JP2007208928A - デジタル変調信号復調装置 - Google Patents

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【課題】PSK方式の変調信号に対する復調時の周波数誤差を低減し、またガウス性雑音の影響を低減して、誤り率の低い復調を可能にする。
【解決手段】アナログの入力信号s(t)は、A/D変換器21によりサンプリングされてデジタル値に変換され、前処理部22により振幅が安定化され雑音が抑圧されて直交復調器32に入力される。直交変調器32は、デジタル値列S′とローカル信号発生器31からの2相のローカル信号L1、L2とをそれぞれ乗算し、その乗算結果からベースバンド信号I′、Q′を抽出する。誤差検出手段33は、ベースバンド信号I′、Q′に基づいて入力信号のキャリア周波数とローカル信号の周波数との差による位相誤差を検出し、ローカル信号制御手段34は、その検出された位相誤差が小さくなるようにローカル信号を制御する。データ復調器35は、前記位相誤差が補償された状態でベースバンド信号I′、Q′から位相情報を検出し、データを復調する。
【選択図】図1

Description

本発明は、PSK方式で変調されたデジタル変調信号を誤りなく復調するための技術に関する。
1、0のデジタル情報を伝達するための変調方式として、従来から位相シフト(PSK方式が用いられている。
このPSK方式は、キャリア信号の位相をデータで可変する方式で、振幅性雑音の影響を受けにくい通信が可能であるため、各種デジタル変調方式で採用されている。
この変調信号を復調するための復調装置としては、例えば、特許文献1のように直交復調器を用いてベースバンド信号I、Qを検出し、そのベースバンド信号I、Qで決まる座標点をシンボル点としてデータの復調を行っている。
特開平7−321864
しかしながら、上記のように直交復調器を用いてデータを復調するシステムでは、変調信号のキャリア周波数と直交復調器のローカル信号周波数との間に周波数誤差があると、その誤差が位相誤差として現れるので、復調データの誤り率が大きくなってしまう。
特に、無線信号のように高いキャリア周波数で情報を伝送するシステムでは、信号の周波数を中間周波数や低周波帯に変換してから復調処理を行っており、その周波数変換処理の際の数10Hzの僅かな周波数誤差が、直交復調処理では大きな誤差になってしまう。
また、別の問題として伝送路による振幅減衰が大きいとS/Nが低下し、さらにガウス性雑音が重畳することで、復調時の誤りが大きくなってくる。
このため、上記変調方式の信号を伝送するシステムでは、その伝送路による振幅減衰を抑制するために自動利得制御を行っている。
例えば、前記した特許文献1では、中間周波数の信号を可変利得増幅器を介して直交検波回路に入力し、直交検波回路から出力されたベースバンド信号I、Qからデータ復調するとともに、I信号の2乗とQ信号の2乗との和の平方根を計算して振幅を求め、この振幅が一定になるように、可変利得増幅器の利得をフィードバック制御している。
しかしながら、上記特許文献1のようなフィードバック制御では平均値処理になってしまうため、信号振幅のゆっくりとした変動には追従可能であるが、振幅変動が速い、例えば信号に重畳したガウス性雑音に対しては応答できず、この雑音成分による振幅変動を抑圧することはできない。特に、雑音成分のうち、ナイキスト帯域内のものはフィルタによる除去ができない。
したがって、上記PSK方式で変調された信号をS/Nの悪い回線で伝送して復調しようとすると、ガウス性雑音の振幅変動の影響を大きく受け、誤り率が低下する。
本発明は、これらの問題を解決し、PSK方式の変調信号に対する復調時の周波数誤差を低減し、またガウス性雑音の影響を低減して、誤り率の低い復調が可能なデジタル変調信号復調装置を提供することを目的としている。
前記目的を達成するために、本発明の請求項1のデジタル変調信号復調装置は、
アナログの入力信号をサンプリングしてデジタル値に順次変換するA/D変換器(21)と、
前記入力信号に対応した周波数で互いに位相が90度異なる2相のローカル信号を発生するローカル信号発生器(31)と、
前記A/D変換器から出力されるデジタル値列を、前記2相のローカル信号とそれぞれ乗算し、その乗算結果からベースバンド信号を抽出する直交復調器(32)と、
前記直交復調器から出力されたベースバンド信号に基づいて前記入力信号のキャリア周波数と前記ローカル信号の周波数との差による位相誤差を検出する誤差検出手段(33)と、
前記誤差検出手段によって検出された位相誤差が小さくなるように前記ローカル信号を制御するローカル信号制御手段(34)と、
前記直交復調器から出力されたベースバンド信号から位相情報を検出して、データを復調するデータ復調器(35)とを備えている。
また、本発明の請求項2のデジタル変調信号復調装置は、請求項1記載のデジタル変調信号復調装置において、
前記A/D変換器と前記直交復調器の間に、
前記A/D変換器の出力信号を互いに位相が直交する2信号I、Qに分離する信号分離手段(23)と、
前記信号I、Qに基づいて前記入力信号の振幅値を求める振幅算出手段(24)と、
前記信号I、Qのいずれか一方の信号を前記振幅算出手段により算出された振幅値で除算して、振幅が安定化され且つ雑音成分が抑圧された信号を前記直交復調器に出力する除算手段(25)とを設けたことを特徴としている。
また、本発明の請求項3のデジタル変調信号復調装置は、請求項2記載のデジタル変調信号復調装置において、
前記振幅算出手段により算出された振幅値と所定の基準値とを比較する比較手段(28)と、
前記比較手段の結果を受け、前記振幅値が前記基準値を超えている期間は前記一方の信号を前記振幅値で除算して得られた信号を処理結果として出力し、前記振幅値が前記基準値を超えていない期間は前記一方の信号を処理結果として出力する切換手段(29)とを備えたことを特徴としている。
このように本発明のデジタル変調信号復調装置は、直交復調器の出力信号に基づいて、入力信号の周波数とローカル信号の周波数の差によって生じる位相誤差を検出し、その位相誤差が小さくなるようにローカル信号を制御している。
このため、周波数ずれによる位相誤差の発生を防止することができ、低い誤り率でデータを復調することができる。
また、前処理として、入力信号から得られた2信号I、Qに基づいて算出した振幅値で信号Iまたは信号Qを除算するものでは、高速なリアルタイム処理で振幅を安定化でき、フィルタで除去できない雑音成分を大幅に抑圧することができ、さらに低い誤り率でデータ復調が可能となる。
また、振幅算出手段により算出された振幅値と所定の基準値とを比較手段で比較し、振幅値が基準値を超えている期間は一方の信号を振幅値で除算して得られた信号を処理結果として出力し、振幅値が基準値を超えていない期間は一方の信号を処理結果として出力するようにしたものでは、バースト波に対応することができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明を適用したデジタル変調信号復調装置20の構成を示している。
このデジタル変調信号復調装置20は、例えばQPSK方式で変調されたアナログの入力信号s(t)をA/D変換器21によりサンプリングしてデジタルの信号列S(k)に変換して、前処理部22に入力する。
前処理部22は、入力信号の振幅安定化と雑音抑圧を行うものであり、デジタルの信号列S(k)を信号分離手段23に入力する。
信号分離手段23は、信号S(k)を互いに位相が直交する信号I(k)、Q(k)に分離する。
この信号分離手段23は、信号S(k)をヒルベルト変換器23aに入力して信号S(k)を90度移相した信号Q(k)を生成している。また、遅延器23bは、ヒルベルト変換器23aの処理に必要な遅延時間Tdと等しい遅延時間を信号S(k)に与えて、これを信号I(k)として出力している。この遅延時間Tdは、サンプリング周期Tsの整数n倍で表される。
信号分離手段23によって得られた2つの信号I(k)、Q(k)は、振幅算出手段24に入力される。振幅算出手段24は、次の演算により信号S(k)の振幅値Vを算出する。
V(k)=[I(k)+Q(k)1/2
この振幅値V(k)は信号Q(k)とともに除算手段25に入力され、次の演算がなされる。
S(k)′=Q(k)/V(k)=Q(k)/[I(k)+Q(k)1/2
このようにして得られた信号S(k)′は、元の信号S(k)に含まれる雑音成分が低減され、振幅が安定化(規格化)された信号となる。
例えば、図2のように振幅A、周波数fの正弦波で雑音が無い信号Sが入力された場合、各信号S、I、Qは、それぞれアナログ信号と仮定して次のように表される。
S=Acos (2πft+Td)
I=Acos (2πft)
Q=Asin (2πft)
したがって、振幅算出手段24で算出される振幅値Vは、
V=[I+Q1/2
=A{[cos (2πft)]+[sin (2πft)]1/2
=A
となる。
よって、除算手段25から出力される信号S′は、
S′=Q/V=sin (2πft)
となる。
この出力信号S′は、図2に示しているように、信号Sの振幅を1/A倍して振幅1に規格化(減衰)し、信号Sに対して位相を90度シフトし、Td分の遅延を与えたものである。
図2は信号Sの振幅Aが1より大きい場合を示したが、上記処理は入力信号の任意の振幅Aに対して同一である。したがって、図3のように信号Sの振幅Aが1より小さい場合であっても、出力信号S′の振幅は1に規格化(増幅)される。
つまり、信号Sの振幅Aが変動しても、出力信号S′の振幅は常に一定値(この場合1)に安定化される。
しかもこの信号処理は、ヒルベルト変換のための遅延はあるもののリアルタイム制御であるので、例えば図4のように信号Sにガウス性雑音が重畳して振幅が小刻みに変化している場合であっても、上記信号処理がその変化に追従するため、出力信号S′は振幅1の正弦波で出力されることになる。つまり、上記信号処理は、入力信号の振幅安定化と雑音抑圧作用を有している。換言すれば、図5のように、信号Iと信号Qの直交性が確保されていれば、振幅値Vがどのように変動してもその振幅値Vに対する信号Qの比Q/V(信号S′)はsin 2πftとなり、その振幅は1で一定になる。
このようにして、入力信号sに対して振幅が安定化され、雑音成分が抑圧された信号S′は復調部30に入力される。
復調部30は、ローカル信号発生器31、直交復調器32、誤差検出手段33、ローカル信号制御手段34およびデータ復調器35により構成されている。
ローカル信号発生器31は、所定周波数f′で互いに位相が90度異なる正弦波のローカル信号L1、L2を直交復調器32に出力する。
直交復調器32は、デジタルの信号列S′を、2つの乗算器32a、32bで受けてローカル信号L1、L2とそれぞれ乗算し、その乗算結果からフィルタ(低域通過フィルタ)32c、32dによりベースバンド信号I′、Q′を抽出する。
誤差検出手段33は、直交復調器32から出力されたベースバンド信号I′、Q′に基づいて入力信号とローカル信号の位相誤差を検出する。
以下、その詳細について説明する。
QPSK方式の入力信号の4状態を±Asin ωt、±Acos ωtで表し、入力信号が±Asin ωtのときに、ローカル信号L2をcos
(ω′nT+θ)とすると、乗算器32bでは次の演算が行われる。ただし、ω=2πf、ω′=2πf′、Tはサンプリング周期、θは位相誤差とする。
±Asin ωt*cos
(ω′nT+θ)
=±(A/2){sin (ωt+ω′nT+θ)
+sin (ωt−ω′nT−θ)}
ここで、角周波数ω、ω′はほぼ等しく、周波数(ω+ω′)/2πはフィルタ32dの帯域外にある。
したがって、フィルタ32dの出力信号Q′は、
Q′=±(A/2){sin (ωt−ω′nT−θ)}
となる。
また、ωt−ω′nTがほぼゼロ、θが非常に小さいとすれば、
Q′≒±(A/2){sin (−θ)}=−(±A/2)(sin
θ)
≒−(±Aθ/2)
となる。
また、入力信号が±Acos ωtのときのフィルタ32dの出力信号Q′は、次のようになる。
Q′≒±(A/2){cos (−θ)}=±(A/2)cos θ
≒±A/2
よって、入力信号の4つの状態±Asin ωt±Acos ωtに対して、フィルタ32dの出力信号Q′は、
Q′≒−(±A/2)sin θ±(A/2)cos θ
=±[(−A/2)sin θ+(A/2)cos θ]
と表すことができる。
一方、入力信号が±Acos ωtのときに、ローカル信号L1をsin (ω′nT+θ)とすると、乗算器32aでは次の演算が行われる。
±Acos ωt*sin (ω′nT+θ)
=±A/2{sin (ωt+ω′nT+θ)+sin (ωt−ω′nT−θ)}
ここで、前記同様に角周波数ω、ω′はほぼ等しく、周波数(ω+ω′)/2πはフィルタ32cの帯域外にある。
また、前記同様に、ωt−ω′nTがほぼゼロ、θが非常に小さいとすれば、フィルタ32cの出力信号I′は、
I′≒±(A/2)sin θ
となる。
また、入力信号が±Asin ωtのときのフィルタ32cの出力信号I′は、
I′≒±(A/2)cos θ
となり、入力信号の4つの状態±Asin ωt±Acos ωtに対して、フィルタ32cの出力信号I′は、
I′≒(±A/2)sin θ±(A/2)cos θ
=±[(A/2)sin θ+(A/2)cos
θ]
となる。
このような直交復調器32の出力信号I′、Q′に対して、誤差検出手段33は、上記位相誤差θを検出するために、符号検出手段33a、33b、乗算器33c、33dおよび減算器33eを有している。
ここで、符号検出手段33aは、信号I′の符号、即ち、±[(A/2)sin θ+(A/2)cos θ]の符号(±)を検出し、符号検出手段33bは、信号Q′の符号、即ち、±[(−A/2)sin
θ+(A/2)cos θ]の符号(±)を検出する。
したがって、減算器33eの出力は、
(I′符号)・Q′−(Q′符号)・I′
=(±)(±)[(−A/2)sin θ+(A/2)cos θ]
−(±)(±)[(A/2)sin θ+(A/2)cos θ]
=−Asin θ
となる。
ここで、入力信号の振幅Aは、前記した前処理部22により1に安定化(規格化)されているので、位相誤差θが小さければ減算器33eの出力は−θとなり、位相誤差θの大きさを表している。この位相誤差θは、キャリア信号とローカル信号の初期位相差と両信号の周波数ずれにより発生する位相差を含んでいる。したがって、この位相誤差θをゼロに近づけるように制御することで、QPSK方式で変調された信号のデータを誤りなく復調することができる。
ローカル信号制御手段34は、この位相誤差θの大きさが小さくなる方向に、ローカル信号発生器31から出力されるローカル信号L1、L2の位相、周波数を制御する。
この位相制御の方法は任意であるが、例えばローカル信号発生器31がDDS(ダイレクトデジタルシンセサイザ)で構成されている場合には、波形メモリに対する読み出しアドレスあるいはその読み出しステップを位相誤差θに応じて可変制御し、ローカル信号L1、L2の位相を修正する。
この制御により、入力信号の周波数(キャリア周波数)に対してローカル信号の周波数が追従し、位相誤差の発生が抑圧された状態となる。
データ復調器35は、上記のように位相誤差の発生が抑圧された状態で、直交復調器32から出力されたベースバンド信号I′、Q′で決まる座標(位相情報)を求め、その座標のシンボル点を変調方式に応じて特定し、データを復調する。
このように実施形態のデジタル変調信号復調装置20は、直交復調器32におけるキャリア周波数とローカル周波数のずれによる位相誤差がなくなる方向にローカル信号を制御しているので、この周波数ずれによるデータの復調誤差を極めて小さくすることができる。
また、前処理部22で入力信号の振幅を安定化し、雑音を抑圧しているので、データをさらに低い誤り率で復調することができる。
なお、上記例では、ヒルベルト変換器23aによる移相処理を受けた信号Qを振幅Vで除算して信号S′を得ているが、ヒルベルト変換器23aの処理は基本的にハイパスフィルタ処理であるので信号Qには直流分が含まれず、出力信号S′にも直流分は含まれていない。したがって、直交復調器32のミキサ32a、32bに直流分が加わることがなく、ローカル信号Ll、L2の漏れ(キャリア漏れ)による復調誤差が発生しないで済む。
ただし、このキャリア漏れによる誤差が少ないと予想される場合には、信号Iを振幅値Vで除算して信号S′を得ることも可能である。
この場合、
S′=I/V=cos 2πft
となり、前記例と同様に振幅が1に規格され、雑音成分が抑圧された信号S′を得ることができる。
また、上記例は信号sが連続的に入力される場合について説明したが、信号sがバースト状に入力される場合には、図6に示す前処理部22′のように、振幅算出手段24で算出された振幅値Vと予め設定された基準値Vrと比較手段28に入力し、振幅値Vが基準値Vrを超えている間(信号入力期間)は前記同様に除算手段25の演算結果S′を出力し、振幅値Vが基準値Vr以下の期間(信号無入力期間)は、除算手段25の演算結果S′の代わりに、信号Qを出力するスイッチ29を切換手段として設けることで対応できる。なお、切換手段は、この例のように出力信号を選択する方式だけでなく、除算手段25に入力される振幅値Vを強制的に1にすることで、除算手段25から信号Qを出力させることもできる。
本発明の実施形態の構成図 実施形態の要部の動作説明図 実施形態の要部の動作説明図 実施形態の要部の動作説明図 実施形態の要部の動作説明図 バースト波に対応した実施形態の構成図
符号の説明
20……デジタル変調信号復調装置、21……A/D変換器、22、22′……前処理部、23……信号分離手段、23a……ヒルベルト変換器、23b……遅延器、24……振幅算出手段、25……除算手段、28……比較手段、29……スイッチ、30……復調部、31……ローカル信号発生器、32……直交復調器、33……誤差検出手段、34……ローカル信号制御手段、35……データ復調器

Claims (3)

  1. アナログの入力信号をサンプリングしてデジタル値に順次変換するA/D変換器(21)と、
    前記入力信号に対応した周波数で互いに位相が90度異なる2相のローカル信号を発生するローカル信号発生器(31)と、
    前記A/D変換器から出力されるデジタル値列を、前記2相のローカル信号とそれぞれ乗算し、その乗算結果からベースバンド信号を抽出する直交復調器(32)と、
    前記直交復調器から出力されたベースバンド信号に基づいて前記入力信号のキャリア周波数と前記ローカル信号の周波数との差による位相誤差を検出する誤差検出手段(33)と、
    前記誤差検出手段によって検出された位相誤差が小さくなるように前記ローカル信号を制御するローカル信号制御手段(34)と、
    前記直交復調器から出力されたベースバンド信号から位相情報を検出して、データを復調するデータ復調器(35)とを備えたデジタル変調信号復調装置。
  2. 前記A/D変換器と前記直交復調器の間に、
    前記A/D変換器の出力信号を互いに位相が直交する2信号I、Qに分離する信号分離手段(23)と、
    前記信号I、Qに基づいて前記入力信号の振幅値を求める振幅算出手段(24)と、
    前記信号I、Qのいずれか一方の信号を前記振幅算出手段により算出された振幅値で除算して、振幅が安定化され且つ雑音成分が抑圧された信号を前記直交復調器に出力する除算手段(25)とを設けたことを特徴とする請求項1記載のデジタル変調信号復調装置。
  3. 前記振幅算出手段により算出された振幅値と所定の基準値とを比較する比較手段(28)と、
    前記比較手段の結果を受け、前記振幅値が前記基準値を超えている期間は前記一方の信号を前記振幅値で除算して得られた信号を処理結果として出力し、前記振幅値が前記基準値を超えていない期間は前記一方の信号を処理結果として出力する切換手段(29)とを備えたことを特徴とする請求項2記載のデジタル変調信号復調装置。
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