JP2009130375A - シンボル検出装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＳＫ方式の受信信号からシンボルを判定する場合、検波信号の電圧レベルとしきい値との対比に基づく判定では、該しきい値が送信機−受信機間の周波数差によるＤＣオフセット等によりずれて、正確な判定に支障が出てしまう。また、クロック信号に同期して電圧レベルの抽出タイミングを検出するために、クロック信号の位相補正が必要になり、補正が完了するまではシンボルの判定精度は低下する。これを回避して、シンボルを正確に判定する。
【解決手段】検波信号の微分値を検出する（Ｓ２７）。１シンボルの期間における絶対値最大の微分値を検出する（Ｓ２８，Ｓ２９）。絶対値最大の微分値及び旧シンボル（＝前回の判定結果のシンボル）に基づき旧シンボルに対する電圧レベルの変化方向及び段階数を算出して、今回のシンボルを判定する（Ｓ３０，Ｓ３１）。
【選択図】図６

Description

本発明は、デジタル変調方式の受信信号からシンボルを検出するシンボル検出装置及び方法に関するものである。

特許文献１は、４値ＦＳＫ（周波数偏移変調：Frequency Shift Keying）に係る検波信号についてしきい値（±１．２ｋＨｚ，０ｋＨｚ）を設定し、該しきい値と検波信号の電圧レベルとの対比に基づき各シンボル区間におけるシンボルを検出することを開示する（特許文献１の図２）。

特許文献１は、また、シンボル取得タイミングの検出の基にするクロック信号の調整方法についても開示する。該調整方法によれば、検波信号の電圧レベルＳ１，Ｓ２，Ｓ３をクロック信号の半サイクルに同期して順番に取得し、Ｓ２と（Ｓ１＋Ｓ３）／２との差分Ｓ２−｛（Ｓ１＋Ｓ３）／２｝を算出し、該差分が正か負かに基づきクロック信号の位相を進ませたり、遅らせたりしている（特許文献１の図１の加算部Ａ１〜Ａ４、減衰部ＡＴＴ、乗算部Ｍ及び可変周波数発振部ＶＦＯ）。
特開２００２−１３３５５２号公報

特許文献１のものを含む従来のＦＳＫ用シンボル検出装置では、しきい値（例：±１．２ｋＨｚ，０ｋＨｚ）が正しいことを前提として、検波信号の電圧レベルとしきい値との対比に基づきシンボルを検出しており、該しきい値に誤差が生じていれば、シンボルを正確に検出することができない。しかしながら、無線通信では、一般的に送信機と受信機との間に周波数のずれがある、そして、状況によっては、このずれのために、検波信号のレベルに一定のずれ（以下、「ＤＣオフセット」という。）が生じ、シンボルを正確に判定するためには、しきい値も該ＤＣオフセットに応じて補正する必要がある。

また、特許文献１のものを含む従来のＦＳＫ用シンボル検出装置では、クロック信号のタイミングについて、そのずれの傾向を把握して、ずれか消失するように、クロック信号の位相を補正するが、クロック信号の位相が正しいものに補正完了するまでに、時間がかかり、その間は、シンボルの判定精度が低下する。

本発明の目的は、しきい値の調整やクロック信号の位相補正の手間を解消しつつ、シンボルを正しく検出することができるシンボル検出装置及び方法を提供することである。

本発明によれば、信号レベルがシンボルに対応付けられている検波信号について、そのレベル変化を検出し、各シンボル区間のシンボルを、該シンボル区間に対してその１つ前のシンボル区間における判定結果のシンボルと検出したレベル変化とに基づき判定する。

各シンボル区間のシンボルの判定の基にする検波信号のレベル変化は、シンボル区間の切替わり時のものであるが、正確なクロック信号を用意し、クロック信号に正確に同期させて、検波信号のレベル変化を検出する必要はない。本発明の具体例では、シンボル区間に等しい周期を測定し、各周期における検波信号のレベル変化の最大値を検出し、該最大値をシンボル区間の切替わり時のレベル変化として抽出することができる。

本発明のシンボル検出装置は次のものを備えている。
デジタル変調方式の受信信号から、信号レベルがシンボルに対応付けられている検波信号を生成する検波信号生成手段、
検波信号のレベル変化を検出するレベル変化検出手段、及び
各シンボル区間のシンボルを、該シンボル区間に対してその１つ前のシンボル区間における判定結果のシンボルと前記検出したレベル変化とに基づき判定するシンボル判定手段。

本発明のシンボル検出方法は次のステップを備えている。
デジタル変調方式の受信信号から、信号レベルがシンボルに対応付けられている検波信号を生成するステップ、
検波信号のレベル変化を検出するステップ、及び
各シンボル区間のシンボルを、該シンボル区間に対してその１つ前のシンボル区間における判定結果のシンボルと前記検出したレベル変化とに基づき判定するステップ。

本発明によれば、信号レベルがシンボルに対応付けられている検波信号について、そのレベル変化を検出し、該レベル変化に基づき各シンボル区間のシンボルを判定する。レベル変化は、検波信号におけるＤＣオフセットの影響を含まないので、しきい値をＤＣオフセットに基づき補正する手間を省くことができる。

本発明の具体例によれば、シンボル区間に等しい周期を測定し、各周期における検波信号のレベル変化の最大値を検出して、該最大値に基づき各シンボル区間のシンボルを判定するので、同期信号として使用するクロック信号の補正を省略することができる。

図１は携帯式無線受信機１０の模式図である。該携帯式無線受信機１０は、４値ＦＳＫ方式の電波の受信に対応している。送信機（図示せず）からのＦＳＫ方式の電波は、携帯式無線受信機１０のアンテナ１１に捕捉され、ＲＦ信号に変換されて、増幅器１２へ送られ、増幅器１２において適当に増幅されてから混合器１３へ供給される。

ローカル発振器１４は、抽出するＲＦ信号に対応する周波数の信号を混合器１３へ供給し、混合器１３は、増幅器１２及びローカル発振器１４からの信号を混合して、ＲＦ信号をＩＦ信号へ変換する。検波器１５は、例えば周波数弁別器から構成されており、具体的には比検波器やフォスターシーレー回路等から構成されている。低域通過フィルタとしてのナイキストフィルタ１６は、検波器１５の出力からサンプリング周波数の１／２以上の周波数の成分を除去する。ナイキストフィルタ１６の出力の具体的波形は後述の図３である。

微分処理器１７はナイキストフィルタ１６からの信号を微分する。微分処理器１７の出力の具体的波形は後述の図５である。シンボル判定処理器１８は、微分処理器１７からの入力に基づきシンボルを判定する。シンボル判定処理器１８の判定の詳細については図４及び図５において後述する。

図２は検波信号に係るアイパターンである。検波信号のレベルはＦＳＫの周波数の偏移量に関係する。該検波信号では、各シンボルの代表周波数は、周波数の大きい方から順番に、１．８ｋＨｚ，０．６ｋＨｚ，−０．６ｋＨｚ，−１．８ｋＨｚである。各シンボルは、２ビットとなっており、代表周波数の大きい方から順番に例えば"０１"，"００"，"１０"，"１１"のビットデータを割り当てられている。

図２においてＳｃは各シンボル区間（シンボル長）における時間軸上の中心点を示している。時間軸方向へ相互に隣接するＳｃ間の時間はシンボル区間に等しいＴである。従来技術では、各シンボル区間のシンボルを検波信号の電圧レベルに基づき判定しており、シンボルの判定のために検波信号の電圧レベルを抽出するタイミングは、各アイパターンの時間軸上の中心点であるＳｃとなるように、クロック信号に同期させられる。

図２においてＳｉは各シンボル区間の開始時点及び終了時点である。各シンボル区間の開始時点はその１つ前のシンボル区間の終了時点でもある。検波信号の電圧レベルは、シンボルの切替に伴い、Ｓｉにおいて変化する。

図３は検波信号のレベル変化を例示している。図３の白丸は各Ｓｃにおける検波信号上の点を示している。従来技術のように、シンボルを電圧レベルにより判定する場合には、各シンボルに対応付けられている代表周波数：±１．８ｋＨｚ，±０．６ｋＨｚに対し、周波数偏移量が隣接する代表周波数間の中心にしきい値：１．２ｋＨｚ，０ｋＨｚ，−１．２ｋＨｚが設定される。これらしきい値により、検波信号のレベルは、偏移量の大の方から順番に、１．２ｋＨｚ以上、１．２ｋＨｚ未満〜０ｋＨｚ以上、０ｋＨｚ未満〜−１．２ｋＨｚ以上、−１．２ｋＨｚ未満の４つの周波数区分に分けられる。

検波信号の周波数により各シンボル区間のシンボルを判定する従来技術では、しきい値により分けられた４つの周波数区分を周波数の高い方から順番に、例えば"０１"，"００"，"１０"，"１１"に対応付け、各Ｓｃにおいて検波信号から抽出した電圧レベルについて、それがどの周波数区分に属するかを検出し、今回のシンボル区間のシンボルを、検出した周波数区分に対応付けられているシンボルと判定する。

図４はシンボル区間の切替わり点における検波信号の電圧レベルの変化を例示している。前述したように、Ｓｉはシンボル区間の切替わり点である。図４のレベル変化では、Ｓｉ前のシンボル区間における検波信号のレベルは。偏移量が一番下の代表周波数である−１．８ｋＨｚにあることを想定している。Ｓｉ前のシンボル区間におけるシンボル値"１１"からＳｉ後のシンボル区間におけるシンボル"０１"，"００"又は"１０"へ切り替わるのに伴い、検波信号のレベルは、Ｓｉ後のシンボル区間におけるシンボルに対応付けられたレベルへ変化している。なお、Ｓｉの前後でシンボルが変化しない場合には、検波信号のレベルはＳｉの前後において同一に保持される。

図５は検波信号の変化の一例に対する微分処理器１７の出力波形を示している。シンボルは、"１０"→"１１"→"００"→"０１"と変化すると仮定する。

Ｓｉ１における"１０"→"１１"への切替わりでは、図２から分かるように、検波信号の電圧レベルは１段階下がるので、微分処理器１７の出力としての微分値は絶対値が小である−の所定量となる。Ｓｉ２における"１１"→"００"への切替わりでは、図２から分かるように、検波信号の電圧レベルは２段階上がるので、微分処理器１７の出力としての微分値は絶対値が大である＋の所定量となる。Ｓｉ３における"００"→"０１"への切替わりでは、図２から分かるように、検波信号の電圧レベルは１段階上がるので、微分処理器１７の出力としての微分値は絶対値が小である＋の所定量となる。

図５から、各Ｓｉにおける検波信号の電圧レベル変化量を観測して、該変化量と変化前のシンボルとから各シンボル区間のシンボルを判定することができることが分かる。シンボル判定処理器１８（図１）はこのような原理に基づき各シンボル区間におけるシンボルを判定している。なお、次の無線機用シンボル検出方法２５（図６）から分かるように、携帯式無線受信機１０では、クロック信号に基づきＳｉを検出することにより、クロック信号に同期して検波信号の電圧レベルの微分値を検出するようなことは行っておらず、単に、シンボル区間に相当する周期をタイマーで測定し、各周期の最大値に基づき各シンボル区間におけるシンボルを判定している。シンボル判定処理器１８からは判定結果のシンボルに係るビットデータが出力される。

最初のシンボル区間におけるシンボルの判定では、前回の判定結果が確定されていない。最初のシンボル区間におけるシンボルの判定では、前回の判定結果を任意のシンボルに仮に設定する。そして、仮に定めたシンボルに対して、検波信号の電圧レベルの段階的変化に伴い、今回のシンボルを判定し、かつ前回の判定結果のシンボルを更新していくが、前回の判定結果のシンボルが周波数偏移量最大又は最小のシンボルであるにもかかわらず、検波信号の電圧レベルの変化量によりさらに周波数偏移量が上又は下のシンボルへ移行することが起きる。そのような場合には、周波数偏移量最大又は最小のシンボルをそのまま今回のシンボルとして判定する。これを所定サイクル数繰り返す内に、前回の判定結果のシンボルは自動的に正しいシンボルになる。前回の判定結果のシンボルは自動的に正しいシンボルになるまでは、シンボルの判定結果は無効になるが、無効の時間は時間的にはわずかである。

また、送信機との取決めにより、通信開始の所定シンボル区間数は偏移量最小の"０１"と最大の"携帯式無線受信機１０"とを交互に繰り返すようにして、携帯式無線受信機１０が前回のシンボルを速やかに正しく設定できるようにすることもできる。

図６は無線機用シンボル検出方法２５のフローチャートである。無線機用シンボル検出方法２５は一定時間経過するごとに実行される。Ｓ２６では、検波信号の電圧レベルを取得する。検波信号の電圧波形の具体例は図３に示したものである。Ｓ２７では、検波信号を微分処理する。Ｓ２７の処理は微分処理器１７の処理に対応している。Ｓ２８では、１シンボル（＝シンボル区間）経過したか否かを判定し、判定結果が正であれば、次のＳ２９へ進み、否であれば、無線機用シンボル検出方法２５を終了する。１シンボル経過したかの判定は、次のＳ２９のタイマーによる計測時間に基づき行う。

Ｓ２９では、１シンボルの期間を計測するタイマーを再スタートさせる。Ｓ３０では、検波信号の電圧レベルの微分値のピークを検出する。該ピークは、絶対値が最大である微分値であり、絶対値が最大であれば、該ピークが負である場合もある。１シンボルの期間における検波信号の電圧レベルの微分値のピークを検出するために、１シンボルの各期間において絶対値が所定量以上の微分値はすべて収集して、それらをメモリの配列に保存しておいて、その配列の中からピークのものを選択する。又は、ピークを保存するメモリを１つ用意し、１シンボルの各期間において絶対値が所定量以上の微分値が出現するごとに、そのピークとピーク保存用のメモリの値との絶対値について比較し、前者の方が大きければ、前者のピークにピーク保存用のメモリの値を更新し、Ｓ３０では、該メモリの値をピークとして検出する。

Ｓ３１では、旧シンボル（＝前回判定結果のシンボル）に対して、Ｓ３０において検出したピークに対応する段階だけ周波数偏移量を相対変化した周波数偏移量に対応付けられているシンボルを今回のシンボルとして判定する。ピークに対応する段階とは、この４値ＦＳＫでは、０，±１，±２，±３までの段階がある。前述の図４は、"１１"から"１０"，"００"又は"０１"へ段階が＋１，＋２又は＋３だけ移行した場合を示している。Ｓ３１における旧シンボルは、無線機用シンボル検出方法２５の前回の実行時にＳ３２に保存したシンボルである。

Ｓ３２では、Ｓ３１で判定したシンボルを保存する。Ｓ３２で保存するシンボルは、無線機用シンボル検出方法２５の次回の実行時にＳ３１において旧シンボルとして使用するものであり、シンボルの保存用メモリは１つだけ用意し、Ｓ３２の実行のつど、それを更新すればよい。

図７はシンボル検出装置５０のブロック図である。シンボル検出装置５０の具体例は携帯式無線受信機１０である。シンボル検出装置５０が対応するデジタル変調方式はＦＳＫに限定されない。ＡＳＫ（ Amplitude Shift Keying）やＰＳＫ（Phase Shift Keying）であってもよい。シンボル検出装置５０は無線機に限定されない。ケーブルを介して受信信号を受信するものであってもよい。シンボル検出装置５０は、携帯式及び据置き式のいずれであってもよい。

シンボル検出装置５０は検波信号生成手段５１、レベル変化検出手段５２及びシンボル判定手段５３を備えている。シンボル検出装置５０は、さらに、周期測定手段５６を備えることができる。検波信号生成手段５１は、デジタル変調方式の受信信号から、信号レベルがシンボルに対応付けられている検波信号を生成する。

レベル変化検出手段５２は検波信号のレベル変化を検出する。シンボル判定手段５３は、各シンボル区間のシンボルを、該シンボル区間に対してその１つ前のシンボル区間における判定結果のシンボルと検出したレベル変化とに基づき判定する。

検波信号生成手段５１、レベル変化検出手段５２及びシンボル判定手段５３の具体例はそれぞれ図１の検波器１５、微分処理器１７及びシンボル判定処理器１８である。各シンボルに係るデータは、携帯式無線受信機１０の場合の２ビットに限定されず、３ビット以上や１ビットであってもよい。

シンボル検出装置５０では、しきい値を設定して、検波信号の電圧レベルをしきい値を境にした複数の区分に区分けして、シンボルを判定する必要がないので、送信機−受信機間の周波数のずれに因るＤＣオフセットに伴うしきい値のずれからの影響を排除して、シンボルを正確に判定することができる。

好ましくは、シンボル検出装置５０は、さらに、周期測定手段５６を備えている。周期測定手段５６は、シンボル区間に等しい周期を測定する。また、これに対応して、レベル変化検出手段５２は、各周期における検波信号のレベル変化の絶対値が最大である変化量を検出し、シンボル判定手段５３は、各シンボル区間のシンボルをレベル変化の絶対値が最大である変化量に基づき判定する。

周期測定手段５６の機能は、無線機用シンボル検出方法２５（図６）のＳ２８，Ｓ２９の処理に対応する。各周期における絶対値最大のレベル変化を検出するので、検出タイミングをクロック信号に同期させる必要がなくなる。したがって、クロック信号の位相を補正する手間を省略することができる。また、クロック信号の位相が補正されるまでの間のシンボル判定の精度が低下する不具合を解消することができる。

図８はシンボル検出方法８０のフローチャートである。シンボル検出方法８０はシンボル検出装置５０において実施される。Ｓ８１では、デジタル変調方式の受信信号から、信号レベルがシンボルに対応付けられている検波信号を生成する。

Ｓ８２では、検波信号のレベル変化を検出する。Ｓ８３では、各シンボル区間のシンボルを、該シンボル区間に対してその１つ前のシンボル区間における判定結果のシンボルと検出したレベル変化とに基づき判定する。

Ｓ８１〜Ｓ８３の処理は、シンボル検出装置５０の検波信号生成手段５１〜シンボル判定手段５３の機能にそれぞれ対応している。したがって、検波信号生成手段５１〜シンボル判定手段５３の機能について述べた具体的態様はＳ８１〜Ｓ８３の処理についての具体的態様としても適用可能である。

シンボル検出方法８０では、また、シンボル検出装置５０の周期測定手段５６の機能に対応する処理を実行するステップを適宜、追加可能である。周期測定手段５６に対応するステップは、Ｓ８１とＳ８２との間に挿入される。周期測定手段５６の追加の場合に説明した検波信号生成手段５１〜シンボル判定手段５３の機能の具体的態様は、周期測定手段５６に対応するステップの追加に対するＳ８１〜Ｓ８３の処理の具体的態様として適用される。

本明細書は様々な発明を開示している。それら発明は、発明の最良の形態の項で説明した各装置及び各方法だけでなく、各装置及び各方法から独立の作用、効果を奏する１つ又は複数の要素を抽出したものや、１つ又は複数の要素を自明の範囲で変更したものや、さらに、各装置間及び各方法間で１つ又は複数の要素の組合せを入れ換えたものを含む。

携帯式無線受信機の模式図である。 検波信号に係るアイパターンである。 検波信号のレベル変化を例示す図である。 シンボル区間の切替わり点における検波信号の電圧レベルの変化を例示す図である。 検波信号の変化の一例に対する微分処理器の出力波形を示す図である。 無線機用シンボル検出方法のフローチャートである。 シンボル検出装置のブロック図である。 シンボル検出方法のフローチャートである。

符号の説明

５０：シンボル検出装置、５１：検波信号生成手段、５２：レベル変化検出手段、５３：シンボル判定手段、５６：周期測定手段、８０：シンボル検出方法。

Claims (4)

1. デジタル変調方式の受信信号から、信号レベルがシンボルに対応付けられている検波信号を生成する検波信号生成手段、
   検波信号のレベル変化を検出するレベル変化検出手段、及び
   各シンボル区間のシンボルを、該シンボル区間に対してその１つ前のシンボル区間における判定結果のシンボルと前記検出したレベル変化とに基づき判定するシンボル判定手段、
   を備えることを特徴とするシンボル検出装置。
2. シンボル区間に等しい周期を測定する周期測定手段、
   各周期における検波信号のレベル変化の絶対値が最大である変化量を検出する前記レベル変化検出手段、及び
   各シンボル区間のシンボルを前記レベル変化の絶対値が最大である変化量に基づき判定する前記シンボル判定手段、
   を備えることを特徴とする請求項１記載のシンボル検出装置。
3. 前記受信信号はＦＳＫ方式の受信信号であることを特徴とする請求項１又は２記載のシンボル検出装置。
4. デジタル変調方式の受信信号から、信号レベルがシンボルに対応付けられている検波信号を生成するステップ、
   検波信号のレベル変化を検出するステップ、及び
   各シンボル区間のシンボルを、該シンボル区間に対してその１つ前のシンボル区間における判定結果のシンボルと前記検出したレベル変化とに基づき判定するステップ、
   を備えることを特徴とするシンボル検出方法。

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