JP4082169B2 - 振幅位相変換器及び振幅位相変換方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多値ＱＡＭ方式の受信機における振幅位相変換器及び振幅位相変換方法に係り、特に、小規模化が可能な振幅位相変換器と該振幅位相変換器を用いた振幅位相変換方法に関する。
無線通信路を用いてデジタル信号を伝送する方式には幾つかあるが、信号振幅と位相の双方に情報を持たせて効率よく伝送する、直交変調方式の一つである多値ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation)方式が広く適用されている。
【０００２】
図６は、多値ＱＡＭ受信機の主要部の構成で、受信信号をベースバンド信号に復調した後の構成を示している。
図６において、１１は受信信号を２分岐するハイブリッド、１２及び１２ａは２分岐された受信ベースバンド信号を検波する同期検波器、１３は同期検波器に搬送波を供給する搬送波再生回路、１４は一方の同期検波器に供給する搬送波の位相をπ／２だけシフトする移相器である。そして、２つの同期検波器１２及び１２ａからは多値のデジタル信号が出力される。
【０００３】
１５及び１５ａは多値信号をバイナリ信号に変換する多値２値変換器、１６は２つの多値２値変換器１５及び１５ａにクロックを供給するクロック発生回路である。そして、多値２値変換器１５からＩ信号が、多値２値変換器１５ａからＱ信号が出力され、復調信号が得られる。
１７は多値２値変換器１５及び１５ａが出力するＩ信号とＱ信号とを受けてＩ−Ｑ平面上の符号点の位相情報を求める振幅位相変換器で、振幅位相変換器１７が出力する位相情報が搬送波再生回路１３に自動周波数制御（ＡＦＣ）信号として供給される。つまり、多値ＱＡＭ受信機においては、符号点の振幅情報から位相情報を求める振幅位相変換器が必要である。
【０００４】
そして、多値ＱＡＭ受信機の小型化のために、振幅位相変換器を小規模化することが求められている。
【０００５】
【従来の技術】
第２９４５００３号特許公報の図５には、従来の一般的な振幅位相変換器の構成が逆正接演算器として掲載されている。図４は、従来の振幅位相変換器で、上記逆正接演算器と同じものである。
図４において、１７５はメモリで、メモリ１７５にはアドレスとしてＩ信号とＱ信号が供給され、該Ｉ信号と該Ｑ信号の組み合わせから決まるアドレスに格納されている位相情報が読み出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図５は、多値ＱＡＭにおける符号配置と同一位相になるケースを示す図である。
図５において、横軸はＩ軸、縦軸はＱ軸で、Ｉ軸方向とＱ軸方向は正規化されたレベルによって区切られて、Ｉ−Ｑ平面は正規化されたレベルを一辺に持つ正方形の符号領域で区切られる。そして、１つの正方形の中が１つの符号に対応する。
【０００７】
従って、例えばＩ信号とＱ信号が８ビットの場合には、全ての符号領域の数は
２⁸ ×２⁸ ＝６５５３６
となり、図４におけるメモリ１７５のアドレス数も６５５３６が必要となる。即ち、この例ではメモリ１７５に必要な記憶容量は６５．５３６キロ・ワードとなる。もし、位相情報を８ビット精度で出力する必要がある場合には、メモリ１７５には５２４．２８８キロ・ビットの記憶容量が必要になり、振幅位相変換器が大規模になる。
【０００８】
ここで、Ｉ−Ｑ平面の第一象限から第四象限に割り振られる符号点は同じであるから、Ｉ信号とＱ信号の正負の符号を別に処理することにすれば第一象限だけで位相情報を求めることができるようになるので、メモリ１７５の記憶容量は１／４に縮減可能である。それでも、上記と同じパラメタであるとすれば、１６．３８４キロ・ワードが必要で、振幅位相変換器が大規模になることにはあまり変わりがない。
【０００９】
これを避けるために、第２９４５００３号特許公報では、その図２に示している如き逆正接演算回路を用いて振幅位相変換器を小規模化しようとしている。しかし、多ビットの信号をハードウェアで処理するものであるため、小規模化には限界があり、又、高速処理が必要な場合には処理機能的にも限界が生ずると考えられる。
【００１０】
【特許文献１】
第２９４５００３号特許公報（図２、図５）
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の如く逆正接演算回路に必要なメモリが大容量になる理由は、図５に示したように振幅情報が異なっていても同一位相になるケースが多数あることによる。即ち、符号点が符号領域の中心にあるものとすれば、図５の符号点ＡとＢとは振幅が異なるが位相は同一になり、図５の符号点ＣとＤも振幅が異なるが位相は同一になる。
【００１２】
実際には符号領域のどの位置が符号点か特定できないことを考慮して全てのＩ信号とＱ信号を用いて位相情報を求めるので、上記の如く記憶容量が大きくなる。しかし、一旦符号点を決めればいずれの符号領域の中でもほぼ同じ位置が符号点になり、しかも、その位置変動は少ないので、例えば図５の符号点Ｃと符号点Ｄを含む符号領域に対応する２つの符号点の位相は近似的に等しいと考えてもよい。本発明は、この考え方に準拠している。
【００１３】
第一の発明は、多値ＱＡＭ方式の受信機における、Ｉ信号とＱ信号との除算を行なう除算部と、該除算部の除算結果から該除算結果の逆正接の近似値を求める近似値演算部と、該近似値演算部の出力を位相情報に変換する位相変換部とを備える振幅位相変換器であって、該近似値演算部は、Ｉ−Ｑ平面の原点を通る等しい角度差の複数の直線がＩ軸又はＱ軸となす角度の正接をアドレスとし、該Ｉ−Ｑ平面の原点を通る等しい角度差の複数の直線がＩ軸又はＱ軸となす角度をデータとして格納するメモリを有することを特徴とする振幅位相変換器である。
【００１４】
第一の発明によれば、該近似値演算部は、Ｉ−Ｑ平面の原点を通る等しい角度差の複数の直線がＩ軸又はＱ軸となす角度の正接をアドレスとし、該Ｉ−Ｑ平面の原点を通る等しい角度差の複数の直線がＩ軸又はＱ軸となす角度をデータとして格納している。一方、該除算部が出力するＩ信号とＱ信号との除算結果は当該Ｉ信号とＱ信号に対応する符号点と該Ｉ−Ｑ平面の原点とを結ぶ直線がＩ軸又はＱ軸となす角度の正接である。従って、該除算部の除算結果をアドレスとして当該アドレスに格納されている角度を読み出せば、当該Ｉ信号とＱ信号に対応する符号点と該Ｉ−Ｑ平面の原点とを結ぶ直線がＩ軸又はＱ軸となす角度を求めることができる。そして、このためのアドレス数はＩ信号とＱ信号の双方の値をアドレスとする場合に比較して大幅に少なくできるので、振幅位相変換器の小規模化が可能になる。
【００１５】
第二の発明は、第一の発明の振幅位相変換器を用いて行なう振幅位相変換方法であって、上記除算部において、Ｉ信号とＱ信号との除算を行ない、上記近似値演算部において、該近似値演算部のアドレスのうち、該除算部の除算結果に最も近い値をもつアドレスを選択して当該Ｉ信号とＱ信号に対応する上記Ｉ−Ｑ平面の原点を通る直線がＩ軸又はＱ軸となす角度を求め、上記位相変化部において、求めた角度を位相情報に変換することを特徴とする振幅位相変換方法である。
【００１６】
第二の発明によれば、該除算部の除算結果に等しいアドレスが該近似値変換部になくても、当該Ｉ信号とＱ信号に対応する符号点と該Ｉ−Ｑ平面の原点とを結ぶ直線がＩ軸又はＱ軸となす角度を求めることができる。しかも、任意の符号点において該除算結果が該近似値演算部のアドレスに等しくなるように該近似値演算部のアドレス数を増加させる必要がないので、本発明の振幅位相変換部の規模が大きくなることを防止することができる。
【００１７】
第三の発明は、第二の発明の振幅位相変換方法において、上記近似値変換部のアドレスのうち、上記除算部の除算結果をはさむ２つのアドレスと該除算結果とを用いて該２つのアドレスに格納されている角度の補間演算を行なって、当該Ｉ信号とＱ信号に対応する上記Ｉ−Ｑ平面の原点を通る直線がＩ軸又はＱ軸となす角度を求めることを特徴とする振幅位相変換方法である。
【００１８】
第三の発明によれば、該除算部の除算結果をはさむ２つのアドレスと該除算結果とを用いて２つのアドレスに格納されている角度の補間演算を行なって、当該Ｉ信号とＱ信号に対応する上記Ｉ−Ｑ平面の原点を通る直線がＩ軸又はＱ軸となす角度を求めるので、本発明の振幅位相変換部の規模が大きくなることを防止することができる上に、求めた角度の確からしさを向上させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の振幅位相変換器である。
図１において、１７１はＩ信号とＱ信号を受けて除算を行なう除算部、１７２は除算部１７１が出力する除算値を受けて該除算値の逆正接を近似的に求める近似値変換部、１７３は近似値変換部が出力する位相情報、即ち、該除算値の逆正接を位相情報に変換する位相変換部である。
【００２０】
ここで、除算部１７１の構成は幾つかの選択肢があるが、ＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ：Digital Signal Processor）を用いて除算を行なうのが小型化という観点で最も好ましい。
又、位相変換部１７３の構成は、公知の技術を適用して設計すればよい。
以降、本発明の特徴である近似値変換部を中心に説明を進める。
【００２１】
図３は、Ｉ−Ｑ平面上の基準位相を示す線で、近似値変換部の出力に必要とされる精度に対応する角度差になるように決めればよい。例えば、近似値変換部の出力に必要な精度が８ビットであれば、Ｉ−Ｑ平面の原点を通る等しい角度差の２５６（＝２⁸ ）本の直線を設定すればよく、この場合、各々の直線の角度差は１．４０６２５度（＝３６０／２５６）となる。尚、図３では、図の煩雑化をさけるために３６０度を角度差１０度の直線で分割する例を、第一象限及び第二象限についてだけ示している。
【００２２】
図２は、図１の構成における近似値変換部の格納情報である。
図２において、アドレス、位相角と記載してある如く、近似値変換部の主要構成要素はメモリである。そして、本発明によれば、以降に詳述する如く該メモリの記憶容量を大幅に縮減できる。
図２においては、位相情報に必要な精度が８ビットであるものとして、アドレスと格納する位相角を第一象限だけについて記載してある。この場合、位相情報の精度が８ビットであるので、Ｉ−Ｑ平面を該Ｉ−Ｑ平面の原点を通る等しい角度差の２５６本の直線で分割すればよい。従って、各々の直線の角度差は１．４０６２５度である。そして、第一象限の中では２５６／４＝６４分割されるので、１．４０６２５度の整数倍（但し、この整数は６４以下である。）の位相角が格納される。
【００２３】
この位相角を、除算部が出力するＩ信号とＱ信号の振幅の除算値、即ち、当該Ｉ信号とＱ信号とで決まる符号点が座標軸となす角度の正接を以て検索しようとするので、アドレスは１．４０６２５度の整数倍の位相角の正接に等しく設定する。
例えば、図５の符号点Ｄの場合には、Ｉ軸方向とＱ軸方向の正規化されたレベルを１とすれば、符号点Ｄと原点を結ぶ直線がＩ軸となす角度の正接は
１．５／４．５＝０．３３３３３・・・
であり、この値が除算部から出力される。
【００２４】
しかし、Ｉ−Ｑ平面を分割する直線は２５６本であるので、上記除算値は近似値変換部のアドレスと必ずしも等しくならない。そこで、除算値０．３３３３３を最もよく近似するアドレスを選択して、符号点Ｄと原点とを結ぶ直線がＩ軸となす角度を求める。この場合、図２に示す如く、０．３３０３３５が最も近い値であるので、符号点Ｄと原点を結ぶ直線がＩ軸となす角度を求めるアドレスは０．３３０３３５とする。従って、求める位相角は１８．２８１２５度となり、正確な位相角１８．４３４９５との誤差は０．１５３７０度に過ぎない。
【００２５】
実用上、レベル１の符号領域の中の符号点の位置はほぼ一定に設定できるので、位相角の誤差は上記程度であり、十分な精度が得られると考えられる。このように、符号点のＩ信号とＱ信号の符号は別に処理する方式を採用すれば第一象限だけで位相角を求めることができるので、近似値変換部を構成するメモリは６４ワードの記憶容量があればよく、従来の技術で第一象限だけで処理する場合でも１６．３８４キロ・ワード必要であったのに対して比較にならないほど小規模化できる。
【００２６】
さて、Ｉ−Ｑ平面を２５６分割しているので、符号点がレベル１の符号領域のどこに位置するか判らないという最悪のケースには、求められる位相角の誤差は最大０．７度（＝１．４０６２５／２）程度になりうる。このような最悪のケースを考慮してもＩ−Ｑ平面の分割を１０ビット（１，０２４分割）にすれば誤差を０．１７６度以下に抑圧することができ、これでも近似値変換部を構成するメモリの記憶容量は２５６ワードで済むので、本発明が振幅位相変換器を小規模化する効果は非常に大きい。
【００２７】
尚、ここでは理解しやすいように１０進数で表現しているが、実用的には、アドレスも位相角も２進数で表現するのが通常である。
又、図２では位相角の値に９０度を許容しているので、当該位相角を格納するアドレスは無限大になるように記載しているが、実用的には、２進数表示できる最大の値をアドレスにして、当該アドレスの逆正接を位相角として格納するようにすればよい。
【００２８】
ところで、近似値変換部のメモリの記憶容量を増加させなくても位相角の近似度を向上させることが可能であるので、以降この技術を説明する。
先の例では除算部の出力が０．３３３３３で等しいアドレスが存在しないので最も近似度がよい０．３３０３５５をアドレスに決めて当該アドレスに格納されている位相角１８．２８１２５度を以て所要の位相角としたが、更に精度を高めるには除算値０．３３３３３とその前後のアドレス０．３０３３４７、０．３５７８０６との関係から、アドレス０．３０３３４７、０．３５７８０６に格納されている位相角を用いて補間して除算値０．３３３３３に対応する位相角とすればよい。
【００２９】
演算自体は簡単なので詳細は記載しないが、この場合には、（１６．８７５＋１．５４６７５）＝１８．４２１７５度となり、誤差は０．０１３２度と非常に縮小される。従って、上記の如く補間をすれば誤差は殆ど無視しうるものとなり、しかも、近似値変換部を構成するメモリの記憶容量を増加させる必要がないという効果が生ずる。
【００３０】
上記のように、近似値変換部を構成するメモリの記憶容量を大幅に縮減できた最大の理由は、レベル１の符号領域でＩ−Ｑ平面を分割して、Ｉ信号とＱ信号の組み合わせからなるアドレスによって位相角を求めずに、Ｉ−Ｑ平面を等しい角度差の直線で分割して、分割したどの領域に所要の位相角があるかによって位相角を求めるようにしたことであるが、これは、前者の場合には位相角が同一になる場合も全てメモリに格納しておく必要があるのに対して、後者の場合には位相角が同一になるケースは予め削除できることを利用したものである。
【００３１】
最後に、上では、Ｉ軸を位相角の基準とし、Ｑ信号のレベルをＩ信号のレベルで除算した値を使って位相角を求める例を説明したが、Ｑ軸を位相角の基準とし、Ｉ信号のレベルをＱ信号のレベルで除算した値を使って位相角を求めることもできることを付言しておく。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明により、多値ＱＡＭ方式の受信機における振幅位相変換器を小規模化することが可能になり、該振幅位相変換器を用いることにより簡易に振幅位相変換を行なうことが可能になる。
即ち、第一の発明によれば、該近似値演算部は、Ｉ−Ｑ平面の原点を通る等しい角度差の複数の直線がＩ軸又はＱ軸となす角度の正接をアドレスとし、該Ｉ−Ｑ平面の原点を通る等しい角度差の複数の直線がＩ軸又はＱ軸となす角度をデータとして格納している。一方、該除算部が出力するＩ信号とＱ信号との除算結果は当該Ｉ信号とＱ信号に対応する符号点と該Ｉ−Ｑ平面の原点とを結ぶ直線がＩ軸又はＱ軸となす角度の正接である。従って、該除算部の除算結果をアドレスとして当該アドレスに格納されている角度を読み出せば、当該Ｉ信号とＱ信号に対応する符号点と該Ｉ−Ｑ平面の原点とを結ぶ直線がＩ軸又はＱ軸となす角度を求めることができる。そして、このためのアドレス数はＩ信号とＱ信号の双方の値をアドレスとする場合に比較して大幅に少なくできるので、振幅位相変換器の小規模化が可能になる。
【００３３】
又、第二の発明によれば、該除算部の除算結果に等しいアドレスが該近似値変換部になくても、当該Ｉ信号とＱ信号に対応する符号点と該Ｉ−Ｑ平面の原点とを結ぶ直線がＩ軸又はＱ軸となす角度を求めることができる。しかも、任意の符号点において該除算結果が該近似値演算部のアドレスに等しくなるように該近似値演算部のアドレス数を増加させる必要がないので、本発明の振幅位相変換部の規模が大きくなることを防止することができる。
【００３４】
更に、第三の発明によれば、該除算部の除算結果をはさむ２つのアドレスと該除算結果とを用いて２つのアドレスに格納されている角度の補間演算を行なって、当該Ｉ信号とＱ信号に対応する上記Ｉ−Ｑ平面の原点を通る直線がＩ軸又はＱ軸となす角度を求めるので、本発明の振幅位相変換部の規模が大きくなることを防止することができる上に、求めた角度の確からしさを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の振幅位相変換器。
【図２】 図１の構成における近似値変換部の格納情報。
【図３】 Ｉ−Ｑ平面上の基準位相を示す線。
【図４】 従来の振幅位相変換器。
【図５】 多値ＱＡＭにおける符号配置と同一位相になるケース。
【図６】 多値ＱＡＭ受信機の主要部の構成。
【符号の説明】
１１ ハイブリッド
１２ 同期検波器
１２ａ 同期検波器
１３ 搬送波再生回路
１４ 移相器
１５ 多値２値変換器
１５ａ 多値２値変換器
１６ クロック発生回路
１７ 振幅位相変換器
１７１ 除算部
１７２ 近似値変換部
１７３ 位相変換部
１７５ メモリ

Claims (3)

1. 多値ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation)方式の受信機における、Ｉ信号とＱ信号との除算を行なう除算部と、該除算部の除算結果から該除算結果の逆正接の近似値を求める近似値演算部と、該近似値演算部の出力を位相情報に変換する位相変換部とを備える振幅位相変換器であって、
   該近似値演算部は、
   Ｉ−Ｑ平面の原点を通る等しい角度差の複数の直線がＩ軸又はＱ軸となす角度の正接をアドレスとし、該Ｉ−Ｑ平面の原点を通る等しい角度差の複数の直線がＩ軸又はＱ軸となす角度をデータとして格納するメモリを有する
   ことを特徴とする振幅位相変換器。
2. 請求項１に記載の振幅位相変換器を用いて行なう振幅位相変換方法であって、
   上記除算部において、Ｉ信号とＱ信号との除算を行ない、
   上記近似値演算部において、該近似値演算部のアドレスのうち、該除算部の除算結果に最も近い値をもつアドレスを選択して、当該Ｉ信号とＱ信号に対応する上記Ｉ−Ｑ平面の原点を通る直線がＩ軸又はＱ軸となす角度を求め、
   上記位相変化部において、求めた角度を位相情報に変換する
   ことを特徴とする振幅位相変換方法。
3. 請求項２に記載の振幅位相変換方法において、
   上記近似値変換部のアドレスのうち、上記除算部の除算結果をはさむ２つのアドレスと該除算結果とを用いて該２つのアドレスに格納されている角度の補間演算を行なって、
   当該Ｉ信号とＱ信号に対応する上記Ｉ−Ｑ平面の原点を通る直線がＩ軸又はＱ軸となす角度を求める
   ことを特徴とする振幅位相変換方法。

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