JP3949585B2 - Mfsk信号復調装置及びmfsk信号復調方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル信号処理により、変調諸元が未知であるMFSK系デジタル変調信号を自動復調するMFSK信号復調装置、及びMFSK信号復調方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
デジタル変調信号の未知の変調諸元を自動推定し復調する技術は、信号計測、無線通信、電波監視等の分野で活用されている。
【0003】
MFSK系のデジタル変調信号の未知の変調諸元を、デジタル信号処理によって推定する方法として、従来は、まず未知の入力信号を周波数弁別器によりFM復調し、次にこの復調後の信号に含まれる周波数成分の出現確率密度分布を作描していた。そして、この確率密度分布の凸部をキャリアと判定し、その凸部の数及び周波数間隔からシフト周波数及び変調多値数を推定していた。
【0004】
また、FM検波出力の振幅分布から求める方法も知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−86171号公報(第27頁、図1)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法は、シフト周波数及び変調多値数の推定を行なうにあたって、次のような困難を伴っていた。すなわち第1に、信号を周波数弁別器に入力するに際し、信号の中心周波数、及び信号の周波数帯域幅に対応した適切な帯域制限フィルタを必要とする。もし周波数が離調されていると、この後に続く周波数成分の出現確率密度分布に影響を及ぼす。第2に、入力信号の信号対雑音比が低い環境下では、FM復調後の信号が劣化し、周波数成分の出現確率密度分布に影響を及ぼす。第3に、周波数成分の出現確率密度分布の作描に際し、周波数分解能を上げると所要演算量が大幅に増加するなどの問題があった。
【0007】
従って、周波数成分の出現確率密度分布の凸部判定によるキャリア検出が不安定になり、その結果として入力信号のシフト周波数及び変調多値数の推定を困難にしていた。
【0008】
更に、周波数弁別器によるFM復調では、混在する複数の入力信号をすべて復調することが困難なため、複数の入力信号の存在を分離すること、そしてそれぞれの信号毎に変調諸元を推定し、対象とする入力信号を抽出することが困難であった。
【0009】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、未知のMFSK変調信号の変調諸元の自動推定を正確に実施し、かつ複数の入力信号の分離も可能なMFSK信号復調装置及びMFSK信号復調方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のMFSK信号復調装置は、変調諸元が未知であるMFSK変調信号を入力し、前記入力信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器と、前記アナログ・デジタル変換器から出力される前記デジタル信号を高速フーリエ変換する高速フーリエ変換手段と、前記高速フーリエ変換手段から出力される信号のパワースペクトラムを算出する手段と、前記算出手段から得られたパワースペクトラムと、予め設定された基準スペクトラムとしての評価関数との相互相関演算により、入力信号のキャリアを検出するキャリア検出手段と、前記検出手段により検出したキャリアから入力信号のシフト周波数及び変調多値数とを推定する推定手段とを備えていることを特徴とする。
【0011】
また、本発明のMFSK信号復調方法は、変調諸元が未知であるMFSK変調信号を入力し、前記入力信号をアナログ・デジタル変換器により変換したデジタル信号を高速フーリエ変換するステップと、このステップにより得られた高速フーリエ変換結果から、信号のパワースペクトラムを演算するステップと、このステップにより得られた信号のパワースペクトラムと、あらかじめ設定した基準スペクトラムとしての評価関数との相互相関演算を実施するステップと、このステップにより得られた相関演算結果と、前記パワースペクトラムとから、入力信号のキャリアを検出するステップと、このステップにより得られたキャリア検出結果から、複数の入力信号の存在を判定するステップと、このステップにより得られた判定結果から、混在するそれぞれの入力信号についてそのシフト周波数及び変調多値数を推定し、出力するステップとを備えていることを特徴とする。
【0012】
本発明によれば、入力信号のキャリア検出を安定に実施でき、入力信号のシフト周波数及び変調多値数の推定を正確に実施することが可能となると共に、複数信号の分離が可能となる。また、変調度が1未満の信号に対しては、n逓倍の非線形処理により対応可能となる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図1乃至図7を参照して説明する。
【0014】
図1は、本発明に係わるMFSK信号復調装置の一実施形態を示すブロック図である。図1に示すように、このMFSK信号復調装置は、アナログ・デジタル変換部1、デジタル信号処理部2、復調・復号部3、及び出力部4を備えている。
【0015】
アナログ・デジタル変換部1は、入力されたMFSK信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。デジタル信号処理部2は、アナログ・デジタル変換部1で変換されたデジタル信号を処理し、シフト周波数及び変調多値数を推定する。復調・復号部3は、デジタル信号処理部2からの推定結果をもとに、入力されたMFSK信号を復調し、復号する。出力部4は、復調・復号部3からの復号結果を出力する。
【0016】
次に、デジタル信号処理部2について詳細に説明する。デジタル信号処理部2は、アナログ・デジタル変換部1からのデジタル信号を高速フーリエ変換部21で高速フーリエ変換し、この高速フーリエ変換の結果から、パワースペクトラム算出部22でこの信号のパワースペクトラムを算出する。相互相関演算部23は、パワースペクトラム算出部22によって算出されたパワースペクトラム対して、この演算部23内に予め設定された基準スペクトラムとしての評価関数との相互相関演算を行なう。この相関演算結果をもとに、キャリア検出部24は入力信号のキャリアの存在を判定する。シフト周波数・変調多値数推定部25では、キャリア検出部24で検出したキャリアの数を計数し、キャリア周波数相互の間隔を算出することにより、入力信号のシフト周波数及び変調多値数を推定する。同時に、複数信号混在の判定を行ない、複数の信号が混在する場合には、グループ化により信号を分離し、各信号毎にシフト周波数及び変調多値数を推定する。
【0017】
一方、デジタル信号処理部2のシンボルレート算出部26では、パワースペクトラム算出部22によって算出されたパワースペクトラムから、シンボルレートの算出を行なう。このシンボルレート算出部26の算出方法は、文献「入力信号形式の推定法に関する基礎検討」(萩原将文、中川正雄 電子情報通信学会論文誌A Vol.J71-A No.2 pp.411-417 1988年2月)などに記述されている基本原理を用いることにより実施できる。
【0018】
以上のように、デジタル信号処理部2においては、入力信号の変調諸元としてシフト周波数、変調多値数、及びシンボルレートとを推定し、復調・復号部3に送出している。
【0019】
次に、図2乃至図6の波形図、及び図7に示すフローチャートを参照して、本発明のMFSK信号復調装置の動作を説明する。
【0020】
まず、対象のMFSK信号が入力されると、アナログ・デジタル変換部1においてアナログ・デジタル変換し(ST1)、そのデジタル信号がデジタル信号処理部2に入力される。デジタル信号処理部2では、高速フーリエ変換部21において、入力されたデジタル信号に対する高速フーリエ変換を実行する(ST2)。
【0021】
続いてパワースペクトラム算出部22は、高速フーリエ変換の結果から入力信号のパワースペクトラムを算出し(ST3)、更にパワースペクトラム算出部22は、この結果に対して時間及び周波数方向の平均化を実行し(ST4)、雑音除去及びパワースペクトラムの平滑化を行なっている。このパワースペクトラム算出部22の算出結果を簡便化した波形図の例を、図2及び図5に示す。図2は、例えば変調多値数が3の信号のみ存在する場合をモデル化して例示したものである。図5は、変調諸元の異なる複数の信号(A波及びB波)が近接した周波数に混在する場合をモデル化して例示したものである。なお、図5においてA波の変調多値数は3、B波の変調多値数は2、その他の変調諸元及び信号レベルも互いに異なる場合を例示している。
【0022】
そして、相互相関演算部23は、パワースペクトラム算出部22からの結果と、予め設定された評価関数との相互相関演算を実行する(ST5)。この相互相関演算部23の結果は、演算時に適用する評価関数により異なる。本発明では図3にモデル化して示した波形図のように、中心周波数の前後で振幅値を不連続(反転)とした、例えば式1に示すような関数(Fobj)を適用している。
【0023】
【数1】
上記の評価関数を適用することにより、入力されたMFSK信号のキャリア周波数のポイントで、相互相関演算部23での演算結果にゼロクロスを発生させている。この相互相関演算部23での演算結果を簡便化した波形図の例を、図4及び図6に示す。図4はパワースペクトラム算出部22からの算出結果が図2の場合を、図6はパワースペクトラム算出部22からの算出結果が図5(複数信号混在時)の場合を、それぞれ例示したものである。図4では3つのキャリアC1、C2及びC3に対応してZ1、Z2及びZ3のゼロクロス点が発生している。また図6においても同様に、各キャリア周波数のポイントでゼロクロスが発生している。
【0024】
このように、相互相関演算部23からの演算結果のゼロクロス点は、入力信号のキャリア周波数ポイントに対応していることから、キャリア検出部24は、まず相互相関演算部23からの演算結果のゼロクロス点を検出する(ST6)。このゼロクロス点は図4または図6に例示したとおり、周波数軸(X軸)に対して十分な傾きをもって交差しているため、安定に検出することができる。
【0025】
更にキャリア検出部24は、検出されたすべてのゼロクロス点の位置をパワースペクトラム算出部22で算出したパワースペクトラムと照合し、その位置がパワースペクトラムの凸部にあること、及びその凸状スペクトラムの特定電力値での幅が十分であることなどを評価する(ST7)。
【0026】
キャリア検出部24における前述のST6、乃至ST7の動作の過程を、入力信号が1信号の場合、すなわち相互相関演算の結果が図4の場合について詳細に説明する。この場合、ゼロクロス点の検出では図4のZ1乃至Z6の6点が検出される。次に、これらのゼロクロス点の周波数が、算出済みのパワースペクトラム(図2)上において、スペクトラムの凸部内でかつ凸点の周波数の近傍にあることを検定する。この結果、図4のゼロクロス点Z1は図2のスペクトラムS1の、Z2はS2の、Z3はS3のそれぞれの凸部にあるため、キャリアの存在位置と推定されるが、Z4乃至Z6はこの検定の条件に合致せず、キャリア存在位置ではないと推定される。さらに、条件に合致したZ1乃至Z3の属するスペクトラムS1乃至S3の特定電力値Pでの幅、すなわち図2のW1乃至W3を算出し、その幅が十分であることを検定する。図2の場合は、W1乃至W3のいずれも十分な幅であると判定される。このようにして、図4においてはZ1乃至Z3の3点が、キャリアの存在するゼロクロス点と判定される。
【0027】
このST7の評価により、キャリアの存在の判定を更に確実なものとすることができる。そしてキャリア検出部24は、キャリアが存在すると判定したゼロクロス点を入力信号のキャリア位置として検出し(ST8)、キャリア周波数を算出している。
【0028】
シフト周波数・変調多値数推定部25は、キャリア検出部24で検出したキャリア周波数をもとに、キャリア数を計数し、キャリア周波数相互の間隔を算出する(ST9)。キャリア数が3以上になると、キャリア周波数相互の間隔値は複数個、すなわちキャリア数より1少ない個数算出されるが、これら算出されたすべての間隔値が単一値と見なせるか否かにより、シフト周波数・変調多値数推定部25は複数信号の混在を判定する(ST10)。
【0029】
その結果、複数信号が混在する場合(ST10のYES)には、シフト周波数・変調多値数推定部25は各キャリアに対応した凸状スペクトラムの特定電力値Pでの幅(例えば図5のW1A、W1Bなど)の差異を検定しながら、キャリア間隔が単一と推定されるキャリア群をグループ化し(ST11)、複数の入力信号を分離する。なお、複数の信号が混在しない場合(ST9のNO)は、グループ化(ST11)を実行する必要はない。
【0030】
そして、シフト周波数・変調多値数推定部25は入力信号毎にグループ化されたキャリア周波数に基き、そのキャリア数を計数し、キャリア周波数相互の間隔を算出して(ST12)、計数したキャリア数を変調多値数、キャリア周波数相互の間隔値をシフト周波数と推定している。これにより、各々の入力信号のシフト周波数及び変調多値数を推定することができるとともに、その中から所望信号の抽出または不要信号の削除が可能となる。
【0031】
一方、デジタル信号処理部2内のシンボルレート算出部26において算出されたシンボルレート(D1)は、シフト周波数・変調多値数推定部25に入力される。シフト周波数・変調多値数推定部25は、推定したシフト周波数及び変調多値数、ならびにシンボルレート算出部26において算出されたシンボルレートとを、入力信号の変調諸元として復調・復号部3に対して出力する(ST13)。
【0032】
復調・復号部3は、デジタル信号処理部2のシフト周波数・変調多値数推定部25から送られてきた変調諸元に基づき所望信号を復調・復号し(ST14)、その結果を出力部4に出力する。
【0033】
出力部4は、復調・復号部3からの復号結果を表示出力すると共に、連接機器等に対して復号結果を出力する(ST15)。
【0034】
以上説明したように、本発明では、信号処理部2内のキャリア検出部24における、図7のST5〜ST8のステップに対応した動作より、キャリア検出を安定かつ確実に実行できることで、シフト周波数及び変調多値数の推定を良好かつ正確に実行することを可能にしている。
【0035】
また本発明では、信号処理部2内のシフト周波数・変調多値数推定部25における、図7のST9〜ST12のステップに対応した動作により、複数の入力信号の分離を可能にしていると共に、不要信号を除去して所望信号の変調諸元のみを抽出することも可能としている。
【0036】
以上のように、本発明のMFSK信号復調装置及びMFSK信号復調方式によれば、入力信号のキャリア検出を安定に実行することで入力信号のシフト周波数及び変調多値数の推定を正確に実施することが可能となると共に、複数信号の分離及び所望信号の抽出も可能となり、MFSK信号の良好な復調を実施できる。
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、変調諸元が未知であるMFSK変調信号の変調諸元を良好に自動推定すると共に、複数の信号が混在する環境においてもそれら信号を分離し、所望の信号を抽出して復調が可能なMFSK信号復調装置及びMFSK信号復調方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係わるMFSK信号復調装置の一実施形態を示すブロック図。
【図2】 信号のパワースペクトラムをモデル化した波形図。
【図3】 本発明での評価関数の一例をモデル化した波形図。
【図4】 信号のパワースペクトラムと評価関数との相互相関演算結果をモデル化した波形図。
【図5】 2信号混在時のパワースペクトラムをモデル化した波形図。
【図6】 2信号混在時の相互相関演算結果をモデル化した波形図。
【図7】 本発明の信号復調方法を説明するフローチャート。
【符号の説明】
1 アナログ・デジタル変換部
2 デジタル信号処理部
3 復調・復号部
4 出力部
21 高速フーリエ変換部
22 パワースペクトラム算出部
23 相互相関演算部
24 キャリア検出部
25 シフト周波数・変調多値数推定部
26 シンボルレート算出部
Claims (4)
- 変調諸元が未知であるMFSK変調信号を入力し、その変調諸元を自動推定し復調するMFSK信号復調装置であって、
前記入力信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器と、
前記アナログ・デジタル変換器から出力される前記デジタル信号を高速フーリエ変換する高速フーリエ変換手段と、
前記高速フーリエ変換手段から出力される信号のパワースペクトラムを算出する手段と、
前記算出手段から得られたパワースペクトラムと、予め設定された基準スペクトラムとしての評価関数との相互相関演算により、入力信号のキャリアを検出するキャリア検出手段と、
前記検出手段により検出したキャリアから入力信号のシフト周波数及び変調多値数とを推定する推定手段と
を具備することを特徴とするMFSK信号復調装置。 - 前記相関演算の評価関数を、その中心周波数の前後で振幅を不連続な関数としたことを特徴とする請求項1記載のMFSK信号復調装置。
- 前記推定手段は、混在する複数の入力信号の分離を可能としたことを特徴とする請求項1または請求項2記載のMFSK信号復調装置。
- 変調諸元が未知であるMFSK信号を入力して、前記信号の変調諸元を自動推定し復調するMFSK信号復調方法であって、
前記入力信号をアナログ・デジタル変換器により変換したデジタル信号を高速フーリエ変換するステップと、
このステップにより得られた高速フーリエ変換結果から、信号のパワースペクトラムを演算するステップと、
このステップにより得られた信号のパワースペクトラムと、予め設定された基準スペクトラムとしての評価関数との相互相関演算を実施するステップと、
このステップにより得られた相互相関演算結果と、前記パワースペクトラムとから、入力信号のキャリアを検出するステップと、
このステップにより得られたキャリア検出結果から、複数の入力信号の存在を判定するステップと、
このステップにより得られた判定結果から、混在するそれぞれの入力信号についてそのシフト周波数及び変調多値数を推定し、出力するステップと
を具備することを特徴とするMFSK信号復調方法。
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