JP2764635B2 - 復調装置 - Google Patents

復調装置

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JP2764635B2
JP2764635B2 JP2111905A JP11190590A JP2764635B2 JP 2764635 B2 JP2764635 B2 JP 2764635B2 JP 2111905 A JP2111905 A JP 2111905A JP 11190590 A JP11190590 A JP 11190590A JP 2764635 B2 JP2764635 B2 JP 2764635B2
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    • H03D2200/0041Functional aspects of demodulators
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  • Power Engineering (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、角度変調された信号を検波することに関
し、特に周波数変調された信号のディジタル復調に関す
る。
発明の背景 FM弁別器あるいは復調器は、アナログのシステム、特
に無線受信機およびテレビジョン受信機において広く使
用されている。最近、この種の受信機における情報信号
を処理するためにディジタル技術を用いる傾向がある。
ディジタル回路の伝達関数が十分に定義され、温度変動
および電源変動に関して安定しているので、できるだけ
多くの信号処理をディジタル領域で行うことが望まし
い。従って、現在、FM搬送波のディジタル復調器の必要
性が生じている。1979年8月発行のエレクトロニクスレ
ターズ(Electronics Letters)第15巻、第16号の第489
頁−第490頁の“ディジタル周波数弁別器”と題するエ
フ・ジー・エイ・クーペ(F.G.A.Coupe)氏の論文は、
ディジタル技術を使ってFM信号を復調するための回路に
ついて説明している。クーペ氏の回路では、FM信号は最
初にヒルベルト(Hilbert)変換により演算され、複素
信号の直交成分x(t)とy(t)が導かれる。
f(t)=x(t)+jy(t) (1a) =a(t)exp{jθ(t)} (2a) ここで、θ(t)=tan-1{y(t)/x(t)} (3a) a(t)は瞬時信号振幅であって、 a(t)=[x2(t)+y2(t)]1/2で表わされる。
x成分とy成分は同時にサンプリングされ、サンプルx
(t)と(y)tを発生する。x(t)とy(t)のサ
ンプルはxおよびyの処理チャネルに供給される。F
(t)の信号は時間に関するθ(t)の第1次微分から
得られ次式で与えられる。
ここで、ドット(・)は微分演算子d/dtを表わす。第1
次微分xおよびはxサンプル・チャネルおよびyサン
プル・チャネル中の連続するサンプルの差の値で近似さ
れる。例えば、=x(n+1)−x(n)、=y
(n+1)−y(n)である。値nは個々のサンプルの
発生番号を表わす指標である。
これらの導関数を(4a)式に代入すると次式が得られ
る。
F(nt)x(n){y(n)−y(n−1)}−y
(n){x(n)−x(n−1)} (5a) y(n)x(n−1)−x(n)y(n−1)(6a) (5a)式において、(4a)式の分母が計算されていな
いすなわち省略されていることが分る。この理由は、式
(4a)の分母がFM信号の振幅に対応し、復調されたサン
プル値に定数を単に掛けたものである所定の一定値に保
持されるものと仮定しているからである。式(5a)の各
項を整理すると、式(6a)が得られ、連続する2つのx
(t)サンプルおよび対応する2つのy(t)サンプル
の4つのサンプルだけの関数となることが分る。FM信号
を復調するための式(6a)で表わされるアルゴリズムは
実現するのに極めて簡単である。
一方、FM信号が無変調搬送周波数の4倍でサンプリン
グされると、交互のサンプルは直角成分に対応する。FM
信号は連続する対をなすサンプルを使って復調される。
復調信号が隣接サンプルの対から比較的高いサンプル周
波数で発生されるから、信号の精度および線形性が良好
であり、高調波歪みも最小となる。
発明の概要 本発明は、角度変調(例えば、FM)信号の隣接サンプ
ルの積および各積の形成する際に使われるサンプルの平
方を形成する回路を含んでいる。本発明の一実施例にお
いて、それぞれのサンプルSnとSn+1は平方され、連続す
るサンプルSn′,Sn+1は掛け算される。その積SnSn+1
それぞれのサンプルの平方で割られ、和 が形成されて復調サンプルを発生する。別の実施例にお
いて、対応する平方の積の平方根が発生される。次い
で、隣接サンプルの積が平方根で割られ、復調サンプル
が発生される。
発明の効果 振幅の変動成分の影響を受けることなく、復調サンプ
ルを発生させることができる。
実施例 FMもしくは角度変調された信号s(t)は次式で表わ
される。
s(t)={1+A(t)}sin{WOt+θ(t)}
(1) ここで、A(t)はフェージング等により生じる振幅
変調成分を表わし、WOは搬送周波数であり、θ(t)は
周波数変調信号に対応する。信号A(t)は復調信号中
に再生されるべきでない望ましくない振幅変化成分であ
る。信号s(t)が間隔Δtでサンプリングされると、
連続するサンプルは次式に対応する。
s(t)={1+A(t)}sin{WOt+θ(t)}
(2) および s(t+Δt)={1+A(t+Δt}cos{WOt+θ
(t+Δt)} (3) 式(2)と式(3)を掛け算すると次の積が得られ
る。
s(t)s(t+Δt)={1+A(t)}{1+A
(t+Δt}sin{WOt+θ(t)}×cos{WOt+θ(t
+Δt)} (4) 三角関数の恒等式を使うと、(4)式は次のように変
換される。
(t)s(t+Δt)={1+A(t)}{1+A(t
+Δt}[1/2sin{θ(t)−θ(t+Δt)}+1/2s
in{2WOt+θ(t)+θ(t+Δt)}] (5) この信号が、例えばWOの遮断周波数を有するフィルタを
使って低域通過濾波されると、かぎ括弧中の最後の項は
除去され、低域通過濾波済み信号は次のように表わされ
る。
[s(t)s(t+Δt)]LP={1+A(t)}{1
+A(t+Δt}[1/2sin{θ(t)−θ(t+Δ
t}] (6) sine項中の偏角{θ(t)−θ(t+Δt)}は導関数
dθ(t)/dtをよく近似し、Δtが非常に短かいから
dθ(t)/dtは1よりずっと小さい。
xが小さい値の場合、sin(x)xであるという関
係を使うと、(6)式は次式で表わされる。
[s(t)s(t+Δt)]LP={1+A(t)}{1
+A(t+Δt}・1/2[dθ(t)/dt] (7) ここで、dθ(t)/dtは所望の復調信号である。こ
の点について説明する。
搬送波ec=Ecsinωotにおいて、周波数をωoを中心
として、信号波em=Emcosptに比例させて変動させれ
ば、搬送波の瞬時角周波数は ω=ωo+kfEmcospt=ωo+ωdcospt となり、信号の強弱が周波数の変化に、高低がくり返し
周波数に比例することになる。一般に、角周波数ωは (ここでは瞬時位相)で表わせられるから となり、周波数変調波は、 で表わせる。この周波数変調波の式と(1)式を比べる
と、 の関係になり、θ(t)を微分すれば、 となり、元の変調信号波を取り出せることになる。
(7)式から、所望の信号はFM信号の非所望の振幅変調
成分A(t)により変調されていることが分る。
第1の実施例において、振幅変調項A(t)は次のよ
うにして除去される。
A(t+Δt)=A(t)+ΔA(t)とする。ここ
で、ΔA(t)《1と仮定する。よって、{1+A(t
+Δt)}の項は{1+A(t)+ΔA(t))}とな
る。次に、S(t)を平方し、平方したものを遮断周波
数Woを有するフィルタで低域濾波することを考えてみ
る。低域濾波済み平方S2(t)LPは次式で与えられる。
S2(t)LP=1/2{1+A(t)}2 (8) 低域濾波済み平方S2(t+Δt))LPは次式で与えられる。
S2(t+Δt)LP=1/2{1+A(t)+ΔA(t)}
2 (9) (7)式を(8)式で割ると商は次式で与えられる。
[S(t)S(t+Δt)]LP/S2(t+Δt)LP
[1+ΔA(t)/{1+A(t)}]・dθ(t)/d
t (10) (7)式を(9)式で割ると商は次式で与えられる。
[S(t)S(t+Δt)]LP/S2(t+Δt)LP
[1−ΔA(t)/{1+A(t)}]・dθ(t)/d
t (11) (10)式と(11)式は、いずれも、A(t+Δt)=A
(t)+ΔA(t)という仮定に基づく近似値である。
最後に、(10)式と(11)式を加えると、その結果は となり、 所望の変調信号成分 に比例したものが得られ、すなわち、復調された信号の
得られることが認められる。変調信号最大周波数の周期
に較べてΔtが小さければ(12)式は非常に良い近似値
である。しかし(12)式は近似値なので、AM成分は完全
には抑圧されない。
第2の実施例は、もう少し複雑な処理の犠牲の下に、
この成分が精密に抑圧される。第2の実施例において、
(8)式と(9)式で定義される信号が掛け算され、次
の信号が発生される。
S2(t)LP・S2(t+Δt)LP=1/4{1+A(t)}2・{1+
A(t+Δt)}2 (13) (13)式の平方根は、 (7)式を(14)式で割ると、 近似値A(t+Δt)=A(t)+ΔA(t)を使用す
ることなく、 を発生することができる。
実施例についての以下の記述において、Δtは、復調
される信号の連続するサンプル間の時間である。すなわ
ち、サンプルSnとSn+1はそれぞれ、前述の説明におい
て、サンプルS(t)とS(t+Δt)に対応する。こ
こで、nは整数、例えば、n=0,1,2,・・・である。
次に第1および第2図を参照する。第1図において、
アナログのFMもしくは角度変調信号は入力結線10に供給
され、アナログ・ディジタル(AD)変換器14およびクロ
ック発生器12に結合される。クロック発生器12は、FM信
号の無変調搬送波成分に同期している複数のパルス波形
P0−P3を発生する。パルス波形は搬送波に同期している
ことが必ずしも必要でないことに注意されたい。必要な
ことは、各計算で使われるサンプルの対が搬送波と直角
位相関係(もしくはほぼ直角位相関係)にあるサンプル
を近似することである。第2図の波形を検討してみる。
FMと付けられた波形はFM信号を表わし、図示してある部
分は無変調期間に相当するように選択されている。波形
P0は搬送波の周波数の4倍の周波数を有する信号であ
り、搬送波に位相固定されている。P1−P3の波形が信号
P0から得られ、従ってそれに同期している。波形P0の交
互のパルスは搬送波に対して90°の間隔である。搬送波
が、例えば、波形P0の各パルスの正方向遷移においてサ
ンプリングされると、交互のサンプルは直角成分に対応
する。波形P0の周波数が搬送波の周波数の4倍にほぼ等
しいが、搬送波に位相固定されていなくても、同じこと
がほぼ当てはまる。
第1図において、波形P0はAD変換器14のサンプリング
入力結線に結合され、アナログ信号を表わすパルス符号
変調(PCM)を各パルスの発生時に発生するようAD変換
器14を条件づける。
時間t0、t1、t2…において、サンプルS0、S1、S2…が発
生され、データ・ラッチ18と1サンプル期間の遅延要素
16に結合される。遅延要素16の出力はデータ・ラッチ20
に結合される。ここで使われているように、データ・ラ
ッチは各クロック端子に供給されるパルスの正方向遷移
の直前に各データ入力結線にあるデータ値を取り入れる
形式のものである。時間期間t1の間、サンプルの値S1
S0はラッチ18と20に結合される。これらの値は、各クロ
ック入力端子に供給される信号P1に応答してラッチ18と
20に入力される。この説明と先に述べた解析とを関連さ
せるために、サンプルS0とS1がサンプルS(t)とS
(t+Δt)にそれぞれ対応するものと仮定する。
時間期間t2の間、ラッチ20からのサンプルS0は乗算器
26の2つの入力結線と乗算器24の1つの入力結線に結合
される。ラッチ18からのサンプルS1は乗算器22の2つの
入力結線と乗算器24の第2の入力結線に結合される。乗
算器26、24、22は、積▲S2 0▼、S0S1、▲S2 1▼をそれぞ
れ発生する。期間t2の終りに、これらの値は信号P2に応
答してデータ・ラッチ32、30、28にそれぞれ入力され
る。
データ・ラッチ30からの値S0S1は低域フィルタ34を介
して除算器40の被除数入力結線に結合される。▲S2 0
と▲S2 1▼の値はマルチプレクサ36と低域フィルタ38を
介して除算器40の除数入力結線に交互に結合される。低
域フィルタ34と38は、例えば無変調搬送周波数の通過帯
域を有する。マルチプレクサ36は信号P3により条件づけ
られ、期間t3の間▲S2 0▼の値を除算器40に結合させ、
期間t4の間▲S2 1▼の値を除算器40に結合させる。期間t
3の間、除算器40は信号P1に応答してデータ・ラッチ44
に入力される商(S0S1/S2 0LPを発生する。期間t4
間、除算器40は信号P2に応答してデータ・ラッチ42に入
力される商(S0S1/▲S2 1▼)LPを発生する。ラッチ42
と44中の値は、期間t5の間S0S1/S2 1+S0S1/S2 0の和を
発生する加算器46の各入力端子に供給される。加算器46
から発生される和は信号P1により制御されるデータ・ラ
ッチ48に入力される。ラッチ48は搬送波のサイクル当り
2つの復調出力サンプルを発生する。
第2図に示す制御波形で動作する第1図の回路は、そ
れぞれ対をなすサンプル、S0、S1;S2、S3;S4、S5;…
から連続する出力信号を発生する。しかしながら、変調
信号の周波数は、例えばテレビジョン信号の音声信号の
ように搬送波の周波数より低いものでもよい。この場
合、先の例で説明したほど搬送周波数に比べて高い周波
数で出力サンプルを発生する必要はない。回路に対する
タイミング定数は、より低い周波数でサンプルを発生す
ることにより軽減することができる。例えば、制御信号
P1−P3を適当に変え、S0、S1;S8、S9;S16、S17;…ま
たはS0、S5;S8、S13;S16、S21;…またはS0、S1
S6、S7;S12、S13;…などのような対をなすサンプルか
ら出力サンプルを発生させることにより復調信号を発生
させることができる。主な必要条件は復調出力サンプル
の発生周波数が情報帯域幅に比べてナイキスト(Nyquis
t)のサンプリング基準を満足し、各計算に使われる対
をなすサンプルが搬送波に対して(2nπ+π/2)ラジア
ンだけ離れていることである。この最後の基準を使うこ
とにより、タイミングの複雑さを低減するのに役立つ対
をなすサンプルはSn、Sn+m;Sn+m、Sn+2m;Sn+2m、S
n+3m;…などのような一連の対で表わされる。ここで、
mは(1+4g)に等しく、gは0、1、2、などの中か
ら選択された整数である。
次に第3図および第4図を参照する。第3図の回路は
第1図の回路と同様の機能を実行するが、算術回路要素
への信号を時分割多重化してハードウェアを減らし、以
下の例においては復調信号を発生するのにS0、S1;S4
S5;S8、S9;…などの対をなすサンプルを使用する。説
明を簡単化するために、乗算器70、低域フィルタ72、線
形−対数変換器74の直列接続の処理遅延は搬送波サイク
ルの整数倍であるものとする。また、減算器80と対数−
線形変換器82の直列接続の処理遅延も搬送波サイクルの
整数倍であるものとする。従って、クロック・タイミン
グに関して、これらの要素はシステムの残りの部分に比
べて簡単である。処理遅延が搬送波サイクルの整数倍以
外の場合、回路設計の技術分野の当業者は適用なラッチ
回路のタイミングを容易に調整することができる。
第4図を参照すると、Siでそれぞれ表わされるX,Sの
行は第2図の波形FMのサンプル点Siに対応する。また、
CL1と名づけられた波形は第2図の波形P0に対応する。
第3図において、周波数変調もしくは角度変調された
信号はクロック信号CL1に応答してPCMサンプルを発生す
るAD変換器62に結合される。個々のPCMサンプルはクロ
ック信号CL2に応答してデータ・ラッチ64に順次入力さ
れる。例えば、データ・ラッチ64はサンプルS0、S1
S4、S5、S8、S9、などを順次取り込む。特に、期間t
0(第4図)の間にラッチ64はサンプルS0を取り込み、
このサンプルをラッチ66と68に供給する。データ・ラッ
チ66と68は期間t1の始めにクロック信号CL3とCL4にそれ
ぞれ応答してサンプルS0を取り込み、データ・ラッチ64
はクロックCL2に応答してサンプルS1を取り込む。ラッ
チ66と68からのサンプルS0は、期間t1の間に積S2 0を発
生する乗算器70の各入力端子に結合される。積S2 0は少
なくとも搬送周波数より高い信号を減衰させる低域通過
フィルタ72に結合される。低域濾波された積 の対数を発生する線形−対数変換器74に供給される。積 は期間t1の終りにクロック信号CL5に応答してデータ・
ラッチ76に入力される。
データ・ラッチ64からのサンプルS1は期間t2の間にデ
ータ・ラッチ68に入力される。このとき乗算器70に結合
される各入力サンプルはS0とS1であり、乗算器70は積S0
S1を発生する。積S0S1は低域濾波され、線形−対数変換
され、期間t2の終りにクロック信号CL6に応答してデー
タ・ラッチ78に入力される。
サンプルS1が乗算器70の2つの入力端子に供給される
ように、ラッチ64からのサンプルS1は期間t3の間にラッ
チ66に入力される。乗算器70は、要素72と74でそれぞれ
低域通過濾波され、線形−対数変換される積S2 1を発生
する。期間t3の終りに、低域通過濾波され、線形−対数
変換された積 はラッチ76に入力される。
期間t3の間において、ラッチ76と78からの積 は減算器80の減数および被減数入力端子にそれぞれ同時
に結合される。減算器80は対数−線形変換器82に供給さ
れる差logS0S1LPL−log▲S2 0LPL▼(線形商S0S1LP/S2
0LPに対応する)を発生する。出力値S0S1LP/S2 0LPはク
ロック信号CL7に応答してラッチ84に入力される。期間t
4の間に積S2 1LPLがラッチ76に入力され、減算器80は差l
ogS0S1LPL−log▲S2 1LPL▼を発生する。この差は線形商
のS0S1LPに変換され、クロック信号CL8に応答して期間t
4の終りにラッチ86に入力される。商S0S1LP/▲S2 0LP
は期間t5の間に加算器88により合計され、クロック信号
CL9に応答して出力用データ・ラッチ90に入力される。
積S0S1は正または負であり、対数は単一極性の信号に
ついてのみ意味を持つから、線形−対数変換器74に供給
される積S0S1の大きさを決め、変換器74への入力と変換
器82の出力間の極性に関する情報を得る用意をすること
が必要である。これを行うための方法は知られている
が、混乱を避けるために図示してない。変換器74および
82は、それぞれのアドレス入力ポートに供給されるサン
プル値の対数値と真数値を与えるようにプログラムされ
ている読み出し専用メモリでよい。
第5図の回路は先に述べた解析的な説明に示される第
2の実施例を実現するものである。第5図の回路におい
て、第3図の要素と同じ番号が付けられている要素は同
様のものであり、同じ機能を実行する。要素62−68に供
給されるクロック信号は、復調計算においてS0、S5
S5、S10;S10、S15;…のような対をなすサンプルを使
用することを反映して本実施例では変更されている。
時間T0、T3、T6において、サンプルS0、S5、S10がラ
ッチ64に入力される。時間T1とT2においてサンプルS0
ラッチ66と68にそれぞれ入力され、時間T2とT4の間に乗
算器70が積S2 0を発生する。この積は濾波され、変換さ
れ、クロック信号CL14に応答し時間T4にデータ・ラッチ
100に入力される。時間T4にクロック信号CL12に応答し
てサンプルS5がラッチ66に入力され、乗算器70は時間T4
とT5の間に積S0S5を発生する。この積は濾波され、線形
−対数変換され、時間T5にデータ・ラッチ100に入力さ
れ、また積S2 0がデータ・ラッチ102に入力される。サン
プルS5は時間T5にクロック信号CL13に応答してデータ・
ラッチ68に入力され、乗算器70は時間T5とT7の間に積S2
5を発生する。この積は低域濾波され、線形−対数変換
され、時間T7にデータ・ラッチ100に入力され、積S2 0
S0S5はデータ・ラッチ104と102にそれぞれ入力される。
これらの積が対数形式であるから、ラッチ104と100から
の積S2 0とS2 5は、線形領域におけるS2 0S2 5に対応するサ
ンプル値を発生するために時間T7とT8の間に加算器106
により合計される。この和は要素108において2で割ら
れ(平方根を求めることに対応する)、減算器110の減
数入力端子に結合される。データ・ラッチ102からの積S
0S5は減算器110の被減数入力に結合される。減算器110
からの差の値 に対応する)は時間T8にクロック信号CL13に応答してデ
ータ・ラッチ112に入力される。データ・ラッチ112から
のサンプルは線形の復調サンプルを発生する対数−線形
変換器114に結合される。
このような構成においてクロック信号CL10−CL14を使
うことにより、すべての回路要素の動作周波数は低減さ
れる。また、各出力サンプルの計算に使われる積の一方
は次の出力サンプルを計算するのに使われ、従って実行
しなければならない乗算の回数が3分の1ほど減る。
単一の低域通過フィルタが第3図および第5図に示さ
れていることに注目されたい。このフィルタは同じサン
プルの平方から2つの異なるサンプルの積を個々に濾波
するように構成されていることは容易に理解できること
である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例のブロック図である。 第2図は第1図の実施例の動作を説明するのに有用な制
御波形を示す。 第3図および第5図は本発明の別の実施例のブロック図
である。 第4図は第3図および第5図の実施例の動作を説明する
のに有用な制御波形を示す。 10…入力端子、14…アナログ・ディジタル(AD)変換
器、22,24,26…乗算器、34,38…低域通過フィルタ、40
…除算器、42,44…ラッチ、46…加算器、48…ラッチ。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】無変調搬送周波数f0を有する周波数変調ま
    たは角度変調された入力信号を復調する復調装置であっ
    て、 前記入力信号を受け取る信号入力端子と、 前記信号入力端子に結合され、前記搬送周波数の(2nπ
    +π/2)(nは零を含む整数)ラジアンにほぼ相当する
    期間だけ時間軸上で離れている前記入力信号についての
    連続するサンプルを発生するサンプリング手段と、 前記サンプリング手段に結合され、前記サンプルの連続
    する2つのサンプルの積SnSn+1を形成し、且つ前記サ
    ンプルの前記連続する2つのサンプルの各々の平方
    S2 n,S2 n+1を形成する手段と、 前記積および平方を形成する前記手段に結合され、前記
    積および平方を濾波し、前記搬送周波数より高い周波数
    成分が前記搬送周波数より低い周波数成分に比べて相当
    に減衰されている濾波された前記積および平方を発生す
    る濾波手段と、 前記濾波手段に結合される除算手段を含み、前記濾波さ
    れた積および前記濾波された平方に応答して、復調され
    た出力を表わす関数 を形成する手段とから成る、前記復調装置。
  2. 【請求項2】無変調搬送周波数f0を有する周波数変調ま
    たは角度変調された入力信号を復調する復調装置であっ
    て、 前記入力信号を受け取る信号入力端子と、 前記信号入力端子に結合され、前記搬送周波数の(2nπ
    +π/2)(nは零を含む整数)ラジアンにほぼ相当する
    期間だけ時間軸上で離れている前記入力信号についての
    連続するサンプルを発生するサンプリング手段と、 前記サンプリング手段に結合され、前記サンプルの連続
    する2つのサンプルの積SnSn+1を形成し、且つ前記サ
    ンプルの前記連続する2つのサンプルの各々の平方
    S2 n,S2 n+1を形成する手段と、 前記積および平方を形成する前記手段に結合され、前記
    積および平方を濾波し、前記搬送周波数より高い周波数
    成分が前記搬送周波数より低い周波数成分に比べて相当
    に減衰されている濾波された前記積および平方を発生す
    る濾波手段と、 前記濾波手段に結合される除算手段を含み、前記濾波さ
    れた積および前記濾波された平方に応答し、復調された
    出力を表わす関数 を形成する手段とから成る、前記復調装置。
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