JP2897877B2 - 周波数検波回路 - Google Patents

周波数検波回路

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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の属する技術分野) 本発明は、アナログ信号,データ信号等によって周波
数変調が施された信号の復調や、入力信号の周波数偏差
の計測等に供せられる周波数検波回路に関するものであ
る。
(従来技術とその問題点) 入力信号の瞬時周波数の、予め定められた中心周波数
に対する偏差量を検出する周波数検波回路としては、従
来から、セラミックディスクリミネータ,クオドラチャ
検波回路等が広く用いられている。
しかしながらこれらは、セラミック素子や90°位相シ
フト用インダクタンス素子など、IC化に適さないデバイ
スを必要とし、また処理対象となる搬送波が特定の中間
周波に限定されるため、ヘテロダイン受信機にしか適用
できない等、小形化,汎用化に問題があった。
このため、近年では、入力信号である受信波または中
間周波と同一の周波数を有し、互いに位相がπ/2ラジア
ンだけ異なる2つの局部発振波と入力信号とを周波数混
合することによって、2つの互いに直交する位相関係に
あるベースバンド信号を抽出し、これら2つのベースバ
ンド信号の一方をπ/2ラジアン移相した後に他方とアナ
ログ乗算することによって得られる2つの乗算出力の差
を周波数検波出力とする、いわゆる直交検波形が、IC化
に適合する回路方式の一つとして着目されている。
この方式は中間周波を用いない場合にも適用できるの
で、汎用化,小形化に適するという利点があるが、FSK
検波の場合を除いて一般のアナログ信号の検波の場合、
2つのアナログ乗算器を必要とする。アナログ乗算器を
実現するには半導体の物理特性を利用するアナログ動作
による乗算器、またはA/D変換器,D/A変換器を介したデ
ィジタル乗算器の応用等が考えられるが、前者は特性の
温度,経年変化に問題点があり、また後者は回路規模,
消費電力が増大する等,弊害が大きく、いずれも実用化
への障害が大きいという問題点があった。
(発明の目的) 本発明の目的は、上記従来の欠点を取り除くために行
ったもので、乗算器を使用しないディジタル信号処理を
用いることにより、小形化,IC化が容易であり、かつ、
アナログ信号,データ信号のいずれの周波数変調波にも
適用できる等、汎用性に優れた周波数検波回路を提供す
ることにある。
(発明の構成および作用) 〔構成〕 第1図(A)は、本発明による周波数検波回路の第1
の構成例を示すブロック図である。
第1図(A)において、x,yは受信信号から得られる
2つの互いに直交する位相関係にあるベースバンド信号
であって、受信信号と同一の周波数を有し、互いに90°
の位相差を有する2つの局部発振波(図示せず)と、入
力信号との周波数混合によって得られる信号である。
11,12はそれぞれx,yを入力し、これをディジタル数値
X,Yに変換するA/D変換器、21は前記X,Yを入力し、これ
らをそれぞれ直交座標の横軸,縦軸に配置するときに得
られる2次元ベクトルの横軸を基準とした位相角を第1
の位相情報θ1(0≦θ1≦2π)として出力する位相検
出回路であって、ROM(Read Only Memory)等を用いて
容易に実現できる。
ここで受信信号の瞬時位相φと第1の位相情報θ1
の関係を第2図に実線で示す。図示の通り、θ1は周期
2πラジアンで直線線上昇(又は下降でもよい)を繰り
返す鋸歯状形を呈する。
31は2πを法とする加算器で前記θ1及び定数値πを
入力し、第2の位相情報θ2を出力する。このため、第
2図の破線で示す様に、θ2はθ1に対し、瞬時位相φが
πラジアンだけオフセットした特性を呈することにな
る。
41,42は夫々θ1,θ2を入力し、ディジタル信号処理
のタイミング周期Tの間だけ遅延保持して出力する遅延
回路、51,52は夫々θ1,θ2及び遅延回路41,42の遅延出
力を入力し、これらの差Δθ1,Δθ2を出力する減算器
である。
61は切替回路であって、減算器51,52の出力を被切替
入力とし、さらに切替制御信号としてθ1を入力して、
θ1がその最小値よりπ/2だけ大きい値と最大値よりπ/
2だけ小さい値との間の値(第2図の例では、上下2本
の一点鎖線で囲まれる範囲、即ちπ/2≦θ1<3π/2)
を示す時は減算器51の出力を、又、上記以外の値(第2
図の例で、θ1<π/2,θ1≧3π/2)を示すときは減算
器52の出力を、夫々選択し出力する機能を有する。この
様な回路は、ディジタル数値の比較器と切替ゲート回路
を用いて容易に構成できる。また、切替制御信号として
は、第2の位相情報を用いても同様の切替制御動作を得
ることは明らかである。なお、Δφは61による切替出力
である。
71はΔφを入力し、これをアナログ値に変換して周波
数検波出力dを得るD/A変換器である。
次に第1図(B)は、本発明における周波数検波回路
の第2の構成例を示すブロック図であって、(A)にお
ける減算器51,52を1つの減算器53にまとめた形態とな
っている。同図において、62は第1図(A)の61と同様
の切替回路で被切替入力は夫々0,πの定数値に固定され
る。また43,44は第1図(A)の41,42と同様の遅延回
路、32,33,34は第1図(A)の31と同様の2πを法とす
る加算器、53は第1図(A)の51,52と同様の減算器で
ある。切替回路62は切替制御信号として第1図(A)と
同じくθ1を入力し、加算器32,33の夫々の一方の入力及
び切替回路43へその出力θ3を供給する。加算器32はθ1
を、また加算器33は遅延回路43の出力を夫々他方の入力
とする共に、夫々の出力θ4,θ5を夫々遅延回路44及び
加算器34へ供給する。さらに加算器32,34の出力θ4,θ
6は減算器53に入力され、これらの差がΔφとしてD/A変
換器71に入力される。
〔作用〕
第1図及び第2図に示した構成例に基づく本発明の周
波数検波動作を、数式を用いて以下に詳細に説明する。
まず第1図(A)の構成例において、θ1,θ2,Δθ
1,Δθ2,Δφ及び瞬時位相φの時刻iT(iは整数)に
おける値を夫々θ1(i),θ2(i),φθ1(i),
Δθ2(i),Δφ(i),φ(i)とおくと、Δθ
1(i),Δθ2(i)は夫々次式 で与えられる。
また、θ1(i)とθ2(i)の間には下式の関係が常
に成り立つ θ2(i)=〔θ1(i)+π〕mod2π ……(3) (〔・〕mod2πは2πを法とする値) ここで、Δφ(i)は、切替回路61の切替動作によっ
て下式 で与えられるものとすると、(1)〜(4)式から、時
間的に隣接する2つの瞬時位相サンプルの差の絶対値|
φ(i)−φ(i−1)|がπ/2より小さい場合は、第
2図より明らかに次式 Δφ(i)=φ(i)−φ(i−1) ……(5) が成立している。
よって、Δφ(i)は瞬時位相φのディジタル差分
値、即ちディジタル値で表された周波数情報を与えるこ
とになり、第2図に示したφ=(2n+1)π及びφ=2n
πの点におけるそれぞれθ1,θ2の2πラジアンの位相
ジャンプに起因する誤った検波出力(大きさ2πのパル
ス状の信号)がΔφに現れることはなく、ΔφをD/A変
換器71によってアナログ値dとして出力することにより
正しい周波数検波動作を得ることがわかる。
なお、第1図(A)の破線で示す様に、切替回路61の
切替制御信号として、θ1の代りに減算器51(または5
2)の出力を用いる様に構成し、51(又は52)の出力に
絶対値がπラジアン以上の値が現れた時のみ減算器52
(又は51)の出力を選択する様に切替回路61を構成すれ
ば、|φ(i)−φ(i−1)|がπより小さい場合に
は、同様に(4)式が成立し、正しい周波数検波動作を
得ることも明らかである。
次に第1図(B)の構成例の動作について説明する。
同図(B)において、θ3,θ4,θ5,θ6の時刻iTにお
ける値を、前記と同様にθ3(i),θ4(i),θ
5(i),θ6(i)とおくと、θ4(i),θ5(i),
θ6(i),Δφ(i)は夫々次式で与えられる。
(6)式と(8)式より、θ6(i)はさらに次式で表
される。
θ6(i)=〔(θ1(i−1)+θ3(i−1)〕mod2
π+θ5(i)〕mod2π ……(10) ここでθ3(i)は、切替回路62の切替動作によっ
て、下式 で与えられるものとすると、θ3(i),θ3(i−1)
E{0,π}の全ての値の組(4組)に対し、θ
4(i),θ5(i),θ6(i)は(3),(6),
(7),(10)の各式により、次の表に示す値となる。
上表と(9)式により、Δφ(i)は最終的に次式 で与えられることがわかるが、これは第1図(A)の場
合の(4)式と同等であり、第1図(A)と(B)の構
成例における動作は等価であることがわかる。
以上の第1図(A)および(B)に示した本発明の構
成を一例として、最大周波数偏移fdev〔Hz〕を有する周
波数変調信号に適用した場合に、有効な周波数検波動作
を得るための条件と実現性について、次に吟味する。
作用の説明において示した様に、ディジタル信号処理
のタイミング周期T内の瞬時位相サンプル相互間の差の
絶対値はπ/2より小さい事が必要であるから、Δφ
(i)の最大値Δφ(i)MAXを満足する必要がある。
他方、最大周波数偏移fdevは次式で与えられる。
従って、(13),(14)式より次式を得る。
(15)式よりディジタル信号処理上のサンプリング周波
数fs、は少なくとも最大周波数偏移fdevの4倍以上の値
でなければならないが、例えば1チャンネルの音声通信
を1つのFM搬送波で伝送する無線回線の場合、fdevが高
々5kHz程度であるので、fsは20kHz以上となる。この速
度は、TTLやCMOSを用いた論理回路や、変換時間が数マ
イクロ秒以下のA/D変換器、D/A変換器を用いることによ
り、余裕を以て実現できることは明らかである。
(発明の効果) 以上詳細に説明したように、本発明によれば、ディジ
タル信号処理によって回路特性の高精度化,安定化がは
かれると共に、従来、直交する位相関係にあるベースバ
ンド信号を用いた周波数検波方法に必要であった乗算器
を用いないので、回路規模を小さくでき、IC化に適する
という利点がある。
また本発明は、アナログ信号(音声等)、データ信号
(FSK等)のいずれの周波数変調波にも適用できるの
で、汎用性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)は本発明による周波数検波回路の第1の構
成例を示すブロック図、第1図(B)は本発明による周
波数検波回路の第2の構成例を示すブロック図、第2図
は瞬時位相と第1の位相情報との関係を示した特性図で
ある。 11,12…A/D変換器、21…位相検出回路、31,32,33,34…
加算器、41,42,43,44…遅延回路、51,52,53…減算器、6
1,62…切替回路、71…D/A変換器。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】受信信号から得られる2つの互いに直交す
    る位相関係にあるベースバンド信号を夫々ディジタル数
    値に変換する第1,第2のA/D変換器と、 該第1,第2のA/D変換器の出力を入力し、これら2入力
    値がそれぞれ直交座標の横軸と縦軸に配置されるときに
    得られる2次元ベクトルの横軸を基準とした位相角値を
    与える第1の位相情報を出力する位相検出回路と、 前記第1の位相情報と定数値πとを入力し、2πを法と
    して加算し第2の位相情報を出力する第1の加算器と、 前記第1及び第2の位相情報をそれぞれ入力し、時間周
    期Tの間これを遅延保持して出力するそれぞれ第1及び
    第2の遅延回路と、 該第1,第2の遅延回路の入力と出力との差を算出する夫
    々第1,第2の減算器と、 該第1,第2の減算器の出力を被切替入力とし、かつ前記
    第1(又は第2)の位相情報を切替制御信号として、前
    記第1(又は第2)の位相情報の値がその最大値よりπ
    /2だけ小さい値と最小値よりπ/2だけ大きい値とに挟ま
    れる範囲内にあるときは前記第1(又は第2)の減算器
    の出力を選択し、前記の範囲外をあるときは前記第2
    (又は第1)の減算器の出力を選択してこれを出力する
    切替回路と、 前記切替回路の出力をアナログ値に変換し、周波数検波
    信号として出力するD/A変換器と、 を具備したことを特徴とする周波数検波回路。
  2. 【請求項2】受信信号から得られる2つの互いに直交す
    る位相関係にあるベースバンド信号を夫々ディジタル数
    値に変換する第1,第2のA/D変換器と、 該第1,第2のA/D変換器の出力を入力し、これら2入力
    値がそれぞれ直交座標の横軸と縦軸に配置されるときに
    得られる2次元ベクトルの横軸を基準とした位相角値を
    与える第1の位相情報を出力する位相検出回路と、 前記第1の位相情報と定数値πとを入力し、2πを法と
    して加算し第2の位相情報を出力する第1の加算器と、 前記第1及び第2の位相情報をそれぞれ入力し、時間周
    期Tの間これを遅延保持して出力するそれぞれ第1及び
    第2の遅延回路と、 該第1,第2の遅延回路の入力と出力との差を算出する夫
    々第1,第2の減算器と、 該第1,第2の減算器の出力を被切替入力としかつ前記第
    1(又は第2)の減算器の出力を切替制御信号として、
    前記第1(又は第2)の減算器の出力の絶対値がπラジ
    アン以上の値が現れたときにのみ前記第2(又は第1)
    の減算器を選択して出力する切替回路と、 前記切替回路の出力をアナログ値に変換し、周波数検波
    信号として出力するD/A変換器と、 を具備したことを特徴とする周波数検波回路。
  3. 【請求項3】受信信号から得られる2つの互いに直交す
    る位相関係にあるベースバンド信号をそれぞれディジタ
    ル数値に変換する第1,第2のA/D変換器と、 該第1,第2のA/D変換器出力を入力し、これら2入力値
    が夫々直交座標の横軸,縦軸に配置されるときに得られ
    る2次元ベクトルの横軸を基準とした位相角値を与える
    第1の位相情報を出力する位相検出回路と、 定数値0とπとを被切替入力とし、前記第1の位相情報
    を切替制御信号として前記第1の位相情報の値がその最
    大値よりπ/2だけ小さい値と最小値よりπ/2だけ大きい
    値とに挟まれる範囲内にあるときは定数値0を選択し、
    前記の範囲外にあるときは定数値πを選択してこれを出
    力する切替回路と、 該切替回路の出力を入力し、時間周期Tの間これを遅延
    保持して出力する第1の遅延回路と、 該第1の位相情報と前記切替回路の出力を入力し、2π
    を法として加算し第2の位相情報を得る第1の加算器
    と、 前記第1の遅延回路の入力と出力とを2πを法として加
    算する第2の加算器と、 前記第2の位相情報を入力し、時間周期Tの間これを遅
    延保持して出力する第2の遅延回路と、 該第2の遅延回路の出力と前記第2の加算器の出力とを
    2πを法として加算し、第3の位相情報を出力する第3
    の加算器と、 前記第2の位相情報と第3の位相情報とを入力し、これ
    らの差を算出する減算器と、 該記減算器の出力をアナログ値に変換し、周波数検波信
    号として出力するD/A変換器と を具備したことを特徴とする周波数検波回路。
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