JP4788327B2

JP4788327B2 - Ｆｓｋ信号検出装置、受信機及びｆｓｋ信号検出方法

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Publication number: JP4788327B2
Application number: JP2005359538A
Authority: JP
Inventors: 康則内記
Original assignee: Kenwood KK
Current assignee: Kenwood KK
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-12-13
Also published as: JP2007166208A

Description

本発明は、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）信号の有無を検出するＦＳＫ信号検出装置、該ＦＳＫ信号検出装置を装備する受信機、及びＦＳＫ信号検出方法に関するものである。

デジタル無線機には、デジタル変調信号としてＦＳＫを採用するものがある。このようなＦＳＫ受信機では、チャンネルスキャンが適宜、実行され、ＦＳＫ信号を含むチャンネルを探し出して、該チャンネルのＦＳＫ信号をデコードするようになっている。

従来のＦＳＫ受信機におけるチャンネルスキャンは例えば次の手順で行なわれている。

Ｓ１：２次変調としてＦＭやＳＳＢが行なわれている場合には、受信信号に対してアナログ復調を行なう。

Ｓ２：受信機における入感信号レベルをＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）やノイズスケルチに基づき検出する。

Ｓ３：入感信号レベルが、予め設定されているレベル以上であれば、入感信号を希望のＦＳＫ信号と仮定し、入感信号に対してＦＳＫ復調を行なう。

Ｓ４：デジタル変調信号のシンボルクロック同期用のプリアンブルを受信した後に、フレーム同期ワードを検出する。

Ｓ５：フレーム同期ワードが検出されれば、続けてデータ受信を行なう。

Ｓ６：フレーム同期ワードが検出できない場合、チャンネルスキャン中であれば、一定時間経過後に次のチャンネルへ移る。また、チャンネルスキャン中でなく、かつ受信継続中であれば、ミュート制御を行なう。

特許文献１は、アナログ変調信号及びデジタル変調信号の両方を受信可能なＦＳＫ信号検出装置において、ミュート解除しようとする受信信号がアナログ変調であるかデジタル変調であるかに応じて受信モードをアナログ受信モード又はデジタル受信モードへ自動切替えしてから、ミュートを解除するようにし、ミュート解除時に正しい復調が行われるようにしている。
特開２００５−２６８７１号公報

従来のＦＳＫ受信機におけるチャンネルスキャンの問題点は次のとおりである。

（ａ）入感信号レベルを判定するために、所定のハードウェアが必要となる。例えば、ＦＭ受信機であれば、一般的に、ＦＭ検波ＩＣがＲＳＳＩ信号を生成している。ノイズスケルチ信号は、検波信号を整流し、積分する回路から生成される。また、振幅変調が２次変調として用いられている受信電波に対するＳＳＢ受信機等は、ＩＦ信号のＡＧＣの電圧をＲＳＳＩ信号の代替とすることもできるが、ＡＧＣ電圧はノイズ等により変化するので、ＡＧＣ電圧から入感信号の有無を正確に判定できないことがある。

（ｂ）受信信号にＦＳＫ信号が含まれているか否かを判定するために、各チャンネルの受信信号について長時間の受信が必要となり、複数チャンネルを待ち受けする場合に、チャンネルスキャン全体に要する時間が長大化する。すなわち、受信信号にＦＳＫ信号が含まれていることを確定するために、プリアンブルやフレーム同期ワードを検出する必要がある。すでにデータ通信が開始されていた場合、受信機は、受信信号中のＦＳＫ信号の有無を判定するために、送信側がフレーム同期ワードを再送信するまで、待たなければならない。

本発明の目的は、ＲＳＳＩやノイズスケルチ等を使用せずに、受信信号がＦＳＫ信号を含むか否かについて判定することのできるＦＳＫ信号検出装置、それを装備する受信装置、及びＦＳＫ信号検出方法を提供することである。

本発明の他の目的は、受信信号がＦＳＫ信号を含むか否かについての判定を迅速化できるＦＳＫ信号検出装置、それを装備する受信装置、及びＦＳＫ信号検出方法を提供することである。

本発明のＦＳＫ信号検出装置は、受信信号からベースバンド信号を抽出するベースバンド信号抽出手段、前記ベースバンド信号のシンボルとシンボルとの変わり目の変曲点を導出するために前記変曲点の時刻で特定の値を出力する変曲点導出信号を、前記ベースバンド信号に基づき生成する変曲点生成手段、前記変曲点導出信号をフーリェ変換してベースバンド信号のパワースペクトラムを算出するパワースペクトラム算出手段、前記変曲点導出信号に基づきベースバンド信号のシンボルレートを検出するシンボルレート検出手段、及び前記パワースペクトラムと前記シンボルレートに対応する周波数とに基づき前記受信信号内のＦＳＫ信号の有無を判定する判定手段、を備えている。

本発明の受信機は、前述のＦＳＫ信号検出装置を装備し、さらに、チャンネルスキャン期間において、各チャンネルの受信信号についてＦＳＫ信号検出装置がＦＳＫ信号無しと判定すると、次のチャンネルへ切り替えるチャンネル切替手段を備えている。

本発明のＦＳＫ信号検出方法は、受信信号からベースバンド信号を抽出するベースバンド信号抽出ステップ、前記ベースバンド信号のシンボルとシンボルとの変わり目の変曲点を導出するため前記変曲点の時刻で特定の値を出力する変曲点導出信号を前記ベースバンド信号に基づき生成する変曲点生成ステップ、前記変曲点導出信号をフーリェ変換してベースバンド信号のパワースペクトラムを算出するパワースペクトラム算出ステップ、前記変曲点導出信号に基づきベースバンド信号のシンボルレートを検出するシンボルレート検出ステップ、及び前記パワースペクトラムと前記シンボルレートに対応する周波数とに基づき前記受信信号内のＦＳＫ信号の有無を判定する判定ステップ、を備えている。

本発明によれば、ベースバンド信号のパワースペクトラム及びシンボルレートに基づきベースバンド信号中のＦＳＫ信号の有無を検出することができる。

図１は携帯又は車載用の無線受信機１０の主要部構成図である。図１には、無線受信機１０の内、ＦＳＫ復調からシンボル出力及びＦＳＫ信号判定までの処理に関与する部分が示されている。

無線受信機１０が受信した受信信号の内、所定のチャンネルの受信信号がＩＦ変換器（図示せず）において選択され、該選択された受信信号に係るＩＦ信号は、ＦＳＫ復調器（図示せず）において復調されて、ＦＳＫ復調後の信号としてベースバンド信号１１が生成される。

１次変調にＦＳＫ、２次変調（ＲＦ変調）にＦＭやＳＳＢを用いる場合、ＩＦ復調後のＩＦ信号をＦＭ復調又はＳＳＢ復調により検波してから、ＦＳＫ復調によりベースバンド信号１１が生成される。これに対して、ＦＳＫ変調だけを用いる場合には、ＩＦ復調後のＩＦ信号をＦＳＫ復調するだけで、ベースバンド信号１１が生成される。

図２はベースバンド信号１１の一例を示す図である。なお、図２〜図６において、横軸は時間、縦軸は振幅レベルである。ベースバンド信号１１は、図示の例では、８値のＦＳＫ信号となっているが、２値やその他の値となっていてもよい。ベースバンド信号１１はＬＰＦ（Low Pass Filter）１２へ供給される。

図３はＬＰＦ１２の出力を示す図である。ＬＰＦ１２は例えばガウシアンフィルタ（Gaussian Filter）であり、ＬＰＦ１２における処理は、ノイズ等による符号間シンボル干渉を防止するものである。ＬＰＦ１２の出力は変曲点抽出器１３へ送られる。

図４は変曲点抽出器１３の出力を示す図である。変曲点とはシンボルとシンボルとの変わり目ポイントを指し、変曲点抽出器１３における入力Ｘ（ｎ）と出力Ｙ（ｎ）とには次の式（１）の関係がある。

Ｙ（ｎ）＝｜Ｘ（ｎ−ａ）−Ｘ（ｎ−ｂ）｜−｜Ｘ（ｎ−ｃ）−Ｘ（ｎ−ｄ）｜・・・式（１）

ただし、０≦ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄであり、ｄ＜ｆs／ｆsymであり、かつｂ−ａ＝ｄ−ｃである。なお、ｆsはベースバンド信号のサンプリング周波数であり、ｆsymは、受信を希望しているシンボルレート周波数である。また、｜〜｜は絶対値を意味する。

Ｙ（ｎ）は変曲点導出信号の一例であり、ｎが変曲点の時刻であるとき、Ｙ（ｎ）＝０となる。例えば、Ｙ（ｎ）は、連続する前後２個のシンボルにおける２点間の傾き（ａ〜ｂ間及びｃ〜ｄ間）が等しくなったとき、０となる。該Ｙ（ｎ）において、変曲点以外で、Ｙ（ｎ）＝０となるときとは、シンボルの山を上って下るときである。こうして、Ｙ（ｎ）は、理想の変曲点導出信号では、ＦＳＫ信号が入感しているときには、所定のタイミングで原点０を通過する。該所定のタイミングは、２／ｆsymの周期となるので、Ｙ（ｎ）はｆsymの周波数成分を含むと言える。

ＢＰＦ（Band-Pass Filter）１７は、変曲点抽出器１３からＹ（ｎ）を入力され、シンボルレートを取り出す。ＢＰＦ１７の出力は２値化器１８へ送られる。

図５は２値化器１８の出力を示している。２値化器１８は、ＢＰＦ１７からの入力に対して、該入力が正及び負であるとき、所定レベルの正及び負の値をそれぞれ出力するようにしている。この例では、２値化器１８の正及び負の所定レベルとしてそれぞれ＋３００及び−３００が設定されている。

２値化器１８の出力はＰＬＬ（Phase Locked Loop）１９へ送られる。ＰＬＬ１９は、周知の構成であり、位相比較器１９１、内部クロック発生器１９２及びタイミング調整器１９３を備えている。位相比較器１９１は、２値化器１８からの入力と、内部クロック発生器１９２からの内部クロックとの位相比較を行う。タイミング調整器１９３は、位相比較器１９１の出力に基づき内部クロック発生器１９２の内部クロック（シンボルクロック）の生成タイミングを調整する。

図６はＰＬＬ１９の作用を説明する信号波形図である。図６では、ベースバンド信号１１（実線で示す。ベースバンド信号）とＰＬＬ１９の出力としてのシンボルクロック（点線で示す。）とを重ね書きしている。初期的には、シンボルクロックは、ベースバンド信号１１に同期していないが、位相比較器１９１における位相比較及び内部クロック発生器１９２における調整の結果、シンボルクロックは速やかにベースバンド信号１１に同期する。

シンボル取り込み器２０は、ベースバンド信号１１とＰＬＬ１９の内部クロック発生器１９２からのシンボルクロック生成タイミング信号とを入力され、シンボルクロックの立下りタイミングにおいてベースバンド信号１１についてのシンボル判定を行う。シンボル出力２１は、シンボル取り込み器２０の判定結果に相当するものであり、ベースバンド信号１１の復調信号としてホストＣＰＵ（図示せず）へ送られる。

一方、変曲点抽出器１３から出力されるＹ（ｎ）は、パワースペクトラム演算器２５へも送られる。パワースペクトラム演算器２５は、周知の構成を有し、Ｎ点ＦＦＴ器２５１及びパワー演算器２５２を備えている。Ｎ点ＦＦＴ器２５１は、ＤＣからベースバンド信号のサンプリング周波数の１／２までの周波数範囲をＮ／２個の等周波数間隔に区分する高速フーリェ変換器であり、その入力として、実数はＮ点のベースバンド信号とし、虚数は０とすると、Ｎ点の実数（ｒｅａｌ）及び虚数（ｉｍａｇ）のフーリェ変換変換結果を出力する。パワー演算器２５２は、Ｎ点ＦＦＴ器２５１が変換した１〜Ｎ／２までのデータを用い、それぞれの周波数区分についてその絶対値の二乗（ｐｏｗｅｒ＝１／Ｎ（ｓｑｒｔ（ｒｅａｌ²＋ｉｍａｇ²））²）を行うことにより、パワースペクトラムとして演算する。演算式中の１／Ｎは省略可能である。

シンボル判定器２６は、パワースペクトラム演算器２５からのＮ／２点のパワースペクトラムデータを調べ、その中で最大パワースペクトラムとなる周波数ｆmを検出する。そして、ｆmが１／シンボルレートであるときには、選択中の受信信号に目的のＦＳＫ信号が有ると判定し、その他のときには、選択中の受信信号に目的のＦＳＫ信号が無いと判定する。なお、シンボル判定器２６は、シンボルレートに係る情報をＢＰＦ１７から入手することができる。

例えば、無線受信機１０が、シンボルレートが１０００Ｈｚ（１０００ｓｐｓ）のＦＳＫ信号を受信する仕様である場合に、ｆmが１０００Ｈｚ（１０００ｓｐｓ）であるときには、選択中の受信信号に目的のＦＳＫ信号が有ると判定されるが、ｆmが５００Ｈｚ（５００ｓｐｓ）であるときには、仕様以外のＦＳＫ信号を入感したとして、選択中の受信信号に目的のＦＳＫ信号が無いと判定される。

判定出力２７は、シンボル判定器２６の判定結果に相当し、ベースバンド信号１１の復調信号としてホストＣＰＵ（図示せず）へ送られる。

ホストＣＰＵ（図示せず）は、判定出力２７に基づき対応の処理を行う。例えば、チャンネルスキャン期間において、現在、受信選択中のチャンネルに目的のＦＳＫ信号が無いと判定されている場合には、次のチャンネルへの切替えが行われ、目的のＦＳＫ信号が有りと判定されている場合には、以降のチャンネルスキャンを中止して、シンボル出力２１に基づきデータ処理又はオーディオ処理を行う。また、非チャンネルスキャン期間において、目的のＦＳＫ信号が有りと判定されている場合には、ミュートを実行する。

なお、ＰＬＬ１９及びシンボル取り込み器２０の機能と共にパワースペクトラム演算器２５の機能も１個のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：図示せず）に盛り込むようにすれば、無線受信機１０に使用するハードウェア素子の点数を大幅に低減できる。

図７はＦＳＫ信号検出装置４０の構成図である。無線受信機１０における図１記載の部分はＦＳＫ信号検出装置４０の一例である。ＦＳＫ信号検出装置４０は、ベースバンド信号抽出手段４１、パワースペクトラム算出手段４２、シンボルレート検出手段４３及び判定手段４４を備えている。

ベースバンド信号抽出手段４１は、受信信号からベースバンド信号を抽出する。パワースペクトラム算出手段４２は、ベースバンド信号のパワースペクトラムを算出する。シンボルレート検出手段４３は、ベースバンド信号のシンボルレートを検出する。判定手段４４は、パワースペクトラムとシンボルレートに対応する周波数とに基づき受信信号内のＦＳＫ信号の有無を判定する。

ＦＳＫ信号検出装置４０において、ベースバンド信号の一例は図２のものである。パワースペクトラム算出手段４２、シンボルレート検出手段４３及び判定手段４４の一例はそれぞれ無線受信機１０のパワースペクトラム演算器２５、ＢＰＦ１７及びシンボル判定器２６である。

該ＦＳＫ信号検出装置４０では、パワースペクトラムとシンボルレートとに基づきベースバンド信号内のＦＳＫ信号の有無を検出するので、ＲＳＳＩやノイズスケルチを検出するためのハードウェアを省略することができる。また、該ＦＳＫ信号検出装置４０は、シンボルクロック同期用のプリアンブル及びフレーム同期ワードの受信を待たずに、ＦＳＫ信号の有無を検出することができ、検出に要する時間を短縮することができる。

パワースペクトラムとシンボルレートとに基づきベースバンド信号内のＦＳＫ信号の有無を検出する方式の利点は、受信期間を短くし、少ないシンボルの受信において、ベースバンド信号内のＦＳＫ信号の有無を支障なく検出することができることである。また、ＦＭ及びＳＳＢを２次変調とする場合にも、ＦＳＫ信号の有無を検出することができる。さらに、ＦＳＫの仕様以外のデジタル変調を無視して、ＦＳＫ信号の有無のみを調べることができる。ＦＳＫ信号の有無を調べるために、検出したシンボルレートは、複数のシンボルレートを扱うマルチレートモデム等では、各受信信号に対して、通信速度を切り替えてシンボル判定を行う用途に兼用することができる。

図８はＦＳＫ信号検出装置４０を具体化したＦＳＫ信号検出装置５０の構成図である。ＦＳＫ信号検出装置５０の要素に関して、ＦＳＫ信号検出装置４０の要素と同一のものについては同符号で指示して、説明は省略する。

ＦＳＫ信号検出装置５０には、変曲点抽出手段５１を追加することができる。変曲点抽出手段５１は、ベースバンド信号の変曲点を導出する変曲点導出信号を生成する。そして、パワースペクトラム算出手段４２は、変曲点導出信号に基づきベースバンド信号のパワースペクトラムを算出する。また、シンボルレート検出手段４３は、変曲点導出信号に基づきベースバンド信号のシンボルレートを検出する。

変曲点抽出手段５１の一例は変曲点抽出器１３であり、変曲点導出信号は、例えば、無線受信機１０において前述した式（１）に基づいて生成される。変曲点導出信号に基づきベースバンド信号のパワースペクトラム及びシンボルレートを円滑に生成等することができる。

ＦＳＫ信号検出装置５０において、パワースペクトラム算出手段４２は、変曲点導出信号をフーリェ変換してベースバンド信号のパワースペクトラムを生成してもよい。パワースペクトラム算出手段４２におけるフーリェ変換部分の一例はＮ点ＦＦＴ器２５１（図１）である。

ＦＳＫ信号検出装置５０では、判定手段４４は、複数個の周波数点に係る複数個のパワースペクトラムの内の最大パワースペクトラムに対応する周波数がシンボルレートに対応する周波数であるか否かに基づき受信信号内のＦＳＫ信号の有無を判定することができる。

図９は受信機５５の構成図である。受信機５５は、ＦＳＫ信号検出装置４０又はＦＳＫ信号検出装置５０を装備するとともに、チャンネル切替手段５６及びミュート手段５７を備える。

チャンネル切替手段５６は、チャンネルスキャン期間において、各チャンネルの受信信号についてＦＳＫ信号検出装置４０又はＦＳＫ信号検出装置５０がＦＳＫ信号無しと判定すると、次のチャンネルへ切り替える。ミュート手段５７は、非チャンネルスキャン期間において、所定チャンネルについてＦＳＫ信号検出装置４０又はＦＳＫ信号検出装置５０がＦＳＫ信号無しと判定すると、ミュートを実施する。

図１０はＦＳＫ信号検出方法６５のフローチャートである。

Ｓ６６では、受信信号からベースバンド信号を抽出する。Ｓ６７では、ベースバンド信号のパワースペクトラムを算出する。Ｓ６８では、ベースバンド信号のシンボルレートを検出する。Ｓ６９では、パワースペクトラムとシンボルレートに対応する周波数とに基づき受信信号内のＦＳＫ信号の有無を判定する。

ＦＳＫ信号検出装置４０及びＦＳＫ信号検出装置５０と同様に、ＦＳＫ信号検出方法６５についても種々に具体化して実施することができる。以下は、その一例である。

Ｓ６６とＳ６７との間に、Ｓ６６ｂ（図面に記載無し）を追加することができる。Ｓ６６ｂでは、ベースバンド信号の変曲点を導出する変曲点導出信号をベースバンド信号に基づき生成する。そして、Ｓ６７では、変曲点導出信号に基づきベースバンド信号のパワースペクトラムを生成し、Ｓ６８では、変曲点導出信号に基づきベースバンド信号のシンボルレートを検出する。

Ｓ６７では、変曲点導出信号を高速フーリェ変換して、ベースバンド信号のパワースペクトラムを生成してもよい。

Ｓ６９では、複数個の周波数点に係る複数個のパワースペクトラムの内の最大パワースペクトラムに対応する周波数がシンボルレートに対応する周波数であるか否かに基づき受信信号内のＦＳＫ信号の有無を判定してもよい。

本発明を最良の形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、最良の形態における各構成要素を変形して具体化できる。また、発明の要旨を逸脱しない範囲で、最良の形態に開示されている複数の構成要素を便宜、組み合わせて、追加したり、いくつかの構成要素を削除したりして、種々の発明を形成することができる。さらに、開示した複数の実施形態間で、所定の構成要素を選択し、それらを組み合わせても、種々の発明を形成することができる。

車載用の無線受信機の主要部構成図である。ＦＳＫ信号の一例を示す図である。ＬＰＦの出力を示す図である。変曲点抽出器の出力を示す図である。２値化器の出力を示す図である。

ＰＬＬの作用を説明する信号波形図である。ＦＳＫ信号検出装置の構成図である。図７のＦＳＫ信号検出装置を具体化したＦＳＫ信号検出装置の構成図である。受信機の構成図である。ＦＳＫ信号検出方法のフローチャートである。

符号の説明

４０：ＦＳＫ信号検出装置、４１：ベースバンド信号抽出手段、４２：パワースペクトラム算出手段、４３：シンボルレート検出手段、４４：判定手段、５０：ＦＳＫ信号検出装置、５１：変曲点抽出手段、５５：受信機、５６：チャンネル切替手段、５７：ミュート手段、６５：ＦＳＫ信号検出方法。

Claims

受信信号からベースバンド信号を抽出するベースバンド信号抽出手段、
前記ベースバンド信号のシンボルとシンボルとの変わり目の変曲点を導出するために前記変曲点の時刻で特定の値を出力する変曲点導出信号を、前記ベースバンド信号に基づき生成する変曲点生成手段、
前記変曲点導出信号をフーリェ変換してベースバンド信号のパワースペクトラムを算出するパワースペクトラム算出手段、
前記変曲点導出信号に基づきベースバンド信号のシンボルレートを検出するシンボルレート検出手段、及び
前記パワースペクトラムと前記シンボルレートに対応する周波数とに基づき前記受信信号内のＦＳＫ信号の有無を判定する判定手段、
を備えていることを特徴とするＦＳＫ信号検出装置。
前記変曲点生成手段は、
前記ベースバンド信号の１シンボル期間の異なる２点間の傾きの絶対値の差分に基づいて変曲点導出信号を生成することを特徴とする請求項１記載のＦＳＫ信号検出装置。
前記パワースペクトラム算出手段は、
前記変曲点導出信号をフーリェ変換してベースバンド信号のパワースペクトラムを算出することを特徴とする請求項２記載のＦＳＫ信号検出装置。
前記判定手段は、
複数個の周波数点に係る複数個のパワースペクトラムの内の最大パワースペクトラムに対応する周波数がシンボルレートに対応する周波数であるか否かに基づき前記受信信号内のＦＳＫ信号の有無を判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＦＳＫ信号検出装置。
請求項１〜４のいずれかに記載のＦＳＫ信号検出装置を装備する受信機であって、
チャンネルスキャン期間において、各チャンネルの受信信号について前記ＦＳＫ信号検出装置がＦＳＫ信号無しと判定すると、次のチャンネルへ切り替えるチャンネル切替手段、
を備えることを特徴とする受信機。
非チャンネルスキャン期間において、所定チャンネルについて前記ＦＳＫ信号検出装置がＦＳＫ信号無と判定すると、ミュートを実施するミュート手段、
を備えることを特徴とする請求項５記載の受信機。
受信信号からベースバンド信号を抽出するベースバンド信号抽出ステップ、
前記ベースバンド信号のシンボルとシンボルとの変わり目の変曲点を導出するため前記変曲点の時刻で特定の値を出力する変曲点導出信号を前記ベースバンド信号に基づき生成する変曲点生成ステップ、
前記変曲点導出信号をフーリェ変換してベースバンド信号のパワースペクトラムを算出するパワースペクトラム算出ステップ、
前記変曲点導出信号に基づきベースバンド信号のシンボルレートを検出するシンボルレート検出ステップ、及び
前記パワースペクトラムと前記シンボルレートに対応する周波数とに基づき前記受信信号内のＦＳＫ信号の有無を判定する判定ステップ、
を備えていることを特徴とするＦＳＫ信号検出方法。