JP5281979B2 - 受信機 - Google Patents

Description

この発明は、定包絡な変調信号を直交復調する受信機であって、ＤＣオフセットを検出し補正する受信機に関する。

従来、受信信号を直交復調する受信機において、直交復調器、または、ハードウェアにより発生したＤＣオフセット信号は、受信機の復調性能を劣化させてしまうことが知られている。
特許文献１は、ＤＣオフセットを検出して補正するダイレクトコンバージョン受信機を開示している。

特開２００３−１３４１８３号公報

従来、直交復調を行なう受信機において、定包絡な変調信号を直交検波し、ＡＤ変換器により得られる信号は、ハードウェアにより発生したＤＣオフセットと、ベースバンド変調信号との和であり、Ｉ相、Ｑ相、の２信号が得られる。しかし、このＩ相、Ｑ相の信号を長期平均によりＤＣ成分を抽出しても、その信号はＤＣオフセットと変調信号のＤＣ成分の和となっており、ＤＣオフセットのみを抽出することはできない。

また、受信信号無入力状態でＡＤ変換器に得られる信号はＤＣオフセットのみであり、この信号の平均値を求めＤＣオフセットを検出する方法があるが、これは受信中に、温度変化、セルフミキシング等により、ＤＣオフセットが変化した場合、その変化には対応できない。

またディジタル変調（ＦＳＫ、ＭＳＫ等）の場合には、予め決まったパターンを送信側から出すことにより、ＤＣオフセットを検出する方法があるが、この方法はディジタル変調でのみ有効でありアナログ変調まで拡張することができない。
本発明は、定包絡な変調方式を利用してＤＣオフセットを検出し補正することで、復調性能の劣化を防止する受信機を提供することを目的とする。

課題を解決する一実施形態は、
受信信号に直交復調を行いＩ相のベースバンド信号とＱ相のベースバンド信号を出力する直交復調器（１４）と、
前記Ｉ相のベースバンド信号とＱ相のベースバンド信号を極座標変換して、振幅情報と位相情報を出力する変換部（３０）と、
前記変換部からの位相情報に基づき、受信信号がＩＱ平面上のどの領域にあるかを判定しこの判定結果に基づいて、前記ＩＱ平面上の各領域毎の前記振幅情報の平均値を求める演算部（３２−３６，３８−４１）と、
前記処理部が求めた前記各領域毎の振幅情報の平均値に基づく所定の演算を行うことによって、前記Ｉ相のベースバンド信号のＤＣオフセット値と前記Ｑ相のベースバンド信号のＤＣオフセット値を決定する決定手段（４２，４３）を具備することを特徴とする受信機である。

定包絡な変調方式のベースバンドリサージュ波形の特徴を利用して、受信機の復調性能を劣化させてしまうＤＣオフセットを検出して補正する。これにより、ＤＣオフセットによる受信機の性能劣化を低減させることができる。

本発明の一実施形態に係る受信機の構成の一例を示すブロック図。 当該受信機のＤＣオフセット検出処理部の構成を示すブロック図。 当該受信機におけるＤＣオフセットがない状態でのリサージュ波形と領域分けを示すグラフ。 当該受信機のＤＣオフセットがある状態でのリサージュ波形と領域分けを示すグラフ。 当該受信機のＤＣオフセットによりＩＱ平面の原点が受信円から外れた場合のリサージュ波形と領域を示すグラフ。 当該受信機のＤＣオフセット検出処理部の他の構成を示すブロック図。 当該受信機の構成の他の一例を示すブロック図。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る受信機の構成の一例を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る受信機１は、アンテナ端１１と、アンテナ端１１に接続されたバンドパスフィルタ１２と、バンドパスフィルタ１２の後段に設けられたＲＦアンプ１３と、ＲＦアンプ１３の後段に設けられた直交復調器１４と、直交復調器１４の後段にそれぞれ設けられたロウパスフィルタ１９，２３と、ロウパスフィルタ１９，２３の後段にそれぞれ設けられた可変ゲインアンプ２０，２４と、可変ゲインアンプ２０，２４の後段にそれぞれ設けられたＡ／Ｄコンバータ２１，２５と、Ａ／Ｄコンバータ２１，２５の後段にそれぞれ設けられた加算器２２，２６と、加算器２２，２６の後段に設けられたベースバンド復調処理部２８と、加算器２２，２６からＩ相、Ｑ相のベースバンド信号が供給されるＤＣオフセット検出処理部２７を有している。また、直交復調器１４は、ＲＦアンプ１３から受信信号が供給される乗算器１５，１７と、乗算器１５，１７に９０度位相の異なる信号を供給する９０度位相器１６と、９０度位相器１６に接続されるＰＬＬ周波数シンセサイザ１８を有している。

本発明の一実施形態である受信機１は、上記の構成により以下のように動作する。すなわち、アンテナ端１１から与えられた変調波は、バンドパスフィルタ１２により帯域制限され、ＲＦアンプ１３により増幅される。直交復調器１４は、この増幅された変調波を９０度位相差のあるローカル周波数で直交復調し、Ｉ相、Ｑ相のベースバンド信号へと周波数変換を行なう。Ｉ相、Ｑ相のベースバンド信号は、それぞれ、ロウパスフィルタ１９、２３により希望波のみ抽出され、可変ゲインアンプ２０，２４によりＡＧＣ（auto gain control）が行なわれる。

次に、Ａ／Ｄコンバータ２１，２４は、可変ゲインアンプ２０，２４の出力をディジタル信号へと変換し、加算器２２，２６に供給する。また、ＤＣオフセット検出処理部２７は、加算器２２，２６からＩ相およびＱ相のベースバンド信号を受け、後述する方法により、Ｉ相およびＱ相のＤＣオフセット補正値を加算器２２，２６に加算する。加算器２２，２６によりＤＣオフセット成分が減算処理されたＩ相およびＱ相のベースバンド信号が、ベースバンド復調処理部２８に供給され、ベースバンド復調処理が施されて出力される。

次に、図２を用いて、ＤＣオフセット検出処理部２７の構成を以下に説明する。ＤＣオフセット検出処理部２７は、Ｉ相およびＱ相のベースバンド信号が与えられる極座標変換部３０と、極座標変換部３０から位相情報が与えられる位相による領域判定部３２を有している。

ここで、図３は、ＤＣオフセットが無い場合の、定包絡な変調方式のベースバンドリサージュ波形となっている。ＤＣオフセットが無いため、ＩＱ平面上の原点と、受信信号の円の中心が同一であり、リサージュ波形は原点を中心とした円となる。ＩＱ平面の原点を中心としＩ軸との角度が±α／２の直線にはさまれるＩ軸の正側を第1領域Ａ１、負側を第２領域Ａ２とする。同様に、Ｑ軸との角度が±β／２の直線にはさまれるＱ軸正側を第３領域Ａ３、負側を第４領域Ａ４とする。

ＤＣオフセット検出処理部２７は、図３で示される第１領域Ａ１に対応する第１領域平均化処理部３３、第２領域Ａ２に対応する第２領域平均化処理部３４、第３領域Ａ３に対応する第３領域平均化処理部３５、第４領域Ａ４に対応する第４領域平均化処理部３６にそれぞれ極座標変換部３０から振幅成分を供給するための複数のスイッチ３１を有しており、複数のスイッチ３１は、領域判定部３２からの制御信号により制御される。さらに、ＤＣオフセット検出処理部２７は、第１領域平均化処理部３３と第２領域平均化処理部３４との差分を算出する差分器３８と、第３領域平均化処理部３５および第４領域平均化処理部３６との差分を算出する差分器３９と、各差分器３８，３９の差分量の重み付けを行なうループゲイン４０，４１と、ループゲイン４０，４１の出力を積分して、Ｉ相およびＱ相のベースバンド信号のＤＣオフセット補正値をそれぞれ出力するするループフィルタ４２，４３を有している。さらに、ＤＣオフセット検出処理部２７は、位相による領域判定部３２から領域判定情報を受け、第１領域平均化処理部３３乃至第４領域平均化処理部３６から信号を受けてループフィルタ４２，４３の更新を制御する更新制御部３７を有している。

このような構成をもつＤＣオフセット検出処理部２７は、次のようにＤＣオフセット検出処理を行なう。すなわち、極座標変換部３０は、Ｉ相、Ｑ相のベースバンド信号に極座標変換を施して、位相情報θを位相による領域判定部３２に供給すると共に、振幅情報ｒを各スイッチ３１に供給する。位相による領域判定部３２は、極座標変換の位相情報θを用いて、受信信号が現在どの領域にいるのかを判別し、スイッチ３１のオンオフを制御して適切なタイミングで振幅情報ｒを第１領域平均化処理部３３、第２領域平均化処理部３４、第３領域平均化処理部３５、第４領域平均化処理部３６に供給する。これにより、第１領域平均化処理部３３、第２領域平均化処理部３４、第３領域平均化処理部３５、第４領域平均化処理部３６は、それぞれ、各領域の振幅平均値を算出して、算出結果を差分器３８，３９に供給する。

ＩＱ平面の原点を中心としＩ軸との角度が±α／２の直線にはさまれるＩ軸の正側を第1領域Ａ１、負側を第２領域Ａ２、Ｑ軸との角度が±β／２の直線にはさまれるＱ軸正側を第３領域Ａ３、負側を第４領域Ａ４であるから、ＤＣオフセットが無い場合は、ＩＱ平面の原点と、円の中心が同一であるため、第1領域Ａ１の範囲に検出される振幅平均値（以下 第1領域振幅平均値と略す）と、第２領域Ａ２の範囲に検出される振幅平均値は等しい値になる。同様に、ＤＣオフセットが無い場合は、第３領域Ａ３と第４領域Ａ４の振幅平均値も等しくなる。

図４のようにＤＣオフセットがある場合、第1領域振幅平均値と第２領域振幅平均値は等しい値にはならず、Ｉ側の正方向にＤＣオフセットがある場合には、［第1領域振幅平均値＞第２領域振幅平均値］となる。同様に、Ｑ側の正方向にＤＣオフセットがある場合には、第３領域振幅平均値と第４領域振幅平均値は等しい値にはならず、［第３領域振幅平均値＞第４領域振幅平均値］となる。

従って、差分器３８により、第1領域振幅平均値と第２領域振幅平均値の差分を算出し、差分器３９により、第３領域振幅平均値と第４領域振幅平均値の差分を算出して、ループゲイン４０，４１によりそれぞれ重み付けを行う。そして、ループフィルタ４２，４３により、これらの差分量を積分し、積分結果に基づくＩ相およびＱ相のベースバンド信号のそれぞれのＤＣオフセット補正値を出力し、加算器２２，２６に供給することでＤＣオフセットは解消される。このように、各領域の振幅平均値の変化を検出することで、ＤＣオフセットを検出して補正することができる。

ここで、更新制御部３７は、位相による領域判定部３２および第１領域平均化処理部３３乃至第４領域平均化処理部３６から各領域振幅平均値を受けて、一定時間経過後、且つ各領域において一定数以上のデータが収集された後にループフィルタ４２，４３をそれぞれ更新する。ループフィルタ４２，４３が更新された後は、新規に平均化処理を行うため、各平均化処理はリセットされ、新たなデータ群で平均化処理を行う。更新制御部３７により、リアルタイムなＤＣオフセットの補正が可能となる。この更新処理は、Ｉ相、Ｑ相、同時に行うことも可能であり、Ｉ相、Ｑ相の更新をループフィルタ４２，４３の更新毎に交互に行うことも可能である。

なお、ＩＱ平面の角度α、βともに角度が狭くなるにつれ、各領域が狭くなるため検出精度は上がる。そこで、位相による領域判定部３２は、ループゲイン４０，４１の出力を参照し、更新毎にα、βを可変に制御することで、より高精度な制御が可能になる。

また、更新制御部３７は、更新制御を行う際、各領域の振幅平均値を参照して、更新処理を停止することも可能である。例えば、各振幅平均値の全てが小さい場合、受信電界が小さいことを示しており、ＳＮ比が悪いため更新を停止することが有効となる。
（他の実施形態）
上述した方法によれば、受信信号の円の中にＩＱ平面の原点が存在している場合にのみ有効であるが、図５の様にＩＱ平面の原点が受信信号の円の外に存在する場合には動作することができない。その場合のＤＣオフセットの検出・補正の方法を図６に示す。

図６に示されるＤＣオフセット検出処理部２７’は、新たに、各スイッチ３１からの信号および第１領域平均化処理部３３乃至第４領域平均化処理部３６からの信号を受ける初期引込制御部５１を有している。
位相による領域判定部３２は、初期引込制御部５１と共に、Ｉ軸上の領域、第1領域と第２領域を一定時間監視し、片方の領域にのみ検出され、かつ振幅平均値とデータ群の振幅偏差の差が大きい場合は、受信信号の円の外にＩＱ平面の原点が存在すると判別する。そして、位相による領域判定部３２は、第1領域にのみ検出される場合は［第1領域振幅平均値］の値で、第２領域にのみ判定される場合は［第２領域振幅平均値］の値で、ループフィルタの積分値そのものを更新する。第1領域、第２領域のどちらにおいても検出されない場合は、αの角度を、最大１８０度まで大きくし、検出できる範囲まで領域を拡大する。Ｑ軸上の第３領域、第４領域についても、上記したＩ軸上の第１領域、第２領域と同様な処理を行う。更新制御部３７の更新は、Ｉ相、Ｑ相同時に行うことも可能であり、交互に行うことも可能である。こうすることで、受信信号の円の外にＩＱ平面の原点が存在する場合も、ＤＣオフセット補正を行なうことができる。

また、図１においては、ＤＣオフセット補正をＡ／Ｄ変換器出力にて行っているが、図７に示すようにＤ／Ａ変換器を使用しアナログ領域でも行うことができる。すなわち、図７に示される受信機１’においては、ＤＣオフセット検出処理部２７の出力は、図１の受信機１のようにディジタル領域の加算器２２，２６で演算されるのではなく、Ｄ／Ａコンバータ５４，５５を用いてアナログ領域の加算器５２，５３で演算されている。このように、アナログ領域の加算器５２，５３で演算することにより、さらにダイナミックレンジを拡大することができる。

以上、図面を用いて詳細に説明したように、本発明に係る受信機においては、定包絡な変調方式のベースバンドリサージュ波形の特徴を利用して、受信機の復調性能を劣化させてしまうＤＣオフセットを検出して補正することにより、性能劣化を低減させることができる。

以上記載した様々な実施形態は複数同時に実施することが可能であり、これらの記載により、当業者は本発明を実現することができるが、更にこれらの実施形態の様々な変形例を思いつくことが当業者によって容易であり、発明的な能力をもたなくとも様々な実施形態へと適用することが可能である。従って、本発明は、開示された原理と新規な特徴に矛盾しない広範な範囲に及ぶものであり、上述した実施形態に限定されるものではない。

１…受信機、１１…アンテナ端、１２…バンドパスフィルタ、１３…ＲＦアンプ、１４…直交復調器、１５…乗算器、１６…９０度位相器、１７…乗算器、１８…ＰＬＬ周波数シンセサイザ、１９…ロウパスフィルタ、２０…可変ゲインアンプ、２１…Ａ／Ｄコンバータ、２２…加算器、２３…ロウパスフィルタ、２４…可変ゲインアンプ、２５…Ａ／Ｄコンバータ、２６…加算器、２７…ＤＣオフセット検出処理部、２８…ベースバンド復調処理部、Ａ１…第１領域、Ａ２…第２領域、Ａ３…第３領域、Ａ４…第４領域、３０…極座標変換部…、３１…スイッチ、３２…位相による領域判定部、３３…第１領域平均化処理部、３４…第２領域平均化処理部、３５…第３領域平均化処理部、３６…第４領域平均化処理部、３７…更新制御部、３８…差分器、３９…差分器、４０…ループゲイン、４１…ループゲイン、４２…ループフィルタ、４３…ループフィルタ、５１…初期挽込制御部、５２…加算器、５３…加算器、５４…Ｄ／Ａコンバータ、５５…Ｄ／Ａコンバータ。

Claims (1)

1. 受信信号に直交復調を行いＩ相のベースバンド信号とＱ相のベースバンド信号を出力する直交復調器と、
   前記Ｉ相のベースバンド信号とＱ相のベースバンド信号を極座標変換して、振幅情報と位相情報を出力する変換部と、
   前記変換部からの位相情報に基づき、受信信号がＩＱ平面上のどの領域にあるかを判定しこの判定結果に基づいて、前記ＩＱ平面上の各領域毎の前記振幅情報の平均値を求める演算部と、
   前記処理部が求めた前記各領域毎の振幅情報の平均値に基づく所定の演算を行うことによって、前記Ｉ相のベースバンド信号のＤＣオフセット値と前記Ｑ相のベースバンド信号のＤＣオフセット値を決定する決定手段を具備することを特徴とする受信機。

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