JP6365818B2

JP6365818B2 - 信号変換装置及びシンボルタイミング検出方法

Info

Publication number: JP6365818B2
Application number: JP2014038707A
Authority: JP
Inventors: 文明池田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: JP2015162873A

Description

本発明は、信号変換装置及びFFTによるシンボルタイミング検出方法に関し、特にMSKまたはGMSK変調波を同期検波するためのプリアンブルを用いない信号変換装置及びシンボルタイミング検出方法に関する。

デジタル通信の変調方式の一つにMSK（Minimum Shift Keying）変調がある。これは、周波数偏移変調の一種であり、隣り合うシンボルに対応する搬送波位相偏移が90度となるように周波数を偏移させる変調方式である。また、ベースバンド信号にガウスフィルタを用いて帯域制限した上でMSK変調を行うGMSK（Gaussian Minimum Shift Keying）変調もある。

GMSK変調方式を用いた信号の例としてAIS（Automatic Identification System）がある。AISはTDMA（Time Division Multiple Access）方式が採用されており、時分割されたスロット内で信号がバースト的に送信される。このため、復調器ではAIS信号を限られた時間内で検波しなければならない。

通常AIS信号は地上の限られたエリア内で送受信を行うため、TDMA方式により他信号との干渉は起こらないが、AIS信号を衛星で受信する場合、複数のエリアがカバーされることで送信される信号同士が干渉し合う。

MSKまたはGMSK変調波の検波手法として同期検波や遅延検波等が用いられる。遅延検波は同期検波と比較して劣化が生じやすいことから、復調性能を優先する場合には、同期検波を用いることが多い。

同期検波においては、キャリア同期やシンボル同期を取る必要がある。キャリア同期については、あらかじめ前段において入力信号をFFT（Fast Fourier Transform）することで信号のドップラシフトを含んだキャリア周波数を検出し、その周波数を用いてキャリア成分を除去することにより、短時間でキャリア同期することが可能である。

一方でシンボル同期については、同期検波回路においてキャリア同期後に取られることが一般的である。

図４は一般的な同期検波のブロック図である。I相とQ相に分かれた受信データからキャリア成分を除くために基準信号発生部２０２で発生したキャリア周波数の信号を周波数変換部２００に入力し、I相、Q相それぞれからキャリア成分を除いた信号を出力する。この際、同期検波とは別にあらかじめFFT処理等を施し、入力信号のキャリア周波数を検出したうえで検出したキャリア周波数を基準信号発生部２０２に設定することでキャリア同期を即座に行える。次に、それらからシンボルタイミングを抽出するためにシンボルタイミング抽出処理部２０３に信号を入力し、得られたシンボルタイミングと受信データを判定処理部２０１に入力することで、復号を行う。この場合、受信データから検波中にシンボルタイミングを取得しているため、即座にシンボル同期を取れないためにデータを抽出できない場合がある。

また、シンボルタイミングを取る方法として、たとえば特許文献１に示すような方式が取られている。特許文献1の方式によれば、復調器側は入力信号のある決められたパターンの繰り返しの信号であるプリアンブル部からシンボルタイミングを特定している。このように、プリアンブル部から入力信号のシンボルタイミングを検出することは通常行われるが、ノイズや他信号からの干渉によりプリアンブル部が短くなる場合がある。その場合、プリアンブル部においてシンボルタイミングを検出するための十分な時間を確保できず、データの開始を示すスタートフラグを検出できないために、信号を正しく検波できない。

特開２０１１−１０１１３１号公報

上述のように、同期検波においてプリアンブル部からシンボルタイミングを検出する方法では、干渉等により信号の一部が削られる環境下において、プリアンブル部がその影響を受けることにより、信号受信開始後スタートフラグ出現までの短時間にシンボルタイミングを検出できないことが問題である。

本発明の目的は、MSKやGMSK変調波の復調処理において、同期検波の前段で行うFFT処理にてシンボルタイミングを検出することで、プリアンブルを用いない信号変換装置及びシンボルタイミングの検出方法を提供することである。

上述の課題に鑑み、上記目的を達成するため、本発明の一態様による信号変換装置は、ジタル変換されI相Q相に分離された入力信号列それぞれに対してサンプルタイミングを調整して各々のサンプリング点列として出力するタイミング調整処理部と、タイミング調整処理された各入力信号のサンプリング点に対してそれぞれコスタス処理を施すコスタス処理部と、コスタス処理を施したサンプリング点列を逐次入力してそれぞれFFT処理を行い入力信号のキャリア周波数と最適なタイミングを取得するためのFFT処理結果をそれぞれ出力するFFT処理部と、前記FFT処理部から受け付けた各FFT処理結果から、FFT処理結果間で最も高いピークを示しているタイミングを、キャリア成分とデータ成分が含まれる信号列からキャリア成分に特化して抽出できるタイミングとして最適であろうタイミングとして求めて、キャリア周波数とシンボルタイミングを出力するピーク判定処理部と、前記ピーク判定処理部によって求められたキャリア周波数に基づいて入力信号のキャリア周波数を変化させるためのローカル周波数を発生する周波数発振器と、前記コスタス処理部よりも前段で、前記周波数発振器によって調整されたローカル周波数から入力信号のキャリア周波数を操作する周波数変換部と、を備えることを特徴とする。

本発明の効果は、FFT処理部においてシンボルタイミングを検出することで、入力信号のプリアンブル部がノイズや他信号との干渉により削られた状態においてもシンボルタイミングを検出できることにある。

本発明の更なる利点及び実施形態を、記述と図面を用いて下記に詳細に説明する。

本発明の一実施形態によるFFT回路の構成例を示すブロック図である。ベースバンド信号とGMSK変調波とサンプリング点列の関係を示す図である。図１に示すFFT回路により処理された各タイミングにおけるコスタス波形とFFT処理結果波形を示す図である。関連する同期検波を説明するためのブロック図である。

以下、本発明の実施形態に従う信号変換装置及びシンボルタイミング検出方法について図面を参照して詳細に説明する。但し、以下に説明する実施形態によって本発明の技術的範囲は何ら限定解釈されることはない。

図１は、本発明の一実施形態によるFFT回路１０の構成を示すブロック図である。FFT回路１０は、タイミング調整処理部１２と、周波数変換部１３と、コスタス処理部１４と、FFT処理部１５と、ピーク判定処理部１６と、周波数発振器部１７から構成されている。FFT回路１０は入力信号に対しコスタス処理を施し、ＦＦＴ処理の後、ピークを検出して信号のキャリア周波数とシンボルタイミングを検出する。

FFT回路１０は、AIS信号をA/D変換し、I相データとQ相データに分離した入力信号に対して処理を行う。入力信号のA/D変換の際には、入力信号のサンプリングレートのN倍（Nは2以上でありかつ2の倍数）でサンプリングしたものとする。図２は、ベースバンド信号(a)（01010のデータ）に対しMSK変調したMSK変調波(b)を、データのビットレートの8倍でサンプリングした様子を示している。

FFT回路１０は、入力信号のキャリア周波数及びシンボルタイミングを検出するため、FFT処理を行う。この際、入力信号に対してコスタス処理部１４でコスタス処理を施した後でFFT処理部１５にてFFT処理を行う。

コスタス処理部１４は以下に示す計算を行う。
出力値 = I × SIGN(Q) - Q × SIGN(I)

ここで、SIGN(X)はX相の符号を示すものであり、正の場合は+1、負の場合は-1、ゼロの場合は0である。この計算をFFT処理を施す全サンプリング点列に対して行う。

MSKまたはGMSK変調波をコスタス処理する際、入力信号のサンプリング点列のうち適切なタイミングでサンプリングしたものを入力する必要がある。適切なタイミングとは、サンプリング点列のうち、キャリア成分のみを抽出できるタイミングでサンプリングしたN個毎の点を集めたタイミングである。入力信号はキャリア成分とデータ成分が加算されたものであるが、最適なタイミングでサンプリングした点を用いてコスタス処理を施すことにより、データ成分を除去できる。このタイミングはN/2番目のタイミングである。逆に適切なタイミングでサンプリングしない場合（その他のタイミングでサンプリングした場合）は、コスタス波形にデータ成分が残るため、純粋なキャリア成分のみの波形を抽出できない。

図２(c)は(b)でサンプリングしたサンプリング点列である。そのうち、各シンボルN/2番目のサンプリング点（適切なタイミングのサンプリング点）を丸印、その他のタイミングのサンプリング点のうち一例を四角印で囲ってある。また、大きな黒丸は求めるシンボルタイミングである。

各タイミングでサンプリングした点列をコスタス処理したものが図３の(a)及び(b)である。(a)はキャリア成分のみが抽出されているため波形がほぼ滑らかに出力されている。一方、(b)にはその他のタイミングでサンプリングした波形を示している。この場合、キャリア成分の他にデータ成分が残っているため、波形が凸凹している。

図３の(a)と(b)に示すコスタス波形に対しFFT処理を施した結果が図３の(c)と(d)である。(c)はキャリア周波数成分が大きなピークとして波形に表れているが、(d)はキャリア周波数成分に加えてデータ成分も加わっているため、FFT処理結果はレベルが分散している。そのためピークのレベルは(c)に比べて小さい。したがって、最適なタイミングを検出するためには、FFT処理結果のピークのレベルが最大となるタイミングを選べばよい。

適切なタイミングを特定するため、N個のタイミングすべて（0〜N-1）においてコスタス処理とFFT処理を実施する必要がある。タイミング調整処理部１２は、I相とQ相それぞれを各タイミング（0番目のタイミング、1番目のタイミング、…N-1番目のタイミング）となるように調整し、コスタス処理部１４に入力する。

FFT処理部１５は、このようにして得られた各タイミングのコスタス波形に対してＦＦＴ処理を実施する。この際、FFT処理部１５は、実部入力と虚部入力を持つが、コスタス処理を施した入力信号は虚部入力に入力し、実部入力には0を入力する。なお、ＦＦＴ処理についてはごく一般的な処理であるため、説明は省略する。

ピーク判定処理部１６は、全タイミングのＦＦＴ処理が完了するまで、各タイミングのピーク位置を一時的に蓄える。そして、全タイミングのFFT処理が終了した段階で、ピーク判定処理部１６にてピーク値のレベルが最大となるタイミングのキャリア周波数とそのタイミングを取得する。

このとき得られたタイミングは、ピークが最大となるタイミングすなわち最適なタイミングでサンプリングしたものであるため、シンボル中N/2番目のタイミングである。このため、シンボルの初めとなるタイミング、すなわちシンボルタイミングは得られたタイミングのN/2-1個前のタイミングである。これが求めるシンボルタイミングとなる。

このように、本発明の一実施形態では、FFT処理部においてシンボルタイミングを検出することで、入力信号のプリアンブル部がノイズや他信号との干渉により削られた状態においてもシンボルタイミングを検出できる。

その理由は、FFT処理部でシンボルタイミングを検出することにより、受信信号のプリアンブル部のみならずそれ以降のデータ部分も利用できるために、プリアンブル部の有無に影響されることがないためである。

以上、実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１０ＦＦＴ回路
１２タイミング調整処理部
１３周波数変換部
１４コスタス処理部
１５ＦＦＴ処理部
１６ピーク判定処理部
１７周波数発振器部

Claims

デジタル変換されI相Q相に分離された入力信号列それぞれに対してサンプルタイミングを調整して各々のサンプリング点列として出力するタイミング調整処理部と、
タイミング調整処理された各入力信号のサンプリング点に対してそれぞれコスタス処理を施すコスタス処理部と、
コスタス処理を施したサンプリング点列を逐次入力してそれぞれFFT処理を行い入力信号のキャリア周波数と最適なタイミングを取得するためのFFT処理結果をそれぞれ出力するFFT処理部と、
前記FFT処理部から受け付けた各FFT処理結果から、FFT処理結果間で最も高いピークを示しているタイミングを、キャリア成分とデータ成分が含まれる信号列からキャリア成分に特化して抽出できるタイミングとして最適であろうタイミングとして求めて、キャリア周波数とシンボルタイミングを出力するピーク判定処理部と、
前記ピーク判定処理部によって求められたキャリア周波数に基づいて入力信号のキャリア周波数を変化させるためのローカル周波数を発生する周波数発振器と、
前記コスタス処理部よりも前段で、前記周波数発振器によって調整されたローカル周波数から入力信号のキャリア周波数を操作する周波数変換部と、
を備えることを特徴とする信号変換装置。
前記入力信号は、MSKまたはGMSK変調波であることを特徴とする請求項１に記載の信号変換装置。
前記コスタス処理部は、複数のタイミングでタイミング調整処理されたI相とQ相の入力信号の各サンプリング点に対してコスタス処理によって得たサンプリング点列を前記FFT処理部の虚部に逐次入力し、
前記FFT処理部は、実部に“０”を常時受け付けると共に、虚部に前記コスタス処理部から出力されたサンプリング点列を受け付けて、各サンプリング点のFFT処理結果をそれぞれ出力し、
前記ピーク判定処理部は、前記FFT処理部から受け付けた全タイミングの各FFT処理結果から最も高いピークを示しているタイミングに基づいて、キャリア周波数とシンボルタイミングを取得する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の信号変換装置。
デジタル変換されI相Q相に分離された入力信号列それぞれに対してサンプルタイミングを調整して各々のサンプリング点列として出力し、
タイミング調整処理された各入力信号のサンプリング点に対してそれぞれコスタス処理を施し、
コスタス処理を施したサンプリング点列を逐次入力してそれぞれFFT処理を行い入力信号のキャリア周波数と最適なタイミングを取得するためのFFT処理結果をそれぞれ出力し、
受け付けた各FFT処理結果から、FFT処理結果間で最も高いピークを示しているタイミングを、キャリア成分とデータ成分が含まれる信号列からキャリア成分に特化して抽出できるタイミングとして最適であろうタイミングとして求めて、キャリア周波数とシンボルタイミングを出力し、
求められたキャリア周波数に基づいて入力信号のキャリア周波数を変化させるためのローカル周波数を発生し、
調整されたローカル周波数から入力信号のキャリア周波数を操作する
ことを含むこと特徴とするシンボルタイミング検出方法。
前記入力信号は、MSKまたはGMSK変調波であることを特徴とする請求項４に記載のシンボルタイミング検出方法。
前記コスタス処理では、複数のタイミングでタイミング調整処理されたI相とQ相の入力信号の各サンプリング点に対してコスタス処理によって得たサンプリング点列をFFT処理の虚部入力に逐次入力し、
前記FFT処理では、実部に“０”を常時受け付けると共に、虚部に前記コスタス処理で得られたサンプリング点列を受け付けて、各サンプリング点のFFT処理結果をそれぞれ出力し、
前記FFT処理から受け付けた全タイミングの各FFT処理結果から最も高いピークを示しているタイミングに基づいて、キャリア周波数とシンボルタイミングを取得する
ことを特徴とする請求項４又は５に記載のシンボルタイミング検出方法。