JP3595478B2 - Frequency deviation detector and frequency deviation detection method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディジタル無線機などにおいて、受信したディジタル変調信号を復調するときに使用する再生搬送波信号の周波数を、送信側の搬送波周波数と一致させるために使用する搬送波周波数の偏差を検出する周波数偏差検出器および周波数偏差検出方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
情報の通信において、例えば、音声、映像、データなどの情報信号を伝送する場合、伝送したい情報信号で所要周波数の搬送波信号を変調し、変調された搬送波を送信し、送信されてきた変調搬送波を受信し、受信した変調搬送波信号の周波数と同一周波数の搬送波信号で変調搬送波信号を復調し、伝送されてきた情報信号を取り出していることは周知のことであり、アナログ通信、ディジタル通信いずれにおいても同様に行なわれている。
このような受信した変調搬送波信号の復調において、特に、ディジタル通信の場合は、受信した変調搬送波信号の搬送波周波数を忠実に再生して復調に使用する必要があるため、自動周波数制御(AFC:Automatic Frequncy Control)の技術が重要なものとなる。
この変調搬送波信号の復調において重要な自動周波数制御について、図3および図4を使用して従来技術を説明する。
図3は、送信信号として送信されてきた所要周波数の変調搬送波を受信した受信信号から、ベースバンド信号(等価低域信号)の成分を抽出する復調部の構成の一般的な例を示したブロック図である。
【0003】
図3において、31は、受信した所要周波数の変調搬送波信号の信号入力端子、47は、周波数偏差電圧で発振周波数を制御された再生搬送波信号を出力する電圧制御発振器(VCO)、32は、所要周波数の変調搬送波信号を再生搬送波信号により同期検波しベースバンド信号のI成分(同相成分)信号とQ成分(直交成分)信号とを出力する同期検波器、33および34は、同期検波器32で同期検波されたベースバンド信号のI成分信号とQ成分信号それぞれの雑音などを除去する低域通過フィルタ(LPF)、35および36は、雑音などを除去したベースバンド信号のI成分信号とQ成分信号それぞれをディジタル信号化するA/D変換器、37および38はディジタル信号化されたベースバンド信号のI成分信号とQ成分信号それぞれの不要成分除去と波形整形を行なう受信フィルタ、39および40は、不要成分除去と波形整形を行なったベースバンド信号のI成分信号とQ成分信号それぞれのシンボル識別点を抽出するサンプラ、41は、ベースバンド信号のI成分信号から抽出したシンボル識別点の出力端子、42は、ベースバンド信号のQ成分信号から抽出したシンボル識別点の出力端子、43は、抽出したI成分信号とQ成分信号の抽出したシンボル識別点から搬送波の周波数と電圧制御発振器47で再生する発振周波数との周波数偏差信号を検出する周波数偏差検出器、44は、周波数偏差検出器43で検出した周波数偏差信号に所要の係数を乗算する乗算器、45は、所要の係数を乗算した周波数偏差信号が持つ不要変動成分を除去するループフィルタ、46は、不要変動成分を除去した周波数偏差信号を積分し周波数偏差電圧とする積分器を示す。
【0004】
つぎに、図3に示す従来技術の復調部の動作を説明する。
受信した搬送波周波数fcの受信信号は、受信信号入力端子31を介して同期検波器32に入力される。
同期検波器32は、受信信号入力端子31を介して入力された搬送波周波数fcの受信信号を、別途、電圧制御発振器47から入力される再生搬送波周波数fc’の再生搬送波信号54を基準として、ベースバンドの複素信号のI成分(同相成分)信号とQ成分(直交成分)信号とを同期検波し、同期検波したI成分信号48aとQ成分信号49aとを、それぞれ低域通過フィルタ33と低域通過フィルタ34とへ出力する。
低域通過フィルタ33と低域通過フィルタ34とは、同期検波器32からそれぞれに入力されるベースバンドの複素信号のI成分信号48aとQ成分信号49aとから高調波成分、雑音等の不要成分を除去し、不要成分を除去したI成分信号48bとQ成分信号49bとを、それぞれA/D変換器35とA/D変換器36とへ出力する。
【0005】
A/D変換器35とA/D変換器36とは、低域通過フィルタ33と低域通過フィルタ34とからそれぞれに入力される不要成分を除去したベースバンドの複素信号のI成分信号48bとQ成分信号49bとを、ディジタル信号に変換し、ディジタル信号化されたI成分信号48cとQ成分信号49cとをそれぞれ受信フィルタ37と受信フィルタ38とへ出力する。
受信フィルタ37と受信フィルタ38とは、A/D変換器35とA/D変換器36とからそれぞれに入力されるディジタル信号化されたベースバンドの複素信号のI成分信号48cとQ成分信号49cとから不要成分を除去するとともに波形整形を行ない、不要成分除去と波形整形をされたディジタル信号のI成分信号48dとQ成分信号49dとを、それぞれサンプラ39とサンプラ40とへ出力する。
サンプラ39とサンプラ40とは、受信フィルタ37と受信フィルタ38とからそれぞれに入力される不要成分除去と波形整形をされたディジタル信号のベースバンドの複素信号のI成分信号48dとQ成分信号49dとからシンボル識別点を抽出し、抽出したI成分信号48eとQ成分信号49eとのシンボル識別点を、それぞれ周波数偏差検出器43へ出力するとともに、I成分信号出力端子41とQ成分信号出力端子42とを介して他の回路へ出力する。
【0006】
周波数偏差検出器43は、サンプラ39とサンプラ40とから入力されたベースバンドの複素信号のI成分信号48dとQ成分信号49dとのシンボル識別点から、受信信号の搬送波周波数fcと電圧制御発振器47で再生する搬送波信号の周波数fc’との周波数偏差Δfの信号を検出し、検出した周波数偏差Δfの信号50を乗算器44へ出力する。
乗算器44は、周波数偏差検出器43から入力された周波数偏差信号50に、別途、入力された係数b(負の定数)を乗算し、係数bを乗算した周波数偏差信号51をループフィルタ45へ出力する。
ループフィルタ45は、乗算器44から入力された係数bを乗算した周波数偏差信号51の受信信号となった段階で混入している雑音に起因する変動成分などを除去し、変動成分などを除去した係数bを乗算した周波数偏差信号52を積分器46へ出力する。
積分器46は、ループフィルタ45から入力された不要な変動成分などを除去し係数bを乗算した周波数偏差信号52を積分して周波数偏差電圧53とし、積分して得た周波数偏差電圧53を電圧制御発振器47へ出力する。
電圧制御発振器47は、積分器46から入力された周波数偏差電圧53により発振周波数をを制御され、周波数偏差電圧53により制御された再生搬送波周波数fc’の再生搬送波信号54を同期検波器32へ出力する。
【0007】
さらに、受信信号入力端子31に入力された搬送波周波数fcの受信信号が、QPSK変調(Quadrature Phase Shift Keying :直交位相変調)されている場合を例に、図4を使用して、受信した変調搬送波信号の周波数と電圧制御発振器で発振した再生搬送波信号との間に周波数偏差Δfが発生したときの影響について説明をする。
図4は、送信、あるいは、受信された信号の配置を示した図であり、55はI成分(同相成分)軸、56はQ成分(直交成分)軸を示している。
QPSK変調の場合、伝送される情報に対応して、符号57a〜57dで示す信号のいずれかが、シンボル送信周期Tsの間隔で送信される。
このようなQPSK変調信号の送信側の配置に対して、図3に示す変調部のI成分出力端子41およびQ成分出力端子42でI成分信号およびQ成分信号を観測したとき、理想的な伝送や復調が行なわれたとすると、周波数偏差Δfが0であれば、送信シンボルと同様の受信シンボルが現れ、正しい復号を行なうことが可能となる。
ところが、周波数偏差Δfが発生して、周波数偏差Δfがある程度の値を持つと、×印で示されるように周波数偏差Δfの値に応じて位相の回転が発生し、図4における判定境界であるI成分軸55、あるいは、Q成分軸56を越えてしまい復号誤りの原因となる。
【0008】
このような周波数偏差Δfの発生による復号誤りを防止するため、周波数偏差Δfを検出し、電圧制御発振器47の発振周波数fc’を制御する自動周波数制御回路が十分に機能する必要がある。
この自動周波数制御回路を構成する重要な要素の一つが周波数偏差検出器であり、様々な手段が提案されているが、その中で時刻の異なる複数の信号の位相差を求めて周波数偏差を得る手段は、比較的簡便で基本的な手段である。
以下に、その原理を説明する。
図5(a)は、シンボル間隔Ts(単位:秒)の伝送されてきた受信信号系列を示す。
この受信信号系列の中で、n番目のシンボルPn およびn+k番目のシンボルPn+k は既知の同一符号の信号が送信されているものと仮定する。
なお、この仮定は、二つの符号が異なる符号の場合でも、簡単な演算によって位相を回転することにより、一般性を失うことなく成立する。
このとき、受信信号に含まれる雑音成分が十分に小さく、伝搬路特性の時間変動が十分に緩やかであれば、図5(b)に示す2つの信号点Pn およびPn+k の位相差Δθ(ラジアン)は周波数偏差Δf(ヘルツ)に起因し、下記(1)式で表わすことができる関係にある。
Δθ=2π・Δf・kTs ・・・・・(1)
したがって、Δθを求めることによって、下記(2)式から周波数偏差Δfを求めることができる。
【数1】
【0009】
以上述べた原理にもとづく、従来技術による周波数偏差検出器のブロック図を図6に示す。
図6において、61は受信信号Pn+k の入力端子、62は受信信号Pn の入力端子、63は、受信信号Pn の共役演算を行なう共役演算器、64は、受信信号Pn の共役演算信号と受信信号Pn+k との複素積を演算する複素乗算器、65は、複素積信号について位相信号を演算する位相演算器、66は、位相信号と係数との乗算をする乗算器、67は周波数偏差信号の出力端子を示す。
【0010】
図6に示す従来技術による周波数偏差検出器の動作を説明する。
時刻nにおいて、受信信号Pn は受信信号入力端子62を介して共役演算器63に入力され、時刻n+kにおいて、受信信号Pn+k は受信信号入力端子61を介して複素乗算器64に入力される。
共役演算器63は、受信信号入力端子62を介して入力された受信信号Pn の共役演算を行ない、算出した共役演算信号を複素乗算器64へ出力する。
複素乗算器64は、共役演算器63から入力された共役演算信号と、受信信号入力端子61から入力された受信信号Pn+k とで複素積を演算し、算出した複素積信号を位相演算器65へ出力する。
位相演算器65は、複素乗算器64から入力された複素積信号について位相を演算し、算出した位相信号を乗算器66へ出力する。
この位相演算器65で算出した位相は、受信信号Pn+k と受信信号Pn との位相差Δθとなる位相差信号である。
乗算器66は、位相演算器65から入力された位相差Δθ(ラジアン)の位相差信号に、別途、入力された係数(2πkTs) ̄1を乗算して周波数偏差Δf(ヘルツ)の周波数偏差信号を算出し、算出した周波数偏差信号を周波数偏差信号出力端子67から他の回路へ出力する。
【0011】
ところで、図6に示す周波数偏差検出器では、二つの受信信号の間隔であるkは、検出可能な最大周波数偏差を制限するパラメータとなると同時に、雑音などによる位相差Δθへの誤差の影響を左右する。
この点について、以下に説明する。
周波数偏差検出器で演算される位相差Δθは、通常、−π≦Δθ<π(ラジアン)の範囲にあることから、図5(b)の符号71で示した軌跡の他にも、例えば符号72で示した軌跡のように一周以上回転した位相や、符号73で示した軌跡のように逆回転した位相も同様に演算され、これらを個別に識別することはできない。
これらの場合の正しい位相は、下記(3)式、(4)式で表すことができ、
ΔΘ=Δθ+2π ・・・・・(3)
ΔΘ=Δθ−2π ・・・・・(4)
一般的には、下記(5)式となる。
ΔΘ=Δθ+2qπ ・・・・・(5)
但し、qは任意の整数
【0012】
このような不確定要素を排除するためには、真の位相回転量が−π≦ΔΘ<π(ラジアン)を超えないことが条件となる。
このためには、周波数偏差Δfが、下記(6)式に示す範囲内にあることが必要であり、下記(6)式に示す値が検出可能な周波数偏差の最大値となる。
【数2】
換言すると、より大きな周波数偏差Δfを検出しようとする場合、2つのシンボルの間隔kを小さくする必要があるということになる。
一方、演算された位相差信号Δθには誤差が含まれており、2つのシンボルの間隔kを小さくすると誤差の影響を受け易くなる。
すなわち、位相差信号Δθは、位相差Δθの真の値を位相差Δθ’、誤差をεとすると、下記(7)式となる。
Δθ=Δθ’+ε ・・・・・(7)
したがって周波数偏差Δfの値は、周波数偏差Δfの真の値を周波数偏差Δf’とすると、下記(8)式となる。
【数3】
つまり、2シンボルの間隔kを大きくとれば、雑音などによる演算誤差を小さくすることができる。
上述したように、従来技術による周波数偏差検出器は、検出対象とする周波数偏差の最大値と、要求される測定精度とは二律背反の関係にあり、どちらを重視するかによって適切にkを設定する必要がある。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
ディジタル通信機の復調部に使用する周波数偏差検出器であって、異なる時刻に入力された複数の受信信号の位相差から周波数偏差を検出する従来技術の周波数偏差検出器は、2qπラジアン(q=−z〜+z、ただしzは自然数)回転した位相を持つ受信信号の位相差から周波数偏差を検出したことを識別することはできないため、周波数偏差を検出する受信信号の位相差の範囲が制限される。
周波数偏差の検出範囲を拡大するためには、位相差を求める複数の受信信号の時間間隔を小さくすれば良いが、位相差を求めるときに雑音等による誤差の影響を受けてしまうことになる。
より大きな周波数偏差を検出するための条件と、雑音等の影響を小さくするための条件とが原理的に相反するという関係にあり、広い周波数範囲で高い精度の周波数偏差の検出を実現することが困難であった。
本発明は、前記問題を解決し、広い周波数範囲で高い精度の周波数偏差の検出を実現した周波数偏差検出器および周波数偏差検出方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の周波数偏差検出器は、受信信号が入力される受信機の周波数偏差検出器であって、異なる時刻に受信された複数の受信信号を入力し、異なる複数の時間間隔の位相差信号をそれぞれ求める複数の位相差算出手段と、該位相差算出手段が算出した位相差信号の中で、最も長い時間間隔の位相差信号に、q=−z〜+zであってzが自然数からなる2qπラジアンをそれぞれ加算して得た周波数偏差候補を求める周波数偏差候補算出手段と、前記位相差算出手段が算出した位相差信号の中で、最も短い時間間隔の位相差信号から周波数偏差情報を求める周波数偏差情報算出手段とを備え、前記周波数偏差候補列の中から、前記周波数偏差情報に最も近い値の周波数偏差候補の周波数偏差値を、周波数偏差信号として出力するものである。
【0015】
また、本発明の周波数偏差検出器は、異なる時刻に受信された複数のディジタル受信信号の所定のシンボル信号間の位相差信号を求める第1の手段と、前記異なる時刻より時間間隔が長い異なる時刻に受信された複数のディジタル受信信号の所定のシンボル信号間の位相差信号を求める第2の手段と、該第2の手段から入力された位相差信号に、所定の係数を乗算して1つの周波数偏差信号の候補を求める第3の手段と、前記第2の手段から入力された位相差信号に、q=−z〜+zであってzが自然数からなる2qπラジアンの位相信号を加算し、さらに、所定の係数を乗算して複数の周波数偏差信号の候補を求める第4の手段と、前記第1の手段から入力された位相差信号に、所定の係数を乗算して周波数偏差信号を求める第5の手段と、前記第3および第4の手段から入力される複数の周波数偏差信号の候補の中から、前記第5の手段から入力される周波数偏差信号に最も周波数偏差が近い周波数偏差信号を選択し出力する比較選択手段とを有し、複数の周波数偏差信号の候補の中から最も周波数偏差が近い周波数偏差信号をより正確な周波数偏差信号として出力するものである。
さらに詳しくは、本発明の周波数偏差検出器は、第1の手段と第2の手段とが、時間間隔が異なる時刻に受信された二組のディジタル受信信号の所定のシンボル信号を同一の所定のシンボル信号に設定し、3つの所定のシンボル信号を使用して位相差信号を求めるものである。
また、本発明の周波数偏差検出器は、第1の手段と第2の手段とが、時間間隔が異なる時刻に受信された二組のディジタル受信信号の一つの組のフレーム内に挿入された2つの所定のシンボル信号と、つぎの組のフレーム内に挿入された1つの所定のシンボル信号とを使用して位相差信号を求めるものである。
【0016】
また、本発明の周波数偏差検出方法は、異なる時刻に受信された複数の受信信号を入力し、異なる複数の時間間隔の位相差信号をそれぞれ求め、最も長い時間間隔で求めた位相差信号に、q=−z〜+zであってzが自然数からなる2qπラジアンを加算した周波数偏差候補列を求め、最も短い時間間隔の位相差信号から周波数偏差情報を求め、前記周波数偏差候補列の中から、前記周波数偏差情報に最も近い値の周波数偏差候補の周波数偏差値を、周波数偏信号として出力する方法である。
また、本発明の周波数偏差検出方法は、異なる時刻に受信された複数のディジタル受信信号の時間間隔が異なる二組の所定のシンボル信号間の位相差信号を求め、時間間隔が長い一組から求めた位相差信号にq=−z〜+zであってzが自然数からなる2qπラジアンの位相信号を加算し、さらに、所定の係数を乗算して複数の周波数偏差信号の候補を求め、前記時間間隔が長い一組から求めた位相差信号に所定の係数を乗算して1つの周波数偏差信号の候補を求め、時間間隔が短い一組から求めた位相差信号に所定の係数を乗算して1つの周波数偏差信号を求め、前記時間間隔が長い一組から求めた1つのおよび複数の周波数偏差信号の候補の中から、前記時間間隔が短い一組から求めた周波数偏差信号に最も周波数偏差が近い周波数偏差信号を選択し、より正確な周波数偏差信号として出力する方法である。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明による周波数偏差検出器および周波数偏差検出方法の実施形態の一例を説明する。
図1は、本発明による周波数偏差検出器の一実施例を示すブロック図である。図1において、1は受信信号Pn の入力端子、2は受信信号Pn+m の入力端子、3は受信信号Pn+k の入力端子、7は、受信信号Pn の共役演算を行なう共役演算器、5は、受信信号Pn の共役演算信号と受信信号Pn+m との複素積を演算する複素乗算器、6は、受信信号Pn の共役演算を行なう共役演算器、4は、受信信号Pn の共役演算信号と受信信号Pn+k との複素積を演算する複素乗算器、9は、複素乗算器5から入力される複素積信号について位相信号を演算する位相演算器、12は、位相演算器9から入力される位相信号と、別途、入力される係数との乗算を行なう乗算器、8は、複素乗算器4から入力される複素積信号について位相信号を演算する位相演算器、10−h(h=1、2、・・・2s)は、位相演算器8から入力される位相信号に、別途、入力される位相信号の加算を行なう加算器、11−0は、位相演算器8から入力される位相信号と、別途、入力される係数との乗算を行なう乗算器、11−h(h=1、2、・・・2s)は、複数の加算器10−hから入力される位相信号に、別途、入力される係数との乗算を行なう複数の乗算器、13は、複数の入力端子に入力される位相差信号を比較選択し周波数偏差信号を出力する比較選択器、14は周波数偏差信号出力端子を示す。
【0018】
つぎに、本発明による周波数偏差検出器の動作を説明する。
受信信号入力端子1には時刻nの受信信号Pn が、受信信号入力端子2には時刻n+mの受信信号Pn+m が、受信信号入力端子3には時刻n+kの受信信号Pn+k が入力される。なお、m<kであり、さらに、いずれも同一のシンボルの信号が伝送されてくるものとする。
時刻nにおいて、受信信号Pn は、受信信号入力端子1を介して共役演算器7と共役演算器6とに入力される。
時刻n+mにおいて、受信信号Pn+m は、受信信号入力端子2を介して複素乗算器5に入力され、時刻n+kにおいて、受信信号Pn+k は、受信信号入力端子3を介して複素乗算器4に入力される。
【0019】
共役演算器7は、受信信号入力端子1を介して入力された受信信号Pn の共役演算を行ない、算出された共役演算信号7aを複素乗算器5へ出力する。
複素乗算器5は、共役演算器7から入力された共役演算信号7aと、受信信号入力端子2から入力された受信信号Pn+m とで複素積を演算し、算出した複素積信号5aを位相演算器9へ出力する。
位相演算器9は、複素乗算器5から入力された複素積信号5aについて位相を演算し、算出した位相信号9aを乗算器12へ出力する。
すなわち、位相演算器9から出力された位相信号9aは、受信信号Pn と受信信号Pn+m との位相差信号である。
【0020】
同様に、共役演算器6は、受信信号入力端子1を介して入力された受信信号Pn の共役演算を行ない、算出された共役演算信号6aを複素乗算器4へ出力する。
複素乗算器4は、共役演算器6から入力された共役演算信号6aと、受信信号入力端子3から入力された受信信号Pn+k とで複素積を演算し、算出した複素積信号4aを位相演算器8へ出力する。
位相演算器8は、複素乗算器4から入力された複素積信号4aについて位相を演算し、算出した位相信号8aを複数の乗算器11−hの中の一つの乗算器11−0と複数の加算器10−hの各加算器とへ出力する。
すなわち、位相演算器8から出力された位相信号8aは、受信信号Pn と受信信号Pn+k との位相差信号である。
【0021】
乗算器11−0は、位相演算器8から入力された位相信号8a(ラジアン)に、別途、入力される値(2πkTs) ̄1の係数信号を乗算し、値(2πkTs) ̄1の係数信号を乗算した位相信号11−0a(ラジアン)を、複数の入力端子を備えた比較選択器13のA(0)端子へ出力する。
この比較選択器13のA(0)端子に入力された位相信号11−0aは、位相演算器8から出力される位相信号が、受信信号Pn+k と受信信号Pn との真の位相差に等しい場合の周波数偏差の候補値である。
また、複数の加算器10−hの中の一つの加算器10−1は、位相演算器8から入力された位相信号8aに、別途、入力された値+2πの位相信号を加算し、値+2πを加算した位相信号10−1aを複数の乗算器11−hの中の一つの乗算器11−1へ出力する。
乗算器11−1は、加算器10−1から入力された値+2πを加算した位相信号10−1a(ラジアン)に、別途、入力された値(2πkTs) ̄1の係数信号を乗算し、値(2πkTs) ̄1の係数信号を乗算した位相信号11−1a(ラジアン)を比較選択器13のA(1)端子へ出力する。
この比較選択器13のA(1)端子に入力された位相信号11−1aは、位相演算器8から出力される位相信号に値+2πの位相信号を加えた位相信号が、受信信号Pn+k と受信信号Pn との真の位相差に等しい場合の周波数偏差の候補値である。
【0022】
以下、同様の演算を他の加算器10と他の乗算器11とで行なって比較選択器13の各端子に位相信号を入力していき、最後に、位相演算器8から出力された位相信号に加算器10−2s において値−2sπの位相信号を加算した後、乗算器11−2s において、値(2πkTs) ̄1の係数信号を乗算し、比較選択器13のA(2s)端子に入力される。
この比較選択器13のA(2s)端子に入力された位相信号11−2sa は、位相演算器8から出力された位相信号に値−2sπの位相信号を加えた位相信号が、受信信号Pn+k と受信信号Pn との真の位相差に等しい場合の周波数偏差の候補値である。
一方、乗算器12は、位相演算器9から入力された位相信号9a(ラジアン)に、別途、入力された値(2πmTs) ̄1の係数信号を乗算し、値(2πmTs) ̄1の係数信号を乗算した位相信号12a(ラジアン)を比較選択器13のB端子へ出力する。
比較選択器13は、(2s+1)個のA端子入力値の中から、最もB端子入力値に近い値の信号を選択し、選択した信号をC端子から出力する。
比較選択器13のC端子から出力された信号は、選択された周波数偏差信号として周波数偏差信号出力端子14から他の回路へ出力される。
なお、図1に示した実施例では、2qπラジアン(q=−z〜+z、ただしzは自然数)の位相信号を加算する時間間隔は1組で説明したが、複数でも良い。
【0023】
つぎに、図2を使用して、図1に示した周波数偏差検出器の実施例における具体的な動作を説明する。
図2(a)は、周波数偏差検出器に使用される信号のフレーム構成の一例で、シンボル速度は16kシンボル/sec、すなわち、Ts=62.5μsecとし、1フレームの長さを128シンボルとしている。
このようなフレーム構成の伝送フレーム内には、通常、同期確立を目的とした固定シンボル系列が挿入されており、この固定シンボル系列を既知シンボルとして使用する。
フレーム構成の最初の1フレームに示すPn 、Pn+8 、および、つぎの1フレーム内のPn+128 (最初の1フレームに示すPn から、1フレームの長さである128シンボルの位置にある)が、固定シンボル系列に相当する。
図2(b)は、Pn およびPn+128 から演算により得られる周波数偏差列を示しており、符号100は周波数偏差軸を表し、符号101−0はPn およびPn+128 2つの信号の位相差から直接算出される周波数偏差を表している(周波数偏差が0であれば周波数偏差軸100上の0Hzの位置となる)。
また、周波数偏差101−0の他にも、周波数偏差101−0の左右に、125Hz間隔で周波数偏差の候補値101−h(h=1、2、・・・16)が存在しており、これらの周波数偏差の候補値101−0、101−hが比較選択器13の各端子Aの入力信号となる。
【0024】
図2(c)は、1フレームの中の固定シンボル系列Pn およびPn+8 から演算により得られる周波数偏差を示しており、符号102は周波数偏差軸を表し、符号103はPn およびPn+8 の2つの信号の位相差から算出される周波数偏差を表している(周波数偏差が0であれば周波数偏差軸102上の0Hzの位置となる)。
この周波数偏差の値は、±1000Hzの中でただ一つ確定されるが、雑音等の影響による誤差を含んでいる。
この周波数偏差の値12aが比較選択器13の端子Bの入力信号となる。
比較選択器13は、各端子Aに入力された周波数偏差の値11aの中から端子Bに入力された周波数偏差103に最も近い周波数偏差101−8を選択し、端子cから出力し、周波数偏差信号出力端子14から他の回路へ出力される。
上述した例においては、精度を損なうことなく、最大周波数偏差の制限値が±62.5Hzから±1000Hzに緩和されたことになる。
【0025】
【発明の効果】
本発明によれば、広い周波数範囲で高い精度の周波数偏差の検出を実現した周波数偏差検出器および周波数偏差検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による周波数偏差検出器の一実施例を示すブロック図。
【図2】図1記載の実施例の具体的な動作の説明図。
【図3】ディジタル無線機の復調部の構成を示すブロック図。
【図4】周波数偏差の影響の説明図。
【図5】従来技術による周波数偏差検出の原理の説明図。
【図6】従来技術による周波数偏差検出器の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
1、2、3、31、61、62 受信信号入力端子、
4、5、64 複素乗算器、
6、7、63 共役演算器、
8、9、65 位相演算器、
10 加算器、
11、12、66、44 乗算器、
13 比較選択器、
14、67 周波数偏差信号出力端子、
32 同期検波器、
33、34 低域通過フィルタ、
35、36 A/D変換器、
37、38 受信フィルタ、
39、40 サンプラ、
41 同相成分出力端子、
42 直交成分出力端子、
43 周波数偏差検出器、
45 ループフィルタ、
46 積分器、
47 電圧制御発振器。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a frequency deviation for detecting a deviation of a carrier frequency used for matching a frequency of a reproduced carrier signal used for demodulating a received digital modulation signal with a carrier frequency of a transmission side in a digital radio or the like. The present invention relates to a detector and a frequency deviation detection method.
[0002]
[Prior art]
In the communication of information, for example, when transmitting an information signal such as audio, video, data, etc., modulate a carrier signal of a required frequency with the information signal to be transmitted, transmit the modulated carrier, and transmit the transmitted modulated carrier. It is well known that receiving and demodulating a modulated carrier signal with a carrier signal having the same frequency as the frequency of the received modulated carrier signal and extracting the transmitted information signal are common in analog communication and digital communication. The same is done.
In the demodulation of the received modulated carrier signal, especially in the case of digital communication, the carrier frequency of the received modulated carrier signal must be faithfully reproduced and used for demodulation, so that automatic frequency control (AFC: Automatic) is performed. Frequency Control technology becomes important.
The prior art will be described with reference to FIGS. 3 and 4 regarding automatic frequency control which is important in demodulation of the modulated carrier signal.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a general example of a configuration of a demodulation unit that extracts a component of a baseband signal (equivalent low-frequency signal) from a reception signal that has received a modulated carrier having a required frequency transmitted as a transmission signal. FIG.
[0003]
In FIG. 3,
[0004]
Next, the operation of the conventional demodulation unit shown in FIG. 3 will be described.
The received reception signal of the carrier frequency fc is input to the
The
The low-
[0005]
The A /
The
The
[0006]
The
The
The
The
The voltage-controlled
[0007]
Further, FIG. 4 shows an example in which the received signal of carrier frequency fc input to received
FIG. 4 is a diagram showing an arrangement of transmitted or received signals, wherein 55 denotes an I component (in-phase component) axis and 56 denotes a Q component (quadrature component) axis.
In the case of QPSK modulation, one of the signals indicated by
For such an arrangement on the transmitting side of the QPSK modulated signal, ideal transmission is observed when the I component signal and the Q component signal are observed at the I
However, when the frequency deviation Δf occurs and the frequency deviation Δf has a certain value, a rotation of the phase occurs according to the value of the frequency deviation Δf as shown by the mark x, which is the determination boundary in FIG. It exceeds the I-
[0008]
In order to prevent a decoding error due to the occurrence of such a frequency deviation Δf, an automatic frequency control circuit that detects the frequency deviation Δf and controls the oscillation frequency fc ′ of the voltage controlled
One of the important elements constituting this automatic frequency control circuit is a frequency deviation detector, and various means have been proposed. Among them, a frequency deviation is obtained by obtaining a phase difference between a plurality of signals at different times. The means are relatively simple and basic means.
The principle will be described below.
FIG. 5A shows a received signal sequence transmitted at a symbol interval Ts (unit: second).
In this received signal sequence, the n-th symbol P n And the (n + k) th symbol P n + k Assume that a signal of a known same code is being transmitted.
Note that this assumption holds even if the two codes are different without losing generality by rotating the phase by a simple operation.
At this time, if the noise component included in the received signal is sufficiently small and the time variation of the propagation path characteristic is sufficiently moderate, the two signal points P shown in FIG. n And P n + k (Θ) (radian) is caused by the frequency deviation Δf (Hertz) and has a relationship that can be expressed by the following equation (1).
Δθ = 2π · Δf · kTs (1)
Accordingly, by determining Δθ, the frequency deviation Δf can be determined from the following equation (2).
(Equation 1)
[0009]
FIG. 6 shows a block diagram of a frequency deviation detector according to the prior art based on the principle described above.
In FIG. 6,
[0010]
The operation of the conventional frequency deviation detector shown in FIG. 6 will be described.
At time n, the received signal P n Is input to the
The
The
The
The phase calculated by the
The
[0011]
By the way, in the frequency deviation detector shown in FIG. 6, k, which is the interval between two received signals, is a parameter that limits the maximum detectable frequency deviation, and at the same time, influences the influence of an error on the phase difference Δθ due to noise or the like. I do.
This will be described below.
Since the phase difference Δθ calculated by the frequency deviation detector is usually in the range of −π ≦ Δθ <π (radian), for example, in addition to the locus denoted by
The correct phase in these cases can be expressed by the following equations (3) and (4).
ΔΘ = Δθ + 2π (3)
ΔΘ = Δθ-2π (4)
Generally, the following equation (5) is obtained.
ΔΘ = Δθ + 2qπ (5)
Where q is any integer
[0012]
In order to eliminate such uncertainties, it is required that the true phase rotation amount does not exceed −π ≦ ΔΘ <π (radian).
For this purpose, the frequency deviation Δf needs to be within the range shown by the following equation (6), and the value shown by the following equation (6) is the maximum detectable frequency deviation.
(Equation 2)
In other words, when trying to detect a larger frequency deviation Δf, it is necessary to reduce the interval k between two symbols.
On the other hand, the calculated phase difference signal Δθ includes an error. If the interval k between two symbols is reduced, the error is easily affected.
That is, the phase difference signal Δθ is given by the following equation (7), where the true value of the phase difference Δθ is the phase difference Δθ ′ and the error is ε.
Δθ = Δθ '+ ε (7)
Therefore, the value of the frequency deviation Δf is given by the following equation (8), where the true value of the frequency deviation Δf is the frequency deviation Δf ′.
(Equation 3)
That is, if the interval k between two symbols is increased, the calculation error due to noise or the like can be reduced.
As described above, in the frequency deviation detector according to the related art, the maximum value of the frequency deviation to be detected and the required measurement accuracy are in a trade-off relationship, and k is appropriately set depending on which is more important. There is a need.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
A frequency deviation detector used in a demodulation unit of a digital communication device, which detects a frequency deviation from a phase difference between a plurality of received signals input at different times, is a 2qπ radian (q = -Z to + z, where z is a natural number) Since it is not possible to identify that the frequency deviation has been detected from the phase difference of the received signal having a rotated phase, the range of the phase difference of the received signal for detecting the frequency deviation is limited. You.
In order to expand the detection range of the frequency deviation, the time interval between a plurality of received signals for obtaining the phase difference may be reduced, but the error due to noise or the like is affected when obtaining the phase difference.
The condition for detecting a larger frequency deviation and the condition for reducing the influence of noise etc. are in principle in conflict, and it is possible to realize highly accurate frequency deviation detection in a wide frequency range. It was difficult.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a frequency deviation detector and a frequency deviation detection method that solve the above problem and realize highly accurate frequency deviation detection in a wide frequency range.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the object, the frequency deviation detector of the present invention is a frequency deviation detector of a receiver to which a received signal is input, and receives a plurality of received signals received at different times, and receives a plurality of different signals. A plurality of phase difference calculation means for respectively obtaining phase difference signals at time intervals, and among the phase difference signals calculated by the phase difference calculation means, a phase difference signal at the longest time interval; Frequency deviation candidates obtained by adding 2qπ radians where q = −z to + z and z is a natural number Frequency deviation candidate calculating means for obtaining the frequency deviation information, and frequency deviation information calculating means for obtaining frequency deviation information from the phase difference signal of the shortest time interval among the phase difference signals calculated by the phase difference calculating means, A frequency deviation value of a frequency deviation candidate closest to the frequency deviation information is output as a frequency deviation signal from the candidate sequence.
[0015]
Further, the frequency deviation detector of the present invention comprises a first means for obtaining a phase difference signal between predetermined symbol signals of a plurality of digital reception signals received at different times, and a different time having a longer time interval than the different time. A second means for obtaining a phase difference signal between predetermined symbol signals of a plurality of digital reception signals received by the second means, and multiplying the phase difference signal input from the second means by a predetermined coefficient to obtain one A third means for obtaining a candidate for a frequency deviation signal; and a phase difference signal input from the second means, 2qπ radian where q = −z to + z and z is a natural number And fourth means for obtaining a plurality of frequency deviation signal candidates by multiplying the phase difference signal by a predetermined coefficient, and multiplying the phase difference signal input from the first means by a predetermined coefficient. And a frequency deviation signal input from the fifth means among the plurality of frequency deviation signal candidates input from the third and fourth means. Comparing and selecting means for selecting and outputting a frequency deviation signal having a similar frequency deviation, and outputting a frequency deviation signal having the closest frequency deviation from among a plurality of frequency deviation signal candidates as a more accurate frequency deviation signal. is there.
More specifically, the frequency deviation detector according to the present invention is characterized in that the first means and the second means use two sets of digital reception signals received at different time intervals. Setting a predetermined symbol signal to the same predetermined symbol signal, A phase difference signal is obtained by using three predetermined symbol signals.
Further, in the frequency deviation detector of the present invention, the first means and the second means are used in a case where two sets of digital received signals received at different time intervals are inserted into one set of frames. A phase difference signal is obtained using one predetermined symbol signal and one predetermined symbol signal inserted in the next set of frames.
[0016]
Further, the frequency deviation detection method of the present invention, a plurality of received signals received at different times is input, to determine a phase difference signal of a plurality of different time intervals, respectively, to the phase difference signal obtained at the longest time interval, 2qπ radian where q = −z to + z and z is a natural number Is obtained, and frequency deviation information is obtained from the phase difference signal of the shortest time interval. From among the frequency deviation candidate sequences, the frequency deviation value of the frequency deviation candidate closest to the frequency deviation information is obtained. Is output as a frequency polarization signal.
Further, the frequency deviation detection method of the present invention obtains a phase difference signal between two sets of predetermined symbol signals having different time intervals between a plurality of digital reception signals received at different times, and obtains a phase difference signal from a set having a long time interval. Phase difference signal 2qπ radian where q = −z to + z and z is a natural number Are further multiplied by a predetermined coefficient to obtain a plurality of frequency deviation signal candidates, and the phase difference signal obtained from the set having a long time interval is multiplied by a predetermined coefficient to obtain one frequency A candidate for a deviation signal is obtained, a phase difference signal obtained from a pair having a short time interval is multiplied by a predetermined coefficient to obtain one frequency deviation signal, and one and a plurality of frequency deviation signals obtained from the pair having a long time interval are obtained. In this method, a frequency deviation signal having the closest frequency deviation to the frequency deviation signal obtained from the pair having the short time interval is selected from the candidates of the frequency deviation signal, and is output as a more accurate frequency deviation signal.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An example of an embodiment of a frequency deviation detector and a frequency deviation detection method according to the present invention will be described.
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of a frequency deviation detector according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a received signal P n Input terminal 2 is a received signal P n + m Input terminal 3 is a received signal P n + k Input terminal 7 is a reception signal P n Conjugate operation unit that performs the conjugate operation of the received signal P n And the received signal P n + m A complex multiplier for calculating a complex product of the received signal P n Conjugate operation unit for performing the conjugate operation of the received signal P n And the received signal P n + k A complex multiplier 9 for calculating a complex product of the complex multiplier signal input from the
[0018]
Next, the operation of the frequency deviation detector according to the present invention will be described.
The received signal P at time n is input to the received
At time n, the received signal P n Is input to the conjugate calculator 7 and the conjugate calculator 6 via the reception
At time n + m, the received signal P n + m Is input to the
[0019]
The conjugate calculator 7 receives the received signal P input through the received
The
The phase calculator 9 calculates the phase of the
That is, the
[0020]
Similarly, the conjugate operator 6 receives the received signal P input through the received
The
The
That is, the
[0021]
The
Further, a plurality of
The
[0022]
Hereinafter, the same operation is performed by the
The
On the other hand, the
The
The signal output from the C terminal of the
In the embodiment shown in FIG. 1, the time interval for adding the phase signals of 2qπ radians (q = −z to + z, where z is a natural number) is described as one set, but may be plural.
[0023]
Next, a specific operation in the embodiment of the frequency deviation detector shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
FIG. 2A shows an example of a frame configuration of a signal used in the frequency deviation detector. The symbol rate is 16 k symbols / sec, that is, Ts = 62.5 μsec, and the length of one frame is 128 symbols. .
Usually, a fixed symbol sequence for the purpose of establishing synchronization is inserted into a transmission frame having such a frame configuration, and this fixed symbol sequence is used as a known symbol.
P shown in the first frame of the frame configuration n , P n + 8 , And P in the next frame n + 128 (P shown in the first frame n At a position of 128 symbols, which is one frame length), corresponds to a fixed symbol sequence.
FIG. n And P n + 128 , A frequency deviation sequence obtained by calculation from, and
In addition, the frequency deviation 101 −0 Besides, the frequency deviation 101 −0 Candidate values 101 of frequency deviation at 125 Hz intervals -H (H = 1, 2,..., 16), and candidate values 101 of these frequency deviations −0 , 101 -H Is the input signal of each terminal A of the
[0024]
FIG. 2C shows a fixed symbol sequence P in one frame. n And P n + 8 , The frequency deviation obtained by the calculation from the
The value of this frequency deviation is determined only within ± 1000 Hz, but includes an error due to the influence of noise or the like.
The
The
In the example described above, the limit value of the maximum frequency deviation was relaxed from ± 62.5 Hz to ± 1000 Hz without losing accuracy.
[0025]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a frequency deviation detector and a frequency deviation detection method that realize highly accurate detection of a frequency deviation in a wide frequency range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a frequency deviation detector according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a specific operation of the embodiment shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a demodulation unit of the digital wireless device.
FIG. 4 is an explanatory diagram of an influence of a frequency deviation.
FIG. 5 is an explanatory diagram of the principle of frequency deviation detection according to the related art.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a conventional frequency deviation detector.
[Explanation of symbols]
1, 2, 3, 31, 61, 62 reception signal input terminals,
4, 5, 64 complex multipliers,
6, 7, 63 conjugate arithmetic unit,
8, 9, 65 phase calculator,
10 adder,
11, 12, 66, 44 multipliers,
13 comparison selector,
14, 67 frequency deviation signal output terminal,
32 synchronous detector,
33, 34 low-pass filters,
35, 36 A / D converter,
37, 38 receive filter,
39, 40 samplers,
41 common mode component output terminal,
42 orthogonal component output terminal,
43 frequency deviation detector,
45 loop filter,
46 integrator,
47 Voltage controlled oscillator.
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