JP2007093490A - Ａｍ／ｆｍ混合信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 地上の送信局からのＡＭ／ＦＭ混合電波を受信して信号処理する際に、外乱要因を含め演算誤差要因を減らして良好な精度を有する方位情報を得るとともに、処理速度を向上させたＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置を得る。
【解決手段】 受信したＡＭ／ＦＭ混合電波から位相情報を含む可変位相信号及び基準位相信号を抽出する際に、これらの信号周波数を中心周波数とする狭帯域デジタルフィルタ（１）１２、及び狭帯域デジタルフィルタ（２）１６を設け、受信処理されたデジタル信号中からこれらフィルタによって不要な周波数成分を大幅に減衰させた後にＦＦＴ処理を施す。また、これら２つの狭帯域デジタルフィルタをいずれもＩＩＲ型の構成とし、より少ないタップ数で良好な狭帯域特性を得る。加えて、基準位相信号の抽出処理を実行する系統では、ＦＭフィルタドヒルベルト変換器１４により、副搬送波のフィルタリングとヒルベルト変換とを同時に実現する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地上の送信局からのＡＭ／ＦＭ混合電波を機上にて受信処理し方位情報を取得するＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置に関する。

ＶＨＦ帯のＡＭ／ＦＭ混合電波を用い、地上局から航空機に対して磁方位情報を提供する電波誘導施設が知られている。地上局から送信されるＶＨＦ帯のＡＭ／ＦＭ混合電波には、受信地点の方位によって位相の変化する所定周波数の可変位相信号と、全方向で一定の位相を有する所定周波数の基準位相信号とが含まれる。すなわち、一般には３０Ｈｚの可変位相信号と、同じく３０Ｈｚの基準位相信号で周波数変調された副搬送波信号との和により振幅変調されたＶＨＦ帯の信号が送信される。機上ではこれら基準位相信号と可変位相信号の位相差に基づいて自身の磁方位情報を得ている。

地上の送信局からのＡＭ／ＦＭ混合電波を機上にて受信処理し方位情報を取得するＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置の一例を図３に示す。この図３に示すＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置３０は、受信処理器３１、ＦＦＴ処理器（１）３２、フィルタ３３、ＦＭ検波器３４、ＦＦＴ処理器（２）３５、及び位相差演算器３６から構成されている。受信処理器３１は、地上の送信局からのＡＭ／ＦＭ混合電波を受信処理し、検波済みのデジタル信号を出力する。ＦＦＴ処理器（１）３２は、受信処理器３１からのデジタル信号に対して高速フーリエ変換処理を行ない、振幅変調波としての可変位相信号を抽出する。

フィルタ３３は、基準位相信号で周波数変調された副搬送波信号を通過させ、ＦＭ検波器３４は、このフィルタ３３からの信号をＦＭ検波する。ＦＦＴ処理器（２）３５は、ＦＭ検波器３４からの信号に対して高速フーリエ変換処理を行ない、基準位相信号を抽出する。位相差演算器３６は、ＦＦＴ処理器（１）３２で抽出された可変位相信号と、ＦＦＴ処理器（２）３５で抽出された基準位相信号との位相差を算出し方位情報を出力する。

上述のように構成された従来のＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置３０では、受信されたＡＭ／ＦＭ混合電波は受信処理器３１で受信処理された後、この信号中の可変位相信号がＦＦＴ処理器（１）３２で抽出される。一方、基準位相信号は、フィルタ３３、ＦＭ検波器３４、及びＦＦＴ処理器（２）３５による一連の信号処理によって抽出される。そして、位相差演算器３６においてこれら可変位相信号と基準位相信号との位相差が算出される。算出結果は、方位情報として後段の機器に送出される。

なお、上述した従来のＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置は、例えば、下記の特許文献１に開示されている。
特開２００１−３４３４４０号公報（第７ページ、図４）

ところで、フーリエ級数展開では、解析対象の信号を基本周波数とその高次周波数の信号からなる無限級数に展開することによって、時間領域から周波数領域に写像する。上述したＦＦＴ処理器（１）３２、及びＦＦＴ処理器（２）３５でのＦＦＴ処理においても、受信処理器３１から送出される時間領域の信号を周波数領域に写像する。

しかしながら、受信処理器３１から送出されるデジタル信号は、所定の周期でサンプリングされた信号であり、解析される周波数もサンプリング周波数を基準とした有限の高次周波数の範囲となる上、これら解析される周波数の集まりのみで構成されていない。このため、これらのＦＦＴ処理器（１）３２、及びＦＦＴ処理器（２）３５から抽出された可変位相信号及び基準位相信号には、それぞれにＦＦＴ処理による誤差が含まれることになり、この後に位相差演算器３６において算出されたこれら２信号間の位相差にも誤差を生じ、方位情報の精度を劣化させていた。

また、例えば自身の移動等によって電波受信環境が頻繁に変化する中にあっては、受信信号にマルチパスによる外乱が発生する。このような外乱を受けた場合には、受信されたＡＭ／ＦＭ混合電波に対してマルチパスによる不規則な振幅変調が加わって不要な周波数成分が生じ、ＦＦＴ処理及びその後の位相差演算時における誤差となって方位情報の精度を劣化させていた。

さらに、上述したＦＦＴ処理やフィルタ処理等の信号処理では、大量のデータ処理を伴う演算を繰りかえし実行する。このため、高速演算が可能な専用のプロセッサを用いても処理時間を短縮することが困難であり、演算負荷を軽減することによって高速化することが望まれていた。

本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、地上の送信局からのＡＭ／ＦＭ混合電波を受信して信号処理する際に、演算誤差要因を減らして良好な精度の方位情報を得るとともに、処理速度を向上させたＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置は、所定周波数の可変位相信号とこの信号と同じ周波数の基準位相信号で周波数変調された副搬送波との和により振幅変調された送信波を受信処理し、前記可変位相信号と前記基準位相信号との位相差に基づいて方位情報を取得するＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置であって、前記送信波を受信処理し検波済みのデジタル信号を出力する受信処理器と、この検波済みのデジタル信号の中から前記所定周波数の可変位相信号の周波数成分を通過させる第１の狭帯域フィルタと、この第１の狭帯域フィルタを通過したデジタル信号に対して高速フーリエ変換処理を施し位相情報を含む前記可変位相信号を抽出する第１のＦＦＴ処理器と、前記検波済みのデジタル信号の中から前記基準位相信号で周波数変調された副搬送波の周波数帯域を通過させるとともに通過後のデジタル信号に対しヒルベルト変換処理を行ない出力するＦＭフィルタドヒルベルト変換器と、このＦＭフィルタドヒルベルト変換器から出力されるデジタル信号を微分して出力する微分器と、このデジタル微分器から出力されるデジタル信号の中から前記所定周波数の基準位相信号の周波数成分を通過させる第２の狭帯域フィルタと、この第２の狭帯域フィルタを通過したデジタル信号に対して高速フーリエ変換処理を施し位相情報を含む前記基準位相信号を抽出する第２のＦＦＴ処理器と、前記第1のＦＦＴ処理器により抽出された前記位相情報を含む可変位相信号と前記第２のＦＦＴ処理器により抽出された前記位相情報を含む基準位相信号との位相差に基づいて方位情報を算出する位相差演算器とを有することを特徴とする。

本発明によれば、地上の送信局からのＡＭ／ＦＭ混合電波を受信して信号処理する際に、演算誤差要因を減らして良好な精度を有する方位情報を得るとともに、処理速度を向上させたＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置を得ることができる。

以下に、本発明に係るＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置を実施するための最良の形態について、図１及び図２を参照して説明する。

図１は、本発明に係るＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置の一実施例を示すブロック図である。この図１に例示したＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置１は、受信処理器１１、第１の狭帯域フィルタとしての狭帯域デジタルフィルタ（１）１２、第１のＦＦＴ処理器としてのＦＦＴ処理器（１）１３、ＦＭフィルタドヒルベルト変換器１４、デジタル微分器１５、第２の狭帯域フィルタとしての狭帯域デジタルフィルタ（２）１６、第２のＦＦＴ処理器としてのＦＦＴ処理器（２）１７、及び位相差演算器１８から構成されている。

受信処理器１１は、地上の送信局からのＡＭ／ＦＭ混合電波を受信処理して検波済みのデジタル信号を出力する。狭帯域デジタルフィルタ（１）１２は、受信処理器１１からのデジタル信号中から可変位相信号の周波数成分を通過させる狭帯域のバンドパスフィルタであり、その構成の一例を図２に示す。本実施例においては、図２に例示したように、このデジタルフィルタは、ＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）型として構成されており、より低次で良好な狭帯域特性を得るとともに、タップ数を減らすことができるので、演算負荷を軽減して高速処理を可能にしている。ＦＦＴ処理器（１）１３は、狭帯域デジタルフィルタ（１）１２を通過したデジタル信号に対して高速フーリエ変換処理を行ない、位相情報を含む可変位相信号を抽出する。

ＦＭフィルタドヒルベルト変換器１４は、受信処理器１１からのデジタル信号中から、基準位相信号によって周波数変調された副搬送波の周波数帯域を通過させるとともに、ヒルベルト変換処理を行なう。本実施例においては、入力されるデジタル信号を高速フーリエ変換し、そのマイナスの周波数成分をゼロにするとともに、プラスの周波数成分のうち、通過させるべき周波数変調された副搬送波の周波数帯域以外もゼロにした後に逆高速フーリエ変換を行なうことにより実現している。すなわち、副搬送波のフィルタリングとヒルベルト変換とを同時に行なうことによって高速処理を可能にしている。

デジタル微分器１５は、ＦＭフィルタドヒルベルト変換器１４の処理結果に対してデジタル微分を行なう。本実施例においては、下記の式（１）によりデジタル微分を実現している。

また、ＦＭフィルタドヒルベルト変換器１４とこのデジタル微分器１５とで、周波数変調された副搬送波をＦＭ検波している。

狭帯域デジタルフィルタ（２）１６は、ＦＭ検波されたデジタル微分器１５からのデジタル信号中から基準位相信号の周波数成分を通過させる狭帯域のバンドパスフィルタである。本実施例においては、この狭帯域デジタルフィルタ（２）１６は、図２に例示した狭帯域デジタルフィルタ（１）１２と同様にＩＩＲ型で構成されており、良好な狭帯域特性と演算負荷を軽減した高速なフィルタ処理を実現している。

ＦＦＴ処理器（２）１７は、狭帯域デジタルフィルタ（２）１６を通過したデジタル信号に対して高速フーリエ変換処理を行ない、位相情報を含む基準位相信号を抽出する。位相差演算器１８は、ＦＦＴ処理器（１）１３で抽出された可変位相信号と、ＦＦＴ処理器（２）１７で抽出された基準位相信号との位相差に基づいて方位情報を算出し出力する。

次に、前述の図１を参照して、上述のように構成された本発明に係るＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置１の動作を説明する。まず地上の送信局からのＡＭ／ＦＭ混合電波が受信処理器１１で受信される。地上の送信局からのＡＭ／ＦＭ混合電波は、下記の式（２）のように表される。

ここに、電波誘導施設においては、変調周波数ｆ１は３０Ｈｚ、また副搬送波周波数ｆ２は９９６０Ｈｚである。すなわち、地上の送信局からのＡＭ／ＦＭ混合電波は、可変位相信号としての３０Ｈｚの変調波と、同じく３０Ｈｚの基準位相信号としての変調波で周波数変調された９９６０Ｈｚの副搬送波との和により振幅変調されている。

受信されたＡＭ／ＦＭ混合電波は、受信処理器１１にて増幅、周波数変換、フィルタリング等の受信処理が施された後に包絡線検波される。検波後に得られる信号の電圧式は下記の式（３）のように表される。

すなわち、この検波後の信号には、周波数ｆ１（３０Ｈｚに相当）の可変位相信号の成分と、同じく周波数ｆ１（３０Ｈｚに相当）の基準位相信号で周波数変調された周波数ｆ２（９９６０Ｈｚに相当）の副搬送波の成分とが含まれる。この信号はさらにＡＤ変換され、検波済みのデジタル信号として狭帯域デジタルフィルタ（１）１２、及びＦＭフィルタドヒルベルト変換器１４へ、それぞれ送出される。ここに、狭帯域デジタルフィルタ（１）１２は、可変位相信号の抽出処理を実行する系統の初段であり、またＦＭフィルタドヒルベルト変換器１４は、基準位相信号の抽出処理を実行する系統の初段である。以下に、それぞれの系統毎に動作を説明する。

可変位相信号の抽出処理を実行する系統では、受信処理器１１からのデジタル信号は、まず狭帯域デジタルフィルタ（１）１２によって受けとられる。狭帯域デジタルフィルタ（１）１２は、可変位相信号の周波数を中心周波数とする狭帯域のフィルタである。このフィルタによって、受信処理器１１からのデジタル信号中から、可変位相信号の周波数以外の不要な周波数成分を大幅に減衰させている。フィルタ通過後のデジタル信号は、ＦＦＴ処理器（１）１３に送出される。

ＦＦＴ処理器（１）１３では、このフィルタ後のデジタル信号を受けとってＦＦＴ処理を施し、位相情報を含む可変位相信号を抽出する。このときに不要な周波数成分は大幅に減衰しているので、ＦＦＴ処理における演算誤差要因を減らして良好な抽出結果を得ている。抽出された可変位相信号は、位相情報を含めて位相差演算器１８に送出される。

一方、基準位相信号の抽出処理を実行する系統では、受信処理器１１からのデジタル信号は、まずＦＭフィルタドヒルベルト変換器１４によって受けとられる。このＦＭフィルタドヒルベルト変換器１４では、受信処理器からのデジタル信号の中から、基準位相信号によって周波数変調された副搬送波の周波数帯域を通過させると同時に、ヒルベルト変換処理を行なう。これら処理後の信号は、さらにデジタル微分器１５により微分され、副搬送波がＦＭ検波される。

この検波後の信号には、３０Ｈｚの基準位相信号の成分が含まれているので、さらにこの信号は、基準位相信号の周波数を中心とする狭帯域デジタルフィルタ（２）１６を通過して不要な周波数成分が除去された上で、ＦＦＴ処理器（２）に送出される。ＦＦＴ処理器（２）１７では、このフィルタ後のデジタル信号を受けとってＦＦＴ処理を施し、位相情報を含む基準位相信号を抽出する。このときのＦＦＴ処理においては、不要な周波数成分が除去されているので、演算誤差要因を減らして良好な抽出結果を得ている。抽出された基準位相信号は、位相情報を含めて位相差演算器１８に送出される。

位相差演算器１８では、ＦＦＴ処理器（１）１３で抽出された可変位相信号と、ＦＦＴ処理器（２）１７で抽出された基準位相信号との位相差を算出し、方位情報を取得する。この位相差の算出は、次のような演算により行なう。すなわち、ＦＦＴ処理器（１）１３で抽出された可変位相信号、及びＦＦＴ処理器（２）１７で抽出された基準位相信号は、それぞれ複素数として下記の式（４）、及び式（５）で表される。

ここで、下記の式（６）の角度計算式に基づいて角度差を複素演算する。

さらに、この式（６）で得られた複素値の実数部及び虚数部を用い、下記の式（７）の演算によって方位情報θを取得する。

そして、取得された方位情報は後段の機器に送出される。

以上説明したように、本実施例においては、受信したＡＭ／ＦＭ混合電波から位相情報を含む可変位相信号及び基準位相信号を抽出する際に、これらの信号周波数を中心周波数とする狭帯域デジタルフィルタ（１）１２、及び狭帯域デジタルフィルタ（２）１６を設け、受信処理されたデジタル信号中からこれらフィルタによって不要な周波数成分を大幅に減衰させた後にＦＦＴ処理を施している。これにより、マルチパス等の外乱要因を含むＦＦＴ演算処理における演算誤差の要因を減らすことができ、演算誤差の少ない可変位相信号及び基準位相信号に基づいて良好な精度を有する方位情報を得ることができる。

また、上記した狭帯域デジタルフィルタ（１）１２、及び狭帯域デジタルフィルタ（２）１６をいずれもＩＩＲ型の構成とし、より少ないタップ数で良好な狭帯域特性を得ている。加えて、基準位相信号の抽出処理を実行する系統では、ＦＭフィルタドヒルベルト変換器１４により、副搬送波のフィルタリングとヒルベルト変換とを同時に実現している。これらにより、演算の処理負荷を軽減して処理速度を向上させることができる。

本発明に係るＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置の一実施例を示すブロック図。 狭帯域デジタルフィルタの構成の一例を示すブロック図。 従来のＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置の一例を示すブロック図。

符号の説明

１ ＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置
１１ 受信処理器
１２ 狭帯域デジタルフィルタ（１）
１３ ＦＦＴ処理器（１）
１４ ＦＭフィルタドヒルベルト変換器
１５ デジタル微分器
１６ 狭帯域デジタルフィルタ（２）
１７ ＦＦＴ処理器（２）
１８ 位相差演算器

Claims (1)

1. 所定周波数の可変位相信号とこの信号と同じ周波数の基準位相信号で周波数変調された副搬送波との和により振幅変調された送信波を受信処理し、前記可変位相信号と前記基準位相信号との位相差に基づいて方位情報を取得するＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置であって、
   前記送信波を受信処理し検波済みのデジタル信号を出力する受信処理器と、
   この検波済みのデジタル信号の中から前記所定周波数の可変位相信号の周波数成分を通過させる第１の狭帯域フィルタと、
   この第１の狭帯域フィルタを通過したデジタル信号に対して高速フーリエ変換処理を施し位相情報を含む前記可変位相信号を抽出する第１のＦＦＴ処理器と、
   前記検波済みのデジタル信号の中から前記基準位相信号で周波数変調された副搬送波の周波数帯域を通過させるとともに通過後のデジタル信号に対しヒルベルト変換処理を行ない出力するＦＭフィルタドヒルベルト変換器と、
   このＦＭフィルタドヒルベルト変換器から出力されるデジタル信号を微分して出力する微分器と、
   このデジタル微分器から出力されるデジタル信号の中から前記所定周波数の基準位相信号の周波数成分を通過させる第２の狭帯域フィルタと、
   この第２の狭帯域フィルタを通過したデジタル信号に対して高速フーリエ変換処理を施し位相情報を含む前記基準位相信号を抽出する第２のＦＦＴ処理器と、
   前記第1のＦＦＴ処理器により抽出された前記位相情報を含む可変位相信号と前記第２のＦＦＴ処理器により抽出された前記位相情報を含む基準位相信号との位相差に基づいて方位情報を算出する位相差演算器と
   を有することを特徴とするＡＭ／ＦＭ混合信号処理装置。

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