JP3540393B2 - コスタスループ - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明はコスタスループおよびデータ識別装置に関し、特にたとえば、BPSK変調信号を復調するコスタスループおよび復調信号に所定データが含まれるか否かを識別するデータ識別装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
BPSK変調信号を復調するためのコスタスループの一例が、「スペクトラム拡散通信方式」(R.C.Dixon 著、立野敏他訳、ジャテック出版)のp.166〜p.168に記載されている。このコスタスループ1を図14を参照して説明すると、BPSK変調信号は、乗算器2aでVCO(Voltage Controlled Oscillator)3からの発振周波数信号と乗算されるとともに、乗算器2bで、90°移相回路4によって移相された発振周波数信号と乗算される。乗算器2aおよび2bからの出力は、その後低域通過フィルタ(LPF)5aおよび5bで高周波成分を除去され、LPF5aからの出力がBPSK復調信号として出力されるとともに、LPF5aおよび5bの出力が乗算器2cで乗算される。そして、乗算器2cからの出力がループフィルタ6を経てVCO3に与えられ、これによってVCO3の発振周波数が制御される。
【0003】
BPSK変調信号は±A cos(ωt)で表され、VCO3の出力は cos(ωt+Δ)と表される。なおΔは移相誤差である。これによって、乗算器2aの出力は±A( cosΔ+ cos(2ωt+Δ))/2となり、これをLPF5aに通すと、高周波成分が除去され、±A cosΔ/2が残る。この成分は、Δ→0となることによって±A/2となり、復調データとなる。一方、LPF5bの出力は、上述と同様に考えて± sinΔ/2となる。LPF5aおよび5bの出力を乗算器2cで乗算すると、乗算結果は sin(2Δ)/4となる。したがって、Δが小さいときは sin(2Δ)/4≒Δ/2と近似され、VCO3をΔ→0となるように制御することができる。なお、ループフィルタ6には制御系の定数が設定される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このようなコスタスループ1はアナログ回路で構成されることが多いため、集積回路化することが困難であった。また、アナログ回路であるため、煩雑な回路調整が必要となるとともに、回路が温度変化の影響を受け易いという問題点もあった。
【0005】
それゆえに、この発明の主たる目的は、容易に集積回路化することができるコスタスループを提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、変調信号をディジタル化するディジタル化手段、制御信号によって発振周波数が制御されかつ第1発振周波数信号および前記第1発振周波数信号に対して所定の位相差を有する第2発振周波数信号を出力する発振周波数信号出力手段、前記第1発振周波数信号によって制御され、前記ディジタル化された変調信号をラッチする第1取り出し手段、前記第2発振周波数信号によって制御され、前記ディジタル化された変調信号をラッチする第2取り出し手段、前記第1取り出し手段および前記第2取り出し手段の出力に基づいて前記ディジタル化された変調信号の位相と前記第2発振周波数信号の位相とを比較する位相比較手段、および前記位相比較手段による比較結果をフィルタリングするフィルタ手段を備え、前記フィルタ手段の出力を前記制御信号とするコスタスループであって、前記位相比較手段は、前記ディジタル化された変調信号のエッジを検出するエッジ検出手段、前記エッジ検出手段の出力と前記第1もしくは第2発振周波数信号との時間間隔をカウントするカウンタを含むことを特徴とする。
【0007】
【作用】
本発明では、たとえばRDS(Radio Data System) 信号のBPSK変調信号が、たとえばコンパレータによってたとえば2値化され、2値化されたBPSK変調信号が、たとえばVCOからの発振周波数信号によって第1取り出し手段としての第1ラッチ回路でラッチされるとともに、たとえば90°移相器で移相された発振周波数信号によって第2取り出し手段としての第2ラッチ回路でラッチされる。このうち、第1ラッチ回路からの出力が復調信号(RDS信号)となる。一方、たとえば位相比較器では、BPSK変調信号とVCOから出力された発振周波数信号との位相差およびBPSK変調信号と90°移相された発振周波数信号との位相差のいずれかが、第1および第2ラッチ回路出力のたとえばEXOR回路による演算結果に基づいて選択され、これが比較結果として出力される。
【0008】
たとえばループフィルタでは、この比較結果のたとえば所定値による割算値がループフィルタに含まれるたとえばディジタル積分器で順次積分されるとともに、この積分結果と位相比較器からの比較結果とが加算され、加算結果がループフィルタ出力となる。VCOでは、このループフィルタ出力に従って第1定数および第2定数のいずれかが選択され、たとえばモジュロ加算器で、選択された第1定数または第2定数を法として第3定数がモジュロ加算される。さらに、モジュロ加算による桁上げがたとえば桁上げ検出器で検出され、桁上げ検出器の出力がVCOの発振周波数信号となる。
【0009】
【発明の効果】
本発明によれば、それぞれの回路をディジタル回路とすることができるので、コスタスループを集積回路化することができる。
【0010】
この発明の上述の目的,その他の目的,特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【0011】
【実施例】
図1を参照して、この実施例のコスタスループ10は、コンパレータ12を含む。このコンパレータ12によってRDS信号のBPSK変調信号が基準電圧と比較されることによって、BPSK変調信号が2値化される。2値化されたBPSK変調信号は、D−FF回路14aおよび14bに与えられる。D−FF回路14aに与えられたBPSK変調信号は、VCO16から出力された発振周波数信号によってラッチされ、D−FF回路14bに与えられたBPSK変調信号は、VCO16から出力されかつ90°移相器18で移相された発振周波数信号によってラッチされる。D−FF回路14aからの出力信号は、復調信号(RDS信号)として出力されるとともに位相比較器20に与えられ、D−FF回路14bからの出力は、位相比較器20に与えられる。位相比較器20にはまた、VCO16から出力された発振周波数信号,90°移相器18から出力された発振周波数信号および2値化されたBPSK変調信号が与えられる。これらの信号に基づいて位相比較器20から位相比較結果が出力され、これがループフィルタ22を経てVCO16に与えられ、これによってVCO16の発振周波数が制御される。
【0012】
なお、この実施例では、VCO16から第1発振周波数信号を取り出し、90°移相器18から第2発振周波数信号を取り出すようにした。しかしながら、1つのVCOからの発振周波数信号をたとえば分周器に与え、この分周器から第1発振周波数信号および第2発振周波数信号を取り出すようにしてもよい。
位相比較器20の構成を図2に示す。位相比較器20は、図5(C)に示す高速パルスによってインクリメントされかつ図5(B)に示す90°移相器18からの発振周波数信号によってリセットされるカウンタ24aを含み、このカウンタ24aのカウント値がD−FF回路26aに与えられる。D−FF回路26aにはまた、図5(A)に示すBPSK変調信号のエッジのうち90°移相器18から発振周波数信号が入力された直後のエッジのみを選択するエッジ選択器28からの選択信号が与えられ、これによってカウント値がラッチされる。したがって、ラッチされたカウント値は発振周波数信号とその発振周波数信号直後のBPSK変調信号のエッジとの間の高速パルス数(この場合は「2」)となる。なお、発振周波数信号の入力直後のエッジのみを選択することとしたのは、BPSK変調信号の周波数は発振周波数の2倍であり、カウント値のラッチに用いることができないエッジが存在するからである。D−FF回路26aでラッチされたカウント値は加算器29で定数0.5と加算され、加算結果が選択回路30に与えられる。なお、加算器28で定数0.5を加算するのは、BPSK変調信号のエッジと高速パルスとは同期しておらず、エッジは平均的に高速パルスと高速パルスとの真中に存在すると考えられるからである。
【0013】
位相比較器20はまた、図6(C)に示す高速パルスによってインクリメントされかつ図6(A)に示すBPSK変調信号によってリセットされるカウンタ24bを含み、このカウンタ24bのカウント値が、D−FF回路26bで図6(B)に示す90°移相器18からの発振周波数信号によってラッチされる。したがって、ラッチされたカウント値は、BPSK変調信号のエッジと当該エッジ直後の90°移相器18からの発振周波数信号との間の高速パルス数(この場合は「3」)となる。そして、減算器32で、ラッチされたカウント値から0.5が減算され、減算された値の符号が符号反転回路34で反転され、反転された値が選択回路30に与えられる。なお、減算器32で0.5を減算するのは上述と同じ理由による。また、符号を反転させるのは、上述の図5(A)〜(C)の場合と比べて位相制御を逆にする必要があるからである。
【0014】
一方、EXOR回路36にはラッチ回路14aおよび14bからの出力信号が与えられ、排他的論理和をとられる。したがって、図7(A)および(C)からわかるように発振周波数信号の位相がBPSK変調信号よりも進んでいるときは、EXOR回路36からは「0」が出力され、図7(A)および(D)からわかるように発振周波数の位相がBPSK変調信号よりも遅れているときは、EXOR回路36からは「1」が出力される。そしてEXOR回路36の出力が、D−FF回路26cでVCO16からの発振周波数信号によってラッチされる。D−FF回路26cの出力はその後選択回路30に与えられ、これによって加算器28および符号反転器34から選択回路30に与えられた信号のいずれかが選択される。すなわち、D−FF回路38からの出力が「0」であれば加算器28からの出力信号が出力され、D−FF回路38からの出力が「1」であれば符号反転器34からの出力信号が出力される。選択回路30からの出力信号はその後、VCO16からの発振周波数信号によってラッチされるD−FF回路26dを経て位相比較結果として出力される。
【0015】
ループフィルタ22の構成を図3に示す。入力された位相比較結果は加算器38aおよび割算器40に与えられる。割算器40では位相比較結果が1/R2され、割算器40からの出力が加算器38bに与えられる。加算器38bにはまた、VCO16からの発振周波数信号によって加算器38bからの加算結果をラッチするD−FF回路42の出力が与えられ、これによって割算器40の出力が積分される。D−FF回路42からの出力はその後加算器38aで位相比較結果と加算され、加算器38aから加算結果の符号のみが出力される。
【0016】このループフィルタ22をアナログループフィルタより類推して説明する。アナログループフィルタの伝達関数を
【0017】
【数1】
とする。ループフィルタ22はディジタルフィルタであるため、数1を双1次変換すると、伝達関数は数2で表される。
【0018】
【数2】
なお、Tはサンプリング周期である。ここで、分子の1+Z-1は、或るサンプリング時刻の値とその次のサンプリング時刻の値の足し算を意味するが、その値の差は少ないと考え、1+Z-1≒2とする。その結果、数2は数3で表される。
【0019】
【数3】
ここで、R2/R1=1およびT/R1C=1/R2となるように定数を決めると、1/(1−Z-1)は入力を順次積分するディジタル積分となるので、ループフィルタ22では入力と入力をR2で割ったもののディジタル積分の出力とが加算される。
【0020】
VCO16の構成を図4に示す。選択回路44には定数19019および18981が与えられ、ループフィルタ22からの出力によってこの定数のいずれか一方が選択される。すなわち、ループフィルタから出力される符号が+であれば定数19019が選択され、符号が−であれば定数18981が選択される。一方、定数250は加算器46に与えられ、ここでD−FF回路48からの出力と定数250とが加算される。選択回路44による選択結果および加算回路46による加算結果は演算器50に与えられ、演算器50で両者が比較される。そして、選択結果>加算結果であれば端子Aから加算結果がそのまま出力されるとともに端子Bからローレベル信号が出力され、選択結果≦加算結果であれば、端子Aから加算結果−選択結果が出力されるとともに端子Bからハイレベル信号が出力される。なお、D−FF回路48は高速パルスによって演算器50からの出力をラッチする。
【0021】
VCO16の動作原理を説明する。定数NをモジュロN/fで順次加算することとすると、桁上げが起きる周波数はfとなる。したがって、モジュロ(N/f+Δ)およびモジュロ(N/f−Δ)を用意し、入力に従ってどちらかを選択するようにすると、1/(1/f+Δ/N)≒f−Δ/Nおよび1/(1/f−Δ/N)≒f+Δ/Nの2種類の周波数を得ることができる。位相を進ませたい場合はf+Δ/Nを選択し、遅らせたい場合はf−Δ/Nを選択すればよい。
【0022】
VCO16の動作を、データ転送速度を1bps、キャリア周波数を24Hz、高速パルスを1824Hzとして説明する。高速パルスの周波数は1824Hzなので、選択回路44で定数19019が選択されたときは、発振周波数は1824×250/19019≒23.976Hzとなり、選択回路で定数18981が選択されたときは、発振周波数は1824×250/18981≒24.024Hzとなる。したがって、位相を進ませるときは定数18981を選択し、位相を遅らせるときは19019を選択すればよい。なお、90°移相器18は遅延回路で構成され、1/(24×4)秒の遅延で24Hzに対する90°移相となる。
【0023】
このように、VCO16の発振周波数を制御することによって、図8(A)に示す2値化BPSK変調信号のエッジと図8(B)に示す発振周波数信号の90°移相成分との位相タイミングが合えば、VCO16からの発振周波数信号の位相タイミングはBPSK変調信号のキャリアの半波の中央と一致する。したがって、図8(A)に示すBPSK変調信号をD−FF回路14aに与え、VCO16からの発振周波数信号でラッチすれば、図8(C)に示すように正しいデータが復調される。
【0024】
この実施例によれば、コスタスループ10をディジタル回路によって構成することができるため、コスタスループ10を集積回路化することができ、煩雑な回路調整が不要となるとともに温度変化の影響を抑えることができる。さらに、従来のアナログによるコスタスループのようにLPFを設ける必要がないため、部品点数を少なくすることができる。
【0025】
なお、この実施例では、図3に示す割算器40の値を1/R2として説明したが、この割算値が1/2M (Mは整数)であれば、図9に示すように割算器40の出力をMSBよりmビットずらして入力すればよい。また、図3において加算器38bの出力の絶対値が大きくなりすぎると、オーバフローする可能性が出てくる。したがって、オーバフローをなくすためには、図10に示すように加算器38bの出力の絶対値がオーバフローしたことを検出するオーバフロー検出回路52およびゲート54を設け、オーバフロー検出回路52でオーバフローが検出されたときは、発振周波数信号がゲート54を通過しないようにすればよい。
【0026】
さらにまた、位相比較器20の構成を簡略化するために、位相比較器20を図11に示すようにEXOR回路36,D−FF回路26cおよびD−FF回路26cの出力「0」を+1に変換し、「1」を−1に変換する変換回路56によって構成し、EXOR回路36に上述と同様にラッチ回路14aおよび14bからの出力を与え、変換回路56の出力に基づいてVCO16を制御するようにしてもよい。すなわち、D−FF回路26cの出力が「0」であれば、発振周波数信号の位相が進んでいるとして、変換回路56の出力「+1」に基づいて位相を遅らせ、D−FF回路26cの出力が「−1」であれば、発振周波数信号の位相が遅れているとして、変換回路56の出力「−1」に基づいて位相を進ませればよい。
【0027】
ARI信号はRDS信号の3倍の振幅をもち、RDS信号とは直交の関係にある。したがって、両信号は数4で表される。
【0028】
【数4】
ここで±A cos(ωt)がRDS信号であり、3A sin(ωt)がARI信号である。このような式で表される信号を図16に示す従来のコスタスループ1に与えると、VCO3の出力は sin(ωt)(または− sin(ωt))となり、乗算器2bの出力がデータとなる。したがって、ARI信号がないときは乗算器2aの出力からデータをとり、ARI信号があるときは乗算器2bの出力からデータをとる必要があり、そのためにARI信号の有無の判定が必要となる。そして、ARI信号の有無の判定にあたっては、従来は乗算器2aの出力レベルによって判定していた。すなわち、ARI信号がないときは乗算器2aの出力は±Aであり、ARI信号がないときは乗算器2aの出力は±3Aであるため、このレベルによってARI信号の有無を判定していた。
【0029】
しかし、図1に示す実施例のコスタスループ10では、BPSK変調信号をコンパレータ12によって2値化するため、D−FF回路14aの出力レベルが一定になってしまい、レベルによってARI信号の有無を判定することはできなかった。図12に示すデータ識別装置60は、このような問題点を解決するためのものである。
【0030】
図1に示すコスタスループ10から出力された図13(A)に示す復調信号は、クロック再生回路62に与えられ、これによってクロック再生回路62から復調信号に同期した図13(B)に示すようなクロックが再生される。クロック再生回路62から再生されたクロックはパルス発生回路64に与えられ、パルス発生回路64からはクロックが4回与えられる毎に図13(C)に示すパルスが出力される。クロック再生回路62からのクロックとパルス発生回路64からのパルスとは、カウンタ66aおよび66bに与えられ、カウンタ66aおよび66bは、クロックによってインクリメントされるとともに、パルスによってリセットされる。また、復調信号はカウントイネーブル信号としてカウンタ66aおよび66bに与えられる。そして、カウンタ66aでは復調信号が「1」であるときカウントがイネーブルされ、カウンタ66bでは復調信号が「0」であるときカウントがイネーブルされる。
【0031】
カウンタ66aおよび66bから出力されたカウント値は、D−FF回路68aおよび68bでパルス発生回路64からのパルスによってラッチされる。したがって、D−FF回路68aおよび68bでそれぞれラッチされたカウント値は、パルスとパルスとの間における「1」および「0」の数となる。D−FF回路68aおよび68bでラッチされたカウント値はそれぞれ判定器70aおよび70bに与えられ、判定器70aおよび70bで「1」および「0」の数が所定値以上であるかどうか判定される。そして、所定値以上であればハイレベルの信号が出力され、OR回路72に与えられる。したがって、「1」および「0」のいずれか一方の数が所定値より大きければ、OR回路72からハイレベル信号が出力され、「1」および「0」の数のいずれもが所定値よりも小さければOR回路72からはローレベル信号が出力される。
【0032】
このように、復調信号に含まれる「1」および「0」の数に応じてデータを識別することとしたのは、復調信号にARI信号が含まれていなければ復調信号の「0」と「1」の数は同じであるが、復調信号にARI信号が含まれるときは、その部分の復調信号は「0」か「1」だけとなるからである。ただし、実際にはデータの誤りがあるため、復調信号に含まれる「1」または「0」の数が所定値以上であればARI信号が含まれていると判定する。
【0033】
図14を参照して、他のデータ識別装置60は、シフトレジスタ74を含む。このシフトレジスタ74はクロック再生回路62から再生されたクロックに従ってデータを取り込むとともに取り込んだデータをシフトさせる。論理回路76は、シフトレジスタ内の「0」および「1」の数に応じてハイレベルまたはローレベルの信号を出力する。すなわち、図15に示すようにシフトレジスタ74内のデータに応じた信号、つまりデータが「1」のときハイレベルとなりデータが「0」のときローレベルとなる信号が、AND回路78およびNAND回路80に与えられ、AND回路78およびNAND回路80の出力信号がOR回路82を経て出力される。したがって、シフトレジスタ74内の数字が全て「1」であるかまたは全て「0」であるとき論理回路76からハイレベル信号が出力され、1つでも異なる数字が含まれていれば論理回路76からローレベル信号が出力される。
【0034】
これらの構成によれば、ディジタル回路だけでARI信号の有無が判定できるので、ディジタル方式のコスタスループに適用でき、またデータ識別装置を集積回路化することができる。なお、この実施例では、RDS信号およびARI信号を用いて説明したが、この発明はこの場合に限らず、信号に含まれる「1」および「0」の数によって識別されるあらゆる信号に適用できることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図2】図1実施例の一部を示すブロック図である。
【図3】図1実施例の他の一部を示すブロック図である。
【図4】図1実施例のその他の一部を示すブロック図である。
【図5】図1実施例の動作の一部を示すタイミング図である。
【図6】図1実施例の動作の一部を示すタイミング図である。
【図7】(A)はBPSK変調信号を示す波形図であり、(B)〜(D)は発振周波数信号を示す波形図である。
【図8】(A)はBPSK変調信号を示す波形図であり、(B)は発振周波数信号を示す波形図であり、(C)は復調信号を示す波形図である。
【図9】本発明の他の実施例の一部を示すブロック図である。
【図10】本発明のその他の実施例の一部を示すブロック図である。
【図11】本発明のさらにその他の実施例の一部を示すブロック図である。
【図12】図1実施例に適用可能なデータ識別装置を示すブロック図である。
【図13】(A)はBPSK変調信号を示す波形図であり、(B)は再生クロックを示す波形図であり、(C)はパルスを示す波形図である。
【図14】図1実施例に適用可能な他のデータ識別装置を示すブロック図である。
【図15】図12実施例の一部を示すブロック図である。
【図16】従来技術を示すブロック図である。
【符号の説明】
10 …コスタスループ
12 …コンパレータ
14a,14b,26a〜26d,42,48,68a,68b …D−FF回路
16 …VCO
18 …90°移相器
20 …位相比較器
22 …ループフィルタ
60 …データ識別装置
62 …クロック再生回路
64 …パルス発生回路
66a,66b …カウンタ
Claims (6)
- 変調信号をディジタル化するディジタル化手段、制御信号によって発振周波数が制御されかつ第1発振周波数信号および前記第1発振周波数信号に対して所定の位相差を有する第2発振周波数信号を出力する発振周波数信号出力手段、前記第1発振周波数信号によって制御され、前記ディジタル化された変調信号をラッチする第1取り出し手段、前記第2発振周波数信号によって制御され、前記ディジタル化された変調信号をラッチする第2取り出し手段、前記第1取り出し手段および前記第2取り出し手段の出力に基づいて前記ディジタル化された変調信号の位相と前記第2発振周波数信号の位相とを比較する位相比較手段、および前記位相比較手段による比較結果をフィルタリングするフィルタ手段を備え、前記フィルタ手段の出力を前記制御信号とするコスタスループであって、
前記位相比較手段は、前記ディジタル化された変調信号のエッジを検出するエッジ検出手段、前記エッジ検出手段の出力と前記第1もしくは第2発振周波数信号との時間間隔をカウントするカウンタを含むことを特徴とするコスタスループ。 - 前記位相比較手段は、前記第1取り出し手段および前記第2取り出し手段の出力の排他的論理和をとる演算手段を含む、請求項1記載のコスタスループ。
- 前記フィルタ手段は、前記発振周波数信号に応じて前記比較結果に相関する信号を順次積分する積分手段、および前記位相比較結果と前記積分手段による積分結果とを加算する第1加算手段を含む、請求項1または2に記載のコスタスループ。
- 前記積分手段は、前記比較結果および前記積分結果を加算する第2加算手段、前記第2加算手段による加算結果を前記発振周波数信号でラッチするラッチ手段 を含み、前記ラッチ手段の出力を前記積分結果とする、請求項3記載のコスタスループ。
- 前記積分手段は、前記比較結果および前記積分結果を加算する第2加算手段、前記第2加算手段による加算結果の絶対値がオーバフローしたことを検出するオーバフロー検出手段、前記オーバフロー検出手段の検出結果に応じて前記発振周波数信号にゲートをかけるゲート手段、および前記加算結果を前記ゲート手段の出力に従ってラッチするラッチ手段を含み、前記ラッチ手段の出力を前記積分結果とする、請求項4記載のコスタスループ。
- 前記発振手段は、第1定数を発生する第1定数発生手段、第2定数を発生する第2定数発生手段、前記制御信号に従って前記第1定数および前記第2定数のいずれか一方を選択する選択手段、第3定数を発生する第3定数発生手段、前記選択手段の出力を法として前記第3定数を順次モジュロ加算するモジュロ加算手段、および前記モジュロ加算手段の桁上げを検出する桁上げ検出手段を含み、前記桁上げ検出手段の出力を前記発振周波数信号とする、請求項1ないし5のいずれかに記載のコスタスループ。
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