JP5375027B2 - Demodulator and modem system - Google Patents
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この発明は、変調信号を復調する復調装置、及び音声等の入力信号を変復調する変復調システムに関する。 The present invention relates to a demodulator that demodulates a modulated signal and a modulation / demodulation system that modulates and demodulates an input signal such as voice.
電磁波を変調して信号送受信する場合、相対速度の変動によりドップラーシフトが発生することがある。このような現象に対処するために、従来、OFDMのようなデジタル変調方式では、変調装置が変調時に送信信号に予め決定した周波数のパイロット信号を挿入しておき、復調装置が受信した信号を復調する際に、パイロット信号の周波数ずれなどを解析し、その結果に応じてドップラーシフトを補正することが行われている(特許文献1参照。)
しかし、OFDMのようなデジタル変調方式では、復調装置でパイロット信号によるドップラーシフト補正を行うために、キャリア信号の周波数解析や、周波数解析の結果に基づくドップラーシフト量の算出などが必要であり、復調アルゴリズムが複雑であるという問題があった。 However, in a digital modulation method such as OFDM, in order to perform Doppler shift correction using a pilot signal in the demodulator, it is necessary to analyze the frequency of the carrier signal and calculate the amount of Doppler shift based on the result of the frequency analysis. There was a problem that the algorithm was complicated.
そこで、本発明は、復調そのものの処理に複雑なアルゴリズムを用いることなく、ドップラーシフト補正を行うことができる復調装置、及び変復調システムを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a demodulation device and a modulation / demodulation system that can perform Doppler shift correction without using a complicated algorithm for the demodulation itself.
この発明の復調装置は、外部から入力された信号である、サンプリングのナイキスト周波数より高い周波数のパイロット信号が重畳されたパスバンド信号を復調手段で前記サンプリングのサンプリング周波数で復調する。また、復調装置は、ダウンサンプリング手段でパイロット信号が重畳されたパスバンド信号を、前記パイロット信号の周波数以下の周波数で折り返すように前記サンプリングの1/2倍にダウンサンプリングする。そして、抽出手段でこのダウンサンプリングした信号からパイロット信号を抽出し、補正手段でパイロット信号の周波数の変移に応じて、前記復調手段が復調した復調信号の周波数の変移を補正する。パイロット信号が重畳されたパスバンド信号が外部から入力された際に、信号源と復調装置の相対速度が変化していると、ドップラーシフトの影響でこの信号の周波数は変移する。しかし、パイロット信号は、ダウンサンプリング手段によりパイロット信号の周波数以下の周波数で折り返されるので、ドップラーシフトによる変移方向とは逆の方向へ変移する。そのため、復調手段により復調された復調信号のピッチが、ドップラーシフトにより変動していても、パイロット信号の周波数に応じて、復調信号の周波数を補正することで、復調信号のピッチ変動をキャンセルすることができる。例えば、ドップラーシフトにより復調信号のピッチが一定周波数上がっている場合には、抽出手段が抽出したパイロット信号のピッチは同じ周波数だけ下がっている。そのため、このパイロット信号の周波数で復調信号を補正すると、ピッチ変動をキャンセルできる。このように、復調動作とは別の経路でドップラーシフトの補正を行う構成であるため、どのような復調アルゴリズムにも依存せず(複雑なアルゴリズムを用いることなく)、パスバンド信号を復調できる。 In the demodulating device of the present invention, a passband signal superimposed with a pilot signal having a frequency higher than the sampling Nyquist frequency , which is a signal input from the outside, is demodulated by the demodulating means at the sampling sampling frequency . The demodulator downsamples the passband signal on which the pilot signal is superimposed by the downsampling means to ½ times the sampling so as to return at a frequency equal to or lower than the frequency of the pilot signal. Then, to extract the pilot signal from the down-sampled signal extracting means, in accordance with the shift of the frequency of the pilot signal by the correction means, said demodulating means for correcting the shift of the frequency of the demodulated signal demodulated. If the relative speed of the signal source and the demodulator changes when a passband signal on which the pilot signal is superimposed is input from the outside, the frequency of this signal changes due to the influence of Doppler shift. However, since the pilot signal is turned back at a frequency equal to or lower than the frequency of the pilot signal by the downsampling means, the pilot signal shifts in a direction opposite to the shift direction by the Doppler shift. Therefore, even if the pitch of the demodulated signal demodulated by the demodulating means is fluctuated due to Doppler shift, the demodulated signal pitch fluctuation is canceled by correcting the demodulated signal frequency according to the frequency of the pilot signal. Can do. For example, when the pitch of the demodulated signal is increased by a certain frequency due to Doppler shift, the pitch of the pilot signal extracted by the extracting means is decreased by the same frequency. Therefore, the pitch fluctuation can be canceled by correcting the demodulated signal at the frequency of the pilot signal. As described above, since the Doppler shift is corrected through a path different from the demodulation operation, the passband signal can be demodulated without depending on any demodulation algorithm (without using a complicated algorithm).
また、この発明の復調装置では、制御信号発生手段が、抽出手段が抽出したパイロット信号の周波数に比例した電圧を発生し、電圧制御発振手段が、制御信号発生手段が発生した電圧に比例したクロック信号を出力する。また、補正手段が、このクロック信号に応じて、前記復調信号の周波数を補正する。 In the demodulating device of the present invention, the control signal generating means generates a voltage proportional to the frequency of the pilot signal extracted by the extracting means, and the voltage controlled oscillating means is a clock proportional to the voltage generated by the control signal generating means. Output a signal. Further, the correcting means corrects the frequency of the demodulated signal in accordance with the clock signal.
この構成においては、ダウンサンプリング手段がダウンサンプリングした信号から抽出されたパイロット信号を用いて、クロック信号を発生するので、このクロック信号で復調信号を再生するように構成することで、演算処理を行うことなく補正を行うことができる。 In this configuration, since the clock signal is generated using the pilot signal extracted from the signal downsampled by the downsampling means, the demodulated signal is reproduced by this clock signal, thereby performing the arithmetic processing. Correction can be performed without any problem.
また、この発明の変復調システムでは、変調装置が、変調手段で、入力信号をパスバンド信号に変調し、このパスバンド信号にパイロット信号を重畳して出力する。また、復調装置は、この変調装置が出力した信号を処理する。したがって、変調装置に対しても、変調時にパイロット信号を加算する構成を新たに追加するだけで良く、既存の変調アルゴリズム内部に大きな設計変更を必要としない。 Further, in the modulation / demodulation system of the present invention, the modulation device modulates the input signal into a passband signal by the modulation means, and superimposes the pilot signal on the passband signal and outputs it. The demodulator processes the signal output from the modulator. Therefore, it is only necessary to newly add a configuration for adding a pilot signal during modulation to the modulation apparatus, and a large design change is not required in the existing modulation algorithm.
この発明によれば、復調そのものの処理に複雑なアルゴリズムを用いることなく、ドップラーシフトの補正を行うことができる。 According to the present invention, the Doppler shift can be corrected without using a complicated algorithm for the demodulation process itself.
図1は、本発明の実施形態に係る変調装置の概略構成を示すブロック図である。図2は、本発明の実施形態に係る復調装置の概略構成を示すブロック図である。図3は、本発明の実施形態に係る復調システムにおいて、信号処理による周波数特性の変化を説明するための図である。なお、図1及び図2に表記した括弧付きのアルファベットは、図3の各図に対応している。また、以下の説明では、変復調システムにおいて、音声帯域を超音波帯域に変調して、伝送、復調する場合を例に挙げて説明する。 FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a modulation apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the demodulation device according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram for explaining changes in frequency characteristics due to signal processing in the demodulation system according to the embodiment of the present invention. The alphabets with parentheses shown in FIGS. 1 and 2 correspond to the respective drawings in FIG. Further, in the following description, a case will be described as an example where a voice band is modulated into an ultrasonic band and transmitted and demodulated in a modem system.
変復調システム1は、変調装置2と復調装置3を備えている。変調装置2と復調装置3は、少なくとも一方が移動可能であり、両装置の相対速度が変化する場合がある。変調装置2と復調装置3の相対速度が変化しているときにパスバンド信号を放音及び収音すると、パスバンド信号はドップラーシフトの影響を受ける。しかし、本発明では、このドップラーシフトの影響をキャンセルできるように構成している。以下、その詳細を説明する。
The modulation / demodulation system 1 includes a
変調装置2は、変調器21(変調手段に相当)、正弦波発生器22、及び加算器23(重畳手段に相当)を備えている。
The
変調器21は、可聴帯域の音声信号(図3(A)参照)が入力されると、変調器21で超音波帯域の信号(変調信号)に変調して、加算器23に出力する。加算器23は、正弦波発生器22が生成した正弦波(パイロット信号)を、変調器21が出力した変調信号に重畳する(図3(B)参照)。そして、加算器23は、この変調信号にパイロット信号を重畳した信号であるパスバンド信号を出力する。加算器23が出力したパスバンド信号は、不図示の増幅器で増幅され、不図示のスピーカまたはセンサ(出力手段に相当)から超音波として放音される。
When an audio signal in the audible band (see FIG. 3A) is input to the
変調器21で行う変調方法は、可聴帯域の音声信号を超音波帯域の信号に変調するのであれば特に限定するものではない。また、復調時にパイロット信号を容易に抽出できるように、変調帯域(超音波帯域)とパイロット信号の周波数帯域は、重複せず、かつなるべく離れるように設定することが望ましい。また、また、変調装置2を、変調器21内部のベースバンド帯域でパイロット信号を加算後に、パスバンドへ変調するように構成しても良い。
The modulation method performed by the
ここで、図3に示すサンプリング周波数(fs)は一例として40kHz、パイロット信号は一例として30kHzである。また、変調器21の入力信号の周波数帯域は可聴帯域で、変調器21で変調された信号の周波数帯域は超音波帯域である。
Here, the sampling frequency (fs) shown in FIG. 3 is 40 kHz as an example, and the pilot signal is 30 kHz as an example. The frequency band of the input signal of the
なお、変調装置2において、変調器21の前段には、マイクまたはデータ入力装置、増幅器などを設けると良い。また、変調装置2にアナログ信号を入力してデジタル処理を行う場合、アナログ変調器21の前段にADC、加算器23の後段にDACを設けると良い。また、入力信号がデジタル信号の場合には、加算器23の後段にDACを設けると良い。
In the
図2に示すように、復調装置3は、ダウンサンプラ31(折り返し手段に相当)、BPF(バンドパスフィルタ)32(抽出手段に相当)、制御信号発生器33(制御信号発生手段に相当)及びVCO(電圧制御発振器)34(電圧制御発振手段に相当)を備えている。また、復調装置3は、復調器35(復調手段に相当)、バッファ36、及びDAC(デジタル−アナログ変換回路)37(補正手段に相当)を備えている。
As shown in FIG. 2, the demodulator 3 includes a downsampler 31 (corresponding to the folding means), a BPF (bandpass filter) 32 (corresponding to the extracting means), a control signal generator 33 (corresponding to the control signal generating means), and A VCO (voltage controlled oscillator) 34 (corresponding to voltage controlled oscillation means) is provided. The demodulator 3 also includes a demodulator 35 (corresponding to demodulating means), a
復調装置3は、変調装置2が放音した超音波(パスバンド信号)を、不図示のマイクまたはセンサなどで収音し、不図示の増幅器で増幅し、不図示のADCでパスバンド信号をデジタル化して、ダウンサンプラ31と復調器35に出力する。
The demodulator 3 picks up the ultrasonic wave (passband signal) emitted by the
前記のように、変調装置2と復調装置3の相対速度が変化している場合、変調装置2が放音した超音波(パスバンド信号)は、ドップラーシフトの影響で周波数がシフトする。例えば、両装置が接近しつつある場合には、パスバンド信号の周波数は、図3(C)に示すように、相対速度に応じて高くなる。
As described above, when the relative speed of the
復調装置3は、デジタル化されたパスバンド信号をダウンサンプラ31で1/2倍にダウンサンプリングする。これにより、図3(D)に示すように、パスバンド信号は、パイロット信号よりも低い周波数の周波数fs/2を中心に折り返されて、可聴帯域内の信号となる。なお、ダウンサンプラ31は、パイロット信号の周波数以下の周波数で折り返すように設定すれば、どのような周波数でも良い。
The demodulator 3 downsamples the digitized passband signal by a
復調装置3は、続いて図3(E)に示すように、BPF32によりダウンサンプリング後の信号からパイロット信号を抽出する。なお、BPF32は、パイロット信号のみ抽出するように帯域が予め設定されている。
Next, as shown in FIG. 3E, the demodulator 3 extracts a pilot signal from the signal after downsampling by the
抽出されたパイロット信号は、制御信号発生器33に入力され、制御信号発生器33は、入力された正弦波の周波数変動に比例した電圧を出力する。例えば、制御信号発生器33は、正弦波のゼロクロス周期をカウントし、正弦波の周波数変動を検出して、周波数に応じた電圧を制御信号として出力する。
The extracted pilot signal is input to the
VCO34は、制御信号の変化に比例したクロック信号を出力する。クロック信号は、基準となるサンプリング周波数の数%の範囲で追従するようにする。追従範囲は、想定するドップラーシフトの範囲に応じて決定すれば良い。
The
VCO34から出力するクロック信号は、一般的にはワードクロックと呼ばれるサンプリング周期のクロックである。このクロックを使ってDAC37を動作させる。
The clock signal output from the
一方、復調器35は、外部から入力された超音波(パスバンド信号)に含まれる変調信号を音声信号(復調信号)に復調する。なお、復調器35で行う復調方法は、超音波帯域の信号を可聴帯域の音声信号に復調するのであれば特に限定するものではない。また、復調器35は、復調時にパイロット信号を復調しないように構成すると良い。また、復調装置がアナログ回路で構成されていれば、復調前に一旦基準サンプリング周波数でD/A変換しても良い。
On the other hand, the
DAC37は、復調器35が出力してバッファ36に格納されたデジタル音声信号(復調信号)を、VCO34が出力したクロック信号で、アナログ信号に変換する。
The
なお、バッファ36は、DAC37が復調信号(デジタル信号)をアナログ信号に変換する際に、ドップラーシフトによるピッチ変動の遅れを吸収するためのものである。
The
前記のように変調装置2は復調装置3に接近しながら超音波を放音している。そのため、マイク31で収音した超音波(パスバンド信号)に含まれる変調信号及びパイロット信号は、ドップラーシフトにより、図3(C)に示したように、変調装置2や復調装置3の相対速度に応じて周波数がシフト(上昇)している。また、復調器35が復調した音声信号は、図3(F)に示すように、ピッチが上がった状態である。
As described above, the
一方、パイロット信号は、ダウンサンプリングにより、周波数fs/2で折り返されるので、ドップラーシフトによる変移方向とは逆の方向へ変移する。例えば、上記のように復調した音声信号のピッチが上がる(周波数が上がる)方向に変移している場合には、図3(E)に示したように、DAC37のクロック信号は遅くなる(周波数が下がる)方向へ変移する。つまり、復調した音声信号の周波数が上がった分と、パイロット信号を折り返すことにより周波数が下がった分と、が同じ値になる。そのため、DAC37は、音声信号のピッチが上がった分だけ、音声信号をアナログ化する速度を低下させることで、音声信号は適正なピッチとなる。つまり、図3(G)・(A)に示すように、ピッチ変動はキャンセルされて、変調装置2の入力端子20から入力された元の音声信号と同じ周波数特性の音声信号を出力する。
On the other hand, since the pilot signal is turned back at the frequency fs / 2 by downsampling, the pilot signal shifts in a direction opposite to the shift direction by the Doppler shift. For example, when the pitch of the demodulated audio signal is shifted (increased in frequency) as described above, as shown in FIG. 3E, the clock signal of the
以上の説明では、一例として、変調装置2と復調装置3が接近することにより、変調信号及びパイロット信号の周波数が上がる場合を示したが、両装置が離れてゆくことにより、変調信号及びパイロット信号の周波数が下がる場合についても同様である。
In the above description, as an example, the case where the
このように、ダウンサンプリングによる折り返し成分として抽出したパイロット信号から発生するクロック信号でDAC37を動作させることにより、ドップラーシフトのピッチ変化をキャンセルすることができる。また、移動中の変調装置2と復調装置3の間で通信しても、聞きやすい整ったピッチの音声として再生できる。
As described above, by operating the
また、変復調システム1では、変調時に、新たにパイロット信号を加算するだけで良く、既存の変調アルゴリズム内部に大きな設計変更を必要としない。さらに、復調動作とは別の経路で補正を行う構成なので、どんな復調アルゴリズムにも依存しない。したがって、変調・復調ともに、既存の処理構成において、ポストプロセッシングとして追加実装可能である。 Further, in the modulation / demodulation system 1, it is only necessary to newly add a pilot signal at the time of modulation, and a large design change is not required in the existing modulation algorithm. Furthermore, since the correction is performed through a path different from the demodulation operation, it does not depend on any demodulation algorithm. Therefore, both modulation and demodulation can be additionally implemented as post-processing in the existing processing configuration.
なお、一例として、1/2ダウンサンプリングを行う場合を説明したが、これに限るものではなく、他の倍率でも構わない。 As an example, the case of performing 1/2 downsampling has been described. However, the present invention is not limited to this, and other magnifications may be used.
また、以上の説明では、デジタル処理により信号を折り返す例を示したが、デジタル処理に限るものではなく、アナログ処理でも当然良い。また、DACのクロックを制御する例を示したが、周波数の補正ができる構成であれば他の構成でも当然良い。 In the above description, an example in which a signal is folded back by digital processing has been shown. However, the present invention is not limited to digital processing, and may be analog processing. Although an example of controlling the DAC clock has been shown, other configurations may be used as long as the configuration can correct the frequency.
また、本発明は、音声信号(入力信号)を超音波信号(変調信号)に変調する場合に限るものではなく、入力信号や変調信号としては、電磁波や光等、ドップラー効果が発生する他の媒体に適用しても良い。 Further, the present invention is not limited to the case where an audio signal (input signal) is modulated into an ultrasonic signal (modulation signal), and the input signal and the modulation signal include other electromagnetic waves, light, and other Doppler effects. You may apply to a medium.
1…変復調システム 2…変調装置 3…復調装置 21…変調器 22…正弦波発生器 23…加算器 31…ダウンサンプラ 32…BPF 33…制御信号発生器 34…VCO 35…復調器 36…バッファ 37…DAC
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Modulation /
Claims (3)
前記パイロット信号が重畳されたパスバンド信号を、前記パイロット信号の周波数以下の周波数で折り返すように前記サンプリングの1/2倍にダウンサンプリングするダウンサンプリング手段と、
前記ダウンサンプリング手段がダウンサンプリングした信号から前記パイロット信号を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段が抽出した前記パイロット信号の周波数の変移に応じて、前記復調手段が復調した復調信号の周波数の変移を補正する補正手段と、
を含む復調装置。 A demodulating means for demodulating a passband signal superposed with a pilot signal having a frequency higher than the sampling Nyquist frequency , input from the outside, at the sampling frequency of the sampling ;
Down-sampling means for down-sampling the passband signal on which the pilot signal is superimposed to ½ times the sampling so as to return at a frequency equal to or lower than the frequency of the pilot signal;
An extraction means for the down-sampling means for extracting the pilot signal from the down-sampled signal,
Correction means in accordance with the shift of the frequency of the pilot signal extracted by the extracting unit, said demodulation means to correct the shift of the frequency of the demodulated signal demodulated,
Including a demodulator.
前記制御信号発生手段が発生させた電圧に比例したクロック信号を出力する電圧制御発振手段と、
を備え、
前記補正手段は、前記電圧制御発振手段が出力したクロック信号に応じて、前記復調信号の周波数の変移を補正する請求項1に記載の復調装置。 Control signal generating means for generating a voltage proportional to the frequency of the pilot signal extracted by the extracting means;
Voltage controlled oscillation means for outputting a clock signal proportional to the voltage generated by the control signal generating means;
With
The demodulator according to claim 1, wherein the correction unit corrects a frequency shift of the demodulated signal in accordance with a clock signal output from the voltage controlled oscillation unit.
前記パスバンド信号にパイロット信号を重畳する重畳手段と、
前記パイロット信号が重畳されたパスバンド信号を出力する出力手段と、
を含む変調装置と、
請求項1または2に記載の復調装置と、
を備えた変復調システム。 Modulation means for modulating the input signal into a passband signal;
Superimposing means for superimposing a pilot signal on the passband signal;
Output means for outputting a passband signal on which the pilot signal is superimposed;
A modulator comprising:
The demodulator according to claim 1 or 2,
Modulation / demodulation system with
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