JP2011023969A - 周波数補正装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズ成分の重畳が多い受信信号の場合、誤ったキャリアオフセットによる復調エラー率の増加を抑制する周波性補正装置及びその方法を提供する。
【解決手段】本発明の周波数補正装置は、FSK変調された受信信号を復調する受信機に設けられるキャリアオフセットを、同期ワードの各シンボルにより検出し、搬送波周波数のキャリアオフセットを補正する回路であり、シンボルの受信レベルと、シンボルの予め設定されたレベル閾値による判定結果に対応する受信レベルとのレベル差を求め、相関器のシンボル数分蓄積するオフセット量検出部と、相関器からのピーク信号で、レベル差が正の値と負の値とのシンボルの数の差分を求める計数部と、オフセット量検出部におけるレベル差の同期ワードの積分値を求めるオフセット量計算部と、差分に応じて積分値から受信信号のキャリアオフセット量を求め、受信信号の受信レベルを補正するオフセット補正部とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタル変調信号についてキャリアオフセットを検出し、復調に必要なキャリアオフセットの補正を行う周波性補正装置及びその方法に関する。

周波数変調方式により変調された受信信号、例えば４値ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）であるＡＰＣＯ／Ｐ２５におけるＣ４ＦＭ（Constant Envelope 4-Level Frequency Modulation）による受信信号の受信時に、同期ワード（Frame-Sync-Word）によりフレームの同期を相関器により取得して、フレーム単位にて受信信号の復調が行われる（例えば、特許文献１参照）。
この受信信号の復調を行う際、受信信号にキャリアオフセットがある場合、受信信号の検出において、誤検出を起こして実際と異なるシンボルの値が得られることになる。
そのため、復調時には、キャリアオフセットを検出し、検出したキャリアオフセットにより受信信号の補正を行っている。

上記キャリアオフセットを行う際、受信信号におけるデータのシンボルが未知であるため、長時定数のフィルタリング処理（判定値と入力値との差分の積分値をキャリアオフセットとして求める処理）による場合、キャリアオフセットの検出に時間がかかる。
このため、受信信号の受信を開始する時点においては、それ以前の受信信号の入力がないため、上記長時定数のフィルタリング処理により、キャリアオフセットを得ることができない。
上述した理由のため、受信処理を開始する時点において、既知シンボルである同期ワードを用いて、キャリアオフセットの推定を行うことが、一般的に行われている。

特開２００７−０１３６２０号公報

しかしながら、受信信号にノイズが多く重畳している場合、同期ワードにおける各シンボルのキャリアオフセットの積分処理では、オフセットキャリアに対してノイズの影響が大きいため、信頼できる、すなわち精度の高いキャリアオフセットを検出することができない。
このため、ノイズ成分を含んだ誤ったオフセットキャリアにより、入力される受信信号の補正を行うため、シンボルを誤って復調してしまう復調エラー率を増加させる問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ノイズ成分の重畳が少ない受信信号の場合、従来と同様に正確に受信信号を復調することができ、一方、ノイズ成分の重畳が多い受信信号の場合、誤ったキャリアオフセットによる復調エラー率の増加を抑制する周波性補正装置及びその方法を提供することを目的としている。

本発明の周波数補正装置は、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）変調された受信信号を復調する受信機におけるキャリアオフセットを、相関器によりフレーム同期を取得する際に用いる同期ワードの各シンボルにより検出し、検出結果に基づいて、前記受信機と送信機との間の搬送波周波数の前記キャリアオフセットを補正するキャリアオフセット補正回路であり、入力される前記シンボルの受信レベルと、当該シンボルの予め設定されたレベル閾値による判定結果に対応する受信レベルとのレベル差を求め、相関器のシンボル数分蓄積するオフセット量検出部と、前記シンボルが入力される前記相関器からのピーク信号により、前記レベル差が正の値（０を含む）と負の値とのシンボルの数の差分を求める計数部と、前記ピーク信号により、前記オフセット量検出部における前記レベル差の前記同期ワードにおける積分値を求めるオフセット量計算部と、前記差分に応じて、前記積分値から前記受信信号のキャリアオフセット量を求め、受信信号の受信レベルを補正するオフセット補正部とを有していることを特徴とする。

本発明の周波数補正装置は、前記オフセット補正部が、前記差分と予め設定された閾値とを比較し、当該差分が前記閾値より低い場合、前記誤ったキャリアオフセットによる復調エラー率の増加をオフセット量に前記閾値に対応した係数を乗じ、受信信号の受信レベルを補正することを特徴とする。

本発明の周波数補正装置は、前記オフセット補正部が、前記同期ワードにおけるシンボル毎の差分を積算して積分値を算出し、積分値をシンボル数にて除算して前記誤ったキャリアオフセットによる復調エラー率の増加をオフセット量を算出することを特徴とする。

本発明の周波数補正制御方法は、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）変調された受信信号を復調する受信機におけるキャリアオフセットを、相関器によりフレーム同期を取得する際に用いる同期ワードの各シンボルにより検出し、検出結果に基づいて、前記受信機と送信機との間の搬送波周波数の前記キャリアオフセットを補正するキャリアオフセット補正方法であり、オフセット量検出部が、入力される前記シンボルの受信レベルと、当該シンボルの予め設定されたレベル閾値による判定結果に対応する受信レベルとのレベル差を求め、相関器のシンボル数分蓄積するオフセット量検出過程と、計数部が、前記シンボルが入力される前記相関器からのピーク信号により、前記レベル差が正の値及び０と負の値とのシンボルの数の差分を求める計数過程と、オフセット量計算部が、前記ピーク信号により、前記オフセット量検出部における前記レベル差の前記同期ワードにおける積分値を求めるオフセット量計算過程と、オフセット補正部が、前記差分に応じて、前記積分値から前記受信信号のキャリアオフセット量を求め、受信信号の受信レベルを補正するオフセット補正過程とを有していることを特徴とする。

この本発明によれば、キャリアオフセットのずれ方向（＋方向、あるいは−方向のいずれにずれ）を、シンボル数の差分により判定しているため、すなわちキャリアオフセットの方向が同様な場合（差分が大きい場合）にノイズの影響が少なく、一方、キャリアオフセットの方向がシンボル毎に異なる場合（差分が小さい場合）にノイズの影響が大きいと判定できる。
この結果、本発明によれば、差分の大小により、算出したキャリアオフセット量の確からしさを判定し、確からしさに対応したキャリアオフセット量により受信信号の信号レベルを補正するので、誤ったキャリアオフセット量による復調エラー率の増加を低減することができる。

本発明の一実施形態を用いたＦＳＫ変調の受信信号に対応した受信機の構成例を示すブロック図である。 本発明における同期ワードのシンボル毎のキャリアオフセット量の検出処理を説明する概念図である。 本発明における同期ワードのシンボル毎のキャリアオフセット量の検出処理を説明する概念図である。 本発明における同期ワードのシンボル毎のキャリアオフセット量の検出処理を説明する概念図である。 本発明における同期ワードのシンボル毎のキャリアオフセット量の検出処理を説明する概念図である。 図１における周波数補正装置によるオフセットキャリア量の検出と、検出したオフセットキャリア量による受信信号の補正の動作例を説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、この発明の一実施形態による周波性補正装置を用いた、ＦＳＫ変調の受信信号に対応した受信機の構成例を示す概念図である。
図１の受信機は、アンテナＡ、周波数変換部１、ＦＭ検波部２、加算器３、シンボルデータ判定部４、相関部５、復調部６及び周波数補正部７を有している。
アンテナＡは、ＦＳＫ変調された受信信号、例えば、４値ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）であるＡＰＣＯ／Ｐ２５のＣ４ＦＭ（Constant Envelope 4-Level Frequency Modulation）のＲＦ信号を受信する。
周波数変換部１は、入力されるＲＦ信号をダウンコンバートして受信信号とし、同相成分Ｄ＿Ｉと、直交成分Ｄ＿Ｑとに分解する。

ＦＭ検波部２は、上記同相成分Ｄ＿Ｉと上記直交成分Ｄ＿Ｑとに基づき、受信信号の周波数偏差のレベルを示すデジタルベースバンド信号を生成する。この周波数偏差はＡ／Ｄ変換されてデジタル値として出力される。４値ＦＳＫの場合、送受信するデータのシンボルの情報としてビットデータ００、０１、１０、１１をそれぞれ、−ｆ、−ｆ／３、＋ｆ／３、＋ｆの周波数偏差として表現する。上記デジタルベースバンド信号は、この−ｆ、−ｆ／３、＋ｆ／３、＋ｆの周波数偏差を示している。
加算器３は、後述する周波数補正部７の出力するキャリアオフセット量を、受信信号のデジタルベースバンド信号に加算し、デジタルベースバンド信号の示す周波数の制御を行う。

シンボルデータ判定部４は、予め設定された閾値範囲により、デジタルベースバンド信号が−ｆ、−ｆ／３、＋ｆ／３、＋ｆのいずれかであるかの判定を行う。
例えば、デジタルベースバンド信号の周波数偏差をｆRとした場合、以下の範囲にて、各シンボルが−ｆ、−ｆ／３、＋ｆ／３、＋ｆであるかが、シンボルデータ判定部４において判定される。
＋ｆとされる第１の閾値範囲 ｆR≧ｆ／２
＋ｆ／３とされる第２の閾値範囲 ０≦ｆR＜ｆ／２
−ｆ／３とされる第３の閾値範囲 −ｆ／２＜ｆR＜０
−ｆとされる第４の閾値範囲 −ｆ／２≦ｆR

相関部５は、シフトレジスタ構成となっており、シンボルデータ判定部４から、順次シンボルのデータが入力され、入力されて内部に記憶されているシンボルデータと、予め設定されている同期ワードの既知のシンボルデータとの相関値を出力する。
ここで、相関部５は、シンボルデータが入力される毎に、相関値を求め、予め設定している設定値を超えた場合、その時点に入力されているシンボルデータが、同期ワードに設定された既知のシンボルデータと高い相関を持つ配列であり、フレーム同期が取得されたことを示すピーク信号を出力する。
また、同期ワードのシンボルのパターンは、既知のシンボルデータとして、図２に示すように、＋ｆと−ｆとの２値の組み合わせにより構成されている。図２は、予め設定されている同期ワードの既知のシンボルのパターンを示す図であり、同期ワードのシンボル数が２４個であり、横軸が２４個のシンボルをそれぞれ示し、縦軸が周波数偏差を示している。図２において、「３」がｆに対応し、「１」がｆ／３に対応し、「−１」が−ｆ／３に対応し、「−３」が−ｆに対応している。

また、上記シンボルデータ判定部４は、同期ワードが上述した図２に示すシンボルのパターンであるため、フレーム同期を取得する同期ワードにおけるシンボルの判定を行う際、デジタルベースバンド信号が０以上の正の値であれば＋ｆと判定し、デジタルベースバンド信号が０未満の負の値であれば、−ｆと判定する。
復調部６は、フレーム同期が取得された後、すなわち上記ピーク信号が入力されると、同期ワード以降のデータのシンボルを順次入力し、入力する各シンボルを、周波数偏差に対応してビットデータに復調する。

次に、本発明の実施形態である周波数補正部７を説明する。周波数補正部７は、オフセット量検出部７１、計数部７２、オフセット量計算部７３及びオフセット補正部７４を有し、加算器３に出力するキャリアオフセット量を算出する。
オフセット量検出部７１は、各シンボル毎に、入力されたデジタルベースバンド信号の周波数偏差と、シンボルデータ判定部４において判定された各シンボルの判定された周波数偏差との差を示すレベル差を検出して内部の記憶部に記憶する。
例えば、図３に示すようにｆ／４のキャリアオフセットがある場合、シンボル＃０において、実際のシンボルの周波数偏差のレベルが５ｆ／４であり、相関部５に設定されている既知のシンボルの周波数偏差のレベルがｆであると、レベル差はｆ／４となり、またシンボル＃５において、実際のシンボルの周波数偏差のレベルが−３ｆ／４であり、相関部５に設定されている周波数偏差のレベルが−ｆであると、レベル差は同様にｆ／４となる。

上記図３は、予め設定されている同期ワードの既知のシンボルのパターンを示す図であり、同期ワードのシンボル数が２４個であり、横軸が２４個のシンボルをそれぞれ示し、縦軸が周波数偏差を示している。この図３において、実線の丸が相関部５におけるシンボルのレベルの設定値であり、実線が入力される受信信号のシンボルの周波数偏差を示している。
また、オフセット量検出部７１の記憶部は、相関部５と同様にシフトレジスタ構成となっており、相関部５に記憶されているシンボルの順番に対応して、シンボル毎のレベル差を記憶している。

計数部７２は、相関部５からピーク信号が入力されると、０以上の正の数値のレベル差を有するシンボルの数である正シンボル数と、０未満の負の数値のレベル差を有するシンボルの数である負シンボル数とを求め、正シンボル数から負シンボル数を減算した差分を求め、オフセット補正部７４へ出力する。
オフセット量計算部７３は、相関部５からピーク信号が入力されると、オフセット量検出部７１の記憶部に記憶されている各シンボルのレベル差を加算し（レベル差を積分し）、この加算値（積分値）をシンボル数により除算して、レベル差の平均値であるキャリアオフセット量を求め、オフセット補正部７４に出力する。

また、オフセット補正部７４は、差分及びキャリアオフセット量が入力されると、差分に応じてキャリアオフセット量に係数（０＜α≦）を乗じることで調整し、実際に補正に用いる補正キャリアオフセット量として、加算器３へ出力する。
例えば、オフセット補正部７４は、差分の絶対値が１２以下であれば、キャリアオフセット量に係数として１／２を乗じて補正キャリアオフセット量とし、差分の絶対値が１２を超えればキャリアオフセット量に係数として１を乗じて、すなわちキャリアオフセット量を補正キャリアオフセット量として出力する。また、｜差分｜／（同期ワードのシンボル数）を係数αとしても良い。
受信信号にキャリアオフセットがあり、かつノイズが重畳した際、ノイズ量が少ない場合、図４に示すように、キャリアオフセットはシンボル毎にばらつくだけで、図３のノイズが重畳しておらずキャリアオフセットのみの場合と同様に、キャリアオフセットの極性（レベル差が負か正か）については一致した結果が得られる。ここで、同期ワードにおけるレベルの判定は、すでに記載したように、０以上であれば周波数偏差がｆ（図における３）であり、０未満であれば周波数偏差が−ｆ（図における−３）としている。
上記図４は、予め設定されている同期ワードの既知のシンボルのパターンを示す図であり、同期ワードのシンボル数が２４個であり、横軸が２４個のシンボルをそれぞれ示し、縦軸が周波数偏差を示している。この図４において、実線の丸が相関部５におけるシンボルのレベルの設定値であり、実線が入力される受信信号のシンボルの周波数偏差を示している。

一方、受信信号にキャリアオフセットがあり、かつノイズが重畳した際、ノイズ量が多い場合、図５に示すように、キャリアオフセットはシンボル毎にばらつくだけでなく、キャリアオフセットの極性についても、実際のキャリアオフセットとは異なる極性となる。また、キャリアオフセット量も実際に比較して大きくなり、オフセット量計算部７３の算出するキャリアオフセット量は信頼性の低い数値となる。
上記図５は、予め設定されている同期ワードの既知のシンボルのパターンを示す図であり、同期ワードのシンボル数が２４個であり、横軸が２４個のシンボルをそれぞれ示し、縦軸が周波数偏差を示している。この図５において、実線の丸は相関部５に設定された周波数偏差のレベルの位置にあるシンボルであり、実線が入力される受信信号のシンボルの周波数偏差を示しており、破線の丸はノイズにより相関部５に設定されたシンボルのレベルと異なる周波数偏差のレベルとして判定されたシンボルを示している。また、オフセットの方向として、レベル差が正（＋）のシンボルと負（−）のシンボルとの差分が−２となり、図４の＋２４と比較すると、レベル差の信頼性、すなわちキャリアオフセット量の信頼性が低いことが判る。

次に、図１及び図６を用いて、本実施形態の周波性補正装置の動作を説明する。ここで、図６は、本実施形態による周波性補正装置の動作例を示すフローチャートである。
フレームの受信を開始した際、オフセット補正部７４は補正キャリアオフセット量の初期値は「０」とする。
シンボルデータ判定部４は、加算器３から順次入力される受信信号のシンボルを、周波数偏差が０以上か、０未満かにより判定し、判定した結果の周波数偏差を相関部５及びオフセット量検出部７１に時系列に出力する（ステップＳ１）。
周波数偏差が入力されると、オフセット量検出部７１は、判定された結果の周波数偏差と、入力された状態の周波数偏差との差分をレベル差として算出し（ステップＳ２）、シフトレジスタ構成の記憶部に順次格納していく。

次に、相関部５は、判定結果として入力されるシンボルの周波数偏差が、予め設定された周波数偏差のパターンと一致するか否かの判定、すなわち相関値が予め設定されたピーク値を超えるか否かの判定を行い（ステップＳ３）、超えた場合、ピーク信号を出力するとともに、処理をステップＳ４へ進め、超えない場合、処理をステップＳ１へ戻す。
上記ピーク信号が入力されると、計数部７２は、オフセット量検出部７１の記憶部を参照し、レベル差が正のシンボル数と、レベル差が負のシンボル数との差分を算出し（ステップＳ４）、算出した差分をオフセット補正部７４へ出力するとともに、処理をステップＳ５へ進める。

そして、オフセット量計算部７３は、ピーク信号が入力されると、オフセット量検出部７１の記憶部から各シンボルのレベル差を読みだし、全てのレベル差を加算し、同期ワード部のシンボル数により除算して、キャリアオフセット量を算出し（ステップＳ５）、算出したキャリアオフセット量をオフセット補正部７４へ出力するとともに、処理をステップＳ６へ進める。
上記差分及びキャリアオフセット量が入力されると、オフセット補正部７４は、シンボル数の差分に対応してキャリアオフセット量を補正し（ステップＳ６）、補正キャリアオフセット量として加算器３へ出力するとともに、処理をステップＳ７へ進める。
オフセット補正部７４は、加算器３に対する補正キャリアオフセット量の出力回数が２回目か否かの判定を行い（ステップＳ７）、１回目であれば処理をステップＳ１へ進め、２回目であれば処理をステップＳ８へ進める。

同期ワードを用いて、２回の補正キャリアオフセットを算出した後、データシンボルを用いたキャリアオフセット量の算出を行う。
図示しないデータオフセット量生成部が、同期ワード部におけるキャリアオフセット量の算出の１回目から、同期ワード部以降のデータのシンボルにおけるレベル差を求め、このレベル差を積分（積算）しており、上記２回目以降はこの積分値をキャリアオフセット量として加算器３に対して供給する。
すなわち、上記データオフセット量生成部は、レベル差の差分としてキャリアオフセット量を用い（加算器３に供給し）、長時定数のフィルタリング処理（判定値と入力値との差分の積分値をキャリアオフセットとして求める処理）として、キャリアオフセットの補正処理を行う。

上述したように、本実施形態によれば、受信を開始する際に、同期ワード部によるキャリアオフセット量の検出を行う際、ノイズの影響を反映させた補正キャリアオフセットを求めて、受信信号の補正処理を行う。
このため、ノイズの影響によるキャリアオフセット量の信頼性を判定し、信頼性に対応したキャリアオフセットの補正を行うため、信頼性が低くかつ誤ったキャリアオフセット量による補正の影響を抑制することができ、誤ったシンボルの周波数変調に基づく復調エラーを低減させることができる。

また、図１の周波数補正部７の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより周波数補正の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１…周波数変換部
２…ＦＭ検波部
３…加算器
４…シンボルデータ判定部
５…相関部
６…復調部
７…周波数補正部
７１…オフセット量検出部
７２…計数部
７３…オフセット量計算部
７４…オフセット補正部
Ａ…アンテナ

Claims (4)

1. ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）変調された受信信号を復調する受信機におけるキャリアオフセットを、相関器によりフレーム同期を取得する際に用いる同期ワードの各シンボルにより検出し、検出結果に基づいて、前記受信機と送信機との間の搬送波周波数の前記キャリアオフセットを補正するキャリアオフセット補正回路であり、
   入力される前記シンボルの受信レベルと、当該シンボルの予め設定されたレベル閾値による判定結果に対応する受信レベルとのレベル差を求め、相関器のシンボル数分蓄積するオフセット量検出部と、
   前記シンボルが入力される前記相関器からのピーク信号により、前記レベル差が正の値及び０と負の値とのシンボルの数の差分を求める計数部と、
   前記ピーク信号により、前記オフセット量検出部における前記レベル差の前記同期ワードにおける積分値を求めるオフセット量計算部と、
   前記差分に応じて、前記積分値から前記受信信号のキャリアオフセット量を求め、受信信号の受信レベルを補正するオフセット補正部と
   を有していることを特徴とする周波数補正装置。
2. 前記オフセット補正部が、前記差分と予め設定された閾値とを比較し、当該差分が前記閾値より低い場合、前記キャリアオフセット量に前記閾値に対応した係数を乗じ、受信信号の受信レベルを補正することを特徴とする請求項１に記載の周波数補正装置。
3. 前記オフセット補正部が、前記同期ワードにおけるシンボル毎の差分を積算して積分値を算出し、積分値をシンボル数にて除算して前記キャリアオフセット量を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の周波数補正装置。
4. ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）変調された受信信号を復調する受信機におけるキャリアオフセットを、相関器によりフレーム同期を取得する際に用いる同期ワードの各シンボルにより検出し、検出結果に基づいて、前記受信機と送信機との間の搬送波周波数の前記キャリアオフセットを補正するキャリアオフセット補正方法であり、
   オフセット量検出部が、入力される前記シンボルの受信レベルと、当該シンボルの予め設定されたレベル閾値による判定結果に対応する受信レベルとのレベル差を求め、相関器のシンボル数分蓄積するオフセット量検出過程と、
   計数部が、前記シンボルが入力される前記相関器からのピーク信号により、前記レベル差が正の値及び０と負の値とのシンボルの数の差分を求める計数過程と、
   オフセット量計算部が、前記ピーク信号により、前記オフセット量検出部における前記レベル差の前記同期ワードにおける積分値を求めるオフセット量計算過程と、
   オフセット補正部が、前記差分に応じて、前記積分値から前記受信信号のキャリアオフセット量を求め、受信信号の受信レベルを補正するオフセット補正過程と
   を有していることを特徴とする周波数補正制御方法。

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