JP2008035311A - 受信機及びそのプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で精度の高い自動周波数調整を行うこと。
【解決手段】受信した高周波信号の中央周波数と受信周波数の差を検出する周波数誤差検出手段１０５を備え間欠受信を行う受信機１０１において、受信時に周波数誤差検出手段１０５により周波数誤差値を検出し、ｎ回目の受信開始時においてｎ−１回目以前の受信時に検出された周波数誤差値を用いて受信周波数補正手段１０８により受信周波数を前記受信信号の中央周波数に合わせる。
【選択図】図１

Description

本発明は受信精度を高める為に受信周波数を自動調整する機能を備えた受信機及びそのプログラムに関するものである。

従来、この種の受信機及びそのプログラムは受信信号から周波数オフセット値を算出し、それに伴って受信発振手段の周波数を調整している（例えば、特許文献１参照）。また、周波数オフセット値を複数回取得することによりオフセット値の精度を高めているものもある（例えば、特許文献２参照）。

図１０は、特許文献１に記載された従来の受信機を示すものである。図１０に示すように、周波数オフセット推定部１００７で受信シンボルデータから周波数オフセット量を推定し、ＴＣＸＯ制御信号発生部１００８でその推定値に応じたＴＣＸＯ制御信号を発生する。

次に閾値判定部１００９で推定値の閾値判定を行い、メモリライト制御スイッチ１０１０でその閾値判定結果が閾値未満の場合にのみＴＣＸＯ制御信号の値をメモリ１０１１に上書きする。

そしてＴＣＸＯ制御信号切り替えスイッチ１０１２の切り替え動作によって、その上書きされた値を、データ受信装置１０００の電源ＯＮ直後にＴＣＸＯ制御信号の初期値としてＴＣＸＯ１０１３に供給する。

その後自動周波数制御開始以降、上記推定に応じて生成される前記ＴＣＸＯ制御信号をＴＣＸＯ１０１３に供給する。

また図示しないが特許文献２に記載された従来の受信機は周波数偏差値を出力する周波数補正器を備え、順次前記周波数偏差値を前回の偏差値と比較し、差が一定の値以内であればカウンターを更新し指定の回数に達するまで繰り返し平均を求め、平均値を用いて周波数補正を行っている。

特許文献３も同じく図示しないが、１と０の繰り返しからなるビット同期信号受信時にデータ信号の伝送速度の逆数の偶数倍の時間復調波形を計測し、その結果を基に局部発振手段の発振周波数を調整している。
特開２００２−２６７７０号公報 特開平１１−２８９２９２号公報 特開平９−８３５８４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、正しい周波数に補正されるまでにかかる時間が長い。ここで自動周波数補正を行う際に時間がかかってしまう理由は２つある。

１つ目の理由は従来例１の様に１度に補正できる周波数の値を決めておき、周波数オフセット値がそれ以上の場合は補正を行わない、もしくは一定の値のみ補正するという点である。

例えば２ｋＨｚまでの周波数補正を可能とした場合に周波数オフセット値が３ｋＨｚだった場合、補正をまったくしないか２ｋＨｚのみ補正をする。

補正をしない場合は再度受信の動作を行い周波数オフセット値を計算しないと正しい周波数に合わせることはできない。また補正をする場合も一度目は２ｋＨｚずらし、次にオフセット値を計算した際に１ｋＨｚさらにずらす。

これは一時的にノイズが混じり本来よりも大きな値を計算した際に誤って周波数を補正してしまうことを防ぐ為であるが、周波数が大きくずれていた場合には何度も補正動作を繰り返さなければならないために補正時間が長くなってしまう。

複数回補正を行うことを防ぎなおかつノイズの影響を受けない為には周波数オフセット値を計算する際に複数の値を基にオフセット値を計算することが必要となる。これが補正時間が長くなる２つ目の理由である。

例えば従来例２のように補正値が一定の数蓄積されるまで周波数を変更しないようにする。閾値内の補正値が一定の数蓄積された際に始めて補正をかけるため補正できるまでに時間がかかる。またノイズなどにより閾値より大きな値が検出された場合は、蓄積されている補正値をクリアし再度補正値が蓄積されるまで待たなければならない。

ノイズなどの影響を防ぐ為にはできるだけ多くのハイレベルとローレベルを検出し、その中央値を取れば、たとえビット同期信号中にノイズが入ったとしてもノイズの値を除去でき、平均化することにより安定したオフセット値を計算することができる。

ところが多くの値を検出すればするほど時間が長くかかってしまう。

しかし時間短縮だけを意識し一度に大幅な補正を行う、もしくはハイレベルとローレベルを１回ずつしか検出しないと、計算している時間にノイズが入った際に不適切な補正値を用いて補正してしまい、通信が行えなくなってしまう。なので、短時間で正しい周波数に補正するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、通信時間を短縮し、なおかつ精度の高い周波数調整を行える受信機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の受信機は、受信した高周波信号の中央周波数と受信周波数の差を検出する周波数誤差検出手段を備え、間欠受信を行う受信機において、受信時に前記周波数誤差検出手段により周波数誤差を検出し、ｎ回目の受信開始時においてｎ−１回目以前の受信時に検出された前記周波数誤差を用いて受信周波数補正手段により前記受信周波数を前記受信信号の中央周波数に合わせるとしたものである。

これによって、受信中に周波数補正を行うことがなくなる為補正にかかる時間が短縮できることととなる。

また、本発明の受信機は、ｎ回目の受信時にデータ受信ができなかった場合、または誤ったデータを受信した場合は、ｎ＋１回目の受信周波数はｎ回目の受信周波数と同一とする。

これによって、ノイズなどにより受信ができなかった際に検出された周波数誤差値を用いて変更された受信周波数にて開始することがなく、受信が成功した場合に検出された誤
差値のみを用いて受信を行うので周波数補正の精度を高めることとなる。

本発明の受信機は、短時間で精度の高い周波数補正を行うことができる。

第１の発明は受信した高周波信号の中央周波数と受信周波数の差を検出する周波数誤差検出手段を備え間欠受信を行う受信機において、受信時に前記周波数誤差検出手段により周波数誤差を検出し、ｎ回目の受信開始時においてｎ−１回目以前の受信時に検出された前記周波数誤差を用いて受信周波数補正手段により前記受信周波数を前記受信信号の中央周波数に合わせることにより、周波数誤差検出を受信動作中に行うことがなくなり受信時間を短縮化することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の前記受信信号がビット同期信号と、それに続くフレーム同期信号と、それに続くデータ信号とから構成され、前記周波数誤差検出手段はｎ−１回目以前の受信開始時から一定の間隔で周波数誤差値を検出し、前記周波数誤差値を周波数誤差値保持手段に保持し、前記フレーム同期信号の受信が確定したタイミングを基点にして前記周波数誤差値保持手段に保持されている周波数誤差値の中から前記ビット同期信号受信中に検出された周波数誤差値を選択し、前記選択された周波数誤差値を基にｎ回目の受信周波数を受信信号の中央周波数に合わせることにより、ビット同期受信前のノイズやビット同期とフレーム同期の境目のデータを基にした補正値を使用することがなくなり周波数補正の精度を高くすることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の受信機の前記周波数誤差検出手段は、前記周波数誤差値保持手段に保持されているビット同期信号受信中に検出された周波数誤差値の内２つ以上を選択し、前記選択された誤差値の平均値を基に受信周波数を受信信号の中央周波数に合わせることにより、周波数誤差値のバラツキを考慮することとなり、誤差値の精度を高めることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の受信機のｎ回目の受信時にデータ受信ができなかった場合、または誤ったデータを受信した場合は、ｎ＋１回目の受信周波数はｎ回目の受信周波数と同一とすることにより、受信動作を開始したがノイズなどによりデータが受信できなかった場合に取得した補正値を使用することがなくなり周波数補正の精度を高くすることができる。

第５の発明は、特に、第１〜３のいずれか1つの発明の受信機に受信信号を復調する復調手段を備え、一定時間を前記復調手段のビット同期信号受信時の出力波形のハイレベルとローレベルが最低一回ずつ検出される時間とし、前記周波数誤差検出手段は前記一定時間前記出力波形を検出し、前記出力波形の最大値と最小値の中央を周波数誤差値とすることにより、最短時間で周波数誤差値を検出することができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれかひとつの発明の機能の少なくとも一部をプログラム化することにより、電気・情報機器、コンピュータ、サーバー等のハードリソースを協働させて本発明の受信機の少なくとも一部を容易に実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における受信機の構成図を示し、図２は、本発明の
第１の実施の形態１における受信動作のフローチャートを示し、図３は本発明の実施の形態１における周波数誤差検出動作のフローチャートを示し、図４は本発明の実施の形態１における受信データの構成と１回目受信時のサンプリングのタイミングチャートを示し、図５は本発明の実施の形態１における復調波形の検出タイミングチャートを示し、図６は本発明の実施の形態１における周波数の関係図を示し、図７は本発明の実施の形態１における受信データの構成と２回目以降受信時サンプリングのタイミングチャートを示し、図８は本発明の実施の形態１における補正値の状態遷移表を示している。

図１において、受信機１０１はアンテナ１０２と受信手段１０３を通じて信号を受信し、復調手段１０４にて受信信号を復調している。そして周波数誤差検出手段１０５にて復調信号から周波数誤差値をクロック１０６から供給されるタイミングで検出すると、検出された周波数誤差値を周波数誤差値保持手段１０７に保持する。

そして受信周波数補正手段１０７は周波数誤差値に基づいて周波数補正を行う。受信周波数補正手段１０７は分周数を用いて基準周波数から受信周波数を生成しているシンセサイザ１０８の分周数を書き換え、これによって受信周波数を変更している。

受信手段１０３はシンセサイザ１０８の出力である受信周波数にて受信を行う。

以上のように構成された受信機について、以下その動作、作用を説明する。

まず、図２のフローチャートに沿って間欠受信時の１回目の受信、Ｒ、開始時からの動作の説明を行う。

まず図４に示すように本実施の形態１で説明する受信信号は、振幅のハイレベルとローレベルが交互に繰り返され送信側と受信側のビットタイミングを同期させるビット同期信号と、それに続くデータの同期を行うフレーム同期信号と、それに続くデータ信号とからなる。

Ｓ０１にて受信開始時にキャリアセンス動作を行いキャリアがあるか否かを検出する。キャリア無しと判断された場合には受信を行わず次の受信タイミングで再度キャリアセンス動作を行う。

Ｓ０１にてキャリア有りと判断された場合にはＳ０２にて復調手段１０４の動作が安定するまで待つ。待ち時間後、一定時間周波数誤差値を周波数誤差検出手段１０５により検出し周波数誤差値保持手段１０７にて保持する。

ここで図３を用いて周波数誤差検出動作について詳しい説明を行う。

まずＳ１１にて復調手段１０４にて復調された復調波形を検出する。検出を行うタイミング、出力波形検出タイミング、はクロック１０６にて供給される。

図５はビット同期信号の復調波形を示している。ビット同期信号は振幅のハイレベルとローレベルが交互に繰り返されており、出力波形検出タイミングにて周波数誤差検出手段１０５は復調波形の振幅値を検出している。

そして周波数誤差検出手段１０５はＳ１２にて一定時間、図５の周波数誤差検出間隔ａ、内にクロック１０６のタイミングで検出された振幅値の中から最大値と最小値を算出し、Ｓ１３にてそれらの中央値を求める。そしてＳ１４にてその値と受信周波数の差を周波数誤差値とする。

図５に示すように、周波数誤差検出間隔はａ時間ごとに区切られており、Ｓ１２からＳ１４の周波数誤差値の検出はａ時間ごとに繰り返される。

例えば図５のように一定時間をａとした場合、最大値と最小値はＨとＬのタイミングで起こり、このタイミングで検出された振幅値の中央値を検出する。

図６に示すように受信周波数とは受信機１０１が受信動作を行う周波数であり受信した信号の中央周波数は送られてきた信号の中央周波数でありその差が周波数誤差値となる。

ここで正確に周波数誤差値を検出するには周波数誤差検出間隔ａ内に最低一回ずつハイレベルとローレベルを検出することが必要となる。したがって最短時間で周波数誤差値を検出するにはビット同期信号のようなハイレベルとローレベルが繰り返される信号を受信しているときが最適である。

この場合ハイレベルとローレベルが一回ずつ検出される時間、２ビット分、で周波数誤差値が検出できることとなる。

またビット同期信号以外の信号、例えばフレーム同期信号、を受信している際に出力波形を検出することも可能であるがその際には検出間隔を２ビットより長くする必要がある。

フレーム同期信号を受信している際に検出間隔を２ビットという最短時間にすると取得された周波数誤差値は必ずしも最大値と最小値が含まれているわけではなくなる。例えば０００や１１１など同じビットが連続するデータが含まれていた場合、周波数誤差値は最大値、もしくは最小値となってしまう。

次にＳ０３にてＳ０２の周波数誤差値の検出が終わるまでの時間を待ち、受信周波数補正手段１０８がシンセサイザ１０９の分周数を周波数誤差値分変更し周波数補正を行う。

周波数補正後、Ｓ０４にて一定の間隔で周波数誤差値を検出する。この動作はＳ０２と同様、図５に示す出力波形検出タイミングにて検出し、周波数誤差検出間隔ａ時間ごとに出力波形の最大値と最小値を検出し、それらの中央値を求める。

検出は受信を開始してからフレーム同期信号の受信が確定するタイミングまで行う。図４で示すと周波数誤差検出タイミングａから１０ａまでである。

これはフレーム同期信号が受信されるまで受信機１０１が受信すべき信号なのかどうかが判別できない為フレーム同期信号の受信が確定されるまで周波数誤差の検出を続ける。

またビット同期信号の受信確定はノイズで起きてしまう可能性や他の受信機あての信号から起きてしまう可能性もある為、ビット同期信号受信が確定した際に周波数誤差値の検出を止めてしまうと誤った値を検出する可能性が高くなる。

ここでビット同期信号受信時に検出された補正値について詳しく説明をする。

前に述べたように周波数誤差検出間隔を２ビットとした場合には周波数誤差値として使用するのはビット同期受信中に検出された誤差値、すなわちaから６ａが最適となる。

またビット同期受信中においてもａのタイミングで取得された値は周波数補正を行わず
に受信をしている際の振幅値が含まれている可能性があるため、補正値に使用したくない。

そこでＳ０６にてビット同期中（１回目の検出を除く）に検出された周波数誤差値のみを次回受信時に使用する。図４では２ａから６ａの５つのタイミングで取得された誤差値である。

ここでビット同期中に検出された周波数誤差値は複数（５個）ある為、１つのみを使用する、もしくは２つ以上を平均化して使用する、最大値、最小値をのぞいた残りの誤差値を平均し使用するなどさまざまな使用方法がある。

平均化を行えば周波数誤差値が安定し、ノイズなどによる影響が少なくなる。

次にＳ０５にてフレーム同期が確定した場合にはこれらの補正値は周波数誤差値保持手段１０７に保持され、次回の受信時に使用する。

２回目以降、２Ｒ以降、のｎ回目の受信はＳ０７にて開始される。

まずＳ０８にてｎ−１回目に受信を行った際に受信が成功していたかどうかを確認する。受信信号が図４のようにビット同期信号、それに続くフレーム同期信号、それに続くデータとからなる際は、ビット同期信号が受信できなかった場合、ビット同期信号は受信できたがフレーム同期信号が受信できなかった場合、フレーム同期信号までは受信できたがデータが受信できなかった場合、またデータまで受信できたがデータが間違っていた場合などは受信失敗とする。

ｎ−１回目の受信が成功していた場合はＳ０９にてｎ−１回目の受信時に検出された周波数誤差値を基に補正された周波数で受信を開始する。

受信を開始するために受信電源が入ると共に、受信周波数補正手段１０８は周波数誤差値保持手段１０７に保持されている周波数誤差値の中から適切な誤差値を選択し、シンセサイザ１０９の分周数を変更している。

複数の誤差値を平均化し使用する場合は、受信周波数補正手段１０８が周波数誤差値を複数選択し、平均化の検出を行い、シンセサイザ１０９の分周数を変更する。

またｎ−１回目受信時に周波数誤差値を検出した際に、別の記憶手段に適切な誤差値を予め保持しておくことも可能である。

その場合、受信周波数補正手段１０８は受信開始時に前記記憶手段に保持されている誤差値を基にシンセサイザ１０９の分周数を変更し受信を開始する。

誤差値の平均を使用する場合には、予めｎ−１回目の受信時に平均値を検出しておき、前記記憶手段に保持する。

図８に示すようにｎ−１回目に検出された周波数誤差値はｘである。したがってｎ回目の受信周波数はｆ＋ｘと補正された周波数になる。

ｎ−１回目の受信に失敗していた場合はＳ１０にてｎ−１回目の受信周波数と同じ周波数で受信を開始する。

これは受信に失敗した場合はノイズなどにより周波数誤差値の検出結果の信頼性が低い為、通信に成功した場合に検出された周波数誤差値のみを使用する。

図８に示すようにｎ回目に検出された周波数誤差値はyであるが、ｎ回目の受信は失敗しているのでｎ＋１回目の受信周波数はｎ回目と同じｆ＋ｘとなる。

そして成功した場合も失敗した場合も受信動作中にＳ０４にてクロック１０６の間隔で周波数誤差値を検出する。

またここではｎ−１回目の受信に失敗していた場合はｎ−１回目の受信周波数で再度受信すると説明したが、ｎ−１回目の受信に失敗した場合に前回受信に成功した周波数、ｎ−２回目、の受信周波数で再度受信することも可能である。

ｎ−１回目の受信時にノイズが混じり受信ができなかった場合は、ｎ−１回目の受信周波数で再度受信するのが適切であるが、ｎ−２回目の受信時に不適切な誤差値が検出されており、ｎ−１回目の受信に失敗した場合は、ｎ−２回目の受信周波数で再度受信するのが適切である。

これをふまえて、成功するまで受信を繰り返す場合、２回以上受信を繰り返す場合は再受信の最初の１回、または数回はｎ−１回目の受信周波数で、それ以降はｎ−２回目の受信周波数で再度受信することも可能である。

継続受信の２回目以降の受信時には図７のように受信を開始してから一定の周波数誤差検出タイミングにて周波数誤差値を検出する。

継続受信中に一定時間受信ができなかった場合、予め定められた回数以上受信に失敗した場合などは再度１回目の受信動作、Ｓ０１から開始する。

また継続受信の期間を予め設定しておき、その時間、もしくは回数が経過すると１回目の受信動作から開始させることも可能である。

以上のように、本実施の形態において受信した高周波信号の中央周波数と受信周波数の差を検出する周波数誤差検出手段１０５を備え継続的に間欠受信を行う受信機１０１は、ｎ回目の受信時に周波数誤差検出手段１０５により周波数誤差値を検出し、ｎ＋１回目の受信開始時において前記周波数誤差値を用いて受信周波数を前記受信信号の中央周波数に合わせることにより、短時間で精度の高い周波数補正を行うことができる。

また本実施の形態では受信毎に周波数補正を行う説明をしたが、間欠受信中一定回数に一回、もしくは一定時間に一回周波数補正を行うことも可能である。

例えば間欠受信中８回に１回は周波数補正を行い、それ以外の受信時には前回周波数補正を行った際の受信周波数を用いて受信を開始する。

図９に示すようにＲの受信タイミングで周波数誤差値を検出し、２Ｒから７Ｒまでの受信タイミングでは周波数誤差値を検出することなくＲのタイミングと同じ周波数で受信を行う。

次に８Ｒの受信タイミングでは、Ｒのタイミングと同じ周波数で受信を行うが、周波数誤差値の検出も行う。そして９Ｒから１４Ｒまでの受信タイミングでは８Ｒで検出された周波数誤差値を基に受信周波数補正手段１０８により補正された受信周波数、ｆ＋ｘ、で
受信を開始する。

なお、本実施の形態で説明した手段は、ＣＰＵ（またはマイコン）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、記憶・記録装置、Ｉ／Ｏなどを備えた電気・情報機器、コンピュータ、サーバー等のハードリソースを協働させるプログラムの形態で実施してもよい。プログラムの形態であれば、磁気メディアや光メディアなどの記録媒体に記録したりインターネットなどの通信回線を用いて配信することで新しい機能の配布・更新やそのインストール作業が簡単にできる。

以上のように、本発明にかかる受信機は、短時間で精度の高い周波数補正が可能となるので、電池を用いた無線通信機等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における受信機の構成図 本発明の実施の形態１における受信動作のフローチャート 本発明の実施の形態１における周波数誤差検出動作のフローチャート 本発明の実施の形態１における受信データの構成と１回目受信時のサンプリングのタイミングチャート 本発明の実施の形態１における復調波形の検出タイミングチャート 本発明の実施の形態１における周波数の関係図 本発明の実施の形態１における受信データの構成と２回目以降受信時サンプリングのタイミングチャート 本発明の実施の形態１におけるタイミングチャート本発明の実施の形態１における補正値の状態遷移を示す図 間欠受信タイミングチャート 従来の受信機の構成図

符号の説明

１０１ 受信機
１０４ 復調手段
１０５ 周波数誤差検出手段
１０７ 周波数誤差値保持手段
１０８ 受信周波数補正手段

Claims (6)

1. 受信した高周波信号の中央周波数と受信周波数との差を検出する周波数誤差検出手段を備え間欠受信を行う受信機において、受信時に前記周波数誤差検出手段により周波数誤差値を検出し、ｎ回目の受信開始時においてｎ−１回目以前の受信時に検出された前記周波数誤差値を用いて受信周波数補正手段により前記受信周波数を受信信号の中央周波数に合わせる受信機。
2. 前記受信信号がビット同期信号と、それに続くフレーム同期信号と、それに続くデータ信号とから構成され、
   前記周波数誤差検出手段はｎ−１回目以前の受信開始時から一定の間隔で周波数誤差値を検出し、前記周波数誤差値を周波数誤差値保持手段に保持し、前記フレーム同期信号の受信が確定したタイミングを基点にして前記周波数誤差値保持手段に保持されている周波数誤差値の中から前記ビット同期信号受信中に検出された周波数誤差値を選択し、前記選択された周波数誤差値を基にｎ回目の受信周波数を受信信号の中央周波数に合わせることとした請求項１に記載の受信機。
3. 前記周波数誤差検出手段は、前記周波数誤差値保持手段に保持されているビット同期信号受信中に検出された周波数誤差値の内２つ以上を選択し、前記選択された誤差値の平均値を基に受信周波数を受信信号の中央周波数に合わせることとした請求項１または２に記載の受信機。
4. ｎ回目の受信時にデータ受信ができなかった場合、または誤ったデータを受信した場合は、ｎ＋１回目の受信時の受信周波数はｎ回目の受信時の受信周波数と同一とすることとした請求項１〜３のいずれか１項に記載の受信機。
5. 前記受信機は受信信号を復調する復調手段を備え、
   一定時間を前記復調手段のビット同期信号受信時の出力波形のハイレベルとローレベルが最低一回ずつ検出される時間とし、
   前記周波数誤差検出手段は前記一定時間のあいだ前記出力波形を検出し、前記出力波形の最大値と最小値の中央値と受信周波数の差を周波数誤差値とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の受信機。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の受信機の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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