JP4730219B2

JP4730219B2 - 同期検波復調装置

Info

Publication number: JP4730219B2
Application number: JP2006163152A
Authority: JP
Inventors: 直也今橋; 潤寧馬場; 正和帆足; 堅士山本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2026-06-13
Also published as: JP2007336033A

Description

本発明は、主にディジタルデータを無線伝送するため、ディジタル信号により位相変調または周波数変調された伝送信号の復調を行う同期検波復調装置に関する。

近年、ブロードバンド通信の普及にともない、家庭内やオフィスで簡単にネットワークを構築して大量なデータのやりとりを行う通信が可能となってきた。また、データを手軽に扱える通信手段としてディジタル無線による通信が機器の低価格化、および小型化により急速に普及してきている。このような通信技術の発展により、パソコン等の情報データから家庭内の画像、音声データまで無線通信による情報のやりとりが容易に実現する環境が整いつつある。

ディジタル無線通信における復調方式として遅延検波方式または同期検波方式が用いられている。同期検波方式は、遅延検波方式より構成がやや複雑となるが、ビット誤り率特性が優れており、この例として例えば（特許文献１）にπ／４シフトＱＰＳＫ（ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）の同期検波復調装置が開示されている。同期検波復調装置には、受信信号の搬送波と等しい位相を持った正弦波すなわち再生搬送波が必要であり、これを作る回路すなわち搬送波再生回路が含まれる。具体的な搬送波再生回路としては例えば（特許文献２）に逆変調器を用いたものが開示されている。また、同期検波方式による復調装置は、入力信号である受信信号をヘテロダイン混合回路により低い搬送周波に変換した信号すなわち中間周波信号を再生搬送波信号で直交復調する方式がかつてはよく用いられた。しかし、今日では、上記（特許文献１）に示されているように、準同期検波すなわち受信信号の搬送波と周波数が等しく位相が非同期の局部発振信号により直交検波して一旦ベースバンドへ変換し、ディジタル信号処理により復調する方式がよく用いられている。また、受信開始時の検波特性を改善した装置として、（特許文献３）に用いられる同期検波方式が用いられている。

図７は従来の同期検波復調装置の構成図である。図７において、同期検波復調装置は、分配器４０１、準同期検波部４０２、逆変調器４１８、リミッタ４１９、ローパスフィルタ４２０、複素乗算器４１０、判定部４１１、１シンボル遅延器４１５、減算器４１３、ミキサ４０３，４０４、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）４０６，４０７、局部発振器４０５、Ａ／Ｄ変換器４０８，４０９、１シンボル遅延器４１６，４１７を有している。図７に示すように、差動復号部４１２は、１シンボル遅延器４１５と、１シンボル遅延器４１５の入力を切り換えるスイッチ４１４および減算器４１３から成り、判定部４１１から出力される判定位相信号をもとに同期検波モード動作時には、前信号までの位相追従動作にて信号追従が行われる。また、上記１シンボル遅延器４１６，４１７、逆変調器４１８、リミッタ４１９、ＬＰＦ４２０は搬送波再生部を構成する。この構成を持つ同期検波復調装置では、図２に示す、プリアンブル部２０２、物理層ヘッダ部２０３、ペイロード部２０４からなるディジタル信号の物理層パケットデータ２０１のデータのプリアンブル部２０２の期間中、受信開始時は１シンボル遅延器４１５の出力を０に固定して遅延検波器として動作を行い、動作が安定した際には判定部４１１の判定位相信号をもとに同期検波動作を行うことで、装置全体の動作安定を図った装置を提供するものである。
特開平６−９０２６２号公報特開平５−２６０１０６号公報特開平１０−２２４４１６号公報

しかしながら、図７に示す従来の同期検波復調装置は、受信開始直後の再生ベースバンド搬送波信号が搬送波位相へ収束するまでの時間を短縮化する効果はあるが、受信中の雑音による位相追従の点では、位相追従誤差が吸収するには不十分な問題があった。無線通信においては、通信中に通信環境の変化による搬送波位相の変動や、受信信号のフェージングの影響等、様々な環境変化により受信性能の劣化が有線の通信に比べて激しく、これらの通信環境を考慮した安定的な受信装置が要望されている。

本発明は、同期およびＡＦＣ動作の不具合をなくし、常に正常な信号復調を行うことが可能となり、通信品質を損なうことなく効率的な無線通信を行うことのできる同期検波復調装置を提供することを目的とする。

本発明は、ディジタル無線通信システムの受信装置において無線復調された受信信号をディジタルベースバンド信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器が出力するディジタルベースバンド信号を位相補正するベクターローテート処理部と、ベクターローテート処理部で位相補正されたディジタルベースバンド信号について拡散信号の復調処理を行うことにより、周波数および位相成分を抽出する第１の復調部と、Ａ／Ｄ変換器が出力する、位相補正されていないディジタルベースバンド信号について拡散信号の復調処理を行うことにより、周波数および位相成分を抽出する第２の復調部と、第２の復調部で復調されたディジタルベースバンド信号の位相を検知するアークタンジェント演算部と、アークタンジェント演算部で検知された位相から、復調シンボルデータに応じて位相変移を抽出する同期検波およびＡＦＣ処理部とを備え、ベクターローテート処理部は、同期検波およびＡＦＣ処理部で抽出された位相変移に追従して位相を回転させることにより、Ａ／Ｄ変換器が出力するディジタルベースバンド信号を位相補正することを主要な特徴とする。

本発明の同期検波復調装置は、時々刻々と変化する無線通信環境において、マルチパスやフェージングの影響を受けた信号においても復調処理にて外乱の影響のない正しい位相を復調し、送信受信間の位相の変化を正しく抽出することが可能となるため、同期およびＡＦＣ動作の不具合をなくし、常に正常な信号復調を行うことが可能となり、通信品質を損なうことなく効率的な無線通信を提供する効果をもたらす。

本発明は、同期およびＡＦＣ動作の不具合をなくし、常に正常な信号復調を行うことが可能となり、通信品質を損なうことなく効率的な無線通信を行うことのできる同期検波復調装置を提供するという目的を、ディジタル無線通信システムの受信装置において無線復調された受信信号をディジタルベースバンド信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器が出力するディジタルベースバンド信号を位相補正するベクターローテート処理部と、ベクターローテート処理部で位相補正されたディジタルベースバンド信号について拡散信号の復調処理を行うことにより、周波数および位相成分を抽出する第１の復調部と、Ａ／Ｄ変換器が出力する、位相補正されていないディジタルベースバンド信号について拡散信号の復調処理を行うことにより、周波数および位相成分を抽出する第２の復調部と、第２の復調部で復調されたディジタルベースバンド信号の位相を検知するアークタンジェント演算部と、アークタンジェント演算部で検知された位相から、復調シンボルデータに応じて位相変移を抽出する同期検波およびＡＦＣ処理部とを備え、ベクターローテート処理部は、同期検波およびＡＦＣ処理部で抽出された位相変移に追従して位相を回転させることにより、Ａ／Ｄ変換器が出力するディジタルベースバンド信号を位相補正することにより実現した。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、ディジタル無線通信システムの受信装置において無線復調された受信信号をディジタルベースバンド信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器が出力するディジタルベースバンド信号を位相補正するベクターローテート処理部と、ベクターローテート処理部で位相補正されたディジタルベースバンド信号について拡散信号の復調処理を行うことにより、周波数および位相成分を抽出する第１の復調部と、Ａ／Ｄ変換器が出力する、位相補正されていないディジタルベースバンド信号について拡散信号の復調処理を行うことにより、周波数および位相成分を抽出する第２の復調部と、第２の復調部で復調されたディジタルベースバンド信号の位相を検知するアークタンジェント演算部と、アークタンジェント演算部で検知された位相から、復調シンボルデータに応じて位相変移を抽出する同期検波およびＡＦＣ処理部とを備え、ベクターローテート処理部は、同期検波およびＡＦＣ処理部で抽出された位相変移に追従して位相を回転させることにより、Ａ／Ｄ変換器が出力するディジタルベースバンド信号を位相補正することを特徴とする同期検波復調装置である。

この第１の発明においては、ディジタル通信の変調方式として一般的な拡散方式を用いた通信において、拡散信号の復調処理により周波数および位相成分を抽出することにより復調を行うため、シンボル内での位相誤差は信号再生時に拡散され、Ｓ／Ｎ劣化を排除することにより、位相誤差が外乱の影響を受けず、送信受信間の位相変移分のみ抽出可能となることで、シンボル誤りが生じない同期検波復調装置を提供することを可能としたものである。

上記課題を解決するためになされた第２の発明は、第１の発明の同期検波復調装置において、同期検波およびＡＦＣ処理部の入力位相信号を確定する手段として、第２の復調部を使用し、ディジタルベースバンド信号を拡散復調部にてデータ復調し、抽出された自己相関信号特性をもとに位相角度を復調することを特徴とする。これにより、位相角度を正確に復調することができる。

上記課題を解決するためになされた第３の発明は、第１または第２の発明の同期検波復調装置において、第２の復調部における拡散信号の復調処理は、バーカー復調処理を用いたことを特徴とする。バーカー復調処理により、復調データの自己相関特性に基づく復調を行うため、位相角度を正確に復調することができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による無線通信システム構成例を示した図、図２は本発明の実施の形態１による無線通信のパケット構成を示した図、図３は本発明の実施の形態１による同期検波復調装置の構成例を示した図、図４は本発明の実施の形態１による相関器のバーカーコードを示した図、図５は本発明の実施の形態１による相関器の自己相関特性を示した図、図６は本発明の実施の形態１による同期検波復調の動作を示したフローチャートである。

本実施の形態における同期検波復調装置は、例えば家庭内や比較的小規模オフィス内などで映像データ、音声データやコンピュータ用データなどの送受信を行うシステムとして構成された無線ネットワークシステムに使われる無線ＬＡＮの通信方式を用いたシステムに適用したものである。ここでは、無線通信システムとして代表的な無線ＬＡＮシステムを例に説明を行う。

まず、無線通信システム全般のシステム構成を示す図１において、送信機１０１で通信するための送信データ１０３は送信制御部１０４にて、図２に示される通信用のパケットデータに形成される。

一般的な無線通信は図２で構成される物理層パケットデータ２０１を１つの塊として通信される。図２で示されたパケット構成において、まず１つの塊としての物理層パケットデータ２０１は、受信のタイミング同期を調整するプリアンブル部２０２、パケットの送信先アドレス等制御情報である物理層ヘッダ部２０３、実際の物理層データであるペイロード部２０４から構成される。また前記物理層データであるペイロード部２０４はデータリンク層パケット２０５であり、制御情報であるデータリンク層ヘッダ部２０６と送信するユーザーデータであるパケットボディ２０７とパケットの誤り検査を行うＦＣＳ（ＦｒａｍｅＣｈｅｃｋＳｅｑｕｅｎｃｅ）２０８から構成される。

物理層パケットデータ２０１を送信高周波部１０５で無線通信用にディジタル変調と無線周波数変調を行い、無線キャリア周波数に乗せて送信アンテナ１０６で空間上に電波１０７として伝送する。受信機１０２では、送信機１０１で生成された電波１０７による信号を受信機側の受信アンテナ１０８で受信し、受信高周波部１０９で無線変調された信号を復調し、受信制御部１１０でディジタル復調を行い、物理層パケットデータ２０１を復調する。この物理層パケットデータ２０１から受信データ１１１を再生することで、無線通信が実現される。

無線通信においては、送信と受信で使われる基準周波数は完全に一致しておらず、この周波数のずれと位相のずれを吸収する機能として受信の信号処理であるＡＦＣ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｔｒｏｌ）および信号検波方式が使用される。また、空間上で通信される無線通信においては、伝送路上におけるマルチパスやフェージングによる影響で、周波数・位相特性の劣化が起こるとともに、同一周波数の干渉による信号劣化等様々な信号劣化が時々刻々と起こることが想定され、この影響においても周波数および位相の変化が受信側であらわれるとともに、受信での検波誤りを招く要因にもなっている。したがって、送信、受信の基準周波数および位相のずれの吸収と外部環境による信号劣化にともなう周波数および位相のずれをなくし、受信性能の確保を図る手段が重要となる。

本発明の実施の形態に係る同期検波復調装置の構成図を図３に示す。図３において、本実施の形態の同期検波復調装置は、無線復調された受信信号をそれぞれＩ（同相チャネル）とＱ（直交チャネル）のディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３０１，３０２、バーカー相関信号の復号をもとに復号化を行うバーカー復調部３０３、受信信号の位相成分を抽出するアークタンジェント演算部３０４、送信信号の周波数誤差と位相変移に追従して受信信号の位相を回転させるベクターローテート処理部３０５、受信信号を無線区間での波形干渉を排除する処理として波形成形を行う等化器３０６、波形成形された信号に対しバーカー相関信号の復号をもとに復号化を行うバーカー復調部３０７、この信号をＰＳＫ（ＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）復調するＰＳＫ復調部３０８、アークタンジェント演算部３０４で演算された角度信号と受信信号のＰＳＫ復調部３０８で復調された前シンボルの位相信号を入力してアークタンジェント演算部３０４で抽出された位相信号から送信と受信間の周波数オフセットと位相誤差を抽出するＰＳＫ逆変調部３１０、その信号から高周波成分を除去して絶対位相を抽出するＬＰＦ（ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）３１１、ＬＰＦ３１１の出力信号を１シンボル分遅延させる１シンボル遅延器３１２、ＬＰＦ３１１の出力信号から１シンボル遅延器３１２の信号を減算する減算器３１３、減算器３１３の信号のノイズ成分を除去するＬＰＦ３１４、ＬＰＦ３１４の信号を所定時間遅延させる遅延器３１５よりなっている。これらのＰＳＫ逆変調部３１０、ＬＰＦ３１１、１シンボル遅延器３１２、減算器３１３、ＬＰＦ３１４および遅延器３１５により、同期検波およびＡＦＣ処理部３０９が構成されている。

この図３において、無線復調されベースバンドに変換された受信信号は、Ａ／Ｄ変換器３０１，３０２でＩ（同相チャネル）とＱ（直交チャネル）のディジタル信号に変換される。上記Ｉ，Ｑ信号をもとに無線通信として使われる拡散符号のひとつであるバーカー相関信号の復号をもとに、バーカー復調部３０３でバーカー信号の復号化が行われる。

ここで無線ＬＡＮシステムにおいて使われる相関符号の一種であるバーカーコードについて説明する。バーカーコードのコードパターンを示した図４において、バーカーコードは、１１チップの固定パターンをもつ１１ビットの符号長を有し、これを用いて送信、受信同一のデータパターンで１シンボルについての符号化および復号化を行う。受信側では、送信側と同一のデータパターンで復調を行う。この結果、図５に見られる自己相関信号が導き出され、シンボルデータが再生される。すなわち、図５（ａ）は無線通信環境が良好な場合を示しており、自己相関信号は送信データと同じ波形に復号されている。図５（ｂ）は無線通信環境が劣悪な場合を示しており、送信データの原波形以外に外乱等によるノイズが混入していても、自己相関信号にはノイズが抑制された原波形が復調されている。この自己相関特性の強い信号をもとに送信受信の周波数および位相の変化を抽出することにより、無線環境で発生するフェージングやマルチパス等外乱の影響を排除した信号による周波数および位相検波を行うことが可能となる。

図３に戻って、バーカー復調部３０３で外乱の影響を排除された受信信号はアークタンジェント演算部３０４で受信信号の位相成分が抽出される。この位相成分をもとに同期検波およびＡＦＣ処理部３０９にて送信受信間の周波数および位相誤差を抽出し、受信検波を施す。具体的な処理としては、前記アークタンジェント演算部３０４で演算された角度信号と受信信号のＰＳＫ復調部３０８で復調された前シンボルの位相信号をＰＳＫ逆変調部３１０に入力し、アークタンジェント演算部３０４で抽出された位相信号から前シンボルの変調位相を引くことによりＰＳＫ変調成分が取り除かれ、送信と受信間の周波数オフセットと位相誤差が抽出される。この信号をもとにＬＰＦ３１１で絶対位相を抽出する。減算器３１３で、１シンボル遅延器３１２を通した信号を現信号から減算することで、シンボル間の周波数偏移の影響を排除し、ＬＰＦ３１４で再度ノイズ成分を排除することにより、送信と受信間の周波数誤差を正確に抽出する。この信号を時間調整する処理として遅延器３１５で時間調整を行う。この一連の同期検波およびＡＦＣ処理部３０９で抽出された位相信号をもとにベクターローテート処理部３０５にてシンボルごとに送信信号の周波数誤差と位相変移に追従して位相を回転させることにより、送信周波数に追従した受信信号に変換する。このデータを無線区間での波形干渉を排除する処理として等化器３０６で波形成形され、バーカー復調部３０７で拡散された信号の復調が行われる。この信号をＰＳＫ復調部３０８にてディジタル変調された信号を復調することで、データ再生が行われる。

次に、図６のフローチャートにもとづき、処理の流れを説明する。受信機で受信されたデータは、無線高周波部で復調され、ベースバンド信号に受信データが復調された後、バーカー復調部にて受信信号の受信位相を抽出する（Ｓ１１）。この位相データから変調位相を差し引くことにより、送信受信間の位相誤差を導き出す（Ｓ１２）。この信号をもとに、外乱による周波数誤差の除去と前シンボルとの位相誤差を抽出する。これら一連の処理により、ＡＦＣおよび同期検波復調が行われる。この抽出された位相をもとに受信信号の位相を回転させることにより、送信周波数との周波数および位相の追従を行う（Ｓ１３）。この結果、無線環境での外乱の影響が排除された信号再生が正常に行われ、エラーのないデータが抽出される。

以上のように、本実施の形態の同期検波復調装置は、送信および受信間の周波数と位相誤差の抽出と無線区間による時間の経過に応じた通信エラーの状況や干渉の傾向が変化していく無線通信環境に対しても、周波数追従が可能となり、無線の受信装置の受信処理を正常に保つことが可能となる。この結果、限られた通信帯域を有効に利用することが可能となるとともに、画像や音声などリアルタイムな通信システムに対しても好適な通信を提供することが可能となる。

また、本実施の形態で用いた同期検波復調装置は、バーカーコードを使用して送信および受信間の周波数と位相誤差の抽出を行った。これは、自己相関特性の強いコードを用いることで実現したものであり、自己相関特性の強いコード、例えばＣＣＫ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＣｏｄｅＫｅｙｉｎｇ）を用いて実現することも可能である。

さらに、本実施の形態は無線通信システムに関するものであるが、家庭内にある画像、音声等のパッケージメディア（ＣＤ等）に限定するものでなく、データ通信やディジタル放送等のリアルタイム通信や電話等の双方向性リアルタイム通信であってもよい。

本発明は、携帯電話や無線ＬＡＮ用の電子機器、家庭内データ配信装置（ＳＴＢ）はもとより、画像、音声、データ、電話等を無線で配信する無線通信システムを実現する用途にも適応できる。

本発明の実施の形態１による無線通信システム構成例を示した図本発明の実施の形態１による無線通信のパケット構成を示した図本発明の実施の形態１による同期検波復調装置の構成例を示した図本発明の実施の形態１による相関器のバーカーコードを示した図本発明の実施の形態１による相関器の自己相関特性を示した図本発明の実施の形態１による同期検波復調の動作を示したフローチャート従来の同期検波復調装置の構成図

符号の説明

１０１送信機
１０２受信機
１０３送信データ
１０４送信制御部
１０５送信高周波部
１０６送信アンテナ
１０７電波
１０８受信アンテナ
１０９受信高周波部
１１０受信制御部
１１１受信データ
２０１物理層パケットデータ
２０２プリアンブル部
２０３物理層ヘッダ部
２０４ペイロード部
２０５データリンク層パケット
２０６データリンク層ヘッダ部
２０７パケットボディ
２０８ＦＣＳ
３０１Ａ／Ｄ変換器
３０２Ａ／Ｄ変換器
３０３バーカー復調部
３０４アークタンジェント演算部
３０５ベクターローテート処理部
３０６等化器
３０７バーカー復調部
３０８ＰＳＫ復調部
３０９同期検波およびＡＦＣ処理部
３１０ＰＳＫ逆変調部
３１１ＬＰＦ
３１２１シンボル遅延器
３１３減算器
３１４ＬＰＦ
３１５遅延器
４０１分配器
４０２準同期検波部
４０３ミキサ
４０４ミキサ
４０５局部発振器
４０６ＬＰＦ（ローパスフィルタ）
４０７ＬＰＦ（ローパスフィルタ）
４０８Ａ／Ｄ変換器
４０９Ａ／Ｄ変換器
４１０複素乗算器
４１１判定部
４１２差動復号部
４１３減算器
４１４スイッチ
４１５１シンボル遅延器
４１６１シンボル遅延器
４１７１シンボル遅延器
４１８逆変調器
４１９リミッタ
４２０ＬＰＦ（ローパスフィルタ）

Claims

ディジタル無線通信システムの受信装置において無線復調された受信信号をディジタルベースバンド信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力するディジタルベースバンド信号を位相補正するベクターローテート処理部と、
前記ベクターローテート処理部で位相補正されたディジタルベースバンド信号について拡散信号の復調処理を行うことにより、周波数および位相成分を抽出する第１の復調部と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力する、位相補正されていないディジタルベースバンド信号について拡散信号の復調処理を行うことにより、周波数および位相成分を抽出する第２の復調部と、
前記第２の復調部で復調されたディジタルベースバンド信号の位相を検知するアークタンジェント演算部と、
前記アークタンジェント演算部で検知された位相から、復調シンボルデータに応じて位相変移を抽出する同期検波およびＡＦＣ処理部とを備え、
前記ベクターローテート処理部は、前記同期検波およびＡＦＣ処理部で抽出された位相変移に追従して位相を回転させることにより、前記Ａ／Ｄ変換器が出力するディジタルベースバンド信号を位相補正することを特徴とする同期検波復調装置。
請求項１記載の同期検波復調装置において、前記同期検波およびＡＦＣ処理部の入力位相信号を確定する手段として、前記第２の復調部を使用し、前記ディジタルベースバンド信号を前記第２の復調部にてデータ復調し、抽出された自己相関信号特性をもとに位相角度を復調することを特徴とする同期検波復調装置。
請求項１または２に記載の同期検波復調装置において、前記第２の復調部における拡散信号の復調処理は、バーカー復調処理を用いたことを特徴とする同期検波復調装置。
請求項１ないし３いずれか１項に記載の同期検波復調装置において、
前記同期検波およびＡＦＣ処理部は、更に、前記アークタンジェント演算部で検知された位相から、復調シンボルデータに応じて周波数誤差を抽出し、
前記ベクターローテート処理部は、更に、前記同期検波およびＡＦＣ処理部で抽出された周波数誤差に追従して位相を回転させることにより、前記Ａ／Ｄ変換器が出力するディジタルベースバンド信号を位相補正することを特徴とする同期検波復調装置。