JP2004096645A

JP2004096645A - 直交検波受信機

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Publication number: JP2004096645A
Application number: JP2002258167A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Sato; 佐藤　美喜; Shinji Tamura; 田村　進司
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-03
Also published as: JP4086595B2

Abstract

【課題】増幅回路やＡＧＣの特性によるばらつきの問題を解消し、Ｃ／Ｎ０が低い場合でも同期判定を確実に行えるようにする。また、同期判定の際に求めた情報を基にして周波数・位相の同期を高速化する。
【解決手段】受信機内部で発生した基準周波数信号に対する変調波の位相差をｘとし、ｙ＝ｃｏｓ（２ｘ）としたときのｙが所定のしきい値より大きく、且つｙの変化が所定の判定周期内でゼロクロスしていないとき、基準周波数信号は変調波に同期しているものと見なす。また、ｙがゼロクロスする時間間隔から、変調波に対する基準周波数信号の周波数差を検出する。
【選択図】　図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はキャリア信号を位相シフト変調した変調波を受信する直交検波受信機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
キャリア信号を位相シフト変調（ＰＳＫ）した変調波を受信する直交検波受信機は例えばＧＰＳ受信機、インマルサット受信機を始めとして多種多様な分野で用いられている。
【０００３】
ここで、一般的な直交検波受信機の構成をブロック図として図１に示す。図１において３は基準周波数信号を発生するキャリアＮＣＯ、４はその基準周波数信号を９０度分シフトさせる９０度位相器である。１，２はそれぞれ乗算器である。乗算器１は、キャリアＮＣＯ３が発生した基準周波数信号と入力信号である変調波とを乗算（ミキシング）する。乗算器２は、９０度位相器４を介して位相シフトされた基準周波数信号と変調波とを乗算する。このことにより、キャリアＮＣＯ３が発生した基準周波数信号を基準とする同相の成分（以下Ｉ成分という。
）が乗算器１から出力され、基準周波数信号を基準とする直交の成分（以下Ｑ成分という。）が乗算器２から出力される。同期回路５はこのＩ成分とＱ成分とに基づいて変調波と基準周波数信号との周波数差を検出するとともに、その周波数差が小さくなるようにキャリアＮＣＯ３に対する値をフィードバック制御する。このことによりＰＬＬを構成している。
【０００４】
また、変調波と上記基準周波数信号とが位相同期している状態で正しく検波が行われることになり、例えば変調波に重畳されている符号の復調が可能となる。
そのため、同期回路５は、上記基準周波数信号が変調波に位相同期しているか否かの同期判定手段を備えている。
【０００５】
この同期判定のアルゴリズムを図８に示す。まずＩ成分とＱ成分の二乗和Ａを求め、Ａが所定のしきい値を超えたとき同期したものと見なし、超えるまでは同期していないものと見なす。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、変調波や基準周波数信号を所定のレベルに保つ増幅回路やそのゲインを制御するＡＧＣ回路の性能などによって上記Ａの値はばらつくため、図８に示したように、入力した変調波の信号強度としきい値との直接的な値の比較によって判定すると、正確な同期判定が困難な場合があった。
【０００７】
ここで、キャリアのＩ成分をＩｓｉｇｎａｌ、Ｑ成分をＱｓｉｇｎａｌ、雑音のＩ成分をＩｎｏｉｓｅ　、Ｑ成分をＱｎｏｉｓｅ　とし、上記Ａの値を擬似的な信号対雑音電力比Ｃ／Ｎ０として、
Ａ＝（　Ｉｓｉｇｎａｌ^２＋Ｑｓｉｇｎａｌ^２）／（　Ｉｎｏｉｓｅ^２＋Ｑｎｏｉｓｅ^２）
で求めたとしても、Ｃ／Ｎ０が低い場合に、同期判定はやはり困難なものとなってしまう。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、上述の問題を解消し、増幅回路やＡＧＣの特性によるばらつきの問題を解消し、また上記Ｃ／Ｎ０が低い場合でも同期判定を確実に行えるようにした直交検波受信機を提供することにある。
【０００９】
上記基準周波数信号に対する変調波の位相差をｘ、変調波の振幅をＡとした場合、位相差ｘはｔａｎ^−１（Ｑ／Ｉ）で求められる。上記ＰＬＬの制御は、位相差ｘを検出し、それに応じて基準周波数信号の周波数をどれだけ変化させるかを算出し、それに基づいてキャリアＮＣＯ３へ与える値を変化させる、といった制御を繰り返す。その際、ループフィルタの定数によってＰＬＬの応答性が定まり、変調波と基準周波数信号との周波数差が大きい状態では当然ながら位相同期に至るまで長時間を要することになる。
【００１０】
そこで、この発明の他の目的は、上述の同期判定の際に求めた情報を基にして周波数・位相の同期を高速化できるようにした直交検波受信機を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、位相が直交関係にある２つの基準周波数信号を発生する手段と、キャリア信号を位相シフト変調した変調波に対して前記２つの基準周波数信号をそれぞれ乗じてＩ成分とＱ成分を検出する手段と、前記Ｉ成分と前記Ｑ成分とに基づいて、前記変調波と前記基準周波数信号との周波数差を検出するとともに、該周波数差が小さくなるように前記基準周波数信号の周波数をフィードバック制御する周波数差検出制御手段と、前記変調波と前記基準周波数信号との位相同期状態を判定する同期判定手段とを備え、
前記同期判定手段は、前記基準周波数信号に対する前記変調波の位相差情報を含む値と所定のしきい値との比較によって同期判定を行うことを特徴としている。
【００１２】
このように、基準周波数信号に対するキャリア信号の位相差の情報を持つ値としきい値とを比較することによって同期判定を行うことにより、増幅回路やＡＧＣの特性による影響を受けず、またＣ／Ｎ０による影響も受けずに確実な同期判定が可能となる。
【００１３】
また、この発明は、前記同期判定手段が、前記位相差情報を含む値の変化が所定の判定周期内で０をクロスしないことを更なる条件として同期判定を行うことを特徴としている。このことにより、変調波と基準周波数信号との周波数が近差である（程々に一致している）場合に、同期しているものとして誤って判定することなく確実な同期判定が行える。
【００１４】
また、この発明は、前記周波数差検出制御手段が、前記位相差情報を含む値が０をクロスする時間間隔から周波数差を検出するようにしたことを特徴としている。これにより、変調波と基準周波数信号との周波数差が大きい場合でも周波数および位相が同期するまでの時間を高速化することができる。
【００１５】
また、この発明は、前記基準周波数信号を発生する手段がキャリアＮＣＯを含み、前記周波数差検出制御手段は、前記変調波の位相差が０に近づくように、前記キャリアＮＣＯに対する値を求めるとともに、前記０をクロスする時間間隔から求めた、前記周波数差が０に近づくように、前記キャリアＮＣＯに対する値を修正することを特徴としている。このことにより、周波数・位相の同期を高速化できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る直交検波受信機の構成を図１および図２を参照して説明する。
図１は既に説明したように、一般的な直交検波受信器の構成を示すブロック図である。図２は図１における同期回路５の同期判定制御の手順を示すフローチャートである。
【００１７】
まず、変調波と基準周波数信号との位相差を評価する為の値ｙとしてｃｏｓ（２ｘ）を求める。ここでｘは基準周波数信号に対する変調波の位相差（以下、単に「位相差」という。）である。変調波の振幅をＡとすれば、
Ｉ＝Ａｃｏｓ（ｘ）
Ｑ＝Ａｓｉｎ（ｘ）
の関係にあり、次のｙの値を基準周波数信号に対する前記変調波の位相差情報を含む値として求める。
【００１８】
ｙ＝ｃｏｓ（２ｘ）＝（Ｉ^２−Ｑ^２）／（Ｉ^２＋Ｑ^２）
位相同期がとれているとき、位相差ｘ＝０であり、このときｙ＝１となる。位相同期が最もずれている状態は、位相差ｘ＝９０°またはｘ＝−９０°のときであり、このときｙ＝−１となる。位相差ｘ＝４５°のときは、ｙ＝０となる。つまり、ｙの値は−１〜１まで変化し、値が大きな程、正しく同期がとれていることになる。従ってｙ＝１またはｙ≒＋１であるとき位相同期しているものと見なせる
次に、このｙの値と予め定めたしきい値との比較を行う。ｙが予め定めたしきい値（例えば０．７）を超えていれば同期しているものと見なす。そうでなければ同期していないものと見なす。このしきい値は前記擬似的な信号対雑音電力比Ｃ／Ｎ０に応じて変動させてもよい。すなわち、Ｃ／Ｎ０が小さくなる程、ｙは変動するので、Ｃ／Ｎ０が小さくなるに伴って、しきい値を低くするようにしてもよい。
【００１９】
なお、図２に示した例では、基準周波数信号に対する変調波の位相差情報を含む値としてｃｏｓ（２ｘ）を求めたが、ｘの値自体をしきい値と比較しても良い。例えばｘが所定の正のしきい値と負のしきい値との範囲内に存在するか否かによって同期判定を行うようにしても良い。
【００２０】
図３は変調波のキャリア周波数を変化させた時のｙの変化の例を示している。
図３の（Ａ）は、横軸を時間経過、縦軸を周波数とする、基準周波数信号の周波数変化を示す図である。また（Ｂ）は、横軸を時間経過、縦軸をｙとするｙの変化を示す図である。
ここで、変調波は、０〜５００ｍｓで周波数１０００Ｈｚとし、それ以降１０１５Ｈｚにしている。すなわちドップラシフト周波数を＋１５Ｈｚに変動させている。（Ａ）に示すように、基準周波数信号は、０〜５００ｍｓで１０００Ｈｚになっていて、変調波に同期している。それ以降は、変調波に追従するように次第に上昇し、８００ｍｓ以降は１０１５Ｈｚになっている。ここで、Ｃ／Ｎ０は４４ｄＢＨｚである。
【００２１】
（Ｂ）に示すように、０〜５００ｍｓでは、位相差が略０であるので、ｙ≒＋１．０となっている。５００ｍｓ以降では、変調波の周波数変化により位相差が生じ、ｙは低下し、予め定めたしきい値を下回ったとき同期が外れたものと見なす。８００ｍｓ以降はｙ≒＋１．０となっているので８００ｍｓ以降は再び同期していることが分かる。
【００２２】
次に、第２の実施形態に係る直交検波受信機について、図４および図５を参照して説明する。
図３の（Ｂ）を注意深く見ると分かるように、７００〜８００ｍｓあたりで、ｙが＋１．０〜−１．０の範囲で振動しているような状態となっている。これは、変調波のサンプリング周波数および変調波と基準周波数信号との周波数差との関係から生じる現象である。この現象は、「基準周波数信号が変調波の周波数に程々に一致している状態」と表現することができる。
【００２３】
７００〜８００ｍｓでは、基準周波数信号の周波数は１０１５Ｈｚに達していないので、まだ同期していない。このように、ｙが時間経過に伴って振動するような状態は、基準周波数信号が変調波に同期しているとは言えない。そこで、同期判定のために、「ｙがしきい値を複数回連続して満足するか」という条件を加えることが考えられる。
【００２４】
しかし、Ｃ／Ｎ０が低い場合に、しきい値の選定によっては上記複数回分連続して満足しないという状態が生じる。そうすると、実際には復調が可能であるにもかかわらず、全く同期していないものとみなされてしまって、データが出力されない状態が続いてしまう問題が生じる。
また、ｙが振動している状態で、＋１．０付近となるタイミングで変調波をサンプリングする関係となった場合、ｙがしきい値を見かけ上複数回連続して満足することになり、この場合には、実際に同期していないにも拘らず同期しているものとして誤ったデータを出力してしまう危険性が生じる。
すなわち、ｙがしきい値を超えるか否かといった単一の指標で判定を行うと、条件の選定によっては同期判定の性能が左右されてしまう。
【００２５】
後者の問題は同期判定を頻繁に行えば解消されるが、そのために処理時間が多く掛かり、実システム運用上現実的ではなくなる。
【００２６】
更に、実環境上では、ノイズなどの外乱の影響によってｙがある程度ばらつくため、「データが出力されない状態が続く」という前者の問題を避けるために、ｙを平均化して同期判定を離散的に行うことが望ましい。ところが、このようにｙを平均化して離散的に求めた値がしきい値を超えるか否かによって同期判定を行うと、やはり誤判定の可能性が生じる。図５に示した例で、７１４５〜７１５０ｍｓのｙの平均値ｙ′は０．３６という正の値をとる。Ｃ／Ｎ０が３２ｄＢＨｚ以下になると、同期している場合のｙの平均値は０．３程度であるので、ここで仮にしきい値を０．３とした場合、この時の判定結果は「同期している」となる。しかし、図５のｙの振動状況からも分かるように、このとき基準周波数信号は変調波に同期していない。また、平均化しなければ離散的なタイミングで振動するｙの正の部分だけをたまたまサンプリングして「同期している」と誤判定するという前述の問題が生じる。
【００２７】
そこで、この第２の実施形態では、ｙの平均値ｙ′としきい値との比較を第１の条件とし、ｙが０をクロスするか否かを第２の条件として同期判定を行う。以下、ｙの０のクロスのことを、「ゼロクロス」という。
図４はその処理手順の例を示している。まずｙを求め、所定の時定数で移動平均値ｙ′を求める（ｓ１→ｓ２）。次に、ｙ′が予め定めたしきい値を超え、且つ所定の判定周期内でｙがゼロクロスしていなければ、基準周波数信号が変調波に同期しているものと見なす（ｓ３→ｓ４）。ｙ′がしきい値以下である時、またはｙがゼロクロスしている時には同期していないものと見なす（ｓ３，ｓ４→ｓ６）。なお、ステップｓ２での平均化処理の時定数はｙのゼロクロス判定の時間間隔より十分に短い。そうでなければｙの振動的な変化が平均化されて平均値ｙ′が０付近の値となってしまうからである。
【００２８】
このようにｙがゼロクロスしているか否かを第２の条件としたことにより、図３に示した５００〜８００ｍｓの期間で頻繁にｙが振動している状態を、「同期している」とする誤判定が避けられる。
【００２９】
次に、第３の実施形態に係る直交検波受信機の構成を図６および図７を参照して説明する。
この第３の実施形態に係る直交検波受信機は、上述のゼロクロスの時間間隔から、変調波に対する基準周波数信号の周波数ずれを検出し、その補正を行うものである。図６はその全体の手順を示している。図７は時間経過にともなうｙの変化の例を示している。
【００３０】
図６に示すように、まずステップｓ１〜ｓ４までは図４に示した内容と同様である。ｙの平均値ｙ′がしきい値に達していなければ、変調波に対して基準周波数信号の周波数が大きくずれているものと見なして、すなわち後の周波数差検出処理ができないものと見なして、ステップｓ１へ戻る。
【００３１】
また、ｙ′がしきい値以下であり、且つｙがゼロクロスしていなければ同期しているものと見なして、この場合も以降の処理は行わない（ｓ４→ｓ１）
ｙ′がしきい値を超え且つｙがゼロクロスしていれば、そのゼロクロスの方向とゼロクロス時の時刻カウンタの値を記録する（ｓ５）。図１に示した同期回路５には時刻カウンタを備えていて、このゼロクロス時の時刻カウンタの値を記憶する。
【００３２】
その後、前回求めたゼロクロスの方向が異符号であれば、前回のゼロクロス時の時刻カウンタと今回のゼロクロス時の時刻カウンタとの差を、振動するｙの半周期分の時間と見なして、その時間から変調波と基準周波数信号との周波数差を求める（ｓ６→ｓ７）。図７に示した例では、０ｍｓ付近で負から正へのゼロクロス（ゼロアップクロス）、６０ｍｓ付近で正から負へのゼロクロス（ゼロダウンクロス）、１２０ｍｓ付近で負から正へのゼロクロス（ゼロアップクロス）が生じているが、このうち、０ｍｓ付近のゼロクロスと、６０ｍｓ付近のゼロクロスが検出されると、両者のゼロクロスは異符号であるので、この２つのゼロクロスが検出された時刻の差６０ｍｓ−０ｍｓ＝６０ｍｓを、振動するｙの半周期分の時間とし、６０×２＝１２０ｍｓを一周期分の時間と見なす。
【００３３】
前回求めたゼロクロスの方向が同符号であれば、前回のゼロクロス時の時刻カウンタと今回のゼロクロス時の時刻カウンタとの差を、振動するｙの一周期分の時間と見なして、その時間から変調波と基準周波数信号との周波数差を求める（ｓ６→ｓ８）。ゼロクロスの有無を判定する周期に比べて上記差の周波数の半周期が短い場合には、図７に示した例で０ｍｓ付近のゼロクロスが検出された後、６０ｍｓ付近のゼロクロスがとばされて、その次の１２０ｍｓ付近でのゼロクロスが検出される。この場合には、０ｍｓ付近でのゼロクロスの方向と１２０ｍｓ付近でのゼロクロスの方向が同符号（何れも０アップクロス）であるので、その時間間隔１２０ｍｓを、振動するｙの１周期分として見なして、その周波数を求める（ｓ７）。
【００３４】
次に、変調波に対して基準周波数信号の周波数が正負どちらの方向にずれているかを判定する。これは、前述の位相差ｘの微分値（位相差ｘを求める周期で、前回のｘの値から今回のｘの値への傾き）が正であれば基準周波数信号に対して変調波の周波数が高いものと見なす。負であれば低いものと見なす。（ｓ９）。
従って、位相回転方向が正であるとき、キャリアＮＣＯに対する値を＋Δｆする。負であれば−Δｆする。このΔｆはステップｓ７またはｓ８で求めた周波数差に相当する制御値である。この例では、１／１２０ｍｓ＝８．３３Ｈｚであるから、Δｆ＝８．３３Ｈｚである。
【００３５】
キャリアＮＣＯに対する値は、前述のＰＬＬ制御によって、位相差ｘから換算した周波数差が小さくなるように定められる。ＰＬＬ制御のためのループフィルタの定数は、変調波に対する基準周波数信号の周波数差が比較的小さく変動している時に追従性を良好にするように定められているので、周波数差が大きくなると同期するまでに要する時間が長くなる。しかし上述したように、図６におけるステップｓ１０，ｓ１１で求めた＋Δｆ，−Δｆ分だけＮＣＯに対する値を補正することによって、周波数・位相が同期するまでの時間を短縮化できる。
【００３６】
【発明の効果】
この発明によれば、基準周波数信号に対するキャリア信号の位相差の情報を持つ値としきい値とを比較することによって同期判定を行うことにより、増幅回路やＡＧＣの特性による影響を受けず、またＣ／Ｎ０による影響も受けずに確実な同期判定が可能となる。
【００３７】
また、この発明によれば、前記位相差情報を含む値の変化が所定の判定周期内で０をクロスしないことを更なる条件として同期判定を行うことにより、変調波と基準周波数信号との周波数が近差である場合でも同期判定がより確実に行える。
【００３８】
また、この発明によれば、前記位相差情報を含む値が０をクロスする時間間隔から周波数差を検出するようにしたことにより、変調波と基準周波数信号との周波数差が大きい場合でも周波数および位相が同期するまでの時間を高速化することができる。
【００３９】
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な直交検波受信機の構成を示す図
【図２】第１の実施形態に係る直交検波受信機の同期判定の方法を示すフローチャート
【図３】変調波の周波数を変化させた時のｙ値の変化の例を示す図
【図４】第２の実施形態に係る直交検波受信機の同期判定の手順を示すフローチャート
【図５】ｙ値の変化の例を示す図
【図６】第３の実施形態に係る直交検波受信機での周波数差の検出手順を示すフローチャート
【図７】ｙ値のゼロクロスの様子を示す図
【図８】従来の直交検波受信機における同期判定の方法を示すフローチャート
【符号の説明】
１，２−乗算器
３−キャリアＮＣＯ
４−９０度位相器

Claims

位相が直交関係にある２つの基準周波数信号を発生する手段と、キャリア信号を位相シフト変調した変調波に対して前記２つの基準周波数信号をそれぞれ乗じてＩ成分とＱ成分を検出する手段と、前記Ｉ成分と前記Ｑ成分とに基づいて、前記変調波と前記基準周波数信号との周波数差を検出するとともに、該周波数差が小さくなるように前記基準周波数信号の周波数をフィードバック制御する周波数差検出制御手段と、前記変調波と前記基準周波数信号との位相同期状態を判定する同期判定手段とを備えた直交検波受信機において、
前記同期判定手段は、前記基準周波数信号に対する前記変調波の位相差情報を含む値と所定のしきい値との比較によって同期判定を行うことを特徴とする直交検波受信機。
前記同期判定手段は、前記位相差情報を含む値の変化が所定の判定周期内で０をクロスしないことを更なる条件として同期判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の直交検波受信機。
前記周波数差検出制御手段は、前記位相差情報を含む値が０をクロスする時間間隔から周波数差を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の直交検波受信機。
前記基準周波数信号を発生する手段はキャリアＮＣＯを含み、前記周波数差検出制御手段は、前記変調波の位相差が０に近づくように、前記キャリアＮＣＯに対する値を求めるとともに、前記０をクロスする時間間隔から求めた、前記周波数差が０に近づくように、前記キャリアＮＣＯに対する値を修正することを特徴とする請求項３に記載の直交検波受信機。