JP2010109536A - 変調装置、復調装置、および変復調システム - Google Patents

Abstract

【課題】ドップラーシフト量の解析が不要でありながらもドップラーシフト補正を行うことができる変調装置、復調装置、および変復調システムを提供する。
【解決手段】変調装置でベースバンド内の１次変調、パスバンドへの２次変調を行い、２次変調後の信号に２次変調用のキャリア信号（ベースバンドからパスバンドへの変調用キャリア信号）を重畳しておき、復調装置では当該キャリア信号を抽出して復調を行う。パスバンド信号が空間伝搬中にドップラーシフトされた場合、重畳したキャリア信号も同様にドップラーシフトされる。復調時には、ドップラーシフトされたパスバンド信号を、同様にドップラーシフトされたキャリア信号で復調するため、ドップラーシフトの影響を低減することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、音声等の入力信号を変復調する変調装置、復調装置、および変復調システムに関する。

電磁波を変調して信号を送受信する場合、相対速度の変動によりドップラーシフトが発生する場合がある。そこで、ＯＦＤＭのようなデジタル変調方式では、変調側で予め定められた周波数のパイロット信号を挿入しておき、受信側でパイロット信号の周波数ずれを解析してドップラーシフトを補正することが行われている（例えば特許文献１の記載を参照）。
特開２００８−５５４１号公報

しかし、パイロット信号によるドップラーシフト補正では、キャリア信号の周波数解析を行う必要があり、さらに周波数を解析した結果からドップラーシフト量を算出する必要がある。

そこで、この発明は、ドップラーシフト量の算出が不要でありながらもドップラーシフト補正を行うことができる変調装置、復調装置、および変復調システムを提供することを目的とする。

この発明の変調装置は、変調手段と、キャリア信号重畳手段と、を備えている。復調手段は、ベースバンド信号を当該ベースバンド内で１次変調し、１次変調後の信号をパスバンド信号に変調する２次変調を行う。キャリア信号重畳手段は、前記２次変調を行う際に用いたキャリア信号を、復調用のキャリア信号として前記パスバンド信号に重畳する。

また、この発明の復調装置は、キャリア信号抽出手段と、復調手段と、を備えている。キャリア信号抽出手段は、パスバンドに変調されたパスバンド信号を入力し、前記パスバンド信号に重畳されているキャリア信号を抽出する。復調手段は、前記キャリア信号抽出手段が抽出したキャリア信号を用いて前記パスバンド信号をベースバンド内に１次復調し、１次復調後の信号をさらにベースバンド内で復調する２次復調を行うことでベースバンド信号を復調する。

このように、変調装置は、パスバンド信号にキャリア信号（ベースバンドからパスバンドへの変調用キャリア信号）を重畳しておき、復調側で当該キャリア信号を用いて復調できるように構成する。また、変調装置は、ベースバンド内での１次変調を行うことで、パスバンド信号の帯域と、キャリア信号の帯域にギャップを設けることができる。そのため、変調側では、キャリア信号の抽出が容易となる。

パスバンド信号が空間伝搬中にドップラーシフトされた場合、重畳されているキャリア信号も同様にドップラーシフトされる。復調装置は、ドップラーシフトされたパスバンド信号を、同様にドップラーシフトされたキャリア信号で復調するため、ドップラーシフトの影響を低減することができる。このように、ドップラーシフト量の解析が不要でありながらもドップラーシフト補正を行うことができる。

この発明によれば、ドップラーシフト量の解析が不要でありながらもドップラーシフト補正を行うことができる。

本実施形態の変復調システムは、変調装置で２回以上の変調（ベースバンド内およびパスバンドへの変調）を行い、変調後の信号にキャリア信号（ベースバンドからパスバンドへの変調用キャリア信号）を重畳しておき、復調装置では当該キャリア信号を抽出してパスバンドからベースバンドへの復調を行うものである。

図１は、本実施形態の変調装置の主要構成を示すブロック図であり、図２は、復調装置の主要構成を示すブロック図である。なお、図１および図２に示す（Ａ）〜（Ｇ）の符号は、図３および図４に示す各信号の特性に対応するものである。

変調装置１は、ＬＰＦ１１、乗算器１２、乗算器１３、ＨＰＦ１４、加算器１５、正弦波発生器１６、正弦波発生器１７、および利得調整器１８を備えている。

ＬＰＦ１１は、入力信号（音声信号）の帯域制限を行う。ＬＰＦ１１は必須ではないが、変調後に上記キャリア信号を重畳する際、音声信号（パスバンド信号）とキャリア信号の帯域にギャップを生じさせるために設けている。ＬＰＦ１１の遮断周波数は、ベースバンド、パスバンドの使用帯域に応じて決定する。例えば、本実施形態では、ベースバンドが２２ｋＨｚ、パスバンドが４４ｋＨｚであり、ＬＰＦ１１の遮断周波数は８ｋＨｚとしている。

なお、十分に広い帯域で変調、復調を行うことが可能であり、音声信号とキャリア信号の帯域にギャップを設けることが可能である場合、ＬＰＦ１１は不要である。

次に、乗算器１２は、ＬＰＦ１１の出力信号と正弦波発生器１６の出力信号を乗算する。正弦波発生器１６の出力信号は、１次変調用のキャリア信号である。この振幅変調処理を１次変調とする。１次変調用のキャリア信号の周波数は、ＬＰＦ１１の出力信号を変調した後、ベースバンド内に収まる範囲に設定する。例えば、５ｋＨｚに設定する。

図３は、変調装置の各処理時におけるスペクトルの概要を示した図である。なお、同図においては説明を容易にするために、１次変調のキャリア信号の周波数がＬＰＦ１１の遮断周波数よりも高い例を示しているものであり、実際の信号のスペクトルを厳密に示したものではない。

同図（Ａ）は、ベースバンド信号（入力される音声信号）の周波数特性である。ベースバンド信号は、ＬＰＦ１１で帯域制限されると、同図（Ｂ）に示すように高域成分がカットされた特性（ＬＰＦ１１の出力信号）となる。ＬＰＦ１１の出力信号と１次変調用のキャリア信号を乗算すると、ＬＰＦ１１の出力信号は高域にシフトし、同図（Ｃ）に示す周波数特性となる。このように、ＬＰＦ１１の出力信号は、ベースバンド内で変調される。なお、折り返し雑音成分は後にＨＰＦ１４にて除去されるが（図３（Ｄ）を参照）、１次変調後に除去してもよい。

このようにしてベースバンド内で１次変調を行うことで、後にパスバンド内でキャリア信号を重畳することができる（図３（Ｆ）を参照）。

次に、乗算器１３は、乗算器１２の出力信号と正弦波発生器１７の出力信号を乗算する。正弦波発生器１７の出力信号は、２次変調用のキャリア信号である。この振幅変調処理を２次変調とする。２次変調用のキャリア信号の周波数は、パスバンドの帯域に応じて設定され、例えば２５ｋＨｚ等に設定される。図３（Ｄ）は、乗算器１３の出力信号（パスバンド信号）の特性を示す図である。１次変調後のベースバンド信号は、正弦波発生器１７の出力信号（キャリア信号）により、同図（Ｄ）のようにパスバンド信号に変調される。このように、２次変調はベースバンド信号をパスバンド信号へ変調する処理となる。

２次変調後の信号は、ＨＰＦ１４で帯域制限される。図３（Ｅ）に示すように、ＨＰＦ１４は、折り返し雑音成分を除去し、パスバンド信号として上側波帯のみを使用するために設けられている。ＨＰＦ１４の遮断周波数は、１次変調および２次変調のキャリア信号の周波数に応じて設定される。本実施形態では、例えば３０ｋＨｚに設定される。

次に、加算器１５は、パスバンド信号と正弦波発生器１７の出力信号を加算する。ただし、加算時に信号が飽和すると、歪み成分がベースバンド内に現れるため、加算信号が飽和しないように、利得調整器１８で正弦波発生器１７の出力信号のレベルを調整し、加算する。図３（Ｆ）は、加算器１５の出力信号の特性を示す図である。ベースバンド内の１次変調により、２次変調用のキャリア信号とパスバンド信号とは、ギャップが設けられる。

以上の処理により、２次変調用のキャリア信号が重畳されたパスバンド信号が出力される。出力されたパスバンド信号は、アンプやスピーカを経て空間に放音され、受信側（復調側）に伝搬される。

次に、復調側の構成、処理について説明する。図２に示すように、復調装置２は、ＨＰＦ２１、乗算器２２、ＨＰＦ２３、乗算器２４、ＬＰＦ２５、利得調整器２６、ＢＰＦ２７、および正弦波発生器２８を備えている。なお、ＨＰＦ２３は、図４におけるスペクトルの説明の便宜上設けているだけであり、実際には不要である。

復調装置２は、図示しないマイクやセンサ等で変調装置１から出力された音声を収音する。収音された音声は、図示しないフロントエンドのアンプで増幅された後、ＨＰＦ２１およびＢＰＦ２７に入力される。

ＨＰＦ２１は、変調側のＨＰＦ１４と同じ特性であり、変調されているパスバンド信号を抽出する。

ＢＰＦ２７は、パスバンド信号に重畳されている２次変調用のキャリア信号を抽出する。ＢＰＦ２７は、２次変調用のキャリア信号の周波数を中心周波数とする。ＢＰＦ２７は、純粋にキャリア信号のみを抽出するために、極力狭い帯域幅の特性であることが望ましい。

次に、乗算器２２は、ＨＰＦ２１の出力信号とＢＰＦ２７の出力信号を乗算する。すなわち、ＢＰＦ２７で抽出されたキャリア信号を用いてパスバンド信号をベースバンドに復調する。この復調処理を１次復調処理とする。

図４は、復調装置２の各処理時におけるスペクトルの概要を示した図である。同図（Ａ）は、入力信号の特性を示した図である。同図（Ｂ）は、入力信号からＨＰＦ２１で高域成分を抽出し、パスバンド信号を抽出した場合の特性を示す図である。同図（Ｃ）は、入力信号からＢＰＦ２７でキャリア信号を抽出した場合の特性を示す図である。同図（Ｂ）のパスバンド信号は、同図（Ｃ）のキャリア信号で復調されると、同図（Ｄ）に示すように、ベースバンド内に復調される。

音声が空間伝搬する時に、マイク、スピーカ間が移動して相対速度が生じた場合、ドップラー効果により入力信号に周波数変移が生じる（ドップラーシフトが生じる）。通常、復調側では、固定周波数のキャリア信号を用いてパスバンドからベースバンドへの復調を行うため、パスバンド信号の周波数変位はそのまま復調される。その結果、ドップラーシフトにより復調された可聴域の音声にピッチ変動が生じるため、聴感上好ましくない。

本実施形態の変復調システムでは、上記のように変調側で復調時に用いるキャリア信号を重畳しているため、パスバンド信号とキャリア信号で同様の周波数変位が生じる。そのため、ドップラーシフト量の解析等の処理を行う必要なく、ドップラーシフトによるピッチ変動が軽減されることになる（ドップラーシフト補正を行うことができる）。

次に、乗算器２２の出力信号（ベースバンドに復調された信号）は、ＨＰＦ２３を経て乗算器２４で正弦波発生器２８の出力信号と乗算される。図４（Ｅ）に示すように、乗算器２２の出力信号は、低域側の折り返し雑音成分が除去され、乗算器２４に入力される。なお、実際には、ＬＰＦ２５で折り返し雑音成分を除去することが可能であるため、上述のようにＨＰＦ２３は、必須ではない。

正弦波発生器２８が出力するキャリア信号の周波数は、変調側の１次変調で用いたキャリア信号の周波数と同一である。よって、ＨＰＦ２３の出力信号は、元のベースバンド信号に復調される（ベースバンド内での復調が行われる）。この復調処理を２次復調処理とする。２次復調されたベースバンド信号は、ＬＰＦ２５で折り返し雑音成分が除去され、利得調整器２６で適当なレベルに調整された後、出力される。出力された信号は、スピーカやヘッドフォン等に入力され、可聴域の音声として放音される。

なお、本実施形態では、主に音声（超音波帯域）による伝搬について説明したが、その他電磁波等、ドップラーシフトが生じるものであれば、本発明の技術を適用することが可能である。

変調装置の主要構成を示したブロック図である。 復調装置の主要構成を示したブロック図である。 変調装置の各処理時におけるスペクトルの概要を示した図である。 復調装置の各処理時におけるスペクトルの概要を示した図である。

符号の説明

１−変調装置
２−復調装置

Claims (3)

1. ベースバンド信号を当該ベースバンド内で１次変調し、１次変調後の信号をパスバンド信号に変調する２次変調を行う変調手段と、
   前記２次変調を行う際に用いたキャリア信号を、復調用のキャリア信号として前記パスバンド信号に重畳するキャリア信号重畳手段と、
   を備えた変調装置。
2. パスバンドに変調されたパスバンド信号を入力し、前記パスバンド信号に重畳されているキャリア信号を抽出するキャリア信号抽出手段と、
   前記キャリア信号抽出手段が抽出したキャリア信号を用いて前記パスバンド信号をベースバンド内に１次復調し、１次復調後の信号をさらにベースバンド内で復調する２次復調を行うことでベースバンド信号を復調する復調手段と、
   を備えた復調装置。
3. パスバンドに変調したパスバンド信号を出力する変調装置と、前記変調装置が出力したパスバンド信号を入力する復調装置と、からなる変復調システムであって、
   前記変調装置は、ベースバンド信号を当該ベースバンド内で１次変調し、１次変調後の信号を前記パスバンド信号に変調する２次変調を行う変調手段と、
   前記２次変調を行う際に用いたキャリア信号を、復調用のキャリア信号として前記パスバンド信号に重畳するキャリア信号重畳手段と、
   を備え、
   前記復調装置は、前記パスバンド信号に重畳されている前記キャリア信号を抽出するキャリア信号抽出手段と、
   前記キャリア信号抽出手段が抽出したキャリア信号を用いて前記パスバンド信号をベースバンド内に１次復調し、１次復調後の信号をさらにベースバンド内で復調する２次復調を行うことでベースバンド信号を復調する復調手段と、
   を備えた変復調システム。

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