JP2769469B2 - 信号処理システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、信号プロセツサを用いたコヒーレント検出
に関し、特に、直角振幅変調（QAM）信号などの変調さ
れた信号のキヤリア（搬送波）回復に関する。 B.従来技術 変調された信号から情報を回復するためには、復調器
は、搬送波の位相と搬送波の周波数の両方を入手しなく
てはならない。ほとんどの変調器は、かなり狭い許容範
囲内で搬送波信号を送信する。典型的にはこの許容範囲
は0.001％である。しかし、電話交換網上で通信する場
合には、搬送波信号の再挿入（reinsertion）により受
信された搬送波信号は0.006％程度の誤差を含むことが
ある。1200ヘルツの搬送波信号の場合、このことは７ヘ
ルツ以上の周波数のオフセツトを意味する。 現在知られている最良の復調器はコヒーレント検出器
である。そのような装置は、搬送波信号に位相と周波数
とが入来搬送波信号にロツクされた正弦波と余弦波を掛
けあわせることによつて搬送波信号を復調する。直角振
幅変調（QAM）または微分位相シフト・キー（DPSK）信
号においては、受信された搬送波信号が、変調の方向に
沿う位相の結果として生じる迅速な変化により連続的に
変調されている。コヒーレント検出器のおける最も重要
な問題は、周波数のオフセツト及び電話回線のノイズに
もさらされたきわめて非持久的な信号の平均位相及び周
波数を正確に決定することである。 従来技術においては、位相と周波数の両方を決定する
ことは、搬送波信号をきわめて高い周波数に周波数変換
する段階を有する。そうして、この変換された信号から
搬送波信号が抽出される。この周波数変換技術は、信号
処理環境では非実用的である。なぜなら、それはきわめ
て大きいサンプリング速度が必要であるので信号プロセ
ツサに過剰の処理負荷がかかるからである。この過剰の
処理負荷は、信号プロセツサの他の機能を実行する能力
を制限する。 米国特許第4468794号は、直角チヤネルを使用するこ
となく同相及び直角係数を直接得るために、帯域制限IF
信号をサンプルするデイジタル・コヒーレント検出器を
開示する。この検出器は、アナログ・バンドパス信号を
サンプリングしデイジタル化するための手段と、そのサ
ンプリングされデイジタル化された信号の出力に接続さ
れ、正弦波項の係数の評価を決定するための手段を含
む。この特許はさらに、サンプリング周波数キヤリヤ・
パルスに応じて、同相と直角の出力線の間でスイツチン
グするための手段も含む。この特許は主としてレーダー
受信システムに使用され、デイジタル信号プロセツサは
含まない。 米国特許第4457005号は、位相シフト・キー（PSK）信
号の復調及びビツト検出のためのデイジタル復調システ
ムを開示する。この復調システムは、マスター搬送波発
振器と、サンプリング・パルスを与えるためにそのマス
ター搬送波信号を周波数分割するための分割器とを有す
る。このPSKエンコードされた信号が次にサンプルされ
て記憶され、差検出器が、２つのサンプリング回路の間
の差に応じて遷移信号を発生する。そして、論理回路が
分割器の出力を２で割り、減算ループ・パルスまたは加
算ループ・パルスを発生する。次に制御回路が、加算ル
ープ・パルスまたは減算ループ・パルスのどちらかによ
つて遷移信号が受け取られるか否かに応じてサンプリン
グ・パルスの周波数を変更する。このサンプリング・パ
ルスは、加算ループ・パルスに応答して増加され、減算
ループ・パルスに応答して減少される。このようにし
て、サンプル・パルスが、入来搬送波信号と同期され
る。 米国特許第3660764号は、非コヒーレント微分位相検
出システムの例を与える。このシステムにおいては、同
期的な局所発振器を要することなく、微分的に位相変調
された信号が検出される。このことは、その搬送波信号
をそのベースバンドに共役な同相及び逆相成分に分解す
ることによつて達成される。 C.発明が解決しようとする問題点 この発明の目的は、デイジタル信号プロセツサを用い
たコヒーレント検出を行うシステムを提供することにあ
る。 この発明の他の目的は、変調された信号の搬送波の回
復を改善することにある。 D.問題点を解決するための手段 本発明によれば、デイジタル信号プロセツサを用い
て、電話回線からモデムによつて受信したような変調さ
れた信号の搬送波回復を行うための方法及び装置が開示
される。これによれば、搬送波信号が、搬送波の２つの
成分、すなわち同相成分と直交成分を解析する位相誤差
検出器に入力される。この位相の誤差は、最大長のベク
トルの角度と、そのようなベクトルの期待される角度の
間の差から評価される。次にこの位相誤差は、基準発振
器の位相を更新するために使用される。基準発振器は、
搬送波と基準発振器が同相ロツク状態にあるように継続
的に更新される。この位相は、位相が、スタート・アツ
プ時にはより強く調節され周波数ロツキングが達成され
るにつれて次第に弱く調節されるようにすることを可能
ならしめる信頼因子（confidence factor）によつて制
限される更新により、その位相誤差に比例して更新され
る。さらに、搬送波と基準発振器の間の周波数誤差が、
複数のシンボル時間に亘つて評価される。この周波数の
評価は次に、基準発振器の周波数を調節するために使用
される。基準発振器の周波数を連続的に更新することに
より、搬送波と基準発振器は、迅速に周波数ロツクされ
ることになる。 E.実施例 第１図に示すコヒーレント検出器10への入力11は、si
n〔Wc（ｔ）＋Ｐ（ｔ）〕によつてあらわすことのでき
る微分位相シフト・キー（DPSK）信号である。ここでWc
（ｔ）は、時間の関数としての搬送波周波数であり、ｔ
は時間であり、Ｐ（ｔ）は、時間の関数としての情報エ
ンコーデイングによる位相の変化をあらわす変数であ
る。基準発振器15はsin〔Wr（ｔ）〕とあらわすことが
できる。コヒーレント検出器10は、簡単な乗算とフイル
タ動作によつて位相変化情報をベース・バンドまで転置
する。この乗算は、乗算器12及び13によつて与えられ、
フイルタ動作は、ロー・パス・フイルタ16及び17によつ
て与えられる。尚、基準発振器15の出力には、それが乗
算器12に入力される前にブロツク14によつて90゜の位相
シフトが与えられることに注意されたい。 フイルタ動作を行う前に、乗算器12からの同相チヤネ
ル信号出力は、sin〔Wc（ｔ）＋Ｐ（ｔ）〕×sin〔Wr
（ｔ）〕とあらわすことができる。そのような信号をロ
ー・パス・フイルタ17を通過させた後は、利得の小さい
項を無視すると、同相信号をあらわす線18上の信号はco
s〔Wc（ｔ）−Wr（ｔ）＋Ｐ（ｔ）〕とあらわすことが
できる。同様に、線19上のロー・パス・フイルタ17から
の信号出力の直交成分はsin〔Wc（ｔ）−Wr（ｔ）＋Ｐ
（ｔ）〕とあらわすことができる。 直交信号と同相信号が同一の周波数であるときその位
相のサインまたはコサインが変化することが見てとれよ
う。周波数の差は位相誤差項を生じることになる。その
結果、出力18または19のどちらかが、位相エンコード情
報及び位相誤差を含むことになる。これらの問題を克服
するために、誤差項を検出し基準発振器15を調節し以て
位相誤差を０にするために、同相成分と直交成分に搬送
波周波数追従動作が施される。 コヒーレント検出器10は、第２図の搬送波周波数追従
機構の一部である。この搬送波周波数追従機構は、位相
誤差を補正するための内部ループ20と外部ループ30を有
する。内部ループは、コヒーレント検出器10と、その出
力18及び19と、位相ロツク23と、その入力24及び25を含
み、スタート・アツプ時の周波数ロツク・インを達成
し、急激な位相変化に対してそのような位相ロツクを維
持する。外部フイードバツク・ループは、コヒーレント
検出器と、その出力18及び19と、適応等化器26と、位相
／周波数ロツク28と、その入力29及び30と、その出力27
を含み、基準発振器15と、線11上の変調された信号入力
との間の位相の差を予定の狭い許容範囲内に維持する働
きを行う。 次に、内部フイードバツク・ループの動作を第３図を
参照してより詳細に説明する。内部フイードバツク・ル
ープ20の機能は、線11上で入来信号を受信後出来るだけ
迅速に位相ロツクを達成し、入来信号の位相の急激な変
化に対してその位相ロツクを維持することにある。位相
ロツクは、位相誤差を評価して線33上の基準発振器15に
対する調節によつて誤差を補償することによつて達成さ
れる。そのような調節の度合は、位相誤差の大きさに比
例する。そのような調節の度合はまた、時間に基づく信
頼因子とも関連づけられている。この信頼因子は、より
高速の位相ロツクを達成するために、はじめに信号が線
11上で受け取られたときにより強く位相の調節が行なわ
れるようにする。位相の調節の度合は、位相誤差の符号
と位相誤差の大きさと上述の信頼因子の積である。基準
発振器15に対する位相の調節は、上記積によつて形成さ
れた補正項を基準発振器15の位相に加えることによつて
行なわれる。すなわち、基準発振器15の新しい位相は、
旧い位相プラス補正因子である。 さて、フェーザ（phaser）（通常、ベクトル（vecto
r）を意味する。）を形成するために線18及び19上でコ
ヒーレント検出器10から出力される搬送波信号の同相及
び直交成分を考慮することにより、そのようなフエーザ
の大きさを計算することができる。計算を容易にするた
め、フエーザの２乗の大きさを使用することができ、そ
れは同相成分の２乗と直交成分の２乗の和によつて与え
られる。次にこの２乗の大きさが線41上でブロツク42
（第３図）に入力され、そこで最大の大きさのフエーザ
が決定される。位相誤差の評価のために使用されるのは
この最大の大きさのフエーザである。定義により、最大
の大きさのフエーザはフエーザ・プロツトの軸、すなわ
ち０゜、90゜、180゜または270゜上になくてはならな
い。次にブロツク45中で、フエーザからフエーザ・プロ
ツトの最も近い軸への距離であるとして位相誤差の大き
さが評価される。 次に、ブロツク46では位相に対する調節量が計算され
る。位相調節の方向、すなわち位相誤差の符号は、フエ
ーザが、フエーザ・プロツト上の最も近い軸のどちらの
側にあるかによつて決定される。もしフエーザが最も近
い軸の時計まわりの側にあれば、基準発振器15は、線11
上で入力される変調信号よりもわずかに先行している。
逆に、フエーザが、フエーザ・プロツトの最も近い軸の
反時計まわりの側にあれば、基準発振器15は、線11上で
入力される変調信号よりもわずかに遅れている。下記表
１は、変調信号のタイプ、すなわち同相または直交と、
結果の位相誤差の符号との間の関係を要約したものであ
る。 尚、フエーザと、フエーザ・プロツト上の最も近い軸
の間の距離が２つのフエーザ成分である同相または直交
成分のうちの小さい方の成分である。 判断ブロツク43及び線44は、入来変調信号がQAMであ
る場合にのみ働く。QAM信号は、情報が位相の変化のみ
ならず振幅の変化によつてもエンコードされていること
を除いてはDPSK信号と同様である。DPSK信号は、０゜、
90゜、180゜または270゜の位相の変化からなる。QAMも
また０゜、90゜、180゜または270゜でエンコードされて
いるが、各位相の変化は、位相と振幅の両方についてわ
ずかに摂動を受けることがある。こうして単一の位相の
変化が４つの可能な位相の変化に拡張され、以てより多
くの情報をエンコードすることができる。表２は、４つ
の個別の摂動状態と、それに付随する振幅と位相の変化
の情報を要約するものである。 もし、QAM信号中で摂動が考慮されないなら、タイプ
１またはタイプ２の摂動をもつフエーザが26゜の位相誤
差であると解釈されることになろう。そして振幅の変化
には考慮が払われないことになろう。この問題を克服す
るために、位相はフエーザが摂動を受けていないときの
み調節される。この状況は第３図に示されており、そこ
では、もし判断ブロツク43に対する答えがイエスである
なら、すなわち摂動が生じたなら、誤差の評価または調
節は行なわれない。そして、搬送波周波数追従機構は線
44で示すように単に出力48へ分岐して次の最大フエーザ
を待つ。 次に第４図のフローチヤートを参照して、外部フイー
ルドバツク・ループの動作を詳細に説明する。この外部
ループ位相調節は、第３図と第４図のフローチヤートを
比較すれば分かるように、内部ループにきわめてよく似
ている。適応等化器26は外部ループ30の一部をなすもの
であり、電話回線によつてひき起こされた位相と振幅の
歪みを補償することによつて、線18及び19上でコヒーレ
ント検出器10から出力された信号を終結処理し、以て位
相誤差をより正確に評価することを可能ならしめる。し
かし、適応等化器は数ミリ秒の遅延を引き起こすので、
外部ループは搬送波周波数追従機構の安定性を下げる。
さらに、適応等化器26はその適応的な性質ゆえにフイー
ドバツクが存在するとうまく働かない。 適応等化器26は、線18及び19上でコヒーレント検出器
10から受け取つた信号を選択したシンボル速度まで間引
き（decimate）する。その結果、適応等化器26からの各
サンプルが、シンボルの中点時間に対応するフエーザを
あらわす。シンボルはフエーザ・プロツトの軸（０゜、
90゜、180゜、270゜）上で生じなくてはならないので、
誤差は再び、フエーザからフエーザ・プロツト上の最も
近い軸への距離であるとして評価される。ブロツク54で
は、内部フイードバツク・ループ20の場合と同様にして
位相誤差の大きさと符号が導出される。これから、ブロ
ツク55で調節量の計算が行なわれ、ブロツク56で基準発
振器15の位相が調節される。内部ループ20に関して説明
したのと同様に、判断ブロツク52は、摂動が生じたか否
かを判断する。これは、QAM信号が受信された場合に該
当する。第４図に示すように、もし摂動が生じると、線
53が線57の末端に分岐し、摂動が終了するまで誤差の評
価あるいは位相の調節は行なわれない。 ここで述べた位相ロツク技術は、入来変調信号との位
相ロツクを維持するために単に基準発振器15の位相を更
新するものである。位相ロツクの性能は、基準発振器15
の周波数もまた変調された信号の周波数に一致するよう
に調節されるとき著しく改善される。第２図に示すよう
に、ブロツク28はまた線27を介してコヒーレント検出器
10に周波数ロツク情報を与える周波数ロツク機構をも含
んでいる。この情報は、基準発振器15の周波数を調節す
るために使用される。このことは、時間に亘つて、必要
な位相調節をモニタすることにより基準発振器15と入来
信号11の間の周波数の差を評価することによつて行なわ
れる。外部ループ30における各位相調節毎に、位相調節
値が積分されなくてはならない。そしてもし得られた積
分値が予定のしきい値よりも大きいなら、基準発振器15
の周波数は、基準発振器に、積分値の符号と、時間の関
数である信頼因子の積を加えることにより調節される。 信頼因子は次の式で与えられる。すなわち、 CONF＝〔（CONF_INITIAL）×（0.0996）^Ｔ〕 ＋CONF_FINAL ここで、CONFは信頼因子であり、CONF_INITIALは初期
値であり、CONF_FINALは最終値でありともに１より小さ
く、CONF_INITIALはCONF_FINALよりはるかに大きい。Ｔ
は時間である。 簡易化された全体的な機能ブロツク図が第５図として
示されている。これにおいては、信号プロセツサ61は市
販されている任意の信号プロセツサでよい。そのような
信号プロセツサの例として、テキサス・インスツルメン
ツ（Texas Instruments）社のTMS32010がある。信号プ
ロセツサ61はホスト・プロセツサ69によつて完全に制御
され、動作の前にその中央処理ユニツトの命令をロード
されていなくてはならない。信号プロセツサ61は命令メ
モリ62のデータ・メモリ63を使用する。これらのメモリ
はともにホスト・プロセツサ69によつてアクセス可能で
あるが、信号プロセツサ61と同時にはアクセスできな
い。命令メモリ62は、信号プロセツサ61がターン・オ
フ、すなわちリセツトされているときのみホスト・プロ
セツサ69によつてアクセス可能である。そのとき、ホス
ト・プロセツサ69は命令メモリ62からロードしてデータ
・メモリ63に切換可能であり、データ・メモリ63は常時
信号プロセツサ61と動的に共有されている。信号プロセ
ツサ61とホスト・プロセツサ69は、ホスト・プロセツサ
69の制御の下で割り込みマスクにより互いに割込みを行
う能力をもつ。入来高速モデム信号が線71−73上で受信
器67に入力される。これらの入来高速モデム信号はアナ
ログ書式であるのでA/D変換器66によつてデイジタルに
変換され、一時的にデータ・レジスタ65に格納される。
これらのデイジタル化された信号は次にデータ・メモリ
63に入力される。A/D変換器66は線71−73を介して入力
されたアナログ信号のデイジタル化されたサンプルを与
える。データ・メモリ63中に格納され、基準発振器15を
線11上でコヒーレント検出器10へ入来する信号で位相及
び周波数ロツクするために信号プロセツサ61によつて操
作されるのはこれらのデイジタル化されたサンプルであ
る。最適な態様においては、入来高速モデム信号は9600
ヘルツでサンプルされる。入来変調信号のシンボル時間
は、1.6ミリ秒であり、このことは16サンプル毎に１つ
のシンボルを保証する。ここで述べた最適な態様はBell
212a/CCITT V22bisとの適合性を有する。これらのプロ
トコルはともに、本発明において説明した搬送回復機構
によつて与えられるような1.6ミリ秒のシンボル時間を
もつ。 F.発明の効果 以上説明したように、この発明によれば、基準発振器
の周波数が入来変調信号に関連して位相及び周波数ロツ
クされるので、位相ロツク動作の性能が著しく向上され
る。

【図面の簡単な説明】 第１図は、コヒーレント検出器のブロツク図、 第２図は、搬送波周波数追従を行う機能ブロツク図、 第３図は、内部ループ位相調節の動作フローチヤート、 第４図は、外部ループ位相調節の動作フローチヤート、 第５図は、本発明のシステムの全体的な機能ブロツク図
である。 10……コヒーレント検出器、15……基準発振器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−97661（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−130811（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−140746（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−198849（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．位相変調された変調信号中の搬送波を回復するため
   のものであって、基準発振器をもつコヒーレント検出器
   を有する信号処理システムにおいて、 （ａ）上記変調信号の同相成分の２乗と直交成分の２乗
   の和の最大長のベクトルを決定するための手段と、 （ｂ）上記ベクトルの角度と予定の角度の間の差から位
   相の誤差を評価するための手段と、 （ｃ）上記位相の誤差値に基づき上記基準発振器の位相
   を更新し以て上記変調信号と上記基準発振器を位相ロッ
   クするための手段とを具備する、 信号処理システム。