JP4591782B2

JP4591782B2 - デジタル受信装置

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Publication number: JP4591782B2
Application number: JP2006238785A
Authority: JP
Inventors: 昌一古川
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2026-09-04
Also published as: JP2008061173A

Description

本発明は、４相ＰＳＫ変調信号を受信するデジタル受信装置にかかり、特に擬似同期発生時にこれを検出し、さらに正規の復号が行われるようにしたデジタル受信装置に関するものである。

ＱＰＳＫ変調された信号を受信して復調復号する従来のデジタル受信装置を図３に示す。図３において、１はアンテナ、２はＶＣＯ、３は９０度移相器、４はＶＣＯ２の出力周波数信号を受信信号に乗算してＩ信号を取り出すミキサ、４は９０度移相器３の出力周波数信号を受信信号に乗算してＱ信号を取り出すミキサ、５，６はローパスフィルタ、７はローパスフィルタ５，６の出力信号を取り込んで、キャリア周波数を抽出し、その抽出周波数と正規周波数との誤差に基づきＶＣＯ２の発振周波数を制御する周波数誤差算出部、９はＩ信号とＱ信号から受信シンボルを復号判定する復号判定部である。

いま、アンテナ１で受信したＱＰＳＫ変調信号Ｓ(t)を

とし、ミキサ４，５に入力するローカル信号l₁,l₂を

とする。ｆは受信信号のキャリア周波数、Δｆは受信信号のキャリア周波数と受信機のローカル周波数との差分（誤差）、θは初期位相誤差である。

ローパスフィルタ６でミキサ４の出力信号から２ｆ成分を除去したとすると、そのローパスフィルタ６の出力信号I(t)は、

となる。

また、ローパスフィルタ７でミキサ５の出力信号から２ｆ成分を除去したとすると、そのローパスフィルタ７の出力信号Q(t)は、

となる。

ここで、Δｆ＝０、θ＝０であれば、

となり、復号判定部９において、正しい復号結果が得られる。

周波数誤差算出部８では、ＡＦＣ（Automatic Frequency Control）手法として、コスタスループ法、逆変調法等が採用されるが、各シンボルの位相誤差の変化から周波数誤差を推定する方法が、デジタル信号処理が容易である。この方法では、検出されたシンボルの象限から本来検出されるべき位相を求め、受信シンボル点のずれの変化から、周波数誤差を求める。

図４に示すように、ＩＱ座標上において、１シンボル目でΔφの位相誤差があり（図４(a)）、２シンボル目で２Δφの位相誤差があり（図４(b)）、３シンボル目で３Δφの位相誤差がある場合（図４(c)）には、１シンボル時間（Ｔ）毎に位相誤差がΔφだけ増加したことになるので、周波数誤差Δｆは、

から求めることができる。なお、Ａは正規シンボル位置、Ｂが受信シンボル位置である。そして、この周波数誤差Δｆに基づきローカル発振器２の発振周波数を制御することにより、Δｆ＝０を実現できる。

ところが、位相誤差Δφが４５度を越えているときは、例えば、図５(a)〜(c)に示すように、受信シンボル位置Ｂが本来の象限の位置Ａとは異なる象限にあると判断され、位相誤差が−Δψ、−Δ２ψ、−３Δψと判断され、本来の受信シンボルが位置Ｃに属するものであると誤判定される。そして、これに基づきローカル発振器２の周波数が制御されるので、誤った同期処理が行われることになる。これは擬似同期と呼ばれる。例えば、シンボル周波数を４．８ｋHz、周波数誤差を１２００Hzとすると、初期位相を合わせれば、Δφ＝９０度（Δψ＝０）となり、常に正しい位置Ｃ（当該象限の４５度位置）にシンボルが来るため、周波数誤差はないものと判断され、その周波数にロックされる。

このように、擬似同期では、必ず再生キャリア周波数がシンボル周波数の1/4だけずれた周波数に同期する。周波数誤差がシンボル周波数の1/8を超えると、擬似同期が発生し易くなる。ARIB STD T61の規格では、キャリア周波数が４００MHｚ帯でシンボル周波数が４．８ｋHzと、キャリア周波数に対してシンボル周波数が低く、このような狭帯域伝送の場合は擬似同期が発生し易くなる。例えば、ローカル発振器の周波数精度が、送信装置および受信装置ともに±１ppmとすると、最大±２ppmの誤差を考慮したＡＦＣを実現する必要がある。このときの周波数誤差の最大値は８００Ｈｚとなり、シンボル周波数の1/8を超える。

このような擬似同期に対する対策として、特許文献１では、擬似同期時の符号の変化から、擬似同期を判定している。前記した式(4),(5)において、θ＝０、Δｆ＝１／4Ｔとすると、

となる。ｎは整数である。

このとき、ｎ＝ｍからｎ＝ｍ＋１に変わったとき、i(nT)、q(nT)の符号が変化しない場合にも、I(nT)、Q(nT)の符号が変化することから、擬似同期を判断している。実際には、ｎ＝ｍとｎ＝ｍ＋１の時刻に、I(t)、Q(t)の符号が同じ場合に、n＝m+1/2の復調結果が０であることから、判定する。
特開２００３−３１９００３号公報

ところが、擬似同期時の符号の変化から擬似同期を判定する手法は、ベースバンド信号がロールオフ整形された場合、n＝m+1/2の復調結果が厳密には０にならないため、また受信機の入力信号の大きさが十分で、ｎ＝ｍとｎ＝ｍ＋１の場合と比較してｎ＝ｍ＋1/2のところの復調出力が十分小さいので、判定可能ではあるが、入力信号が小さくなった場合には、区別が困難になる。また、この手法はＱＰＳＫでは可能であるが、例えば、π/4シフトＤＱＰＳＫでは必ず毎シンボル毎にシンボル位置が遷移し、２シンボルに亘って同じ位置に留まることがないので、使えない。

本発明の目的は、ＱＰＳＫ、ＤＱＰＳＫ、π/4シフトＤＱＰＳＫ等の４相ＰＳＫ変調方式を用いたデジタル変調信号が擬似同期に陥った場合に、検出精度を向上させ、擬似同期による不都合を解消可能としたデジタル受信装置を提供することである。

上記目的を達成するため、請求項１にかかる発明は、４相ＰＳＫの変調信号を受信し、９０度の位相差をもつローカル信号で同期検波してＩ信号とＱ信号に復調し、該Ｉ信号と該Ｑ信号からデータを復号するデジタル受信装置において、予め定められた正規ユニークワードが擬似同期により変形された、擬似同期変形ユニークワードを格納する記憶手段と、復号されたデータが、前記記憶手段から読み出した擬似同期変形ユニークワードと一致するとき、擬似同期が発生していることを検出する擬似同期検出手段と、を備えることを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のデジタル受信装置において、前記記憶手段に格納する擬似同期変形ユニークワードは、前記ローカル信号が前記データシンボル周波数の１／４ずれた周波数のときに復号される１又は複数の擬似同期変形ユニークワードと、前記ローカル信号が前記データシンボル周波数の−１／４ずれた周波数のときに復号される１又は複数の擬似同期変形ユニークワードであることを特徴する。
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載のデジタル受信装置において、前記擬似同期検出手段が擬似同期発生を検出したとき、前記正規ユニークワードが検出されるよう、前記一致した擬似同期変形ユニークワードに応じてＡＦＣ制御を行い前記Ｉ信号と前記Ｑ信号の位相を回転する位相回転手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＱＰＳＫ、ＤＱＰＳＫ、π/4シフトＤＱＰＳＫ等の４相ＰＳＫ変調信号に対し、擬似同期を確実に検出することができ、これに基づき、I信号とQ信号の位相回転を行うことで、正しい復号判定を行わせることができる利点がある。

本発明では、予め定めた正規ユニークワードが擬似同期により変形された、擬似同期変形ユニークワードを受信機に参照基準として備えておいて、擬似同期変形ユニークワードが復号されることを検出することで、擬似同期が発生していることを検出する。そして、その擬似同期の検出に基づいて、ＡＦＣを制御し、正しい周波数に引き込むようにする。

＜第１の実施例＞
図１は本発明のデジタル受信装置の構成を示すブロック図である。１１はアンテナ、１２はローカル発振器、１３は９０度移相器、１４，１５は直交復調用のミキサ、１６，１７はＡ／Ｄ変換器、１８は位相回転部、１９、２０はローパスフィルタ、２１，２２はシンボル点取出部、２３はシンボルクロック再生部、２４は復号判定部、２５は擬似同期検出部、２６は周波数誤差検出部、２７は回転量算出部である。２８はメモリ（ＲＯＭ）であり、予め定めた正規ユニークワード、および該正規ユニークワードが擬似同期により変形された、擬似同期変形ユニークワードが参照基準として格納されている。位相回転部１８、回転量検出部２７および周波数誤差検出部２６は、受信周波数のズレを自動的に調整して安定受信させるＡＦＣを実現する。

アンテナ１１で受信された信号は、２つに分岐された後にミキサ１４，１５で９０度位相差をもつローカル信号と乗算されることで、ベースバンド付近のＩ信号とＱ信号に変換される。ここでは、ローカル信号はキャリア信号と周波数が一致していないので、前記した式(4)、(5)に相当する復調結果が得られる。その後、Ａ／Ｄ変換器１６，１７でデジタル信号に変換されて、位相回転部１８やローパスフィルタ１９，２０を経由した後に、符号の変わり目に同期してシンボルクロック再生部２３で再生されたシンボルクロックによって、シンボル点取出部２１，２２において取り出したシンボル点の位相の正規位相からのズレの単位時間当りの変化量に基づき、周波数誤差算出部２６で周波数誤差（Δｆ）が検出される。そして、その周波数誤差と経過時間Δｔに基づき回転量算出部２７で次のサンプル点での位相回転量ｂ（＝２π×Δｆ×Δｔ）が算出され、この位相回転量ｂだけ位相回転部１８において位相調整を行うことで、次のシンボル以降のシンボルに対して、正しい復調が行われる。Δｔは１／ｆｓ（ｆｓ：サンプリング周波数）である。次のシンボルでは、Δｆの周波数誤差に応じたシンボルの回転を加えた上で、その後の周波数誤差Δｆ’を求め、２π×（Δｆ＋Δｆ’）×Δｔの回転を加えることにより、正しい復調が行われる。以降も同様なシンボルの回転が行われる。

位相回転部１８では、回転量算出部２７から指示される位相回転量をｂとし、位相回転部１８の入力信号をｉIN、ｑINとし、出力信号をｉOUT、ｑOUTとすると、

なる処理が行われる。

差動符号化を行わないＱＰＳＫの場合、例えば、２値のデータ列を・・、ａ_n−1、ａ_n、ａ_n＋1、・・とするとき、２ビットづつ切り出し、Ｘk、Ｙkとする場合、下記のようにマッピングし、変調して送信される（図２参照）。

そこで、復号判定部２４では、上記符号化則から、（Ｘｋ、Ｙｋ）を求め、元のデータ列を得る。

前記した式(4)、(5)において、周波数誤差がΔｆ＝１／４Ｔのときは、

となって、擬似同期の場合の復号結果が得られる。

ここで、θ＝０として、ｔ＝０，Ｔ，２Ｔ，３Ｔ（I、II、III、V)を考えると、上記のように周波数がΔｆ＝１／４Ｔだけずれた擬似同期では、そのときの位相によって、下記のいずれかに復調される。「正しい復調結果」は式(4)、(5)による場合、「擬似同期」は(4’)、(5’)による場合である。この「擬似同期」では、復調結果の符号又はＩ，Ｑが入れ替わることになる。なお、ｔ＝４Ｔの場合はｔ＝０の場合と同じになる。

周波数誤差がΔｆ＝１／４Ｔのときの擬似同期の復号結果は、次の通りとなる。この表は、受信したＩ，Ｑ信号と復号される信号を対応づける表で、例えば、Ｉの場合では（Ｉ，Ｑ）＝（１，１）を受信したときは、図２のマッピング則に従って（０，０）が復号されることを示す。

ここで、正規ユニークワードとして、「５２Ａ３」という値を受信した場合は、次の通りとなる。例えば、「５」を受信したとき、Ｉの状態では「０１０１ｂ」となるが、IIの状態では「１０１０ｂ」＝「０Ah」に見えてしまい、IIIの状態では「１０１０ｂ」、IVの状態では「０１０１ｂ」＝「５」となってしまう。ｂは２進数、ｈは１６進数を意味する。なお、８シンボル（１６ビット値）を伝送したときは、先頭のシンボルがＩの場合、２シンボル目はII、３シンボル目はIII、４シンボル目はIV、５シンボル目はI、・・・となる。

したがって、復号される疑似同期変形ユニークワードは、
先頭シンボルがIのとき、 01 01 00 10 10 10 00 11
→01 10 11 10 10 01 11 00 (=6E9B)
先頭シンボルがIIのとき、 01 01 00 10 10 10 00 11
→10 00 00 10 01 11 00 11 (=AE5F)
先頭シンボルがIIIのとき、01 01 00 10 10 10 00 11
→10 01 00 01 01 10 00 11 (=9163)
先頭シンボルがIVのとき、 01 01 00 10 10 10 00 11
→01 01 00 10 10 10 00 00 (=52A0)
となる。

以上から、正規ユニークワードとして「５２Ａ３」を受信する場合のΔｆ＝１／４Ｔの検出用として、上記した擬似同期変形ユニークワード「６Ｅ９Ｂ」、「ＡＥ５Ｆ」、「９１６３」、「５２Ａ０」を予めメモリ２８に格納しておいて、ユニークワード復号時の復号結果がそのいずれかと一致するとき、擬似同期検出部２５により擬似同期が発生したと検出する。このときは、周波数誤差がΔｆ＝１／４Ｔであるので、その周波数誤差を示す信号を擬似同期検出部２５から周波数誤差算出部２６に送る。擬似同期が発生したときは、擬似同期を検出したときのＡＦＣが補正している周波数誤差からさらにΔｆ＝１／４Ｔの周波数誤差が存在するので、周波数誤差算出部２６では、擬似同期を検出したときのローカル周波数の周波数誤差にさらにΔｆ＝１／４Ｔの周波数誤差を加算して新しい周波数誤差として、回転量算出部２７に送り、回転量算出部２７で回転量を算出して、前記周波数誤差に対応する回転量を位相回転部１８にセットすれば良い。

一方、前記した式(4)、(5)において、周波数誤差がΔｆ＝−１／４Ｔのときは、

となって、擬似同期の場合の復号結果が得られる。

ここでも、θ＝０として、ｔ＝０，Ｔ，２Ｔ，３Ｔを考えると、上記のように周波数誤差がΔｆ＝−１／４Ｔのときの擬似同期では、そのときの位相によって下記のいずれかに復調される。このときは、復調結果の符号又はＩ，Ｑが入れ替わることになる。なお、ｔ＝４Ｔの場合はｔ＝０の場合と同じになる。

そして、図２のマッピングに合わせて読み出すと、擬似同期の復号結果は、次の通りとなる。この表は、受信したＩ，Ｑ信号と復号される信号を対応づける表で、例えば、Ｉの場合では（Ｉ，Ｑ）＝（１，１）を受信したときは、図２のマッピング則に従って（０，０）が復号されることを示す。

また、正規ユニークワードとして、「５２Ａ３」という値を伝送した場合は、次の通りとなる。

したがって、復号される疑似同期変形ユニークワードは、
先頭シンボルがIのとき、 01 01 00 10 10 10 00 11
→01 01 11 01 10 10 11 11 (=5DAF)
先頭シンボルがIIのとき、 01 01 00 10 10 10 00 11
→01 10 00 10 10 01 00 11 (=6293)
先頭シンボルがIIIのとき、01 01 00 10 10 10 00 11
→10 10 00 10 01 01 00 00 (=A250)
先頭シンボルがIVのとき、 01 01 00 10 10 10 00 11
→10 01 11 01 01 10 10 11 (=9D6B)
となる。

以上から、正規ユニークワードとして「５２Ａ３」を受信する場合のΔｆ＝−１／４Ｔの検出用として、上記した疑似同期変形ユニークワード「５ＤＡＦ」、「６２９３」、「Ａ２５０」、「９Ｄ６Ｂ」を予めメモリ２８に格納しておいて、そのいずれかを検出したとき、擬似同期検出部２５により擬似同期が発生したと検出する。このときは、周波数誤差がΔｆ＝−１／４Ｔであるので、その周波数誤差を示す信号を擬似同期検出部２５から周波数誤差算出部２６に送って、その周波数誤差算出部２６で、擬似同期を検出したときのＡＦＣが補正している周波数誤差に、Δｆ＝−１／４Ｔの周波数誤差を加えた新たな周波数誤差を生成して、回転量算出部２７に送り、回転量算出部２７で回転量を算出して、前記周波数誤差に対応する回転量を位相回転部１８にセットすれば良い。

＜第２の実施例＞
次に、差動符号化されたπ/4シフトＤＱＰＳＫの変調信号の場合を考える。２値のデータ列を、・・・ａ_n−1、ａ_n、ａ_n＋1、・・・とするとき、２ビットずつ切り出し、Ｘｋ、Ｙｋとする場合、下記のようにマッピングする。

ただし、

この変調信号は下記の通り復調される。

このとき、周波数がΔｆ＝１／４Ｔだけずれて擬似同期したときは、各シンボルの位置は、段落００２３の表に基づいた段落００２４と同様に、下記の通りとなる。

正規ユニークワードとして、「５２Ａ３」を受信したとき（但し、１シンボル前の位相を０度（Ｉ_k1＝１，Ｑ_k1＝０）とする）、８シンボルの正しいシンボル点の座標は下記の通りである。なお、下の表で、１，２，・・・，８は、１シンボル目、２シンボル目、・・・、８シンボル目を表す。

この信号をＴ／４だけ外れた周波数のローカル信号で同期検波したときは、下記のように復調される。まず、先頭がIのときは、１シンボル目がＩ、２シンボル目がII、・・・となり、

となり、これを差動復号すると、(16)~(21)式に従って、「４ＢＦ９」となる。

先頭がIIのときは、

となり、これを差動復号すると、(16)~(21)式に従って、「ＣＢＦ９」となる。

先頭がIIIのときは、

となり、これを差動復号すると、(16)~(21)式に従って、「８ＢＦ９」となる。

先頭がIVのときは、

となり、これを差動復号すると、(16)~(21)式に従って、「０ＢＦ９」となる。

以上から、π/４シフトＤＱＰＳＫ変調された正規ユニークワードとして「５２Ａ３」を受信する場合のΔｆ＝１／４Ｔの検出用として、上記した擬似同期変形ユニークワード「４ＢＦ９」、「ＣＢＦ９」、「８ＢＦ９」、「０ＢＦ９」を予めメモリ２８に格納しておいて、そのいずれかを検出したとき、擬似同期検出部２５により擬似同期が発生したと検出する。このときは、周波数誤差がΔｆ＝１／４Ｔであるので、その周波数誤差を示す信号を擬似同期検出部２５から周波数誤差算出部２６に送って、その周波数誤差算出部２６で、擬似同期を検出したときのＡＦＣが補正している周波数誤差に、Δｆ＝１／４Ｔの周波数誤差を加えた新たな周波数誤差を生成して、回転量算出部２７に送り、回転量算出部２７で回転量を算出して、前記周波数誤差に対応する回転量を位相回転部１８にセットすれば良い。

一方、周波数がΔｆ＝−１／４Ｔだけずれて擬似同期したときは、各シンボルの位置は下記の通りとなる。

前記したユニークワード「５２Ａ３」を−Ｔ／４だけはずた周波数のローカル信号で同期検波したときは、下記のように復調される。まず、先頭がIのときは、

となり、これを差動復号すると、(16)~(21)式に従って、「７４０６」となる。

先頭がIIのときは、

となり、これを差動復号すると、(16)~(21)式に従って、「Ｆ４０６」となる。

先頭がIIIのときは、

となり、これを差動復号すると、(16)~(21)式に従って、「Ｂ４０６」となる。

先頭がIVのときは、

となり、これを差動復号すると、、(16)~(21)式に従って、「３４０６」となる。

以上から、π/４シフトＤＱＰＳＫ変調された正規ユニークワードとして「５２Ａ３」を受信する場合のΔｆ＝−１／４Ｔの検出用として、上記した擬似同期変形ユニークワード「７４０６」、「Ｆ４０６」、「Ｂ４０６」、「３４０６」を予めメモリ２８に格納しておいて、ユニークワード復号時の復号結果がそのいずれかと一致するとき、擬似同期検出部２５により擬似同期が発生したと検出する。このときは、周波数誤差がΔｆ＝−１／４Ｔであるので、その周波数誤差を示す信号を擬似同期検出部２５から周波数誤差算出部２６に送って、その周波数誤差算出部２６で、擬似同期を検出したときのＡＦＣが補正している周波数誤差に、Δｆ＝−１／４Ｔの周波数誤差を加えた新たな周波数誤差を生成して、回転量算出部２７に送り、回転量算出部２７で回転量を算出して、前記周波数誤差に対応する回転量を位相回転部１８にセットすれば良い。

本発明の実施例のデジタル受信装置の構成を示すブロック図である。ＱＰＳＫの符号点配置の説明図である。従来のデジタル受信装置の構成を示すブロック図である。キャリア周波数に対してローカル周波数がずれているときのシンボルの遷移の説明図である。ローカル周波数がシンボル周波数の1/4以上ずれているときのシンボルの遷移の説明図である。

Claims

４相ＰＳＫの変調信号を受信し、９０度の位相差をもつローカル信号で同期検波してＩ信号とＱ信号に復調し、該Ｉ信号と該Ｑ信号からデータを復号するデジタル受信装置において、
予め定められた正規ユニークワードが擬似同期により変形された、擬似同期変形ユニークワードを格納する記憶手段と、
復号されたデータが、前記記憶手段から読み出した擬似同期変形ユニークワードと一致するとき、擬似同期が発生していることを検出する擬似同期検出手段と、
を備えることを特徴とするデジタル受信装置。
請求項１に記載のデジタル受信装置において、
前記記憶手段に格納する擬似同期変形ユニークワードは、前記ローカル信号が前記データシンボル周波数の１／４ずれた周波数のときに復号される１又は複数の擬似同期変形ユニークワードと、前記ローカル信号が前記データシンボル周波数の−１／４ずれた周波数のときに復号される１又は複数の擬似同期変形ユニークワードであることを特徴するデジタル受信装置。
請求項１又は２に記載のデジタル受信装置において、
前記擬似同期検出手段が擬似同期発生を検出したとき、前記正規ユニークワードが検出されるよう、前記一致した擬似同期変形ユニークワードに応じてＡＦＣ制御を行い前記Ｉ信号と前記Ｑ信号の位相を回転する位相回転手段を備えることを特徴とするデジタル受信装置。