JP2004012378A

JP2004012378A - 周波数推定装置および測位用信号受信装置

Info

Publication number: JP2004012378A
Application number: JP2002168698A
Authority: JP
Inventors: Shinji Tamura; 田村　進司; Yoshiki Sato; 佐藤　美喜
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-10
Also published as: JP3924500B2

Abstract

【課題】位相誤差検出器を用いることによる、周波数推定に要する時間の不確定性、および誤った周波数でロックされる可能性を解消した周波数推定装置およびそれを備えた測位用信号受信装置を構成する。
【解決手段】入力信号の推定周波数ｆｃからオフセット周波数ｆｏ分ずれた評価用周波数ｆ１，ｆ２で、それぞれ求めたＩ成分とＱ成分の相関値から相関値のパワーＰ１，Ｐ２を求め、これにより次回の推定周波数ｆｃ′を求める。また、オフセット周波数ｆｏを狭めるとともに、積算時間を長くして、推定周波数のずれに対する、相関値のパワーの変化特性を等価的に一定にする。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、入力信号の周波数を推定する周波数推定装置およびそれを用いた測位用信号受信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、キャリア信号を互いに異なった複数の符号で変調して多重化したものとしてＧＰＳやＣＤＭＡ（符号分割多重接続）等が用いられている。
このような変調信号を受信する際、キャリア周波数を推定して、符号の周波数および位相の追尾を行う必要がある。
【０００３】
図７は従来の周波数推定装置の構成をブロック図として示している。ここで、１は入力信号のキャリア周波数の推定に必要な周波数帯域のみを通過させるバンドパスフィルタ、１０は推定したキャリア周波数で発振する数値制御発振器（ＮＣＯ）であり、Ｉ信号（搬送波正位相信号）とＱ信号（搬送波９０°位相信号）を発生する。２，３は乗算器であり、バンドパスフィルタ１の出力信号とＮＣＯ１０からのＩ信号およびＱ信号とをそれぞれ乗算する。積算器４，５は、乗算器２，３の出力値を一定期間に亘って積算し、その結果をレジスタ６，７に書き込む。これにより、入力された変調信号とＮＣＯ１０のＩ信号との相関値（Ｉ成分の相関値）、および変調信号とＱ信号との相関値（Ｑ成分の相関値）がレジスタ６，７にそれぞれ求められる。
【０００４】
位相誤差検出器８は、レジスタ６，７に求められたＩ成分とＱ成分の相関値から、入力された変調信号のキャリアとＮＣＯ１０が発生したキャリア信号との位相誤差を検出する。例えばθ＝ｔａｎ^−１（Ｑ成分相関値／Ｉ成分相関値）等の演算によって位相誤差θを求める。ループフィルタ９は、この位相誤差を基に、ＮＣＯ１０に対する値をループフィルタ演算により求める。このようにＰＬＬ回路を構成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような位相誤差検出器およびループフィルタを用いた周波数推定装置によれば、周波数の引込み時間（ある推定周波数から開始して入力信号のキャリア周波数および位相をロックするまでの時間）が不定であり、その見積もりができない。そのため、受信信号処理上不都合をきたす場合があった。
【０００６】
また、このような従来の周波数推定装置では、現在推定している周波数での位相誤差がいくらであるかを検出してフィードバックをかけるだけである。すなわち、単一周波数で評価を行うだけである。そのため、サンプリング周期と入力信号のキャリア周波数および位相との関係次第で、誤った周波数でロックされてしまう場合があった。従って、周波数がずれた状態でロックする可能性があることを見越して、正しくロックしているか否かの判定をソフトウェア処理で行う必要があった。
【０００７】
この発明の目的は、上述の従来の問題を解消して、周波数推定に要する時間を安定にし、誤った周波数でロックされることのないようにした周波数推定装置およびそれを備えた測位用信号受信装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の周波数推定装置は、推定周波数からずれた評価用周波数の周期信号であるＩ成分抽出用周期信号とＱ成分抽出用周期信号とをそれぞれ乗じて、それらの結果を所定周期で積算して、Ｉ成分とＱ成分の相関値を求める相関手段と、前記評価用周波数を変化させて、各評価用周波数での前記相関値から新たな推定周波数を求めるとともに、該推定周波数の更新および前記相関値の抽出を繰り返す相関制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
このように、入力信号の推定周波数からずれた評価用周波数でのＩ成分とＱ成分の相関値を求め、それらの相関値から推定周波数を求め、それに応じて推定周波数を更新するので、複数の周波数で入力信号の周波数を評価することになり、周波数がずれた状態でロックすることもない。また、上記繰り返し回数で周波数推定に要する時間が定まるので、周波数の引込み時間が一定となる。
【００１０】
また、この発明の周波数推定装置は、前記評価用周波数を、前記推定周波数を中心としてオフセット分だけ上下にずれた周波数に定め、前記積算の時間を前記オフセット周波数の変化に対して反比例の関係で変化させることを特徴としている。
これにより、推定周波数のずれに対する、２つの評価用周波数での相関値のパワーの差（違い）に及ぼす影響が同等となり、推定周波数の更新に伴いオフセット周波数を小さくしていくことになるので、短時間に所定周波数分解能で周波数推定を行えるようになる。
【００１１】
この発明の測位用信号受信装置は、キャリア信号が擬似雑音符号および航法メッセージで変調されてなる測位用信号に対して前記相関手段および前記相関制御手段を適用して、測位用信号のキャリア周波数を推定することを特徴としている。
【００１２】
この発明の測位用信号受信装置は、前記測位用信号を受信する少なくとも２つの受信チャンネルに前記相関手段をそれぞれ設け、前記相関制御手段が、前記２つの受信チャンネルに対して略同一時間で異なった評価用周波数での相関値を求めるように制御することを特徴としている。
これにより、２つの受信チャンネルを用いて、目的の測位用信号について、異なった評価用周波数で相関値を求める際、同じ時間で相関値を求めることができ、信号強度やノイズなどの影響を等しく受けることになる。その結果、信号強度やノイズに時間的な変動があっても、誤り無く周波数推定が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態である周波数推定装置およびそれを備えたＧＰＳ受信機について図１〜図３を参照して説明する。
図１はＧＰＳ受信機の主要部の構成を示すブロック図である。ここで１はＧＰＳアンテナから出力された中間周波信号を入力して、必要な周波数帯域のみを通過させるバンドパスフィルタである。１０は推定したキャリア周波数で発振する数値制御発振器（ＮＣＯ）であり、Ｉ信号（搬送波正位相信号）とＱ信号（搬送波９０°位相信号）を発生する。２，３は乗算器であり、バンドパスフィルタ１の出力信号とＮＣＯ１０からのＩ信号およびＱ信号とをそれぞれ乗算する。積算器４，５は、乗算器２，３の出力値を一定期間に亘って積算し、その結果をレジスタ６，７に書き込む。これにより、入力された変調信号のＩ成分相関値、およびＱ成分相関値がレジスタ６，７にそれぞれ求められる。
このような回路をｃｈ１，ｃｈ２，・・・ｃｈｎで示すように複数の受信チャンネル分備えている。
【００１４】
ＲＯＭ１２にはＣＰＵ１１の実行するプログラムを予め書き込んでいる。ＲＡＭ１３はそれらの処理時のワーキングエリアとして用いる。ＣＰＵ１１は各受信チャンネルｃｈ１，ｃｈ２・・・ｃｈｎのそれぞれのＮＣＯ１０に対して制御データを与え、またそれぞれのレジスタ６，７から相関値を読み取る。ＣＰＵ１１は、最終的な演算結果（測位結果等）をインターフェース１４を介して外部へ出力する。
【００１５】
図１に示した乗算器２，積算器４、レジスタ６がＩ成分についての相関器を構成している。同様に乗算器３、積算器５、レジスタ７がＱ成分についての相関器を構成している。
【００１６】
なお、測位用信号はキャリア信号が擬似雑音符号と航法メッセージでそれぞれ位相変調されたものであるので、キャリア周波数の推定とともに擬似雑音符号の復調を行う。この擬似雑音符号の復調のための回路については図１に示していない。
【００１７】
以下、キャリア周波数推定のための制御について述べる。
ここでは、積算器４，５が１［ｍｓ］の時間に亘って積算を行い、１［ｍｓ］毎に相関値を出力するものとし、また２つのチャンネルを用いた場合の動作について説明する。
【００１８】
今、推定周波数をｆｃとし、その推定周波数ｆｃを中心として上下にオフセット周波数ｆｏだけずれた周波数ｆ１，ｆ２を評価用周波数とする。図２はそれらの関係を示している。積算時間は１［ｍｓ］であるので、キャリア周波数のずれに対し、相関値は±１ｋＨｚの周波数幅に亘って変化する。図２の山型はその変化特性を示している。図１に示したＮＣＯ１０の発振周波数が変化すると、それによって得られる相関値のパワーは、図２に示す山型の曲線を描くことになる。この形はｓｉｎｃ関数である。但し、図２ではｓｉｎｃ関数のメインローブ部分のみを表している。
【００１９】
そこで、初めにオフセット周波数ｆｏを、片側の周波数幅（山のピークからすそ野までの周波数幅）１ｋＨｚの半分である５００Ｈｚとし、評価用周波数ｆ１，ｆ２を定める。図２においてＰ１は周波数ｆ１での相関値のパワー、Ｐ２は周波数ｆ２での相関値のパワーである。
【００２０】
ここで、相関値のパワーを求める方法について示す。
まず、前記相関器から１［ｍｓ］ごとに出力される相関値をＩ（ｎ），Ｑ（ｎ）で表し、積算時間をｍ［ｍｓ］とすると、任意のｊ番目の積算結果は次式で与えられる。
【００２１】
Ｉ_ｊ＝ΣＩ（ｎ）　　　…（１）
Ｑ_ｊ＝ΣＱ（ｎ）　　　…（２）
但し、上記２式において、総和演算子Σの初期値パラメータはｎ＝ｊｍ、その終値は（ｊ＋１）ｍ−１である。
【００２２】
図４は、上記１［ｍｓ］毎に得られる相関値Ｉ（ｎ），Ｑ（ｎ）と積算時間との関係を示している。図４においてはｍ＝４、すなわち等価的に４［ｍｓ］毎に相関値を得る例を示している。この例では、ｍ＝４であるので、４０［ｍｓ］の間に、４０／４＝１０個の相関値が求められる。
【００２３】
そして、等価的に求めたｊ番目の相関値のパワーＰ_ｊは次式で与えられる。
Ｐ_ｊ＝Ｉ_ｊ ^２＋Ｑ_ｊ ^２　　…（３）
このＰ_ｊをｊ＝０〜ｋまで積算した値、すなわち４０／ｍ個分積算した値を相関値のパワーとする。
【００２４】
図２に示した例では、Ｐ_２＞Ｐ_１であるので、真のキャリア周波数は、ｆ１よりｆ２に近いことがわかる。そこで、次回の推定周波数は前回の推定周波数ｆｃよりｆ２寄りに定める。例えば、次式によって、周波数ｆ１とｆ２の間をパワーＰ_１，Ｐ_２で比例配分した周波数ｆｃ′を次回の推定周波数ｆｃとする。
【００２５】

この推定周波数および評価用周波数の更新と、その評価用周波数での相関値のパワーを求める処理を繰り返せば、推定周波数が真のキャリア周波数に近づいていく。このことにより真のキャリア周波数を求めることができる。
【００２６】
但し、推定周波数の周波数分解能を高めるためにオフセット周波数ｆｏを徐々に小さくすることが重要である。この点について次に述べる。
上記積算時間ｍ、オフセット周波数ｆｏ、および２つの評価用周波数の周波数幅の関係例を表１に示す。
【００２７】

ここで、例えば、積算時間が２［ｍｓ］のとき、４０［ｍｓ］の時間で（１）（２）式のＩ_１〜Ｉ_２０，Ｑ_１〜Ｑ_２０が求まる。また例えば積算時間が１０［ｍｓ］のとき、４０［ｍｓ］の時間でＩ_１〜Ｉ_４，Ｑ_１〜Ｑ_４が求まる。さらに、積算時間が４０［ｍｓ］のとき、４０［ｍｓ］の時間でＩ_１，Ｑ_１のみが求まる。
【００２８】
このように積算時間が変化すると、キャリア周波数のずれに対する相関値のパワーが変化する周波数範囲が変化する。すなわち、この周波数範囲と積算時間とは反比例する。従って、積算時間を前記オフセット周波数の変化に対して反比例の関係で変化させればよい。例えばオフセット周波数を１／２にするのなら、それとともに積算時間を２倍にすればよい。
【００２９】
図３は、推定周波数の変更およびオフセット周波数の変更に伴い、積算時間を変更した例を示している。ここで、ｆｃ′は評価用周波数ｆ１，ｆ２と相関値のパワーＰ１，Ｐ２から求めた次回の推定周波数、ｆｏ′は次回のオフセット周波数である。図３の下部は、上部の周波数軸上を拡大したものである。
【００３０】
このように、積算時間をオフセット周波数の変化に対して反比例の関係で変化させれば、山型の形が等価的には同じになる。これにより、推定周波数のずれに対する、２つの評価用周波数での相関値のパワーの差（違い）に及ぼす影響が同等となって、推定周波数の更新に伴い、推定周波数を真の周波数に速やかに近づけることができる。
【００３１】
そこで、オフセット周波数ｆｏを１／２ずつ狭めることにし、（４）式の推定周波数の変化分であるｆｏ（Ｐ２−Ｐ１）／（Ｐ１＋Ｐ２）の値が、オフセット周波数ｆｏの１／２より小さいとき、すなわち、（Ｐ２−Ｐ１）／（Ｐ１＋Ｐ２）が１／２より小さいとき、上記積算時間ｍを２倍にして、次回のオフセット周波数ｆｏを１／２の周波数に変更する。
【００３２】
上記推定周波数の変化分ｆｏ（Ｐ２−Ｐ１）／（Ｐ１＋Ｐ２）の値が、オフセット周波数ｆｏの１／２以上となるときには、次回も今回と同じオフセット周波数ｆｏとする。このオフセット周波数ｆｏを変更しない条件が所定回数続いた場合には、その後にオフセット周波数ｆｏを１／２にする。
【００３３】
最終的に、積算時間を４０［ｍｓ］としたとき、オフセット周波数は２５Ｈｚとなる。その後、（４）式により推定周波数ｆｃを求め、推定周波数の変化分ｆｏ（Ｐ２−Ｐ１）／（Ｐ１＋Ｐ２）の値が、２５Ｈｚの１／２である１２．５Ｈｚよりも小さくなったとき周波数推定完了とする。これで、１２．５Ｈｚの精度で真のキャリア周波数が求められたことになる。
【００３４】
以上に述べた手順を全体をとおして、図５に示すフローチャートを基に説明する。
まず、２つの受信チャンネルへ、推定周波数ｆｃを中心として±ｆｏのオフセットをもった評価用周波数ｆ１，ｆ２を設定する（ｎ１）。
【００３５】
次に、２つの受信チャンネルから、Ｉ，Ｑそれぞれの成分について４０［ｍｓ］分の相関値を読み取り、（１）〜（３）式によって相関値のパワーを求める（ｎ２→ｎ３）。このようにして、２つの評価用周波数についての略同一時間における相関値のパワーを求める。
その後、相関値のパワーＰ_ｊから（４）式により次回の推定周波数ｆｃを定める（ｎ４）。
【００３６】
その後、推定周波数の変化分がｆｏ／２より小さければ、オフセット周波数を１／２とし、それに合わせて積算時間を２倍にする（ｎ５→ｎ６→ｎ７）。
【００３７】
もし、ステップｎ６の判定で、推定周波数の変化分がｆｏ／２以上となるときには、オフセット周波数ｆｏを変更しない。このオフセット周波数ｆｏを変更しない条件が所定回数続いた場合には、その後にオフセット周波数ｆｏを１／２にする（ｎ６→ｎ８→ｎ７）。
【００３８】
このように相関器の出力周期が一定であっても、積算時間を変えることによって図２に示した山型の形が変化する。すなわち積算時間を長く取る程、山型は鋭くなる。それに合わせてオフセット周波数を積算時間とは反比例の関係で狭めていくことによって、推定周波数のずれに対する、オフセット周波数分だけ上下にずれた２つの評価用周波数での相関値のパワーの差に及ぼす影響が同等となる。そのため、推定周波数のずれの検出および次回の推定周波数の設定処理が効率良く行える。
【００３９】
また、推定周波数ｆｃの変化分がオフセット周波数ｆｏの１／２より小さい時に一定回数までオフセット周波数ｆｏを変更しないようにしたことにより、例えばノイズ成分等による影響で、２つのパワーＰ１，Ｐ２が共に大きな値を示した場合でも誤動作を防止することができる。
【００４０】
なお、上述の周波数推定とは別の処理で、前記擬似雑音符号の位相のサーチおよびキャリア周波数のサーチを行うが、このサーチの段階で、キャリア周波数を所定の精度で確定しているので、それに応じてオフセット周波数を、表１に示した値から変更してもよい。また、ノイズ成分と信号強度を考慮してオフセット周波数を変更してもよい。例えば、上記サーチの段階で、５［ｍｓ］積算による相関値に基づいてサーチを行った場合、±４００Ｈｚの精度で周波数が確定しているので、表１に示した値の１／２の０．８倍の値を用いる。例えば、積算時間ｍが２［ｍｓ］のとき、オフセット周波数は２００Ｈｚ、積算時間ｍが４［ｍｓ］のとき、オフセット周波数は１００Ｈｚとする。
【００４１】
また例えば、サーチの段階で、２０［ｍｓ］積算による相関値に基づいてサーチを行った場合、表１に示した値の１／２の０．７倍の値を用いる。また、８０［ｍｓ］積算による相関値に基づいてサーチを行った場合、表１に示した値の１／２の０．５倍の値を用いる。
【００４２】
次に、第２の実施形態に係る周波数推定装置について説明する。
第１の実施形態では、推定周波数を中心として上下にオフセット周波数分だけずれた２つの評価用周波数での相関値を２つの受信チャンネルで求めるようにしたが、評価用周波数は３つ以上であってもよい。
【００４３】
図６は、３つの評価用周波数を設定して、それぞれの相関値のパワーを求めた例を示している。（Ａ）では推定周波数を中心の評価用周波数ｆ２とし、上下に所定のオフセット周波数ｆｏだけずれた周波数ｆ１，ｆ３を他の２つの評価用周波数として定める。これらの３つの評価用周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３を３つの受信チャンネルに設定し、得られた相関値のパワーがＰ１，Ｐ２，Ｐ３であった場合、この３つの点の重心ｗを求め、その重心の周波数ｆｗを次回の推定周波数とする。従って、次回はｆｗを中心の周波数ｆ２とする。
【００４４】
また、図６の（Ｂ）に示す例では、得られた３つのパワーＰ１，Ｐ２，Ｐ３のうち、値の大きな方の２つ、この例ではＰ２，Ｐ３の２つを用い、第１の実施形態の場合と同様に、比例配分により推定周波数を求め、その推定周波数を中心に、次回の３つの評価用周波数を設定し、同様の処理を繰り返す。
【００４５】
なお、第１・第２の実施形態では、プログラムの実行による演算によって積算時間を変えるようにしたが、ハードウェアにより相関器を構成し、その積算時間を回路的に切り替えるようにしてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
この発明によれば、入力信号の推定周波数からずれた評価用周波数でのＩ成分とＱ成分の相関値を求め、それらの相関値から推定周波数を求め、それに応じて推定周波数を更新するので、複数の周波数で入力信号の周波数を評価することになり、周波数がずれた状態でロックすることもない。また、上記繰り返し回数で周波数推定に要する時間が定まるので、周波数の引込み時間が一定となる。
【００４７】
また、この発明によれば、評価用周波数を、推定周波数を中心としてオフセット分だけ上下にずれた周波数に定め、積算の時間を前記オフセット周波数の変化に対して反比例の関係で変化させることにより、推定周波数のずれに対する、２つの評価用周波数での相関値のパワーの差（違い）に及ぼす影響が同等となり、推定周波数の更新に伴いオフセット周波数を小さくしていくことになるので、短時間に所定周波数分解能で周波数推定を行えるようになる。
【００４８】
また、この発明によれば、キャリア信号が擬似雑音符号および航法メッセージで変調された測位用信号に対して前記相関手段および前記相関制御手段を適用して、測位用信号のキャリア周波数を推定することにより、測位用信号のサーチ時間を短縮化できる。
【００４９】
また、この発明によれば、２つの受信チャンネルを用いて、目的の測位用信号について、異なった評価用周波数で相関値を求める際、略同一時間での相関値を求めることができ、信号強度やノイズなどの影響を等しく受けることになる。その結果、信号強度やノイズに時間的な変動があっても、誤り無く周波数推定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るＧＰＳ受信機の主要部の構成を示すブロック図
【図２】評価用周波数と相関値のパワーとの関係を示す図
【図３】評価用周波数と相関値のパワーとの関係を示す図
【図４】相関値と積算時間との関係を示す図
【図５】周波数推定の手順を示すフローチャート
【図６】第２の実施形態に係る周波数推定装置における評価用周波数と相関値のパワーの関係を示す図
【図７】従来の周波数推定装置の構成例を示すブロック図
【符号の説明】
２，３−乗算器

Claims

入力信号に、推定周波数からずれた評価用周波数の周期信号であるＩ成分抽出用周期信号とＱ成分抽出用周期信号とをそれぞれ乗じて、それらの結果を所定周期で積算して、Ｉ成分とＱ成分の相関値を求める相関手段と、前記評価用周波数を変化させて、各評価用周波数での前記相関値から新たな推定周波数を求めるとともに、該推定周波数の更新および前記相関値の抽出を繰り返す相関制御手段とを備えた周波数推定装置。
前記評価用周波数は、前記推定周波数を中心として、オフセット周波数分だけ上下にずれた周波数に定め、前記積算の時間を前記オフセット周波数の変化に対して反比例の関係で変化させる請求項１に記載の周波数推定装置。
請求項１または２の周波数推定装置における相関手段と相関制御手段とを備えるとともに、キャリア信号が擬似雑音符号および航法メッセージで変調されてなる測位用信号を前記入力信号として入力するようにした測位用信号受信装置。
前記測位用信号を受信する少なくとも２つの受信チャンネルに前記相関手段をそれぞれ設け、前記相関制御手段は、前記２つの受信チャンネルを用いて略同一時間で異なった評価用周波数での相関値を求めるように制御する請求項３に記載の測位用信号受信装置。