JP3949545B2 - 復調方法及び復調装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、復調方法及び復調装置に関し、複数シンボルの同期ワードを含むデジタル信号の復調を行う復調方法及び復調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば移動通信や固定通信といったデジタル無線通信では、送信装置から送信するバースト状の信号フレーム中に当該信号フレームの同期を確保するための同期ワードシンボル（ＵＶ）を含めることが行われており、受信装置では送信装置から受信した信号フレーム中の同期ワードシンボル位置を検出することにより当該信号フレームに含まれるデータ等の位置を特定することが行われている。また、搬送波再生処理や周波数偏差検出処理においてもこの同期ワードから情報を抜き出して処理が行われるのが一般的である。
【０００３】
図１は、多値ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式である１６ＱＡＭの無線フレームフォーマットの一例を示す。同図中、各フレームは、４シンボルのランプ（Ｒ１〜４）と、１０シンボルの同期ワードシンボル（ＳＷ１〜１０）と、３００シンボルの情報シンボル（ｉ１〜３００）、４シンボルのランプ（Ｒ１〜４）とにより構成されている。
【０００４】
受信装置において受信した信号フレーム中から同期ワードシンボルの位置を検出する検出回路では、一般的かつ確実性の高い同期ワードシンボル検出方法として、複素相関演算により受信信号（受信系列）と同期用の同期ワードシンボルとの複素相関を演算して、その演算結果から相関値を算出し、相関値ピークを検出することが行われている。
【０００５】
具体的には、受信系列中の各信号フレームには同期ワードシンボルと情報シンボルが含まれており、相関値ピーク検出においては、複素相関演算部により算出された相関値が設定された閾値より大きくなったタイミングを同期ワードシンボル位置とみなしている。
【０００６】
この同期ワードシンボルとしては一般に相関特性の優れた系列（例えば疑似雑音符号の一種であるＭ系列符号）が用いられているため、信号フレーム中の同期ワードシンボルで得られる相関値の方が、信号フレーム中のデータ部分と同期ワードシンボルとの間で得られる相関値より明らかに大きくなり、同期ワードシンボルの検出が確実に行われる。
【０００７】
この同期タイミングは、例えば通信に定常的な通信路が用いられた場合には、実際の同期ワードシンボルのタイミングと一致するが、低品質な通信環境で通信が行われる場合には、同期ワードシンボル以外のタイミングで上記した相関値が大きくなってしまい、誤同期する場合もある。また、このような場合であっても、同期保護技術等を用いることにより、検出したタイミング実際の同期タイミングを推定することもできる。
【０００８】
以上のように、このような相関型検出方法は、複素相関を用いることにより同期ワードシンボルタイミングを精度よく検出することができるものの、複素相関の演算処理を行うための複素相関演算に係わるハードウェア回路の規模が非常に大型化してしまう、または演算量が膨大になるという問題がある。
【０００９】
図２は、従来の１６ＱＡＭ復調装置の一例のブロック図を示す。同図中、Ａ／Ｄ１０はアナログデジタル変換器である。１６ＱＡＭ復調器においては、ＱＰＳＫ復調器に比較して、あらゆる面で精度が要求されるが、サンプリング周波数についてもシンボルレートの１６倍程度でサンプリングする必要がある。なお、ここではＡ／Ｄ１０はＩＦ周波数をそのままサンプリングしている。
直交検波部１２は、Ａ／Ｄ１０でＩＦサンプリングされたデジタル信号をベースバンド信号に変換する。ここでは、コサイン値を乗算していくことによりＩ成分ベースバンド信号を得、また、サイン値を乗算していくことによりＱ成分ベースバンド信号を得る。なお、直交検波部１２以降の信号が複素数表現（Ｉ＋ｊＱ：ｊは虚数単位）となる部分は、図中、太線で表わす。
【００１０】
フィルタ部１４は位相直線フィルタである。フィルタ部１４の機能としては、次の二つがある。一つ目は、直交検波部１２で直交検波した際に生じる高調波成分の除去である。二つ目は、ルートロールオフフィルタとしての機能である。１６ＱＡＭのような線形変調方式においては、送受信機間においてロールオフフィルタを構成して、それによりシンボル間干渉が発生しないようにしており、フィルタ部１４は、その受信側のフィルタとして機能する。
【００１１】
また、１６ＱＡＭにおいては、周波数有効利用の観点からロールオフファクタαの値が０．２等の比較的小さな係数が採られることが多い。このαの値が小さくなるにつれてシンボル同期に対する要求が厳しくなる。これは、わずかな同期ずれがシンボル間干渉を生み、ロールオフファクタαの値が小さい程その影響が大きいからである。
【００１２】
同期検出部１６は、図１に示すフレームにおいて同期ワードシンボル部分の相関演算及び電力プロファイル演算を行うことにより、フレーム同期を獲得する。両端の同期ワードはその前後の情報シンボルによってベクトルの向きが不安定になる可能性があるので、同期ワードシンボル１０個のうち中央の８個のみを使用する。
【００１３】
シンボル点抜き出し部１８は同期検出部１６から同期タイミング（あるいはサンプル番号）を受け取ると、そのタイミングから１６個間隔でサンプルを抜き出す。これが受信シンボルとして扱われる。
【００１４】
位相回転操作部２０では、シンボル点抜き出し部１８から入力した各シンボル点について回転操作を加える。これは、受信シンボルは伝搬路の影響を受けているため、搬送波ベクトルも回転していることに加えて、送受信の基準周波数偏差により各受信シンボルにおいてそれぞれ固有の位相回転が生じているためである。位相回転操作部２０に回転情報を提供しているのが、搬送波再生部２２及び周波数偏差検出部２４である。
【００１５】
搬送波再生部２２は、同期検出部１６から出力される正規化ベクトル８個を平均化し、その正規化平均ベクトルを搬送波ベクトルとして位相回転操作部２０に提供する。周波数偏差検出部２４は、同期検出部１６から出力される正規化ベクトルについて、それぞれ隣り合った正規化ベクトル間で、その位相差成分を算出し、位相回転操作部２０に提供する。ビット変換部２６はシンボル情報をそのマッピングに従ってビット情報に変換する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の通信システムでは、受信装置により受信した信号フレームの同期を確保するに際して、前述した同期ワードシンボル検出方式を用いた場合には同期ワードシンボル検出を精度よく行えるものの、複素相関の演算処理を行うための回路構成が大規模となってしまう等といった問題があり、一方、回路構成を簡易にした場合には同期精度が不十分であるといった問題があった。
【００１７】
以下具体的に課題について説明する。従来の相関方式ではその信号処理において演算量が膨大になってしまう。図３は、同期検出部１６の一例のブロック図を示す。ここでは、処理の単位を１シンボル区間として扱う。つまり、１シンボル区間で一連の同期検出処理を行い、各シンボル区間で同様の処理を繰り返し、同期条件を満たすサンプル位置を検索する。
【００１８】
図３において、逆変調処理部３０においては、受信信号をシンボル間隔（１６倍オーバーサンプル間隔）で８個取り出し、対応する同期ワード（ＳＷ２〜９）を用いて逆変調処理を行う。逆変調処理で行う演算は、実際には二つのベクトルの乗算である。この演算を１６倍オーバーサンプルの受信信号に対して行う必要があるため、ベクトルの乗算の回数は８×１６＝１２８回となる。また当然、逆変調処理部３０の結果出力される正規化ベクトルは１２８個となる。
【００１９】
次に、平均化処理部３２においては、逆変調処理部３０によって算出された１２８個の正規化ベクトルについて、各サンプル位置ごとにその平均ベクトルを算出する。これは実際には各サンプル位置について、同期ワードベクトル８個（ＳＷ２〜９）のベクトルを全て加算し、これを１６回繰り返す必要がある。
【００２０】
電力プロファイル算出処理部３４は、１６個のベクトルについてそれぞれ複素電力を算出する。複素電力の算出は、Ｉ^２＋Ｑ^２の演算を行う。これを１６回繰り返す必要がある。
【００２１】
最大値検出処理部３６は、電力プロファイル算出処理部３４で算出された１６個の電力プロファイル値の中から１個の最大値を見つけ出す。最後に、同期判定処理部３８は、最大値検出処理部３６で検出された電力プロファイルが同期条件を満たしているかどうかを判定する。
【００２２】
このように考えると、１６倍オーバーサンプリングで処理をしている以上、最後の同期判定処理部３８以外の処理は、全て１６回同様の処理を繰り返す必要がある。また、逆変調処理部３０及び平均化処理部３２においては、同期ワード数分だけ処理を行う必要があり、それぞれ１２８回もの演算を行う必要がある。
【００２３】
同期検出を高分解能で行うためには上記のように１６倍オーバーサンプルでの膨大な演算が必要となるが、限られた時間の中で処理を行うためには、処理速度の大きなデジタル信号処理デバイスが必要になるという問題があった。
【００２４】
また、２番目の課題として位相回転操作部２０における演算精度とその誤差について説明する。図１に示すフレームに関して、図２の搬送波再生部２２において搬送波再生情報（搬送波再生ベクトル）を得る。また、周波数偏差検出部２４において周波数偏差情報（シンボル間位相差ベクトル）を得る。位相回転操作部２０においては、これらの情報（ベクトル）を用いて各情報シンボル（ｉ１〜３００）についてそれぞれ位相回転量を算出するわけであるが、演算は次の処理を行う。
【００２５】

ここで、ｎ＝１〜３００とする。また、当然、次の関係がある。
【００２６】
（０番目のシンボルにおける搬送波再生ベクトル）＝（搬送波再生部で算出された搬送波再生ベクトル）
今、ｎ番目のシンボルにおける位相回転量は、１番目からｎ−１番目までの位相回転量の累積と言えるが、もしも、シンボル間位相差ベクトルについて丸め誤差が含まれていた場合、ｎが大きくなるに従ってその誤差は無視できないものとなる。
【００２７】
位相回転を演算で行う場合、通常、コサインテーブル及びサインテーブルを用意し、現在の位相回転量がそのテーブルのどの位置にあるかを求め、テーブルからコサイン値、サイン値を取り出して、ベクトルの乗算を行い、位相回転演算を行うのが通常の手法である。１６ビット程度の固定小数点精度でコサイン値、サイン値を表わすと、どんなにテーブルの大きさを大きくしても丸め誤差が付きまとうことになる。
【００２８】
実際、テーブルの大きさを２５５に設定した場合、テーブルの一部を書き出してみると、以下のようになる。なお、０ｘは２進表示を表しており、サインテーブルの“０ｘ００００”より左側は負の値、右側は正の値である。
【００２９】
サイン値＝{…0xFF69,0xFF9B,0xFFCE,0x0000,0x0032,0x0065,0x0097,…}
コサイン値＝{…0x3FFF,0x4000,0x4000,0x4000,0x4000,0x4000,0x3FFF,…}
上記において、コサイン値に至っては、これ以上テーブルの大きさを大きくしてもテーブル内に同じ値が並ぶ結果となり、無意味なことが分かる。また、サイン値についてもわずかな差異しか存在しないため、位相回転演算の過程で１６ビット×１６ビットの乗算をして、その積の３２ビットデータを１６ビットまで丸めた時点で、コサイン値の差異は無意味なものと化してしまう。
【００３０】
ここで、テーブルの大きさが２５５のときを最大テーブルと仮定する。このとき、このテーブルによる位相分解能は約０．１７６°程度である。このことから、誤差の最大値はこの分解能の半分と考えることができるので、次のようになる。
【００３１】

１６ＱＡＭのマッピングにおいて、隣のシンボルとの位相差の最小値は１３．２５°程度である。これを考えると、累積された位相誤差は無視できるものではないという問題があった。
【００３２】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、同期ワードシンボルを含んだ信号フレームから、簡易な処理で精度良く同期ワードシンボルの検出を行うことができる復調方法及び復調装置を提供することを目的とする。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
請求項１，３に記載の発明は、同期獲得前に所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータの一部を用いて相関演算、電力プロファイル算出を行って大まかな同期検出を行い、
同期獲得後に前記所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータのうち前記大まかな同期検出位置及びその前後のサンプルデータを用いて相関演算、電力プロファイル算出を行って正確な同期検出を行うことにより、
演算量を低減でき、処理速度が比較的遅いプロセッサを用いて精度良く同期ワードシンボルの検出を行うことができる。
【００３４】
請求項２，４に記載の発明は、同一タイミングの搬送波再生情報について、実際の検出値と周波数偏差情報を基に演算した演算値との位相角の差分を求め、前記位相角の差分から前記周波数偏差情報の位相誤差を推定して補正することにより、
演算の丸め誤差による位相誤差を無視できる範囲にまで減少して精度良く同期ワードシンボルの検出を行うことができる。
【００３５】
請求項５に記載の発明では、第２同期検出手段は、前記大まかな同期検出位置及びその前後のサンプルデータそれぞれの電力プロファイルを比較して、最大電力プロファイル位置に同期位置を更新することにより、
送信側と受信側とでシンボルクロックの偏差がある場合にも、これに追従することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明の演算量を削減するための原理説明図を示す。同図中、受信信号はスイッチ４０で切り換えられて同期検出部４２または同期検出部４４に供給される。同期検出部４２は低いオーバーサンプリングで同期検出を行う。また、同期検出部４４は高いオーバーサンプリングの分解能で同期検出を行うが、実際に処理するのは多数のサンプル点のうち３サンプル点のみ同期検出を行う。同期検出部４４は、同期検出部４２から提供されたおおまかな同期検出位置をもとに同期位置を微調整し、正確な同期位置を導き出す。この二つの同期検出部４２，４４を必要に応じて使い分けることにより、最大処理量でも従来の技術における処理量の半分の処理量で同期検出を行うことが可能となり、分解能においても従来の技術と同様の高次の分解能で処理することが可能となる。
【００３７】
図５は、切り換え制御に関する状態遷移図を示す。通常、復調を開始した直後は、フレーム同期の取れていない、いわゆる非同期状態である。このときは、分解能は低くてもいいので、早急に同期獲得を行う必要がある。よって、本状態遷移図においては、状態の初期状態は同期検出部４２の選択状態である。またこのとき、同期検出フラグ＝０とする。
【００３８】
その後、同期獲得後、同期検出フラグ＝１（同期状態）になると、今度は復調を行うため高分解能で同期検出を行う必要があるので、状態を同期検出部４４の選択状態に遷移させる。この状態では、既に大体の同期位置が分かっているので、限定されたサンプル位置で同期検出処理を行う。またその後、複数回に渡って同期検出を行うことができず、同期検出フラグ＝０（非同期状態）となった場合、再度、同期位置を検出し直すために、同期検出部４２の選択状態に遷移する。
【００３９】
図６に、同期検出部４２及び同期検出部４４による同期検出の様子を示す。図６（Ａ）は同期検出部４２による同期検出の様子を示す。白丸印と黒丸印を付した箇所、つまり、サンプル番号の０，２，…，１４の偶数番目でのみ同期検出処理を行っており、黒丸印の箇所における電力プロファイルレベルが最大で同期位置として検出されたサンプル番号である。
【００４０】
ここで、黒丸印の箇所（サンプル番号＝６）は８倍オーバーサンプリングにおける処理では電力プロファイルの最大位置であるが、真の最大値ではない。真の電力プロファイル最大値は、１６倍オーバーサンプリングの範囲で考えると、サンプル番号５のところである。
【００４１】
実際に復調を行う際には、サンプル番号５のところで復調を行う必要があるので、この時点で図６（Ｂ）に示すように、同期検出処理を同期検出部４２から同期検出部４４に変更する。ただし、この時点では、同期検出位置はまだサンプル番号６であるので、サンプル番号５，６，７について、その電力プロファイルの大きさを比較する。その結果、電力プロファイルはサンプル番号５の方がサンプル番号６より大きいことが判明すると、図６（Ｃ）に示すように、同期位置を更新する。これにより、高いオーバーサンプル精度を確保して検出精度を保ち、かつ演算量を低減した多値ＱＡＭ復調が可能となる。
【００４２】
図７は、本発明の丸め誤差を低減するため原理説明図を示す。同図中、ｎ−１番目のフレームにおいて、同期ワードシンボル（ＳＷ）により搬送波再生ベクトル及びシンボル間位相差ベクトルを得たとする。このとき、搬送波再生ベクトルの位相角＝φ１、シンボル間位相差ベクトルの位相角＝θとする。
【００４３】
すると、情報シンボルにおいては、受信したシンボルに対して、そのシンボル番号（ここではシンボル番号＝１〜３００）位置で固有の位相回転が与えられる。例えば、３００番目のシンボルについては、そのシンボルに対する位相回転角は、φ１＋θ×３００（ｍｏｄ ３６０°）となる。
【００４４】
同様にして考えると、次のｎ番目のフレームにおける同期ワードシンボルの最終シンボル（ＳＷ１０）位置においては、フレーム間のガードタイムが１２シンボルのとき、情報シンボル数をｉ、ランプシンボル数をＲ、ガードタイムをＧ、同期ワードシンボル数をＳＷとすると、

ここで、ｎ番目のフレームにおいて、同様に、搬送波再生ベクトルの位相角＝φ２、シンボル間位相差ベクトルの位相角＝θを得たとすると、検出値（φ２）と演算値（φ１＋θ×３３０（ｍｏｄ ３６０°））の位相差が丸め誤差によるものであると考えて良い。この丸め誤差による位相差に対応する位相補正値を位相回転処理の適当なタイミングで定量的に与えることで、位相誤差の蓄積をなくすことが可能となる。
【００４５】
図８に、位相回転処理の様子を示す。同図中、直線１はシンボル間位相差＝θのテーブルで位相回転処理した結果を表し、直線２は真の位相回転量を表す。この場合、シンボル番号１〜Ｓの区間の区間はシンボル間位相差＝θのテーブルで位相回転処理を行い直線３とする。このままでは位相回転量が小さいため、シンボル番号Ｓ〜Ｔの区間の区間はシンボル間位相差＝θ＋０．１７６°のテーブルで位相回転処理を行い直線４とする。
【００４６】
これにより、位相回転量が大きくなりすぎたため、シンボル番号Ｔ〜Ｕの区間はシンボル間位相差＝θのテーブルで位相回転処理を行い直線５とする。この結果、位相回転量が小さくなりすぎたため、シンボル番号Ｕ〜３００の区間はシンボル間位相差＝θ＋０．１７６°のテーブルで位相回転処理を行い直線６とする。このように、シンボル間位相差がθとθ＋０．１７６°のテーブルを交互に用いることで真の位相回転量を近似する。
【００４７】
図９は、本発明の復調装置の一実施例のブロック図を示す。同図中、常に高速動作を要求されるＡ／Ｄ１０と、ＬＳＩ５０内部に構成される直交検波部１２とフィルタ部１４は、機能的には従来の技術と同じなので、ここでの説明は省略する。また、所望のビットレートに変換して外部に出力する出力制御部５２についてもＬＳＩ５０内部に構成される。
【００４８】
ＤＳＰ６０内部に構成されるのは、メモリ６２、割込操作部６４、主制御部６６、切替操作部６８、スイッチ４０、同期ワード格納部７２、同期検出部４２、位相回転操作部７４、同期検出部４４、シンボル抜出部７６、周波数偏差検出部７８、搬送波再生部８０、位相回転操作部８２、位相回転補正部８４、ビット変換部８６であり、これらによって同期検出アルゴリズム及び復調アルゴリズムを構成する。
【００４９】
メモリ６２は、ＬＳＩ５０から転送されてきた受信信号を３２サンプル格納する。３２サンプルの内訳は、Ｉ側ベースバンド信号１６サンプル及びＱ側ベースバンド信号１６サンプルである。Ａ／Ｄ１０のサンプリングが１６倍であることを考えると、１シンボル長のサンプル信号を格納するブロックである。本ブロックは、３２サンプル格納後、割込操作部６４に格納通知を行う。
【００５０】
割込操作部６４は、メモリ６２から格納通知を受け取ると、ＤＳＰ６０の主制御部６６に対して割り込みをかける。いわゆるＤＭＡ割り込みである。主制御部６６は、割込操作部６４から割り込みを受け取ると、そのタイミングに従って、同期検出処理、シンボル抜出処理等を開始する。
【００５１】
本実施例では、１シンボル間隔で繰り返し処理を行う。例えば同期検出処理についても１シンボル区間内において繰り返し処理を行う。ただし、一定の判定条件を設けることにより、この１シンボル間隔の処理においてもフレーム同期を獲得することが可能となる。これは、１フレーム分のサンプル信号をＤＳＰ６０内部に格納して、その中からフレーム同期位置を見つける処理に比較してメモリ６２の有効利用をはかることができる。
【００５２】
切替操作部６８及びスイッチ４０は、主制御部６６からの制御により主信号（受信信号）の行き先を操作する。同期検出がなされていない非同期状態においては行き先を同期検出部４２に向ける。また、同期検出後は、図１に示すフレームにおいて、同期ワードシンボル区間は同期検出部４４に行き先を切り換え、情報シンボル区間はシンボル抜出部７６に行き先を切り換える。それ以外の区間は、受信信号をどこにも出力しないように制御する。
【００５３】
同期検出部４２は、同期ワードシンボル部分の相関演算及び電力プロファイル演算を行い、前述の通り８倍オーバーサンプリングのデータ位置のみ同期検出を行う。なお、本実施例のように１シンボル間隔で同期検出処理を行う場合、図１０（Ａ）に示すように、１４サンプル目に電力プロファイルレベルの最大値を持つことも考えられる。このようなケースを想定して、初期の同期獲得を目的とする同期検出部４２は、同期検出と判定して良いレベルの電力プロファイルが認められた場合、次の１シンボル区間にその最大電力プロファイルよりも大きい電力プロファイルがあるかどうか検索する。
【００５４】
そして、図１０（Ｂ）に示すような場合、次の１シンボル区間により大きな電力プロファイルが認められないので、先の１４サンプル目が同期検出位置として判定される。一方、図１０（Ｃ）に示すような場合、次の１シンボル区間により大きな電力プロファイルが認められるので、先の１４サンプル目は同期検出位置として判定されない。
【００５５】
同期検出部４４は、同期ワードシンボル部分の相関演算及び電力プロファイル演算を行い、前述の通り１６倍オーバーサンプリングのデータ位置のうち３点のみ同期検出を行う。同期検出部４４は、同期検出部４２から受け取ったおおまかな同期サンプル位置をもとにそれを微調整する機能を持つ。微調整アルゴリズムは、同期検出位置のサンプル点とその前後のタイミングのサンプル点における電力プロファイルを比較して、その一番大きな電力プロファイルのサンプル位置に同期位置を更新していく。
【００５６】
これにより、送受信間のシンボルレートが基準クロックの偏差により多少ずれている場合でも、その偏差に追従する機能を有する。また、ノイズの影響で、本来の電力プロファイルより大きくあるいは小さく検出する場合が考えられるが、そのようなノイズによって同期位置を誤更新することがないように、ＲＷＦ（ランダムウォークフィルタ）を用いて、間違いのない更新をするような機能を有する。
【００５７】
なお、同期検出部４４は、周波数偏差検出部７８及び搬送波再生部８０に対して受信信号を同期ワードシンボルで逆変調した正規化ベクトル（８個）を出力する。この情報をもとに、周波数偏差検出部７８は周波数偏差情報を生成し、搬送波再生部８０は搬送波再生情報を生成する。
【００５８】
また、同期検出部４２及び同期検出部４４に共通して言えることであるが、相関をとり、電力プロファイルの最大値とった場合でも、実際には誤同期する可能性もある。これは、偶然、受信信号のベクトル方向のみが同期ワードのベクトルと等しく、かつ振幅が同期ワードのように均一でない場合である。
【００５９】
このような条件が揃った場合、それが情報シンボルであれば次のフレームでは別のパターンの受信シンボルが受信されるであろうから、そこで非同期状態に戻すことが可能である。しかし、誤同期した箇所が何らかの固定パターン区間であった場合、同期はそのまま維持されることになる。
【００６０】
このような状態を避ける一つの手法として、同期判定時に、電力プロファイルが最大値を取ったその受信シンボルに対して、８個（８個とは、同期ワード８個と相関を取るシンボル数）の受信信号に対してその複素電力が同一レベルであるか否かを検出し、全ての複素電力が同一レベルであった場合のみ、同期検出と判定する。
【００６１】
また、同期判定を行う際は、電力プロファイルの最大値について、その値が閾値を超えているか否かで判定を行うが、通常はレジスタ等に設定した固定値が使用される。ただし、受信入力レベルはその時々で異なることがほとんどであるため、この固定値による判定だけでは問題が多い。
【００６２】
また、送受信間のキャリアに周波数偏差があると、先に述べた正規化ベクトル８個が全て同一方向を向かない。このようなベクトルの平均ベクトルを用いて生成された電力プロファイルは、周波数偏差のないときよりも当然、小さくなる。言い方を変えると、周波数偏差がない場合、次式が成立する。
【００６３】
（正規化ベクトルの平均値から生成する複素電力（＝電力プロファイル））＝（それぞれの正規化ベクトルから生成する複素電力の平均値）
しかし、周波数偏差がある場合、次式が成立する。
【００６４】
（正規化ベクトルの平均値から生成する複素電力（＝電力プロファイル））＜（それぞれの正規化ベクトルから生成する複素電力の平均値）
このように考えると、周波数偏差がある場合、固定値の閾値だけでは、本来同期検出すべきときに検出できないことが考えられる。ここで、可変の閾値を次式で設定する。
【００６５】
Ｂ×（それぞれの正規化ベクトルから生成する複素電力の平均値）
ただし、係数Ｂはシステムの周波数偏差許容量に応じて設定され、０＜Ｂ＜１とする。この場合、固定の閾値よりも電力プロファイルが小さくても、本当の同期検出位置であれば、この可変の閾値によって同期検出を行うことが可能である。
【００６６】
なお、上記のように周波数偏差がある場合でも、できるだけ電力プロファイルの大きさを大きくした方が、低Ｓ／Ｎ環境においては同期維持をし易い。これを可能にするのが、位相回転操作部７４である。
【００６７】
位相回転操作部７４は、周波数偏差検出部７８から周波数偏差情報を受け取ると、その情報に基づいて同期ワード格納部７２から取り出した８個の同期ワードシンボルに対して回転操作を加える。
【００６８】
このようにして、受信信号の周波数偏差をキャンセルするために同期ワードシンボルに対して同様の周波数偏差を与えることにより、等価的に周波数偏差をキャンセルし、周波数偏差のないときと同レベルの電力プロファイルを同期検出部４４で得ることが可能となる。
【００６９】
周波数偏差検出部７８は、同期検出部４４から出力される正規化ベクトル８個の情報により周波数偏差を検出する。
【００７０】
図１１及び図１２は、周波数偏差検出部７８が実行する周波数偏差検出処理の一実施例のフローチャートを示す。図１１において、ステップＳ１０でフラグＡＦＣ＿ＯＮが１か否かを判別して周波数偏差検出処理を行うかどうかを決定する。ＡＦＣ＿ＯＮ＝１のときのみ処理を行い、ＡＦＣ＿ＯＮ＝１のときはステップＳ６４でＡＦＣ＿ＬＥＶＥＬ＝０とする。
【００７１】
次のステップＳ１２で同期検出できているかを判別し、同期検出できている場合にのみステップＳ１４に進む。これは同期検出ができていないときには正確な周波数偏差情報を取り出せないためである。ステップＳ１４ではフラグＩＮＶＲＯＴを０に初期化する。後の処理において、周波数偏差が負側の場合にのみ、このフラグに１を立てるが、毎回この位置で初期化しておく。
【００７２】
次のステップＳ１６、Ｓ１８で本フレームの周波数偏差検出値ＣＯＳ＿ＤＬＴ［０］，ＳＩＮ＿ＤＬＴ［０］を求める。これは各同期ワードシンボルの正規化ベクトル（ＣＩＲ＿Ｉ，ＣＩＲ＿Ｑ）を隣り合ったベクトル間で差分をとり、その平均値を求めている。また、ステップＳ２０〜Ｓ３０で処理過去３フレームと現フレームとの平均化処理を行う。この平均値がＳＩＮ＿ＤＬＴ，ＣＯＳ＿ＤＬＴである。
【００７３】
次に、図１２のステップＳ３２で周波数偏差のコサイン成分が正であるか否かの判別を行う。周波数偏差は、通常、シンボル間位相差成分としてあらわされるが、これは±９０°以内である。これ以上大きいと、既に復調の限界に達している。よって、コサイン成分が負の場合、検出した値が不正であると言えるので本処理は行わない。
【００７４】
次にステップＳ３４でサイン成分の正負判定を行う。サイン成分が負のときはステップＳ３６，Ｓ３８で、フラグＩＮＶＲＯＴに１を立て、サイン値を一旦正に変換する。これによって位相の回転方向によらず、同様の処理が可能となる。
【００７５】
ステップＳ４０ではＣＯＳ＿ＤＬＴ≦ＳＩＮ＿ＤＬＴの判別により位相角が４５°以上あるかどうかを判別する。位相角が４５°を超えるようでは復調限界なので、この条件を満たすときは本処理は行わない。次のステップＳ４２で位相角が２６．５°以上あるかどうかを判別する。同様にしてステップＳ４２〜Ｓ５０でＣＯＳ＿ＤＬＴの値を２のべき乗で除算しながらＳＩＮ＿ＤＬＴの値と比較することにより、位相角がどの程度あるかを判別する。
【００７６】
そして、それぞれの判定によってステップＳ５２〜Ｓ６２でＡＦＣ＿ＬＥＶＥＬ値を決定する。この値は、コサインテーブル，サインテーブルのアドレスオフセット値に対応している。２５５アドレスのテーブルで中央の１２７番目が初期値であるとして、例えばアドレスオフセット値であるＡＦＣ＿ＬＥＶＥＬ＝３であれば、テーブルのアドレスは１２７＋３＝１３０となる。こののち、ステップＳ６６でフラグＩＮＶＲＯＴが１の場合には、ステップＳ６８でサイン値を負に変換する。
【００７７】
このように、周波数偏差成分をサイン値とコサイン値の除算によるタンジェント値を求めることで演算するのではなく、位相角がどの範囲内であるかを検出して範囲に合わせた周波数偏差キャンセル制御を行うことにより、除算（タンジェント値を演算して、それから位相角を算出する手法では除算が必須となる。）を用いずに処理を行うことが可能となる。
【００７８】
なお、周波数偏差情報を過去３フレームと現フレームで平均化処理しているが、これでは移動平均処理になるため、忘却係数の概念を取り入れて、過去フレーム及び現フレームの周波数偏差情報をそれぞれ重み付け加算すると、更に精度の高い周波数偏差を検出することが可能となる。ただし、現フレームの重み付けを小さくすると周波数偏差の検出速度が遅くなる。
【００７９】
また、現フレームの重み付けを大きくすると、周波数偏差の検出速度は速くなるがその精度は粗くなる。そこで、周波数偏差の大きい間は、多少の検出精度の粗さはあっても早急に引込を行いたいので、この期間を引込状態として現フレームの重み付けと過去フレームの重み付けの比を例えば１：１に設定する。そして、周波数偏差が一回でもある一定の位相角β（例えばβ＝０．８９５°）以内を検出した時点で引込状態から追従状態に遷移させる。
【００８０】
追従状態においては、現フレームの重み付けと過去フレームの重み付けの比は例えば１：１５に設定する。また、一旦周波数偏差がβ（＝０．８９５°）以内を検出したことから、真の周波数偏差値もその辺りにあるとして、２×β（＝１．７９°）以上の位相角以上の位相角を検出したとしてもその値に信憑性はないと判断し、重み付け加算の対象としない。
【００８１】
これにより安定して周波数偏差を吸収していくことが可能である。なお、重み付けの対象とはしないが、２×βの検出回数はカウントしておく。そして、複数回連続して２×βを検出するときは、先の検出値βが誤検出であると考えて良い。このときは再び追従状態から引込状態に遷移させて再引込処理を行う。
【００８２】
図１３は、引込状態時処理のフローチャートを示す。同図中、ステップＳ７０でＣＯＳ＿ＤＬＴ／６４＞ＳＩＮ＿ＤＬＴの判別によりシンボル間位相差が０．８９５°未満であるかどうかを判別する。シンボル間位相差が０．８９５°未満であればステップＳ７２で追従状態に遷移し、シンボル間位相差が０．８９５°以上であればステップＳ７４で引込状態を維持する。
【００８３】
図１４は、追従状態時処理のフローチャートを示す。同図中、ステップＳ８０でＣＯＳ＿ＤＬＴ／３２＜ＳＩＮ＿ＤＬＴの判別によりシンボル間位相差が１．７９°を超えるかどうかを判別する。シンボル間位相差が１．７９°を越える場合にはステップＳ８２でカウント値を１だけインクリメントする。そして、ステップＳ８４でカウント値が限界値に達したか否かを判別し、カウント値が限界値に達している場合はステップＳ８６で引込状態に遷移する。カウント値が限界値に達していない場合はステップＳ９０で引込状態を維持する。
【００８４】
一方、シンボル間位相差が１．７９°を越えない場合にはステップＳ８８でカウント値を１だけデクリメントする。ただし、カウント値は０又は正の値である。この後、ステップＳ９０で引込状態を維持する。
【００８５】
また、アドレスオフセット値（ＡＦＣ＿ＯＦＦＳＥＴ）の更新を行った際には今までのフレームの重み付けをクリアするようにする。このように更新された時点からの周波数偏差のみを再び蓄積することにより、過制御を防止することができる。ちなみにクリアしない場合は、アドレスオフセット値が更新されたにも関わらず、過去の更新前の周波数偏差が蓄積されているので、過制御をおこしてしまう。
【００８６】
図９に戻って説明するに、搬送波再生部８０は、通常であれば、正規化ベクトル８個の平均値を用いるところであるが、ここでは、各同期ワードシンボルに対して、周波数偏差検出部７８から得た周波数偏差情報（シンボル間位相差ベクトル）による位相回転を加え、その後、それらのベクトルを平均化する。このようにすることで、周波数偏差があるにも関わらず、精度の高い搬送波再生を行うことが可能となる。
【００８７】
位相回転補正部８４の動作は前述の図８と共に説明した通りである。ただし、検出した搬送波再生情報（φ２）と、演算によって導き出された搬送波再生情報（φ１＋θ×３３０）の位相差分の算出手法は、周波数偏差検出部７８と同様、コサイン値とサイン値の比較によって行い演算量を減らす。
【００８８】
この手法では、シンボル間位相差ベクトルθの値にある程度の精度が要求される。つまり、θの値が０．５°以上ずれているときには、本手法に加えて、情報シンボルそのものを使用して位相補正を行う。θの値がこのように大きくずれているときでも最初の方の情報シンボルはそこまで位相誤差が大きくない。つまり期待するシンボルの位相に近い位相を有している。このとき期待する位相と実際のシンボルの位相誤差を検出して、位相誤差が蓄積される前に各情報シンボルごとに補正を行う。
【００８９】
ただし、低Ｓ／Ｎ環境では位相誤差が真の値とは異なって検出されるため、ある位相誤差（例えば０．５°程度）までは補正を行わない。また、一定の位相誤差以上が連続して検出されたときには、その位相誤差分を一気に補正する。このような補正を行うことで、低Ｓ／Ｎ環境下でも充分な位相補正を行うことが可能である。
【００９０】
シンボル抜出部７６は、同期検出部４４から得た厳密なサンプル位置をシンボル位置として位相回転操作部８２に出力する。位相回転操作部８２は、シンボル抜出部７６から得たシンボル点に対し、搬送波再生部８０から得た搬送波再生情報と、周波数偏差検出部７８から得た周波数偏差情報、そして位相回転補正部８４から得た補正情報を基に、各情報シンボルに対して固有の位相回転を与え、ビット変換部８６に出力する。
【００９１】
ここで、位相回転操作を行う複素演算において、ＤＳＰ６０にて１６ビット×１６ビットの乗算後、さらに加算を行う必要がある。この結果、３３ビットにまで演算結果は膨らんでしまうが、これをさらに１６ビット幅まで丸める必要がある。通常は、一律に最大値のダイナミックレンジでビットシフトを行い丸めるのであるが、ここでは、同期検出部４４より得た電力プロファイル値によってビットシフト量を可変させる。電力プロファイルが１／４になった場合、振幅値としては１／２になったと考えて良いので、ビットシフト量を１ビット少なくして、少しでもシンボルの持つ振幅情報を損なわないようにする。
【００９２】
ビット変換部８６は、シンボル情報をビット情報に変換する。これは１６ＱＡＭのマッピング規則に従って変換するものであり、既存の技術である。ここで得られたビット情報は、ＬＳＩ５０の出力制御部５２に渡されて、正規のビットレートに変換された後、外部に出力される。
【００９３】
このように、本発明によれば、処理速度が比較的遅い固定小数点精度ＤＳＰ６０を用いた場合においても、少ない処理量で高精度な相関演算及び電力プロファイル演算が可能になる。また、同様に比較的低能力のＤＳＰ６０の固定小数点精度で位相回転演算を行っても、演算の丸め誤差による位相誤差を無視できる範囲にまで減少することが可能になる。
【００９４】
なお、同期検出部４２が請求項記載の第１同期検出手段に対応し、同期検出部４４が第２同期検出手段に対応し、位相回転補正部８４が位相回転補正手段に対応する。
【００９５】
（付記１） 複数シンボルの同期ワードを含むデジタル信号の所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータについて同期ワードとの相関演算及び電力プロファイル算出を行って同期検出し、前記デジタル信号を復調する復調方法において、
同期獲得前に前記所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータの一部を用いて相関演算、電力プロファイル算出を行って大まかな同期検出を行い、
同期獲得後に前記所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータのうち前記大まかな同期検出位置及びその前後のサンプルデータを用いて相関演算、電力プロファイル算出を行って正確な同期検出を行うことを特徴とする復調方法。
【００９６】
（付記２） フレームごとに複数シンボルの同期ワードを含むデジタル信号の所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータについて同期ワードとの相関演算及び電力プロファイル算出を行って同期検出し、かつ、前記同期ワードを用いて求めた周波数偏差情報をシンボルごとに累積して前記デジタル信号を復調する復調方法において、
同一タイミングの搬送波再生情報について、実際の検出値と周波数偏差情報を基に演算した演算値との位相角の差分を求め、前記位相角の差分から前記周波数偏差情報の位相誤差を推定して補正することを特徴とする復調方法。
【００９７】
（付記３） 複数シンボルの同期ワードを含むデジタル信号の所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータについて同期ワードとの相関演算及び電力プロファイル算出を行って同期検出し、かつ、前記同期ワードを用いて求めた周波数偏差情報をシンボルごとに累積して前記デジタル信号を復調する復調装置において、
同期獲得前に前記所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータの一部を用いて相関演算、電力プロファイル算出を行って大まかな同期検出を行う第１同期検出手段と、
同期獲得後に前記所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータのうち前記大まかな同期検出位置及びその前後のサンプルデータを用いて相関演算、電力プロファイル算出を行って正確な同期検出を行う第２同期検出手段を
有することを特徴とする復調装置。
【００９８】
（付記４） 付記３記載の復調装置において、
同一タイミングの搬送波再生情報について、実際の検出値と周波数偏差情報を基に演算した演算値との位相角の差分を求め、前記位相角の差分から前記周波数偏差情報の位相誤差を推定して補正する位相回転補正手段を
有することを特徴とする復調装置。
【００９９】
（付記５） 付記３または４記載の復調装置において、
前記第２同期検出手段は、前記大まかな同期検出位置及びその前後のサンプルデータそれぞれの電力プロファイルを比較して、最大電力プロファイル位置に同期位置を更新することを特徴とする復調装置。
【０１００】
（付記６） 付記３または４記載の復調装置において、
前記第１同期検出手段は、１シンボル長区間ごとに得られる複数サンプルの電力プロファイルの最大値を同期位置とし、最後のサンプル位置の電力プロファイルが最大値である場合は、次のサンプルの電力プロファイルが前記最大値以下であることを確認して、前記最大値の電力プロファイルのサンプル位置を同期位置とすることを特徴とする復調装置。
【０１０１】
（付記７） 付記３乃至６の何れか記載の復調装置において、
前記第１同期検出手段は、前記複数シンボルの同期ワードそれぞれの電力レベルがほぼ等しい場合にのみ同期検出と判定することを特徴とする復調装置。
【０１０２】
（付記８） 付記３乃至７の何れか記載の復調装置において、
前記第１同期検出手段は、１シンボル長区間ごとに得られる複数サンプルの電力プロファイルの最大値が閾値を超えた場合にのみ同期検出と判定することを特徴とする復調装置。
【０１０３】
（付記９） 付記３乃至８の何れか記載の復調装置において、
前記同期ワードを用いて検出した周波数偏差情報に基づいて逆変調に用いる複数シンボルの同期ワードそれぞれを回転させることを特徴とする復調装置。
【０１０４】
（付記１０） 付記４乃至９の何れか記載の復調装置において、
前記デジタル信号を前記複数シンボルの同期ワードで逆変調して得た複数の正規化ベクトルそれぞれのシンボル間位相差成分から前記周波数偏差情報を求める際に、周波数偏差情報のコサイン値及びコサイン値を、各正規化ベクトルのＩ成分とＱ成分から直接算出し、前記コサイン値と１／２のべき乗の乗算値と前記サイン値との大小関係から前記周波数偏差情報を算出することを特徴とする復調装置。
【０１０５】
（付記１１） 付記１０記載の復調装置において、
検出された周波数偏差情報が所定値以上のときは、過去フレームの検出周波数偏差情報に対する現フレームの検出周波数偏差情報の重み付けを大きく設定した引込状態とし、周波数偏差が前記所定値の半分未満となったとき、過去フレームの検出周波数偏差情報に対する現フレームの検出周波数偏差情報の重み付けを小さく設定した追従状態とすることを特徴とする復調装置。
【０１０６】
（付記１２） 付記１１記載の復調装置において、
前記引込状態から前記追従状態に遷移した時点及び前記追従状態においては、蓄積している過去フレームの検出周波数偏差情報をクリアすることを特徴とする復調装置。
【０１０７】
（付記１３） 付記１１記載の復調装置において、
前記追従状態で検出された周波数偏差情報が前記所定値以上であることが複数回連続したとき前記引込状態に遷移することを特徴とする復調装置。
【０１０８】
（付記１４） 付記１１記載の復調装置において、
前記追従状態で検出された周波数偏差情報が前記所定値以上であることが複数回連続したとき前記引込状態に遷移することを特徴とする復調装置。
【０１０９】
（付記１５） 付記４記載の復調装置において、
第１同期検出手段で算出された電力プロファイルの大きさに基づいてビットシフト量を決定し、前記デジタル信号から抽出された各シンボルに対して固有の位相回転操作を行う際に、前記複素演算結果について前記ビットシフト量だけシフトを行うことを特徴とする復調装置。
【０１１０】
（付記１６） 付記９乃至１５の何れか記載の復調装置において、
前記デジタル信号を前記複数シンボルの同期ワードで逆変調して得た複数の正規化ベクトルから搬送波再生を行う際に、前記同期ワードを用いて検出した周波数偏差情報により前記複数の正規化ベクトルを位相回転させ、周波数偏差が無い状態で搬送波再生情報を検出することを特徴とする復調装置。
【０１１１】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１，３に記載の発明によれば、演算量を低減でき、処理速度が比較的遅いプロセッサを用いて精度良く同期ワードシンボルの検出を行うことができる。
【０１１２】
また、請求項２，４に記載の発明によれば、演算の丸め誤差による位相誤差を無視できる範囲にまで減少して精度良く同期ワードシンボルの検出を行うことができる。
【０１１３】
また、請求項５に記載の発明によれば、送信側と受信側とでシンボルクロックの偏差がある場合にも、これに追従することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１６ＱＡＭの無線フレームフォーマットの一例を示す図である。
【図２】従来の１６ＱＡＭ復調装置の一例のブロック図である。
【図３】同期検出部１６の一例のブロック図である。
【図４】本発明の演算量を削減するための原理説明図である。
【図５】切り換え制御に関する状態遷移図である。
【図６】同期検出の様子を示す図である。
【図７】本発明の丸め誤差を低減するため原理説明図である。
【図８】位相回転処理の様子を示す図である。
【図９】本発明の復調装置の一実施例のブロック図である。
【図１０】同期検出を説明するための図である。
【図１１】周波数偏差検出処理の一実施例のフローチャートである。
【図１２】周波数偏差検出処理の一実施例のフローチャートである。
【図１３】引込状態時処理のフローチャートである。
【図１４】追従状態時処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１０ Ａ／Ｄ
１２ 直交検波部
１４ フィルタ部
４０ スイッチ
４２，４４ 同期検出部
５０ ＬＳＩ
５２ 出力制御部
６０ ＤＳＰ
６２ メモリ
６４ 割込操作部
６６ 主制御部
６８ 切替操作部
７２ 同期ワード格納部
７４ 位相回転操作部
７６ シンボル抜出部
７８ 周波数偏差検出部
８０ 搬送波再生部
８２ 位相回転操作部
８４ 位相回転補正部
８６ ビット変換部

Claims (5)

1. 複数シンボルの同期ワードを含むデジタル信号の所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータについて同期ワードとの相関演算及び電力プロファイル算出を行って同期検出し、前記デジタル信号を復調する復調方法において、
   同期獲得前に前記所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータの一部を用いて相関演算、電力プロファイル算出を行って大まかな同期検出を行い、
   同期獲得後に前記所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータのうち前記大まかな同期検出位置及びその前後のサンプルデータを用いて相関演算、電力プロファイル算出を行って正確な同期検出を行うことを特徴とする復調方法。
2. フレームごとに複数シンボルの同期ワードを含むデジタル信号の所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータについて同期ワードとの相関演算及び電力プロファイル算出を行って同期検出し、かつ、前記同期ワードを用いて求めた周波数偏差情報をシンボルごとに累積して前記デジタル信号を復調する復調方法において、
   同一タイミングの搬送波再生情報について、実際の検出値と周波数偏差情報を基に演算した演算値との位相角の差分を求め、前記位相角の差分から前記周波数偏差情報の位相誤差を推定して補正することを特徴とする復調方法。
3. 複数シンボルの同期ワードを含むデジタル信号の所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータについて同期ワードとの相関演算及び電力プロファイル算出を行って同期検出し、かつ、前記同期ワードを用いて求めた周波数偏差情報をシンボルごとに累積して前記デジタル信号を復調する復調装置において、
   同期獲得前に前記所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータの一部を用いて相関演算、電力プロファイル算出を行って大まかな同期検出を行う第１同期検出手段と、
   同期獲得後に前記所定倍オーバーサンプリングによるサンプルデータのうち前記大まかな同期検出位置及びその前後のサンプルデータを用いて相関演算、電力プロファイル算出を行って正確な同期検出を行う第２同期検出手段を
   有することを特徴とする復調装置。
4. 請求項３記載の復調装置において、
   同一タイミングの搬送波再生情報について、実際の検出値と周波数偏差情報を基に演算した演算値との位相角の差分を求め、前記位相角の差分から前記周波数偏差情報の位相誤差を推定して補正する位相回転補正手段を
   有することを特徴とする復調装置。
5. 請求項３または４記載の復調装置において、
   前記第２同期検出手段は、前記大まかな同期検出位置及びその前後のサンプルデータそれぞれの電力プロファイルを比較して、最大電力プロファイル位置に同期位置を更新することを特徴とする復調装置。

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