
波数成分が−π≦Ω≦0に写像され、0≦Ω≦+πの領
域にはX(f)の負の周波数成分が写像される。すなわ
ち、0≦Ω≦+πの領域に写像された信号は、元のスペ
クトルに対して周波数成分の高域と低域が反転したスペ
クトルになっている。In FIG. 9, the positive frequency component of the bandpass signal is mapped to -π ≦ Ω ≦ 0, and the negative frequency component of X (f) is mapped to the region of 0 ≦ Ω ≦ + π. That is, the signal mapped in the region of 0 ≦ Ω ≦ + π has a spectrum in which the high and low frequency components of the frequency component are inverted with respect to the original spectrum.
【0032】図8、図9に示した例は、信号周波数帯域
の下限周波数fL 、上限周波数fUがそれぞれサンプリ
ング周波数の整数倍になる特別な場合であり、これら2
例のアンダーサンプリングについては、上述したよう
に、DCと元の信号との間に折り返される写像スペクト
ルが何個発生するかによってスペクトルの反転、反転な
しを割り出すことができる。図8の場合には、DCと元
の信号の間に偶数個の複製が発生するためスペクトル反
転はおこらない。図9の場合には、DCと元の信号との
間に奇数個の複製が折り返されるため、スペクトル反転
が発生する。The examples shown in FIGS. 8 and 9 are special cases in which the lower limit frequency f L and the upper limit frequency f U of the signal frequency band each become an integral multiple of the sampling frequency.
As for the undersampling in the example, as described above, it is possible to determine whether the spectrum is inverted or not based on how many mapping spectra are folded between the DC and the original signal. In the case of FIG. 8, since an even number of duplicates occur between the DC and the original signal, no spectral inversion occurs. In the case of FIG. 9, an odd number of copies are folded between DC and the original signal, so that spectrum inversion occurs.
【0033】このように、図8、図9の例は下限周波数
fL 、上限周波数fU およびサンプリング周波数fS の
間の条件が整った特別な場合である。以下は、このよう
な条件を満たさないより一般的な場合を考える。図10
は、上記条件を満たさない一般的なサンプリング周波数
fS でアンダーサンプリングした場合の周波数スペクト
ル形状の例を示す図である。上記条件を満たさない場合
は、この図に示すように隣り合う写像スペクトルが接す
ることなく間隔が開いている。しかし、この場合であっ
ても図11に示すように、サンプリング周波数fS の整
数倍(k・fS )の周波数で区切られる領域(図中破線
で示した領域)をガードバンドを付加した周波数帯域を
考えれば、図8の場合と全く同様に考えることができ
る。また、折り返しの写像スペクトルの位置によっては
図9と同様に考え処理することができる。このように、
下限周波数fL または上限周波数fU がサンプリング周
波数fS の整数倍になる場合と、図10のような場合と
を区別する必要はない。Thus, the examples of FIGS. 8 and 9 are a special case where the conditions among the lower limit frequency f L , the upper limit frequency f U and the sampling frequency f S are satisfied. The following considers a more general case where such conditions are not met. FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a frequency spectrum shape when undersampling is performed at a general sampling frequency f S that does not satisfy the above conditions. When the above condition is not satisfied, adjacent mapping spectra are spaced apart without being in contact as shown in FIG. However, even in this case, as shown in FIG. 11, an area (an area indicated by a broken line in the figure) divided by a frequency of an integer multiple (k · f S ) of the sampling frequency f S is a frequency to which a guard band is added. Considering the band, it can be considered exactly as in the case of FIG. Also, depending on the position of the reflected mapping spectrum, the processing can be performed in the same manner as in FIG. in this way,
It is not necessary to distinguish between the case where the lower limit frequency f L or the upper limit frequency f U is an integral multiple of the sampling frequency f S and the case shown in FIG.
【0034】なお、サンプリング周波数fS が低すぎる
と、図12に示すように写像される正の周波数スペクト
ル成分と負のスペクトル成分が重なり合い、エイリアシ
ングが発生する。すなわち、エイリアシングを避けるた
めには信号帯域幅Bの2倍以上のサンプリング周波数f
S が必要である。If the sampling frequency f S is too low, the mapped positive frequency spectral component and negative spectral component overlap as shown in FIG. 12, and aliasing occurs. That is, in order to avoid aliasing, the sampling frequency f is twice or more the signal bandwidth B.
S is required.
【0035】以上のように、信号周波数帯域の下限周波
数fL 、上限周波数fU がサンプリング周波数fS の整
数倍である図8、図9の場合、上記条件を満たさない図
10の場合ともにベースバンド(DC)付近でスペクト
ルを復元することができる。これに基づいて、元の信号
を復元するために必要な一般的な条件を、信号周波数帯
域の下限周波数fL 、上限周波数fU 、サンプリング周
波数fS から明らかにする。ただし、周波数帯域幅B=
fU −fL とする。As described above, in the case of FIGS. 8 and 9 where the lower limit frequency f L and the upper limit frequency f U of the signal frequency band are integral multiples of the sampling frequency f S , the case of FIG. The spectrum can be restored near the band (DC). Based on this, general conditions necessary for restoring the original signal will be clarified from the lower limit frequency f L , upper limit frequency f U , and sampling frequency f S of the signal frequency band. However, the frequency bandwidth B =
and f U -f L.
【0036】図13は、元の連続波入力バンドパス信号
のスペクトルと同じ周波数領域に写像されるスペクトル
(k=0のインパルスに対する正の周波数スペクトル成
分)をスペクトル0+ とし、第m番目のインパルス(k
=m)によって写像される負の周波数スペクトル成分
が、周波数軸上でスペクトル0+ の右側(高い周波数
側)に現れ、(m−1)番目のインパルス(k=m−
1)によって写像される負の周波数スペクトル成分が、
スペクトル0+ の左側(低い周波数側)に現れる場合を
示した図である。図中のスペクトル部に記入しているm
- はk=mの位置にあるインパルスによる負の周波数ス
ペクトルの写像スペクトルである。m−1- は、k=m
−1による負の周波数スペクトルの写像スペクトルであ
る。なお、ここでは全て連続時間信号として取り扱って
いる。[0036] Figure 13, the spectrum being mapped to the same frequency range as the spectrum of the original continuous-wave input bandpass signal (positive frequency spectrum components to an impulse of k = 0) and the spectral 0 +, the m-th impulse (K
= Negative frequency spectral components are mapped by m) it is, appears in the spectrum 0 + the right (higher frequency side) on the frequency axis, (m-1) -th impulse (k = m-
The negative frequency spectral component mapped by 1) is
It is a diagram showing a case in which appears in the spectrum 0 + the left (lower frequency side). M written in the spectrum part in the figure
- is a mapping spectrum of negative frequency spectrum by impulses at the position of k = m. m-1 - is k = m
It is a mapping spectrum of a negative frequency spectrum by -1. Here, all are treated as continuous time signals.
【0037】同図において、第m番目のインパルスに対
する周波数スペクトルシフトによって図10(A)に示
しているオリジナルスペクトルのゼロ周波数は周波数m
・f S に移動する。これによって、元の負の周波数−f
U は、m・fS −fU に移動する。ただし、m=0の場
合は、周波数ゼロにあるインパルスによる元のスペクト
ル自身の元と同じ周波数位置への写像に対応するためm
=0は除く。このことから、サンプリングによって元の
周波数スペクトルの両側に折り返しの写像スペクトルが
現れるためには、mは1以上の整数である必要があるこ
とがわかる。そしてmには上限が存在するがこれについ
ては後述する。In the same figure, the m-th impulse
The frequency spectrum shift shown in FIG.
The zero frequency of the original spectrum
・ F S Go to This gives the original negative frequency −f
U Is m · fS −fU Go to However, if m = 0
The original spectrum from the impulse at zero frequency
M to correspond to the mapping to the same frequency position as
= 0 is excluded. From this, the original sampling
A folded mapping spectrum on both sides of the frequency spectrum
M must be an integer greater than or equal to 1 to appear
I understand. And there is an upper limit to m.
Will be described later.
【0038】サンプリング周波数fS はスペクトルの周
波数帯域幅Bの2倍以上の値が必要であるから、 fS ≧2B …(1) の条件が成立する。そして、図13(C)から、 (m−1)fS −fL ≦fL …(2) および fU ≦m・fS −fU …(3) が同時に成立する。また、周波数帯域幅B=fU −fL
から fU /B=1+fL /B≧1 …(4) の条件が求まり、さらに(1)式から fS /B≧2 が得られる。The sampling frequency f S is because it is required value of at least twice the frequency bandwidth B of the spectrum, the conditions f S ≧ 2B ... (1) is satisfied. Then, from FIG. 13 (C), (m- 1) f S -f L ≦ f L ... (2) and f U ≦ m · f S -f U ... (3) are satisfied simultaneously. Further, the frequency bandwidth B = f U −f L
From the above, the condition of f U / B = 1 + f L / B ≧ 1 (4) is obtained, and f S / B ≧ 2 is obtained from the expression (1).
【0039】そして、(2)、(3)式からThen, from the equations (2) and (3),
【数4】 が得られる。また、fU =f0 +B/2の関係式を用い
て、(数4)式をスペクトルの中心周波数f0 とサンプ
リング周波数fS の関係に書き換えると(Equation 4) Is obtained. In addition, by using the relational expression of f U = f 0 + B / 2, Expression (4) can be rewritten as a relation between the center frequency f 0 of the spectrum and the sampling frequency f S.
【数5】 が得られる。ただし、m=1のときfS 上限周波数は無
限大である。(Equation 5) Is obtained. However, when m = 1, the f S upper limit frequency is infinite.
【0040】次に、バンドパス信号を保存するために必
要な最小サンプリング周波数を調べる。最小サンプリン
グ周波数は、図13の関係からサンプリング周波数fS
を徐々に下げていたとき、図14のように信号周波数帯
域の上限周波数fU と写像されるスペクトルの下端周波
数mfS −fU が一致する場合の値であることがわか
る。すなわち、これ以下にサンプリング周波数を下げる
とエイリアシングが発生することから、(4)式の等号
が成立するサンプリング周波数が所望最小値であること
が分かる。Next, the minimum sampling frequency required for storing the bandpass signal is examined. Minimum sampling frequency, the sampling frequency f S from the relationship of FIG. 13
, The upper limit frequency f U of the signal frequency band and the lower end frequency mf S −f U of the spectrum to be mapped match as shown in FIG. That is, if the sampling frequency is lowered below this, aliasing occurs, so that it can be seen that the sampling frequency at which the equation (4) is satisfied is the desired minimum value.
【0041】すなわち、(4)式から最小サンプリング
周波数fS は fS =(2/m)fU …(5) ただし、m=1,2,3,…で与えられる。ところが、
mは任意の自然数をとるわけではなく、スペクトル0+
よりも高い周波数側である右真横に負側スペクトルの写
像が発生するように設定するため最大値が存在する。
(5)式から、 m=2fU /fS が得られ、(1)式から m=2fU /fS ≦fU /B …(13) が得られる。これからmの最大整数値は〔fU /B〕と
なり、m=1,2,3,…,〔fU /B〕の値をとりう
ることがわかる。ただし、〔X〕はXを超えない最大整
数を表すとする。結果的に最小サンプリング周波数fS
は、mが最大値のとき得られ、 fS =(2/m)fU , m=〔fU /B〕 で与えられる。このときfU /Bが整数であれば最小サ
ンプリング周波数は2Bである。また、このときにはf
L /Bも整数である。That is, from the equation (4), the minimum sampling frequency f S is given by f S = (2 / m) f U (5) where m = 1, 2, 3,. However,
m is not not take any of the natural numbers, the spectrum 0 +
There is a maximum value for setting so that the mapping of the negative-side spectrum occurs right next to the higher frequency side.
From (5), m = 2f U / f S is obtained, (1) m = 2f U / f S ≦ f U / B ... (13) from the equation obtained. From this, it can be seen that the maximum integer value of m is [f U / B], and that m can take values of 1, 2, 3,..., [F U / B]. Here, [X] represents a maximum integer not exceeding X. As a result, the minimum sampling frequency f S
Is obtained when m is the maximum value, and is given by f S = (2 / m) f U and m = [f U / B]. At this time, if f U / B is an integer, the minimum sampling frequency is 2B. In this case, f
L / B is also an integer.
【0042】(数4)式の不等号を満足する値は、図1
5の影付きの領域となる。また、上記最小サンプリング
周波数を図中の太い実線で示している。同図において、
(5)式からmの各整数値に対して最小サンプリング周
波数fS を規定する直線が決定されるが、例えばm=1
のときfU /Bが2〜3の範囲になると、m=2のf S
/Bの値の方が小さくなる。mが大きくなってもこの関
係は同様であり、fU/B=m+1以上でmによって決
定されるfS /Bの値よりも(m+1)によって決定さ
れるfS /Bの値の方が小さくなるというジグザグ形状
の関係となる。The value satisfying the inequality sign of the equation (4) is shown in FIG.
A shaded area of 5 is obtained. Also, the above minimum sampling
The frequency is shown by a thick solid line in the figure. In the figure,
From equation (5), the minimum sampling period for each integer value of m
Wave number fS Is determined, for example, m = 1
When fU When / B is in the range of 2-3, f of m = 2 S
The value of / B is smaller. Even if m becomes large,
The engagement is similar, fUDetermined by m when / B = m + 1 or more
FS Is determined by (m + 1) rather than the value of / B
FS Zigzag shape where the value of / B is smaller
It becomes the relationship.
【0043】以上から、所望のサンプリング周波数fS
は、図15の太い実線上か、影付きの領域内の値を選択
すればよいことがわかる。ただし、効率上の観点からは
可能なかぎり低いサンプリング周波数fS を選択するこ
とが望まれるため、太い実線上の値である必要最小サン
プリング周波数を選択すればよい。From the above, the desired sampling frequency f S
It can be seen that it is sufficient to select a value on the thick solid line in FIG. 15 or in a shaded area. However, from the viewpoint of efficiency, it is desirable to select the sampling frequency f S as low as possible. Therefore, the necessary minimum sampling frequency which is a value on a thick solid line may be selected.
【0044】≪複素サンプリング手法の説明≫以下は、
上で説明した必要最小サンプリング周波数を用いてベー
スバンド領域に目的信号の非反転スペクトルが写像され
るようにアンダーサンプリングを行う場合の処理につい
て説明する。まず、複数エンベロープz(t) を持つアナ
ログバンドパス信号x(t) を考える。{Description of Complex Sampling Method}
A process in which undersampling is performed so that the non-inverted spectrum of the target signal is mapped to the baseband region using the required minimum sampling frequency described above will be described. First, consider an analog bandpass signal x (t) having a plurality of envelopes z (t).
【0045】[0045]
【数6】 ここで、z(t) は中心周波数ゼロ、全周波数帯域幅B
(−B/2≦f≦+B/2)の周波数スペクトルを持つ
複素数信号とする。すなわち、x(t) は目的信号z(t)
によって変調されたキャリア信号であり、中心周波数ω
0 (=2πf0 )、全帯域幅Bを持つ変調されたアナロ
グ信号である。(Equation 6) Here, z (t) is the center frequency of zero and the total frequency bandwidth B
It is assumed that the signal is a complex signal having a frequency spectrum of (−B / 2 ≦ f ≦ + B / 2). That is, x (t) is the target signal z (t)
Carrier signal modulated by
0 (= 2πf 0 ), which is a modulated analog signal having the entire bandwidth B.
【0046】例えば無線通信の場合には、複素信号z
(t) で表される音声信号やディジタルデータでキャリア
周波数ω0 を振幅変調した信号がx(t) に対応する。こ
の変調信号x(t) から、目的信号である音声信号やディ
ジタルデータz(t) を再生する操作が復調である。また
アクティブソナーの場合には、送信周波数ω0 で出力さ
れた超音波信号が目的物で反射し、ドップラ周波数成分
が重畳された反射エコー信号がx(t) に対応する。そし
て、このドップラ周波数成分自身が複素エンベロープz
(t) であり、これを抽出する操作が復調である。For example, in the case of wireless communication, the complex signal z
A signal obtained by amplitude-modulating the carrier frequency ω 0 with a voice signal or digital data represented by (t) corresponds to x (t). The operation of reproducing the audio signal or the digital data z (t) as the target signal from the modulated signal x (t) is demodulation. In the case of active sonar, the ultrasonic signal output at the transmission frequency ω 0 is reflected by the target, and the reflected echo signal on which the Doppler frequency component is superimposed corresponds to x (t). And this Doppler frequency component itself is a complex envelope z
(t), and the operation of extracting this is demodulation.
【0047】複素エンベロープz(t) の再生は、このバ
ンドパス信号x(t) に、The reproduction of the complex envelope z (t) is performed by adding the band-pass signal x (t) to
【数7】 を乗算する復調処理により、以下のように行うことがで
きる。(Equation 7) Can be performed as follows by demodulation processing of multiplying by
【0048】[0048]
【数8】 ただし、*は複素共役数を表す。ベースバンドへの復調
過程である(数8)式で生成される最終行第2項の2倍
周波数成分は、この信号をローパスフィルタに通すこと
によって除去することができる。この結果、目的とする
複素信号z(t)を求めることができる。(Equation 8) Here, * represents a complex conjugate number. The double frequency component of the second term in the last row generated by Expression (8), which is a demodulation process to the baseband, can be removed by passing this signal through a low-pass filter. As a result, the target complex signal z (t) can be obtained.
【0049】まず最初に(数6)式に示すバンドパス信
号x(t) を、プリアンプ後、サンプリング周波数fS
(=1/TS )で駆動されるA/D変換器でサンプリン
グすると、次のディジタル信号が得られる。First, the band-pass signal x (t) shown in the equation (6) is pre-amplified and then the sampling frequency f S
When sampling is performed by an A / D converter driven at (= 1 / T S ), the following digital signal is obtained.
【0050】[0050]
【数9】 このサンプリング部では、(数9)式に示す実際の複素
乗算を避けるために、サンプリング後にスペクトルの中
心周波数ω0 (=2πf0 )が連続周波数に換算してf
S /4に写像されるサンプリング周波数fS を設定す
る。すなわち、(Equation 9) In this sampling unit, the center frequency ω 0 (= 2πf 0 ) of the spectrum is converted into a continuous frequency to f
The sampling frequency f S mapped to S / 4 is set. That is,
【数10】 に設定する。すると、(Equation 10) Set to. Then
【数11】 となるため、[Equation 11] Because
【数12】 が成立する。これらの関係を(数9)式に代入すると、(Equation 12) Holds. Substituting these relationships into equation (9) gives
【数13】 が得られる。これ以降、サンプリング周波数fS =1/
Tsでサンプリングされたアナログ信号x(nTs) および
z(nTs) をディジタルデータとしてx[n] 、z[n] と表
記する。そうすると上記(数13)式は、(Equation 13) Is obtained. Thereafter, the sampling frequency f S = 1 /
The analog signals x (nTs) and z (nTs) sampled at Ts are represented as x [n] and z [n] as digital data. Then, the above equation (13) becomes:
【数14】 となる。ここで、(数12)式を変形すると、[Equation 14] Becomes Here, when Expression (12) is transformed,
【数15】 であるから(Equation 15) Because
【数16】 は、z[n] の信号を離散角周波数π/2で変調している
ことと同じである。すなわち、離散周波数軸に沿ってz
[n] の離散周波数スペクトルがプラス側にπ/2だけ並
行移動(シフト)されていることに相当している。中心
周波数f0 =0のz(t) の周波数スペクトルが、アンダ
ーサンプリングによるディジタル化によって中心角周波
数π/2の離散周波数スペクトルに写像される。図16
に、このアンダーサンプリング処理によって、離散周波
数軸上にどのように周波数スペクトルが写像されるかを
示しておく。(Equation 16) Is the same as modulating the signal of z [n] at the discrete angular frequency π / 2. That is, z along the discrete frequency axis
This corresponds to the fact that the discrete frequency spectrum of [n] is parallel-shifted by π / 2 toward the plus side. The frequency spectrum of z (t) having the center frequency f 0 = 0 is mapped to a discrete frequency spectrum having a center angular frequency π / 2 by digitization by undersampling. FIG.
Next, how the frequency spectrum is mapped on the discrete frequency axis by the undersampling process will be described.
【0051】仮に、元のアナログ複素エンベロープ信号
z(t) をAssuming that the original analog complex envelope signal z (t) is
【数17】 とし、サンプリング周波数fS =1/TS によるサンプ
リング後のディジタル信号z[n] を[Equation 17] And digital signal z [n] after sampling at sampling frequency f S = 1 / T S
【数18】 とすると、元のアナログ信号x(t) は、(Equation 18) Then, the original analog signal x (t) becomes
【数19】 であり、サンプリング周波数fS =1/TS によるサン
プリングを行うと、[Equation 19] When sampling at a sampling frequency f S = 1 / T S ,
【数20】 が得られる。(Equation 20) Is obtained.
【0052】ここでアナログの複素エンベロープ信号z
(t) をHere, the analog complex envelope signal z
(t)
【数21】 で示す実装部xC (t) と虚数部xS (t) に分解する。そ
れぞれのサンプリング後の信号z(n・ T S ) 、xC (n
・ T S ) およびxS (n・ T S ) をディジタル信号とし
て、z[n] 、実数部xC [n] 、虚数部xS [n] と表記す
る。(Equation 21) Is decomposed into a mounting part x C (t) and an imaginary part x S (t). Each sampled signal z (n · T S ), x C (n
T s ) and x s (n · T s ) are represented as z [n], a real part x C [n], and an imaginary part x S [n] as digital signals.
【0053】次に、アンダーサンプリングによって得ら
れる中心角周波数π/2の離散周波数スペクトルを持つ
ディジタル信号を、ベースバンド信号に復調する処理を
行う。復調処理は離散周波数スペクトルをマイナス側に
π/2シフトすればよいので、Next, a process of demodulating a digital signal having a discrete frequency spectrum with a central angular frequency of π / 2 obtained by undersampling into a baseband signal is performed. In the demodulation processing, the discrete frequency spectrum may be shifted by π / 2 to the minus side.
【数22】 で示される離散複素指数関数c[n] を用いる。すなわ
ち、(数14)式に(数22)式を乗算して周波数シフ
トするため、(Equation 22) Is used as a discrete complex exponential function c [n]. That is, since the equation (14) is multiplied by the equation (22) to shift the frequency,
【数23】 が得られる。この(数23)式から、アンダーサンプリ
ング後に得られるディジタルデータx[n] に離散複素指
数関数c[n] を乗算し復調することによって、複素エン
ベロープ信号z[n] が得られることが分かる。(Equation 23) Is obtained. From equation (23), it can be seen that a complex envelope signal z [n] can be obtained by multiplying the digital data x [n] obtained after the undersampling by a discrete complex exponential function c [n] and demodulating it.
【0054】ここで、サンプリングされたデータの偶数
番をn=2m、奇数番をn=2m+1と表す。まず、n
=2m(m=0,±1,±2,±3,...)である偶数番
目サンプルを考えると、Here, the even-numbered sampled data is represented by n = 2m, and the odd-numbered data is represented by n = 2m + 1. First, n
= 2m (m = 0, ± 1, ± 2, ± 3, ...)
【数24】 であるから、(数23)式は、(Equation 24) Therefore, Equation (23) is
【数25】 になる。同様に、n=2m+1である奇数番目のサンプ
ルを考えると、(Equation 25) become. Similarly, considering the odd-numbered sample where n = 2m + 1,
【数26】 であるから、(Equation 26) Because
【数27】 が成立する。[Equation 27] Holds.
【0055】このように、中心周波数ω0 (=2πf
0 )がfS /4に写像されるサンプリング周波数fS を
設定することにより、離散複素エンベロープz[n] の実
数部、虚数部をそれぞれ(数25)式、(数27)式で
求めることができる。As described above, the center frequency ω 0 (= 2πf)
By 0) to set the sampling frequency f S is mapped to f S / 4, the discrete complex envelope z real part, imaginary part, respectively (the number 25 of the [n]) expression, be determined by the equation (27) Can be.
【0056】これらの関係式によって、サンプリングさ
れたディジタル実数データx[n] から中心周波数ゼロの
ベースバンド信号である離散複素エンベロープ信号z
[n] の実数部と虚数部をそれぞれ求めることができ、From these relational expressions, a discrete complex envelope signal z which is a baseband signal having a center frequency of zero is obtained from the sampled digital real number data x [n].
You can find the real and imaginary parts of [n], respectively.
【数28】 と表現することができる。しかしながら、(数28)式
は実数部と虚数部のサンプル時刻がそれぞれ2m、2m
+1と異なっている。すなわち、実数部の値はアナログ
信号のサンプリング時刻が2mTS のものであり、虚数
部の値はアナログ信号のサンプリング時刻が(2m+
1)TS のものであり、それぞれ異なっている。復調後
のデータに処理を加えるためには、実数部、虚数部とも
同時刻にサンプリングされたものであることが望まれ
る。このため、(数28)式の実数部と虚数部の一方ま
たは両方を補間することによって互いに同時刻のデータ
を生成する。この処理を不要スペクトルを除去するフィ
ルタ処理と同時に行う。[Equation 28] Can be expressed as However, the expression (28) shows that the sample times of the real part and the imaginary part are 2 m and 2 m, respectively.
+1. That is, the value of the real part is intended sampling time of the analog signal is 2 mT S, the value of the imaginary part is the sampling time of the analog signal (2m +
1) It is of T S , each being different. In order to process the demodulated data, it is desirable that both the real part and the imaginary part are sampled at the same time. Therefore, data at the same time is generated by interpolating one or both of the real part and the imaginary part of Expression (28). This process is performed simultaneously with the filtering process for removing unnecessary spectra.
【0057】図17に、図5のDSPにおいて上記復調
方式を実行するためのブロック図を示す。このブロック
図においては、分配部11がサンプリングされた離散実
数データx[n] を、そのデータが偶数番目であるか奇数
番目であるかに応じて、交互に実数部・虚数部に分配す
る。実数部・虚数部の各処理部では、乗算器12,13
がデータの番号mに応じて1つおきにデータの符号を反
転(−1を乗算)し、実数データおよび虚数データを復
元する。そして、ローパスフィルタ14,15にこのデ
ータを入力することによって不要スペクトルを除去する
とともに、実数データ、虚数データを同サンプリング時
刻のデータに補間処理する。データが1つずつ実数部と
虚数部に分配されるため、実数データx[n] の転送レー
トは、サンプリング周波数fS と等しいが、複素数デー
タに変換後の転送レートはfS /2となる。また、その
複素数データの周波数領域は−fS /4〜fS /4(−
B/2〜B/2)である。FIG. 17 is a block diagram for executing the demodulation method in the DSP of FIG. In this block diagram, the distribution unit 11 distributes the sampled discrete real number data x [n] to a real number part and an imaginary number part alternately according to whether the data is an even number or an odd number. In each of the real and imaginary parts, multipliers 12 and 13 are provided.
Restores the real data and the imaginary data by inverting the sign of the data every other (multiplying by -1) according to the data number m. Then, unnecessary data is removed by inputting the data to the low-pass filters 14 and 15, and the real number data and the imaginary number data are interpolated into data at the same sampling time. Since the data is distributed one by one to the real part and the imaginary part, the transfer rate of the real data x [n] is equal to the sampling frequency f S , but the transfer rate after conversion to the complex data is f S / 2. . Also, the frequency domain of the complex data -f S / 4~f S / 4 ( -
B / 2 to B / 2).
【0058】以上は、偶数番目サンプルをn=2m、奇
数番目サンプルをn=2m+1として処理を行った場合
であるが、以下、偶数番目サンプルをn=2m、奇数番
目のサンプルをn=2m−1として処理する場合につい
て説明する。The above is a case where the processing is performed with the even-numbered sample being n = 2m and the odd-numbered sample being n = 2m + 1. Hereinafter, the even-numbered sample is n = 2m and the odd-numbered sample is n = 2m− The case of processing as 1 will be described.
【0059】まず、上記(数23)式の偶数番目のサン
プルについては、上記の場合と同様にn=2mとおくた
め、同様に(数25)式により離散複素エンベロープz
[n]の実数部を割り出すことができる。また、奇数番目
サンプルをn=m−1とおくので、First, for the even-numbered sample in the above equation (23), n = 2 m is set in the same manner as in the above case.
The real part of [n] can be determined. Also, since the odd-numbered samples are set to n = m-1,
【数29】 から、(Equation 29) From
【数30】 になる。したがって、奇数番目のサンプルをn=2m−
1とした場合には、離散複素エンベロープz[n] の実数
部と虚数部をそれぞれ(数25)式および(数30)式
で求めることができる。これによって、サンプリングさ
れたディジタル実数データx[n] から中心周波数ゼロの
ベースバンド信号である離散複素エンベロープz[n] の
実数部と虚数部がそれぞれ求まり、[Equation 30] become. Therefore, the odd-numbered sample is defined as n = 2m−
When it is set to 1, the real part and the imaginary part of the discrete complex envelope z [n] can be obtained by Expressions (25) and (30), respectively. As a result, the real part and the imaginary part of the discrete complex envelope z [n], which is the baseband signal having the center frequency of zero, are obtained from the sampled digital real number data x [n].
【数31】 で表現される。(Equation 31) Is represented by
【0060】この(数31)式も、「奇数番目2m+
1」の場合と同様に実数部と虚数部のサンプリング時刻
が異なっているため、上記と同様に、ローパスフィルタ
による補間によってサンプリング時刻を揃える。This (Equation 31) is also expressed as “odd 2m +
Since the sampling times of the real part and the imaginary part are different as in the case of “1”, the sampling times are aligned by interpolation using a low-pass filter, as described above.
【0061】図18に、図5のDSPにおいて上記復調
方式を実行するためのブロック図を示す。このブロック
図における処理は、離散実数データx[n] の実数部・虚
数部への振り分けの先後が異なる以外は、図17に示し
たものと同様である。FIG. 18 is a block diagram for executing the demodulation method in the DSP of FIG. The processing in this block diagram is the same as that shown in FIG. 17 except that the order of the distribution of discrete real number data x [n] into real and imaginary parts is different.
【0062】≪≪ローパスフィルタの設計≫図17およ
び図18に示したローパスフィルタをどのように構成す
るかについて説明する。まず、実数データ、虚数データ
の両方をサンプリング周期の半分TS /2だけ前後にず
らせるような補間によって両データのサンプリング時刻
を揃えるローパスフィルタについて説明する。図17の
場合には実数データをTS /2だけ進めて虚数データを
TS /2だけ遅らせる。図18の場合には実数データを
TS /2だけ遅らせて虚数データをTS /2だけ進め
る。{Design of Low-Pass Filter} How the low-pass filter shown in FIGS. 17 and 18 is configured will be described. First, a description will be given of a low-pass filter that aligns the sampling times of both the real number data and the imaginary number data by interpolation such that both data are shifted back and forth by half the sampling period T S / 2. In the case of FIG. 17, the real number data is advanced by T S / 2, and the imaginary number data is delayed by T S / 2. In the case of FIG. 18, the real number data is delayed by T S / 2, and the imaginary number data is advanced by T S / 2.
【0063】まず、最初にインタポレーション(補間)
を考える。インタポレーションを行うために、まず実数
部データ列および虚数部データ列のそれぞれに1つおき
にゼロデータを挿入し、データレートがサンプリング周
波数fS の実数データ、虚数データを作る。実際の実数
データと虚数部の0データ、実際の虚数データと実数部
の0データが対応するようにする。次に、この実数部デ
ータ列および虚数部データ列をローパスフィルタに入力
する。このローパスフィルタ(インタポレータ)には偶
数長のFIRフィルタを用いる(TS =1/fS )。以
下にこの手順を詳細に説明する。First, the interpolation (interpolation)
think of. To perform interpolation, first insert the zero data every second for each of the real part data string and imaginary part data string, the data rate is made real data of the sampling frequency f S, the imaginary data. The actual real number data corresponds to the imaginary part 0 data, and the actual imaginary number data corresponds to the real number part 0 data. Next, the real part data sequence and the imaginary part data sequence are input to a low-pass filter. The low-pass filter (interpolator) is used even length of the FIR filter (T S = 1 / f S ). Hereinafter, this procedure will be described in detail.
【0064】図19に、ゼロデータを1個挿入する場合
のインタポレーション手順を示す。一例として、フィル
タ長が偶数L=8の場合を示している。FIG. 19 shows an interpolation procedure when one zero data is inserted. As an example, a case where the filter length is an even number L = 8 is shown.
【0065】図19(A)に、図17に示している入力
信号x[n] の偶数番目(n=2m)を実数データに、奇
数番目(n=2m+1)を虚数データに分配する場合
を、同図(B)には図18に示している入力信号x[n]
の奇数番目(n=2m−1)を虚数データに、偶数番目
(n=2m)を実数データに分配する場合を示す。この
分配によって、複素数としてのデータレートは、サンプ
リング周波数fS の1/2に減少する。しかし、これら
のデータに対してインタポレーション用のゼロデータを
挿入するため、複素数データとしてのデータレートは2
倍のfS に戻る。ところが、図19に示すように挿入す
るゼロデータとフィルタ係数間の乗算結果はゼロであ
り、フィルタ演算結果には影響を与えない。このため、
ゼロデータおよびこれらに対応するフィルタ係数を除く
ことが可能である。このようにして挿入したゼロデータ
に対応するフィルタ係数を除去したフィルタ係数と実
数、虚数との関係を図20に示す。このように、0デー
タを挿入しても結局、データレートはサンプリング周波
数fS の1/2に減少することが分かる。FIG. 19A shows a case where the even number (n = 2m) of the input signal x [n] shown in FIG. 17 is distributed to real number data and the odd number (n = 2m + 1) is distributed to imaginary number data. 18B shows the input signal x [n] shown in FIG.
Are distributed to imaginary data and odd-numbered (n = 2m-1) to real data. Due to this distribution, the data rate as a complex number is reduced to の of the sampling frequency f S. However, since zero data for interpolation is inserted into these data, the data rate as complex data is 2
Back in multiples of f S. However, as shown in FIG. 19, the multiplication result between the zero data to be inserted and the filter coefficient is zero, and does not affect the filter operation result. For this reason,
It is possible to eliminate zero data and their corresponding filter coefficients. FIG. 20 shows the relationship between the filter coefficients obtained by removing the filter coefficients corresponding to the zero data inserted as described above, and real numbers and imaginary numbers. Thus, it can be seen that the data rate eventually decreases to の of the sampling frequency f S even if 0 data is inserted.
【0066】図21は、最終的なローパスフィルタのフ
ィルタ係数の構成を示す図である。インタポレータ用ロ
ーパスフィルタh[n] ,n=0,1,2,3,…,(L
−2),(L−1)は、入力信号x[n] の偶数番目(n
=2m,n=0,2,4,…,(L−2))を実数デー
タに、奇数番目(n=2m+1,n=1,3,5,…,
(L−1))を虚数データに分配するとき、元の偶数長
フィルタの偶数番係数(n=0,2,4,…)が実数用
に、奇数番係数(n=1,3,5,…)が虚数用に分割
される。FIG. 21 is a diagram showing the structure of the filter coefficients of the final low-pass filter. The interpolator low-pass filter h [n], n = 0, 1, 2, 3,..., (L
-2) and (L-1) are the even-numbered (n) of the input signal x [n].
= 2m, n = 0, 2, 4,..., (L-2)) as real data, and odd-numbered (n = 2m + 1, n = 1, 3, 5,.
When (L-1)) is distributed to imaginary data, the even-numbered coefficients (n = 0, 2, 4,...) Of the original even-length filter are changed to odd-numbered coefficients (n = 1, 3, 5) for real numbers. , ...) are divided for imaginary numbers.
【0067】また、入力信号x[n] の偶数番目(n=2
m)を実数データに、奇数番目(n=2m−1)を虚数
データに分配する場合には、元の偶数長フィルタの奇数
番係数(n=1,3,5,…)が実数用に、偶数番係数
(n=0,2,4,…)が虚数用に分割される。The even-numbered (n = 2) of the input signal x [n]
m) is distributed to real data and the odd-numbered (n = 2m-1) is distributed to imaginary data, the odd-numbered coefficients (n = 1, 3, 5,...) of the original even-length filter are used for real numbers , Even coefficients (n = 0, 2, 4,...) Are divided for imaginary numbers.
【0068】このように入力信号x[n] の奇数番目(2
m+1または2m−1)の取り方による分配によって
(A),(B)は逆の係数パターンをもつことになる。
元のフィルタ長をL(偶数)とすると、実数用,虚数用
フィルタ長はともにL/2になる。As described above, the odd number (2) of the input signal x [n]
(A) and (B) have opposite coefficient patterns depending on the distribution according to the method of taking (m + 1) or (2m-1).
If the original filter length is L (even number), both the real and imaginary filter lengths are L / 2.
【0069】以上の説明では、実数部データ、虚数部デ
ータをともに半サンプリング周期ずらすことによってサ
ンプリング時刻を揃えるようにしたが、サンプリング時
刻をそろえるのはこれが唯一の方法ではなく、実数部と
虚数部のデータのサンプリング時刻が揃うのであればど
の様な設定でもよい。In the above description, the sampling times are aligned by shifting both the real part data and the imaginary part data by a half sampling period. However, it is not the only method to make the sampling times uniform, but the real part and the imaginary part Any setting may be used as long as the data sampling times are the same.
【0070】以下、実数部のデータはそのまま用い、虚
数部のデータを1サンプル周期ずらすことで実数部と虚
数部のデータのサンプリング時刻を揃える方式について
説明する。(数28)式、(数31)式に示すようにサ
ンプリング時刻2mTS に虚数部のデータは存在しな
い。この2mTS データを生成するため、ここでは図2
2のように奇数長のローパスフィルタを用いる。同図
は、0データを挿入してデータレートをfS にした場合
を示している。奇数長のローパスフィルタのフィルタ係
数が実数部、虚数部に交互に振り分けられるため、処理
が中央のサンプリング時刻のデータを中心にして左右対
称になり、出力データは、中央のサンプリング時刻のフ
ィルタリングデータとして出力される。A method of using the data of the real part as it is and shifting the data of the imaginary part by one sample period to align the sampling times of the data of the real part and the imaginary part will be described. (Number 28), (Expression 31) data of the imaginary part to the sampling time 2 mT S as shown in equation no. To generate this 2 mT S data, where 2
2, an odd-length low-pass filter is used. This figure shows a case where 0 data is inserted to set the data rate to f S. The filter coefficients of the odd-length low-pass filter are alternately distributed to the real part and the imaginary part. Is output.
【0071】実数部側では奇数番係数に対応するデータ
は0であるため、偶数番係数のみの演算となり、中央の
サンプリング時刻に対応するデータである2mのデータ
として出力される。一方、虚数部側では偶数番係数に対
応するデータは0であるため、奇数番係数のみの演算と
なり、2m−1と2m+1の中間である2mのデータと
して出力される。Since the data corresponding to the odd-numbered coefficient is 0 on the real-number part, only the even-numbered coefficient is operated, and the data is output as 2m data corresponding to the central sampling time. On the other hand, since the data corresponding to the even-numbered coefficient is 0 on the imaginary part, only the odd-numbered coefficient is calculated, and the data is output as 2m data which is intermediate between 2m-1 and 2m + 1.
【0072】図23は、実際のローパスフィルタの係数
を示す図である。実際には0データを挿入せずにこの係
数を入力された実数データ、虚数データに対して乗算す
ればよい。FIG. 23 is a diagram showing actual low-pass filter coefficients. In practice, this coefficient may be multiplied by the input real number data and imaginary number data without inserting 0 data.
【0073】≪反転スペクトルの場合≫アンダーサンプ
リングによって、ベースバンド付近(0〜π)に現れる
離散データの周波数スペクトルが反転するかどうかは、
入力信号帯域幅B、入力信号対向周波数fMAX (中心周
波数f0 )、サンプリング周波数fS の関係によって決
定される。いままでは、スペクトルが反転しない場合に
ついて説明をしてきたが、以下は、アンダーサンプリン
グでスペクトルを反転させた場合の処理およびフィルタ
構成について説明する。{In the case of inverted spectrum} Whether the frequency spectrum of discrete data appearing near the baseband (0 to π) is inverted by undersampling is determined by
It is determined by the relationship among the input signal bandwidth B, the input signal opposing frequency f MAX (center frequency f 0 ), and the sampling frequency f S. Although the case where the spectrum is not inverted has been described as it is, the processing and the filter configuration when the spectrum is inverted by undersampling will be described below.
【0074】まず、アナログバンドパス信号x(t) のサ
ンプリングを実行する。この場合において、(数9)式
までの処理はスペクトルを反転させない場合と同様であ
る。ここで、サンプリング前のアナログ信号の周波数ス
ペクトル中心周波数ω0 (=2πf0 )が、連続周波数
に換算して3fS /4に写像されるサンプリング周波数
fS を設定する。すなわち、サンプリング周波数fS
を、First, sampling of the analog bandpass signal x (t) is performed. In this case, the processing up to equation (9) is the same as the case where the spectrum is not inverted. Here, the sampling frequency f S at which the frequency spectrum center frequency ω 0 (= 2πf 0 ) of the analog signal before sampling is converted to a continuous frequency and mapped to 3f S / 4 is set. That is, the sampling frequency f S
To
【数32】 とする。すると、(Equation 32) And Then
【数33】 となるため、[Equation 33] Because
【数34】 が成立する。これらの関係を前記(数9)式に代入する
と、(Equation 34) Holds. Substituting these relationships into equation (9) gives:
【数35】 が得られる。この(数35)式をデジタル信号として書
き換えると、(Equation 35) Is obtained. Rewriting equation (35) as a digital signal,
【数36】 となる。[Equation 36] Becomes
【0075】ここで、前記(数12)式と同様に(数3
4)式を変形すると、Here, as in the above equation (12),
4) By transforming the equation,
【数37】 であるから、(37) Because
【数38】 は、z[n] の信号を離散角周波数3π/2(または−π
/2)で変調していることと同じである。すなわち、離
散周波数軸に沿ってz[n] の離散周波数スペクトルがプ
ラス側に3π/2だけ並行移動(シフト)されているこ
とに相当している。または、z[n] の離散周波数スペク
トルがマイナス側にπ/2シフトされていることに相当
している。中心周波数f0 =0のz(t) の周波数スペク
トルが、アンダーサンプリングによるディジタル化によ
って中心角周波数3π/2の離散周波数スペクトルに写
像される。または、中心角周波数−π/2に写像される
と考えても同じである。図24に、アンダーサンプリン
グによって、離散角周波数軸上にどのようにち周波数ス
ペクトルが写像されるかを示しておく。(38) Converts the signal of z [n] to a discrete angular frequency of 3π / 2 (or -π
/ 2). In other words, this corresponds to the fact that the discrete frequency spectrum of z [n] is shifted in parallel by 3π / 2 along the discrete frequency axis. Alternatively, this corresponds to that the discrete frequency spectrum of z [n] is shifted by π / 2 to the minus side. The frequency spectrum of z (t) having the center frequency f 0 = 0 is mapped to a discrete frequency spectrum having a center angular frequency of 3π / 2 by digitization by undersampling. Or, it is the same even if it is considered that the image is mapped to the central angular frequency -π / 2. FIG. 24 shows how a frequency spectrum is mapped on a discrete angular frequency axis by undersampling.
【0076】仮に、元のアナログ複素エンベロープ信号
z(t) をSuppose that the original analog complex envelope signal z (t) is
【数39】 とし、サンプリング後のディジタル信号z[n] を[Equation 39] And the digital signal z [n] after sampling is
【数40】 とすると、元のアナログ信号x(t) は(Equation 40) Then, the original analog signal x (t) becomes
【数41】 であり、サンプリング後には[Equation 41] And after sampling
【数42】 が得られる。(Equation 42) Is obtained.
【0077】次にアンダーサンプリングによって得られ
る中心角周波数3π/2の離散周波数スペクトルをもつ
ディジタル信号を、ベースバンド信号に復調する処理を
行う。復調処理は離散周波数スペクトルをマイナス側に
3π/2シフトすればよいのでNext, a process of demodulating a digital signal having a discrete frequency spectrum with a central angular frequency of 3π / 2 obtained by undersampling into a baseband signal is performed. The demodulation process can be performed by shifting the discrete frequency spectrum to the negative side by 3π / 2.
【数43】 で示される離散複素指数関数c[n] を用いる。(数3
6)式に(数43)式を乗算すると、[Equation 43] Is used as a discrete complex exponential function c [n]. (Equation 3
By multiplying equation (6) by equation (43),
【数44】 が得られる。[Equation 44] Is obtained.
【0078】まず、n=2m(m=0,±1,±2,±
3,...)、奇数番目サンプルをn=2+1として処理を
行う。まず、n=2mである偶数番目サンプルを考える
と、First, n = 2m (m = 0, ± 1, ± 2, ± 2
3,...), And processing is performed with the odd-numbered sample set as n = 2 + 1. First, considering an even-numbered sample where n = 2m,
【数45】 であるから、(数44)式は、[Equation 45] Therefore, Equation (44) is
【数46】 になる。[Equation 46] become.
【0079】同様に、n=2m+1である奇数番目のサ
ンプルを考えると、Similarly, considering an odd-numbered sample where n = 2m + 1,
【数47】 であるから、[Equation 47] Because
【数48】 が成立する。[Equation 48] Holds.
【0080】これから、離散複素エンベロープz[n] の
実数部と虚数部がそれぞれ(数46)式と(数48)式
の関係式で求まることが分かる。From this, it can be seen that the real part and the imaginary part of the discrete complex envelope z [n] can be obtained by the relational expressions of Expressions (46) and (48), respectively.
【0081】これらの関係式によって、サンプリングさ
れたディジタル実数データx[n] から中心周波数ゼロの
ベースバンド信号である離散複素エンベロープ信号z
[n] の実数部と虚数部をそれぞれ求めることができ、From these relational expressions, a discrete complex envelope signal z which is a baseband signal having a center frequency of zero is obtained from the sampled digital real number data x [n].
You can find the real and imaginary parts of [n], respectively.
【数49】 と表現できる。[Equation 49] Can be expressed as
【0082】この(数49)式の実数部と虚数部も1サ
ンプル周期分ずれているが、この場合もスペクトルが非
反転の場合と同様に図17に示した構成で補間すること
ができる。The real part and the imaginary part of the equation (49) are also shifted by one sample period. In this case, the interpolation can be performed by the configuration shown in FIG. 17 as in the case where the spectrum is not inverted.
【0083】また、偶数番目サンプルをn=2m、奇数
番目のサンプルをn=2m−1として処理する場合、奇
数番目のサンプルは、上記非反転の場合と同様に、When the even-numbered sample is processed as n = 2m and the odd-numbered sample is processed as n = 2m-1, the odd-numbered sample is processed in the same manner as in the above-described non-inversion.
【数50】 となる。すなわち、離散複素エンベロープz[n] の実数
部と虚数部がそれぞれ(数25)式と(数50)式の関
係式で求めることができる。[Equation 50] Becomes That is, the real part and the imaginary part of the discrete complex envelope z [n] can be obtained by the relational expressions of Expressions (25) and (50), respectively.
【0084】これによって、サンプリングされたディジ
タル実数データx[n] から中心周波数ゼロのベースバン
ド信号である離散複素エンベロープz[n] の実数部と虚
数部がそれぞれ求まり、As a result, the real part and the imaginary part of the discrete complex envelope z [n], which is a baseband signal having a center frequency of zero, are obtained from the sampled digital real number data x [n].
【数51】 で表現される。この条件でも、実数部のサンプリング時
刻と虚数部のサンプリング時刻が1つずつずれている
が、この場合もスペクトルが非反転の場合と同様に図1
8に示す構成で補間し、サンプリング時刻を揃えること
ができる。(Equation 51) Is represented by Even under this condition, the sampling time of the real part and the sampling time of the imaginary part are shifted by one each.
8, the sampling time can be made uniform.
【0085】このように、スペクトルが反転するも非反
転の場合と同様のローパスフィルタを用い、このローパ
スフィルタで補間することによって実数部・虚数部とも
に同時刻の複素数データを得ることができる。As described above, by using the same low-pass filter as in the case where the spectrum is inverted but not inverted, and interpolating with this low-pass filter, it is possible to obtain complex number data at the same time for both the real part and the imaginary part.
【0086】[0086]
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、サンプ
リング周波数fS によるサンプリングによってスペクト
ルの中心周波数f0 が、f0 =±fS /4となったサン
プリングデータを分岐し、符号を反転し、実際の半分の
量のフィルタ演算を行うという極めて簡略な演算によっ
て、スペクトルをベースバンドにシフトするとともにデ
ータを複素化することができるため、簡略な構成でダイ
レクトアンダーサンプリング等が可能になるとともに、
無線通信などのリアルタイム処理が容易になるという利
点がある。As described above, according to the present invention, the sampling data whose center frequency f 0 becomes f 0 = ± f S / 4 by sampling at the sampling frequency f S is branched, and the sign is inverted. Since the spectrum can be shifted to the baseband and the data can be complexed by an extremely simple operation of performing a filter operation of half the actual amount, direct undersampling and the like can be performed with a simple configuration. ,
There is an advantage that real-time processing such as wireless communication is facilitated.
【図1】この発明が適用される目的信号が重畳されたキ
ャリア信号を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a carrier signal on which a target signal to which the present invention is applied is superimposed.
【図2】上記目的信号が重畳されたキャリア信号をサン
プリング周波数fS (=4f0)でサンプリングしたと
きのスペクトル等を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a spectrum and the like when a carrier signal on which the target signal is superimposed is sampled at a sampling frequency f S (= 4f 0 ).
【図3】上記サンプリングデータを複素データ化する処
理を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a process of converting the sampling data into complex data.
【図4】上記複素データの実数データと虚数データのサ
ンプリング時刻を補間によって一致させる処理を示す図
である。FIG. 4 is a diagram showing a process for matching sampling times of real number data and imaginary number data of the complex data by interpolation.
【図5】この発明が適用される通信装置およびソナー装
置のブロック図である。FIG. 5 is a block diagram of a communication device and a sonar device to which the present invention is applied;
【図6】アンダーサンプリングを行った場合の写像スペ
クトルの発生パターンを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a generation pattern of a mapping spectrum when undersampling is performed.
【図7】アンダーサンプリングを行う場合の最低サンプ
リング周波数の条件を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a condition of a minimum sampling frequency when undersampling is performed.
【図8】バンドパス信号の周波数スペクトルとこれを反
転しないようにサンプリングした場合の写像スペクトル
を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a frequency spectrum of a band-pass signal and a mapping spectrum when the frequency spectrum is sampled so as not to be inverted.
【図9】バンドパス信号の周波数スペクトルとこれを反
転するようにサンプリングした場合の写像スペクトルを
示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a frequency spectrum of a band-pass signal and a mapping spectrum when sampling is performed so as to invert the frequency spectrum.
【図10】バンドパス信号を異なる条件でサンプリング
した場合の写像スペクトルを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a mapping spectrum when a bandpass signal is sampled under different conditions.
【図11】ガードバンドをバンド幅に加える処理を示す
図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a process of adding a guard band to a bandwidth.
【図12】サンプリング周波数がバンド幅よりも狭い場
合のエイリアシングの発生を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating the occurrence of aliasing when the sampling frequency is smaller than the bandwidth.
【図13】サンプリング前の周波数スペクトルとアンダ
ーサンプリング後の写像スペクトル群との関係を示す図
である。FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a frequency spectrum before sampling and a group of mapping spectra after undersampling.
【図14】サンプリング周波数を最低サンプリング周波
数に設定した場合のスペクトル分布を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing a spectrum distribution when the sampling frequency is set to the lowest sampling frequency.
【図15】バンド幅および信号の最高周波数に応じて要
求されるサンプリング周波数の条件を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing conditions of a sampling frequency required according to a bandwidth and a maximum frequency of a signal.
【図16】アンダーサンプリングによって生じる写像ス
ペクトルの分布を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a distribution of a mapping spectrum generated by undersampling.
【図17】サンプリングデータの複素化、ローパスフィ
ルタリングおよび補間を行う信号処理部(DSP)のブ
ロック図である。FIG. 17 is a block diagram of a signal processing unit (DSP) that performs complexization, low-pass filtering, and interpolation of sampling data.
【図18】サンプリングデータの複素化、ローパスフィ
ルタリングおよび補間を行う信号処理部(DSP)のブ
ロック図である。FIG. 18 is a block diagram of a signal processing unit (DSP) that performs complexization, low-pass filtering, and interpolation of sampling data.
【図19】実数部・虚数部の両方を補間する場合に、0
データを挿入した場合のローパスフィルタの例を示す図
である。FIG. 19 illustrates a case where 0 is interpolated when both real and imaginary parts are interpolated.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a low-pass filter when data is inserted.
【図20】0データを省いた場合のローパスフィルタの
例を示す図である。FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a low-pass filter when 0 data is omitted.
【図21】実数側および虚数側のフィルタ係数を示す図
である。FIG. 21 is a diagram showing filter coefficients on the real and imaginary sides.
【図22】虚数部のみを補間する場合に、0データを挿
入した場合のローパスフィルタの例を示す図である。FIG. 22 is a diagram illustrating an example of a low-pass filter when zero data is inserted when only the imaginary part is interpolated.
【図23】0データを省いた場合のローパスフィルタの
例を示す図である。FIG. 23 is a diagram illustrating an example of a low-pass filter when 0 data is omitted.
【図24】スペクトルを反転させるアンダーサンプリン
グによって生じる写像スペクトルの分布を示す図であ
る。FIG. 24 is a diagram showing a distribution of a mapped spectrum generated by undersampling for inverting a spectrum.
【図25】従来のアナログミキサを用いて受信信号を複
素化するソナー装置の構成を示す図である。FIG. 25 is a diagram showing a configuration of a sonar device for complexing a received signal using a conventional analog mixer.
1…アンテナ、 1′…トランスデューサ、 2…高周波プリアンプ、 3…バンドパスフィルタ、 4…高周波アンプ、 5…(アンダーサンプリング用の)A/Dコンバータ、 6…DSP、 11…分配部、 12,13…乗算器、 14,15…ローパスフィルタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Antenna, 1 '... Transducer, 2 ... High frequency preamplifier, 3 ... Bandpass filter, 4 ... High frequency amplifier, 5 ... A / D converter (for undersampling), 6 ... DSP, 11 ... Distribution part, 12, 13 ... Multipliers, 14,15 ... Low-pass filter
Claims (4)
fS /4に写像されるようなサンプリング周波数fS で
サンプリングされたサンプリングデータを順次入力し、 入力されたサンプリングデータを実数部および虚数部に
交互に分岐する分岐処理、 前記実数部および虚数部において、入力されたサンプリ
ングデータの符号を1つおきに反転するシフト処理、 ローパスフィルタのフィルタ係数を1つずつ交互に、シ
フト処理された実数部のサンプリングデータおよび虚数
部のサンプリングデータに乗算し、実数部、虚数部毎に
乗算結果を集計して実数部データ、虚数部データとする
複素化処理、を有する信号処理方法。1. The center frequency f 0 of a target signal is f 0 = ±
a branching process for sequentially inputting sampling data sampled at a sampling frequency f S mapped to f S / 4 and alternately branching the input sampling data into a real part and an imaginary part; In the shift processing of inverting the sign of the input sampling data every other, the filter coefficient of the low-pass filter is alternately multiplied by one with the shifted sampling data of the real part and the sampling data of the imaginary part, A signal processing method comprising: a complexization process of summing multiplication results for each real part and imaginary part to obtain real part data and imaginary part data.
は、キャリア周波数f C に対して、k=0,1,2,…
として、fS =4fC /(4k+1)またはf S =4f
C /(4k+3)となるようなサンプリング周波数fS
でサンプリングされたサンプリングデータである請求項
1に記載の信号処理方法。2. The sampling data sequentially inputted.
Is the carrier frequency f C , K = 0,1,2, ...
As fS = 4fC / (4k + 1) or f S = 4f
C / Sampling frequency f such that (4k + 3)S
Claims are sampling data sampled at
2. The signal processing method according to 1.
偶数である請求項1または請求項2に記載の信号処理方
法。3. The signal processing method according to claim 1, wherein the low-pass filter has an even filter length.
奇数である請求項1または請求項2に記載の信号処理方
法。4. The signal processing method according to claim 1, wherein the low-pass filter has an odd filter length.
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