JP2010219935A

JP2010219935A - 受信機

Info

Publication number: JP2010219935A
Application number: JP2009064950A
Authority: JP
Inventors: Hideki Ishihara; 秀樹石原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: JP5213769B2

Abstract

【課題】ＡＦＣ処理およびＣＲ処理を行う場合に、回路規模を削減することができる受信機を得ること。
【解決手段】受信信号の周波数偏差を検出して補正する周波数補正処理と、受信信号の位相を所望の位相に設定する位相補正処理と、を実施する受信機であって、受信信号に基づいて、周波数偏差を補正するための周波数偏差情報を検出する周波数偏差検出部１２と、受信信号に基づいて、受信信号の位相を所望の位相に設定するための補正位相量を算出する補正位相算出部１３と、周波数偏差情報と補正位相量に基づいて、直交検波を行うための正弦波を生成するＮＣＯ部１１と、正弦波に基づいて受信信号を直交検波して複素信号とするＬＰＦ１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、受信信号の周波数偏差を補正し、位相補正を行う受信機に関する。

移動体通信や衛星通信等の無線受信機が、受信信号を復調して送信されたデータを検出するためには、周波数同期が必要である。特に送信された信号の位相や周波数成分に送信データ系列をマッピングしている場合には、高精度の周波数同期が必要である。

無線受信機は、受信信号を周波数ダウンコンバータにより中間周波数を経てベースバンド周波数に変換する、または直接ベースバンド周波数に変換する。そして、無線受信機は、ベースバンド周波数に変換した信号にＡＤ（Analog to Digital）変換を実施し、変換したディジタル信号をディジタル信号処理により検波する。この際、伝搬環境に伴う受信周波数の変動や送受ローカル発振器間の周波数偏差のために、無線受信機のローカル発振器が生成した周波数でダウンコンバードを実施すると、ディジタル信号処理に入力されるディジタル信号には周波数偏差が含まれている。したがって、受信信号を正しく検波するには、この周波数偏差を補償する必要がある。

無線受信機が周波数偏差を補償する方法として、ＡＦＣ（Automatic Frequency Control）回路を用いる方法がある。特に送信信号の位相や周波数成分に送信データ系列をマッピングしている場合には、高精度の周波数同期が必要であるためＡＦＣ回路が必要である。近年の無線通信では、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）やＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）等のように、伝送レートを増大させるために位相成分にも送信データをマッピングするケースが多い。また、無線受信機が同期検波を実施する際には、検波軸を再生するためのＣＲ（Carrier Recovery）回路が必要である。したがって、高精度の周波数同期を必要とする無線受信機は、ＡＦＣ回路とＣＲ回路の両方を備えることになる。

ＡＦＣ回路では、ＡＤ変換後のディジタル信号を複素信号に変換し、変換した福祖信号の位相変動を検出する。検出した位相変動量が補償すべき周波数偏差に相当するため、検出した位相変動量を周波数に変化して周波数偏差を求め、求めた周波数偏差を生成する中間周波数に反映することにより周波数偏差の補償を行う。一方、検波をするためには検波軸を決める必要がある。たとえば、ＱＰＳＫ（情報データ２ｂｉｔを１シンボルにマッピング）の場合には、ＭＳＢの判定にはＩ軸を検波軸に設定し、ＬＳＢの判定にはＱ軸を検波軸に設定すると判定が容易になるため、ＣＲ回路では、そのような状態になるよう周波数偏差補償後の受信信号の位相を回転させる。

また、周波数同期の誤差を低減する無線受信機としては、たとえば、下記特許文献１には、フレーム先頭の複数の連続シンボルの補助信号のみを用いて周波数引き込みを行うことで疑似同期の発生を抑える技術が開示されている。

特開２０００−３１６０３０号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、無線受信機では、ＡＦＣ回路およびＣＲ回路は、役割は異なるが、それぞれが受信信号の位相を変化させる機能を有する。そのため、同様の機能を有する機能が同一受信機内で重複することになり、回路構成上効率的でない、という問題があった。

また、上記特許文献１の記載の無線受信機は、疑似同期の発生を抑える技術は開示されているが、ＡＦＣ回路の処理とＣＲ回路の処理を行う構成には適用できない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＡＦＣ処理およびＣＲ処理を行う場合に、回路規模を削減することができる受信機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、受信信号の周波数偏差を検出して補正する周波数補正処理と、受信信号の位相を所望の位相に設定する位相補正処理と、を実施する受信機であって、受信信号に基づいて、前記周波数偏差を補正するための周波数偏差情報を検出する周波数偏差検出手段と、受信信号に基づいて、受信信号の位相を前記所望の位相に設定するための補正位相量を算出する補正位相算出手段と、前記周波数偏差情報と前記補正位相量に基づいて、直交検波を行うための正弦波を生成する正弦波生成手段と、前記正弦波に基づいて受信信号を直交検波して複素信号とする直交検波手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＣＲループとＡＦＣループの両方の処理を実施する位相制御手段を備え、位相制御手段では、周波数偏差変動に対応する位相変動と補正位相とに基づいて、両者を補償するような直交検波用の正弦波を生成するようにしたので、回路規模を削減できるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかる受信機の機能構成例を示す図である。図２−１は、ＡＦＣループで周波数偏差が補償できている状態の信号点の一例を示す図である。図２−２は、補正位相量を示す図である。図３は、ＮＣＯ部と周波数偏差検出部の内部構成例を示す図である。図４は、ループフィルタ部の構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる受信機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかる受信機の機能構成例を示す図である。本実施の形態の受信機は、受信信号をＡＤ変換しディジタル信号とするＡＤ変換器（ＡＤ）１と、周波数偏差および位相の補償を行う位相制御部２と、補償処理後の受信信号を検波する検波部３で構成される。本実施の形態の位相制御部２は、図１に示すように、ＮＣＯ（Numerical Controlled Oscillator）部１１，周波数偏差検出部１２，補正位相算出部１３，直交検波器１４，ＬＰＦ（Low Pass Filter）１５を備える。従来の受信機では、ＡＦＣ機能部とＣＲ機能部を別に備え、ＡＦＣ機能部が周波数偏差の補償を行い、ＣＲ機能部が位相の補償を行っていたが、本実施の形態の形態では、位相制御部２が、ＡＦＣ機能（ＡＦＣループ）とＣＲ機能（ＣＲループ）の両方の機能を備える。

まず、一般的なＡＦＣループとＣＲループの処理を説明する。図２−１は、ＡＦＣループで周波数偏差が補償できている状態（ロックした状態）の信号点の一例を示す図である。また、図２−２は、補正位相量を示す図である。周波数偏差が補償できていない状態、たとえば受信開始時点では周波数偏差のためにＩＱ平面上で信号点は回転する。これに対し、ロックした状態では、図２−１のように、信号点の回転が止まる。この停止する位置の位相は任意である。一方、ＣＲループでは、検波軸を所望の位置に調整するための位相補正を行う。たとえば、図２−２の場合には、図２−１の信号点を補正位相量１０だけ回転させることにより、Ｉ軸上に信号点を移動させる。

つぎに、本実施の形態の動作を説明する。まず、ＡＤ変換器１が受信信号をＡＤ変換し、ディジタル信号に変換し位相制御部２に出力するが、周波数同期が確立されていない状態では、はじめに周波数同期確立のためにＡＦＣ機能としての処理（ＡＦＣループ）が開始される。ＡＦＣループとして、位相制御部２の直交検波器１４が、ＮＣＯ部１１から出力される正弦波信号を用いてそのディジタル信号を直交検波（ＩＱ分離）する。ＮＣＯ部１１は、ＡＤ変換器１がＩＦ（中間周波数）サンプリングの場合（入力されるディジタル信号がＩＦの場合）には、ＩＦに相当する周波数の正弦波を出力する。入力されるディジタル信号がベースバンド信号の場合にはＩＦに相当する周波数を０に設定する。なお、ＮＣＯ部１１は、後述のように周波数偏差検出部１２，補正位相算出部１３からの出力がある場合には、その出力に基づいて周波数偏差，位相を補償するための正弦波信号を調整するが、処理の開始時には、設定された所定の周波数の正弦波信号を生成する。

ＬＰＦ１５は、ＩＱ分離後の信号に対して帯域外ノイズの除去や波形整形等の処理を実施し、処理後の信号を周波数偏差検出部１２へ出力する。周波数偏差検出部１２は、ＬＰＦ１５から入力された信号に基づいて周波数偏差を補正するための情報である周波数偏情報を検出し、ＮＣＯ部１１へ出力し、ＮＣＯ部１１は、周波数偏差情報に基づいて周波数偏差を補償する正弦波信号を生成し、直交検波器１４へ出力する。そして、直交検波器１４は、ＮＣＯ部１１から出力される周波数を補償する正弦波信号を用いて、位相制御部２に入力するディジタル信号を直交検波してＬＰＦ１５へ出力する。以降、直交検波器１４，ＬＰＦ１５，周波数偏差検出１２，ＮＣＯ部１１，直交検波器１４の順の処理（ＡＦＣループ）が、周波数同期が確立するまで実施される。

周波数同期が確立すると、補正位相算出部１３を含むＣＲループも動作して、ＡＦＣループとともに２つのループが同時に動作する。ＣＲループの処理としては、ＬＰＦ１５は、処理後の信号を周波数偏差検出部１２とともに補正位相算出部１３にも出力する。そして、補正位相算出部１３は、入力された信号について信号点のＩ軸からのズレを算出して位相補正情報とし、位相補正情報をＮＣＯ部１１と周波数偏差検出部１２へ出力する。ＮＣＯ部１１は、周波数編差検出部１２から出力される周波数偏差と補正位相算出部１３から出力される位相補正上法とを合成して、受信信号の位相を補償するための正弦波を生成する。

周波数偏差検出部１２は、補正位相算出部１３から出力された位相補正情報に基づいて補正位相を減算する。この処理は、補正位相量の分を位相の変動（周波数偏差）として検出しないように、補正位相量を差し引く処理である。

図３は、本実施の形態のＮＣＯ部１１と周波数偏差検出部１２の内部構成例を示す図である。ＮＣＯ部１１は、加算器２０と、乗算器２１と、入力されたデータを１サンプル分格納するためのメモリであるバッファ（Ｂｕｆ）２２と、加算器２３と、正弦波生成部２４と、で構成される。さらに、正弦波生成部２４は、乗算器３２，バッファ（Ｂｕｆ）３３，ｃｏｓ生成部（ｃｏｓ（ｄｐ））３４，−ｓｉｎ生成部（−ｓｉｎ（ｄｐ））３５で構成される。また、周波数偏差検出部１２は、ループフィルタ（ＬＦ）２５と、乗算器２６と、位相差算出部２７と、位相算出部２８と、入力されたデータを１サンプル分格納するためのメモリであるバッファ（Ｂｕｆ）２９，３１と、乗算器３０と、で構成される。さらに、位相差算出部２７は、加算器３６を備える。

ＮＣＯ部１１の正弦波生成部２４は、後述のように１サンプル時間あたりの位相変動として入力される周波数偏差を加算器３２とバッファ３３により順次加算し、加算した値に基づいてｃｏｓ生成部３４および−ｓｉｎ生成部３５が、ｃｏｓ波および−ｓｉｎ波を生成する。ｃｏｓ生成部３４および−ｓｉｎ生成部３５の正弦波（ｃｏｓ波，−ｓｉｎ波）の生成方法は、たとえば、ｓｉｎ，ｃｏｓのテーブルを用いる方法やＣＯＲＤＩＣ（COordinate Rotation DIgital Computer)アルゴリズムを使用する方法等があるが、どのような方法を用いてもよい。

周波数偏差検出部１２の位相算出部２８は、入力される信号（ＩＱ複素信号）の位相を求めるためにＡｒｃｔａｎ演算を含む処理を行う。Ａｒｃｔａｎ演算を行う方法としては、たとえば、テーブルを用いる方法やＣＯＲＤＩＣアルゴリズムを使用する方法等があるが、どのような方法を用いてもよい。周波数偏差算出部１２の位相差算出部２７は、加算器３６により連続する２サンプルの位相差を計算する。周波数偏差算出部１２のループフィルタ部２５は、ＡＦＣループのようなフィードバック系を安定動作させるための機能を有する。

図４は、ループフィルタ部２５の構成例を示す図である。周波数偏差が１次的に変動する場合にも定常誤差無く追尾するために、ループフィルタ部２５をたとえば図４のように構成する。図４のループフィルタ部２５は、たとえば、乗算器４１，４３と、加算器４２，４４と、入力されたデータを格納するためのメモリであるバッファ（Ｂｕｆ）４５と、で構成される。ループフィルタ部２５に入力された信号は、乗算器４１，４３にそれぞれ出力され、乗算器４１，４３がその信号に固定のパラメータα，βをそれぞれ乗算する。なお、固定のパラメータであるα，βは、所望の追尾特性になるようにそれぞれ設定する値である。乗算器４３の出力は加算器４４に出力され、加算器４４は、乗算器４３から入力された信号とバッファ４５に格納されているデータとを加算し、加算結果をバッファ４５に格納するとともに、加算器４２に出力する。加算器４２は、乗算器４１の出力と加算器４４の出力とを加算して、出力する。この例では、ＡＦＣループは２次ループとなる。

つぎに、本実施の形態の処理の手順について説明する。まず、ＡＤ１は、受信信号をＡＤ変換してディジタル信号とし、位相制御部２の直交検波器１４が、そのディジタル信号を直交検波してＩ信号，Ｑ信号（ＩＱ複素信号）に分離し、分離後の信号をＬＰＦ１５に出力する。ＬＰＦ１５は、ＩＱ複素信号に対して帯域外ノイズの除去や波形整形などの処理を実施し、処理後のＩＱ複素信号を周波数偏差検出部１２，補正位相算出部１３，検波部３にそれぞれ出力する。

周波数同期が確立されていない状態では、上述のとおり、まずＡＦＣループが動作する。具体的には、周波数偏差算出部１２の位相算出部２８が、ＩＱ複素信号の位相を算出し、算出した位相をバッファ２９と位相差算出部２７に出力する。位相差算出部２７は、位相算出部２８から入力された位相とバッファ２９に格納されている１サンプル前の位相との差分を算出して、その差分（位相差）を乗算器２６へ出力する。乗算器２６は、位相差を１サンプル間の周波数偏差の変動に変換するため、位相差に１／（２πＴ_PLL）を乗算し、乗算結果をループフィルタ部２５へ出力する。なお、Ｔ_PLLはＡＦＣループの動作周期を表す。ループフィルタ部２５は、乗算器２６から出力される乗算結果に対して上述のようにフィードバック系を安定動作させる処理を行い、処理後の値を１サンプル間の周波数偏差変動（周波数偏差情報）としてＮＣＯ部１１へ出力する。

ＮＣＯ部１１では、入力された１サンプル間の周波数偏差変動を加算器２３およびバッファ２２により積分して周波数偏差とする。具体的には、加算器２３は、周波数偏差検出部１から出力される１サンプル間の周波数偏差変動とバッファ２２に格納されている１サンプル前の加算結果とを加算して、加算した結果をバッファ２２および乗算器２１へ出力する。バッファ２２は、加算器２３から出力された加算結果を格納する。

乗算器２１は、加算器２３から出力される、積分結果である周波数偏差に対して、位相変動に変換するために、２πＴ_Sを乗算し、乗算結果を加算器２０へ出力する。なお、Ｔ_Sはサンプル周期を表す。なお、実装時には乗算器２１と乗算器２６をそれぞれ別に実装する必要はなく、１つの乗算器を用いて、１／（２πＴ_PLL）と２πＴ_Sを乗算した値を乗算器２１と乗算器２６のいずれかの位置で乗算するようにしてもよい。加算器２０は、補正位相算出部１３からの出力がない場合には、乗算器２１から出力された周波数偏差に対応する位相変動を正弦波生成部２４へ出力する。そして、正弦波生成部２４は、位相変動に基づいてその位相変動を補償するよう直交検波用の正弦波を生成する。以上の動作により、周波数偏差の補償が行われ（周波数同期し）、周波数偏差の補償が所定の誤差以内になると、位相回転が停止する（位相の変化量が所定の誤差以内になる）状態、すなわちＡＦＣループがロックした状態となる。

ＡＦＣループがロックした状態になると、補正位相算出部１３が動作を開始し、ＣＲループが動作する。具体的には、まず、補正位相算出部１３は、ＬＰＦ１５から出力されるＩＱ複素信号の位相を求め、求めた位相に基づいて検波軸が所望の位置となるように、補正位相量を求め、その補正位相量をＮＣＯ部１１と周波数偏差検出部１２へ出力する。ＮＣＯ部１１の加算器２０は、補正位相算出部１３から出力される補正位相量と乗算器２１からの出力とを加算して、正弦波生成部２４に出力する。

周波数偏差検出部１２では、補正位相算出部１３から出力された補正位相量をバッファ３１に格納し、加算器３０が、バッファ２９に格納された位相から、バッファ３１に格納された補正位相量を減算して、減算結果を１サンプル前の位相として位相差算出部２７へ出力する。この減算により、周波数偏差検出部１２では、補正位相算出部１３が算出する補正位相分の位相変動を除いた受信信号の位相変動のみを検出することができる。以降の処理は、ＡＦＣループがロックする前のＡＦＣループの動作と同様である。

ＣＲループの動作開始後、検波部３は、所望の精度で検波軸の再生が達成できていることを確認すると、検波を開始する。なお、検波部３は、適用する無線システムに応じてビット同期やフレーム同期を獲得後に検波を開始する。

また、補正位相算出部１３は、たとえば、固定の補正位相値Δを定めておき、ＩＱ複素信号のＱ成分の正負を判定し、Ｑ成分が正の時は補正位相として−Δを出力し、Ｑ成分が負の時は＋Δを出力するようにする。また位相同期の捕捉時間を短縮するためには、補正位相算出部１３は、たとえば、Ｑ成分が正の場合は、処理ごとに、−Δを、−Δ，−２Δ，…と順次インクリメントした値を補正位相として出力し、Ｑ成分の位相が変化して負の値になった場合には、インクリメント結果を初期化して（＋Δとする）、また、さらにＱ成分が続けて負の値である場合には、＋Δを順次インクリメントした値を補正位相として出力するような構成とすればよい。補正位相算出１３の構成は、これに限らず、どのような構成としてもよい。

なお、本実施の形態では、受信信号をＡＤ変換後のディジタル信号に対して、ＮＣＯ部１１，周波数偏差検出部１２，補正位相算出部１３の処理を行う例について説明したが、これに限らず、各要素をアナログ信号に対応する構成要素として、上記と同様の動作をアナログ信号に対して実施するようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態の受信機は、ＣＲループとＡＦＣループの両方の処理を実施する位相制御部２を備え、位相制御部２では、周波数偏差検出部１２が算出した周波数偏差変動に対応する位相変動と補正位相算出部１３が算出する補正位相とに基づいて、ＮＣＯ部１１が、両者を補償するような直交検波用の正弦波を生成するようにした。そのため、従来のＣＲループとＡＦＣループの両方の処理を実施する受信機に比べ回路規模を削減できるという効果を奏する。

以上のように、本発明にかかる受信機は、受信信号の周波数偏差を補正し、位相補正を行う受信機に有用であり、特に、位相成分にも送信データをマッピングする通信システムにおける受信機に適している。

１ＡＤ
２位相制御部
３検波部
１１ＮＣＯ部
１２周波数偏差検出部
１３補正位相算出部
１４直交検波器
１５ＬＰＦ
２０，２３，３２，３６加算器
２１，２６，３０乗算器
２２，２９，３３バッファ（Ｂｕｆ）
２４正弦波生成部
２５ループフィルタ（ＬＦ）
２７位相差算出部
２８位相算出部
３４ｃｏｓ（ｄｐ）
３５ −ｓｉｎ（ｄｐ）

Claims

受信信号の周波数偏差を検出して補正する周波数補正処理と、受信信号の位相を所望の位相に設定する位相補正処理と、を実施する受信機であって、
受信信号に基づいて、前記周波数偏差を補正するための周波数偏差情報を検出する周波数偏差検出手段と、
受信信号に基づいて、受信信号の位相を前記所望の位相に設定するための補正位相量を算出する補正位相算出手段と、
前記周波数偏差情報と前記補正位相量に基づいて、直交検波を行うための正弦波を生成する正弦波生成手段と、
前記正弦波に基づいて受信信号を直交検波して複素信号とする直交検波手段と、
を備えることを特徴とする受信機。
前記正弦波生成手段は、前記周波数偏差情報を対応する位相量に変換し、変換後の位相量と前記補正位相量とを加算し、加算結果に基づいて前記正弦波を生成することを特徴とする請求項１に記載の受信機。
前記周波数偏差検出手段は、前記補正位相量を減算した後の受信信号に基づいて前記周波数偏差情報を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の受信機。
前記周波数偏差検出手段は、
受信信号の位相を算出する位相算出手段と、
前記位相算出手段が算出した位相を１サンプル前の位相として保持する位相保持手段と、
前記位相算出手段が算出した位相と、保持している１サンプル前の受信信号の位相と、の差分を算出する位相算出手段と、
前記差分を対応する周波数に変換し、変換後の値を前記周波数偏差情報とする乗算手段と、
を備えることを特徴とする請求項１、２または３に記載の受信機。
前記周波数偏差検出手段および前記補正位相算出手段は、受信信号として前記複素信号を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の受信機。