JP6406061B2 - 信号歪み補償回路 - Google Patents

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Description

本発明は、データ伝送時に生じる歪みを補償するための信号歪み補償回路に関する。
複数の通信ノードが、伝送線路を通じて互いにデータ通信するとき、データレートが高くなるに従い伝送波形が歪む。このとき伝送波形の歪みがシンボル間干渉となり、正常なデジタル通信処理を妨げる。波形歪みを改善する技術としては、DFE(Decision Feedback Equalizer) と称される技術がある。DFE技術は、受信部が受信波形を用いて歪みを補償する技術である。なお、本願に関連する技術として、下記の非特許文献1に開示されている技術がある。
河野 健、他2名、「偏角原理に基づく安定性制約によって定まる実行可能領域」、平成20年11月12日〜14日、信号処理シンポジウム,[平成27年2月9日検索]、インターネット<URL : http://www.mk.ecei.tohoku.ac.jp/papers/data/F03560013.pdf>
前述のDFE技術は、一般にフィードフォワードフィルタとフィードバックフィルタとを組み合わせて構成され、フィードバックフィルタはIIRフィルタを用いて構成される。しかしながら、IIRフィルタを多段で構成すると安定性の判断が難しくなる。この結果、外部の伝送線路の条件に応じて安定点に落ち着くことなく発振してしまう可能性が高くなる。
本発明の目的は、伝送線路の条件に関わらず安定性の判断を容易にでき、これにより安定して信号処理できるようにした信号歪み補償回路を提供することにある。
請求項1記載の信号歪み補正回路は、伝送線路を通じて受信した受信信号の歪みを補正しデータ信号を復元する回路を対象としている。この請求項1記載の信号歪み補正回路は、第1フィルタと、第2フィルタと、加算手段と、を備える。第1フィルタは、受信信号を入力すると受信信号をフィルタ処理し、第2フィルタは第1フィルタの出力信号をフィルタ処理する。このとき、第2フィルタは、2段以下の遅延器を備え当該遅延器の出力信号をフィードバック処理するIIRフィルタ、及び、遅延器の出力信号をFIRフィルタ処理するFIRフィルタにより構成されるものであり、加算手段は、IIRフィルタのフィードバック処理信号とFIRフィルタの出力信号を加算して出力する。このとき、第2フィルタは、IIRフィルタ及びFIRフィルタにより構成されているため、IIRフィルタを多段で構成する必要がなくなり、フィルタ安定性の判断が容易になり、安定して信号処理できるようになる。
第1実施形態に係る信号歪み補償回路の電気的構成例を概略的に示すブロック図 マスタスレーブ通信形態例を概略的に示す構成図 DFE処理部の電気的構成例を概略的に示す図 第2フィルタの構成例を概略的に示す電気的構成図 3タップのIIRフィルタ(比較例)のシミュレーション例 2タップのIIRフィルタのシミュレーション例 第2実施形態に係るエラー出力部の構成例を概略的に示すブロック図 第3実施形態に係る第2フィルタの構成例を概略的に示す電気的構成図 第4実施形態に係る第2フィルタの構成例を概略的に示す電気的構成図 第5実施形態に係る第2フィルタの構成例を概略的に示す電気的構成図
以下、信号歪み補正回路の幾つかの実施形態について図面を参照しながら説明する。各実施形態において同一又は類似の機能を備えた構成要件については同一又は類似の符号を付し、第2実施形態以降については必要に応じて説明を省略する。
(第1実施形態)
図1〜図6は第1実施形態を示す。例えば車両内には各種のECU(Electronic Control Unit)や各種装置がネットワーク接続されている。これらを模式的に示すと、図2に示すように、マスタ通信装置1とスレーブ通信装置2a、2b…2dとが例えばバスなどの伝送線路3を介して接続されていることになる。マスタ通信装置1は、各種データ指令信号をスレーブ通信装置2a、2b…2dに出力する。スレーブ通信装置2a、2b…2dは、このマスタ通信装置1からデータ指令信号を受信するとこのデータ指令信号に応じた処理を行い、マスタ通信装置1に応答信号を出力する。マスタ通信装置1は応答信号を受信する。
このようなマスタ通信装置1とスレーブ通信装置2a、2b…2dの関係は、図1に示す送信器4と受信器5の関係に置き換えることができる。この送信器4と受信器5は伝送線路3により接続されている。マスタ通信装置1の送信器4が動作しているときには、スレーブ通信装置2の受信器5が動作している。スレーブ通信装置2の送信器4が動作しているときには、マスタ通信装置1の受信器5が動作している。
送信器4は信号発生部6及び送信部7を備える。また、受信器5は、A/D変換器8、DFE(Decision Feedback Equalizer)処理部9、及び、信号処理部10を備える。
送信器4において、信号発生部6は、例えばマイクロコンピュータにより構成され数百MHz程度でデータ変調されたデータ信号を生成し送信部7に出力する。送信部7は、データ信号を差動信号として伝送線路3に出力する。受信器5においては、A/D変換器8は、送信器4から伝送線路3を介して送信される信号を受信する。DFE処理部9は、A/D変換器8の出力信号をエンファシス処理して信号歪み補正処理し、信号処理部(信号処理手段相当)10及びデータ処理部(データ処理手段相当)11に出力する。信号処理部10及びデータ処理部11は、例えばマイクロコンピュータにより構成されている。
信号処理部10は、図示しないクロック信号を第1フィルタ12、第2フィルタ13に出力する。信号処理部10は、後述するエラー出力部(エラー出力手段相当)15を備えて構成され、エラーerrorをDFE処理部9に出力する。DFE処理部9は、エラー出力部15のエラーerror又はこのエラーerrorに基づく信号に基づいて第1及び第2フィルタ12及び13のタップ係数を調整する。データ処理部11は、DFE処理部9から入力された信号をデータ信号として処理する。
図3はDFE処理部9の電気的構成例の一部を概略的に示している。DFE処理部9は、第1フィルタ12、第2フィルタ13、加算器(加算手段相当)14を備えると共に、信号処理部10の中のエラー出力部(エラー出力手段相当)15を接続して構成されている。
第1フィルタ12は、A/D変換器8の出力信号を入力し例えばFIRフィルタ処理によりフィルタ処理し第2フィルタ13に出力する。第2フィルタ13は、第1フィルタ12の出力信号を入力してフィルタ処理し加算器14に2信号を出力する。加算器14は、これらの第2フィルタ13が出力した2信号(処理データ)を加算してデータzとして出力する。このデータzは信号処理部10内のエラー出力部15に入力される。本実施形態において、エラー出力部15はスライサ16a及び減算器16bを備える。減算器16bは、スライサ16aの入力信号からスライサ16aによりスライスされた出力信号(DFE処理部9の出力データ)を減算した信号差をエラーerrorとして出力する。
図4は特に第2フィルタ13の構成例を概略的に示している。第2フィルタ13は、IIRフィルタ17とFIRフィルタ18を備える。特に、第2フィルタ13は、IIRフィルタ17を前段に備えると共にFIRフィルタ18を後段に備える。IIRフィルタ17は、2段の遅延器19,20と2段の乗算器21,22と加算器23と減算器24とを組み合わせて構成される。前段の遅延器19は、減算器24からデータを入力し、図示しないクロック信号に応じて遅延し、この遅延データを後段の遅延器20及び乗算器21に出力する。後段の遅延器20は、クロック信号に応じてデータを遅延し、後段のFIRフィルタ18及び乗算器22に出力する。
各乗算器21,22は、遅延器19,20の出力データと各係数a1、a2を乗算し、加算器23に出力する。加算器23は、これらの乗算器21,22の出力を加算し、減算器24に出力する。減算器24は、第1フィルタ12の出力からこの加算器23の出力を減算し、このフィードバック処理信号を前段の遅延器19に出力すると共に加算器14に出力する。また、FIRフィルタ18は、複数段の遅延器25,26,27…と複数段の乗算器28,29,30…とを縦続接続すると共に、乗算器28,29,30…の出力を加算器31により加算するように構成される。また加算器14は、IIRフィルタ17のフィードバック処理信号となる減算器24の出力信号とFIRフィルタ18の加算器31の出力信号とを加算し、これらの加算信号をデータzとして出力する。
前述した構成について作用を説明する。送信器4が送信部7により伝送線路3に送信したデータは伝送線路3を通じて受信器5に伝達されると信号波形が鈍る。受信器5は伝送線路3を通じて伝達された信号をA/D変換器8によりA/D変換するが、A/D変換処理後のデータは前記の伝送線路3による信号波形の歪みがシンボル間干渉として現れることになる。そこで、DFE処理部9は、この受信データのシンボル間干渉を第1フィルタ12、第2フィルタ13を用いて歪みを補償し元の信号を再現し、信号処理部10(エラー出力部15)及びデータ処理部11に出力する。信号処理部10は、エラー出力部15から出力される出力データzのエラーerrorをDFE処理部9に出力する。DFE処理部9は、このエラーerrorを最小値(例えば所定値より小)とするように、各第1フィルタ12、第2フィルタ13のタップ係数を順次調整してタップ係数を決定する。DFE処理部9は、最終的に決定されたタップ係数を用いて受信データを復元する。
従来、このような回路構成では第2フィルタ13にはIIRフィルタが用いられている。IIRフィルタは、3タップ以上の場合には伝送線路3に適合したフィルタのタップ係数についてその安定性を判断することが難しい(例えば非特許文献1参照)。そこで、本実施形態では、IIRフィルタ17として2タップのフィルタを用いており、その後段にFIRフィルタ18を構成し、加算器14が、IIRフィルタ17のフィードバック処理信号とFIRフィルタ18の出力信号とを加算して出力データzとしている。ここで、IIRフィルタ17は2タップ以内であれば、安定性を容易に判断でき、安定的な極やタップ係数を容易に算出できる。また、FIRフィルタ18は、極が無い為、常に安定性が保証されており、受信器5が如何なる信号データを受信したとしても発振しない。
特に、伝送線路3の長さの程度に比較して伝搬信号の周波数が比較的高いときには、信号は伝送線路3にて遅延を生じやすくなる。この場合、ある受信信号データを受信したときに、当該受信信号データが到来する前の受信信号データの影響を受けやすくなり、受信信号データをエラーなく復元するためには、当該受信信号データが到来する相当前の受信信号データの影響を反映させると良く、IIRフィルタ17とFIRフィルタ18の合計タップ数を少なくとも3タップ以上にすると良い。
また特に、例えば車両内の伝送線路3に適用した場合、図2に示すように、様々なECU、センサ、アクチュエータ等がバス接続されている。したがって、高周波(数百MHz程度)の信号周波数が伝送線路3を伝播すると、マスタ通信装置1及びスレーブ通信装置2a〜2d間で例えば多重反射を生じやすく、理論的な安定性の設計が難しくなる。したがって、IIRフィルタを適用し、安定解となるタップ係数を算出しようとすると、安定性の判断を行うことが難しくなる。
本実施形態では、前段に2タップ以内のIIRフィルタ17を設けると共に後段に複数タップのFIRフィルタ18を設け、IIRフィルタ17のフィードバック処理信号とFIRフィルタ18の出力信号とを加算することで、ある受信信号データを受信する相当前の受信信号データの影響を当該受信信号データに反映可能にすると共に、安定性の判断を容易に行うことを可能にしつつ、エラーerrorの少ない極やタップ係数を容易に導出できるようにしている。
<シミュレーション結果>
例えば、図5(a)及び図5(b)は簡単な比較例を示すもので、図5(a)に示すIIRフィルタの3タップフィルタモデル50を適用した場合のインパルス応答に応じた出力データの収束性のシミュレーション結果を示している。これらの図5(a)及び図5(b)は、例えば、車両内の伝送線路3に適合するように、エラーerrorを収束して算出される極値と、タップ係数b1、b2、b3(但し負値)を用いたときのデータ出力例を示している。図5(a)に示すように、3タップフィルタモデル50は、遅延器51〜53、乗算器54〜56、加算器57〜60、スライサ61を図示のように組み合わせて構成されている。この3タップフィルタモデル50を用いたとき、最適な各乗算器54〜56のタップ係数を求めるため、スライサ61の前後の差分データのエラーerrorを0に収束させようとしても、3つの極値が−1.1,0.2,0.2、タップ係数が(b1,b2,b3)=(0.7,−0.4,0.044)と不安定点が導出された。
このような場合、出力データの時間経過を図5(b)に示すように、これら一組のタップ係数(b1,b2,b3)を用いたとしても、出力データが発振してしまい出力データが収束しない。すなわち、車内ネットワークなどの伝送線路3に適合するように最適なタップ係数を求めようとする場合、前述したように複雑な伝送線路3の反射特性、伝播特性を生じるため、安定性の判断が比較的困難な3段以上のIIRフィルタを適用することは望ましくない。
図6(a)及び図6(b)は本実施形態で挙げた2段のIIRフィルタの2タップフィルタモデル70を適用した場合のインパルス応答に応じた出力データの収束性のシミュレーション結果を示している。図6(a)に示すように、2タップフィルタモデル70は、遅延器71,72、乗算器73,74、加算器75,76、スライサ77を組み合わせて構成されている。これらの図6(a)及び図6(b)に示すシミュレーション結果でも同様に、例えば、車両内の伝送線路3に適合するように、エラーerrorを収束して算出される極値とタップ係数b1、b2を用いたときのデータ出力例を示している。
この2タップフィルタモデル70を用いた例では、最適なタップ係数を求めるため、スライサ77の前後の差分データのエラーerrorを0に収束させようとするとき、2つの極値が0.3、−0.7、タップ係数が(b1,b2,b3)=(0.4,−0.21)と安定的な解を容易に導出できた。ここで、2タップフィルタモデル70を用いた場合には、一般公開されている既存の技術を利用すれば、簡易な式を用いて安定性を判定可能となる。
以上説明したように、本実施形態では、第2フィルタ13を、2段のIIRフィルタ17と複数段のFIRフィルタ18とにより構成し、加算器14がIIRフィルタ17のフィードバック処理信号とFIRフィルタ18の出力信号とを加算するように構成した。これにより、IIRフィルタ17の安定性の判断を容易にできるようになり、エラーerrorの少ない極やタップ係数を容易に導出できるようになり、安定したフィルタ処理を行うことができる。しかも設計の容易性を向上できる。
(第2実施形態)
図7は第2実施形態の追加説明図を示す。第2実施形態では、エラー出力部(エラー出力手段)15の他の構成例を説明する。本実施形態のエラー出力部115は、トレーニングパターン生成器(training pattern generator)116a及び減算器116bを備える。トレーニングパターン生成器116aは、送信器4と受信器5との間で予め定められたデータ系列を備えた疑似ランダム符号によるトレーニングパターンを生成するブロックであり、このトレーニングパターンを減算器116bに出力する。減算器116bは出力データzとトレーニングパターンとを比較減算してエラーerrorとして出力する。信号処理部10はエラーerrorをDFE処理部9に出力し、DFE処理部9は当該DFE処理部9の中の第1フィルタ12と第2フィルタ13のタップ係数を減算器116bの出力エラーerrorが最小値(所定値より小)となるように決定する。この結果、伝送線路3の影響を考慮したタップ係数を設定できる。本実施形態においても、前述実施形態と同様の効果を奏する。
(第3実施形態)
図8は第3実施形態の追加説明図を示す。第3実施形態では、第2フィルタの他の構成例を説明する。
DFE処理部9に代わるDFE処理部209は、第1フィルタ12、第2フィルタ213、及び、加算器14を図示形態に備える。第2フィルタ213は、1段のIIRフィルタ217と、その後段に接続された1又は複数段のFIRフィルタ218とを備える。
DFE処理部209は、1段のIIRフィルタ217のタップ係数a1、1又は複数段のFIRフィルタのタップ係数a3、a4、a5…を入力し、伝送線路3における信号歪みを補償し元の信号を再現し信号処理部10に出力する。このとき、信号処理部10はエラーerrorをDFE処理部209に出力し、DFE処理部209は出力データzのエラーerrorを最小値(例えば所定値より小)とするように、第2フィルタ213のタップ係数a1、a3、a4…を調整し、タップ係数を決定する。本実施形態に示すようにIIRフィルタ217を1段としても良い。これにより、前述実施形態と同様の効果を奏する。
(第4実施形態)
図9は第4実施形態の追加説明図を示す。第1実施形態で説明した第2フィルタ13(IIRフィルタ17)と、第3実施形態で説明した第2フィルタ213(IIRフィルタ217)と、を切換可能にしても良い。例えば、図9に示すDFE処理部309は、第1フィルタ12と第2フィルタ313と加算器14とを備えており、第2フィルタ313は、IIRフィルタ317を前段に備えると共にFIRフィルタ18を後段に備える。
IIRフィルタ317は、遅延器19,20、乗算器21,22、加算器23、減算器24を備えると共に、遅延器20の直前にオンオフスイッチ80を挿入すると共に乗算器22と加算器23との間にオンオフスイッチ81を挿入し、さらに、遅延器19の出力とFIRフィルタ318の入力との間にオンオフスイッチ82を挿入して構成されている。信号処理部10がオンオフスイッチ80,81,82をオンオフ切換可能に構成されている。これにより、IIRフィルタ17の構成とIIRフィルタ217の構成とを切換えることができる。すなわち、IIRフィルタ317のタップ数を、複数の第1タップ数(2段以下:例えば2)とした場合、この第1タップ数を少なくする(例えば1)ことができる。この結果、IIRフィルタ317を2段以下としながら、伝送線路3に応じてIIRフィルタ317のタップ数を動的に切換えることができる。
この場合、伝送線路3の信号伝播状況(伝送線路3の線路長、設定値(例えば信号周波数)等)に応じてタップ数を動的に切換えると良い。例えば伝送線路3の線路長を短くした場合にはタップ数を少なくし、伝送線路3の線路長を長くした場合にはタップ数を多くすると良い。例えば伝送線路3を伝播する信号周波数を高くした場合にはタップ数を多くし、伝送線路3を伝播する信号周波数を低くした場合にはタップ数を少なくすると良い。
本実施形態によれば、伝送線路3に応じてIIRフィルタ317のタップ数を調整可能にしているため、たとえ伝送線路3が変更されたり、伝送線路3の信号伝播状況が変更されたりしても柔軟に適応できる。
(第5実施形態)
図10は第5実施形態の追加説明図を示す。第4実施形態と同様に、FIRフィルタも段数(タップ数)を切換可能にしても良い。例えば、図10に示すDFE処理部409は、第1フィルタ12と第2フィルタ413と加算器14とを備えており、第2フィルタ413は、IIRフィルタ17を前段に備えると共にFIRフィルタ418を後段に備える。
FIRフィルタ418は、遅延器25,26,27…、乗算器28,29,30…、加算器31を備えると共に、乗算器30の直前にオンオフスイッチ83を挿入すると共に、遅延器27の直前にオンオフスイッチ84を挿入して構成されている。信号処理部10はオンオフスイッチ83,84をオンオフ切換可能に構成されている。これにより、FIRフィルタ418のタップ数を動的に切換えることができる。すなわち、FIRフィルタ418のタップ数を、複数の第2タップ数(例えば2)とした場合、この第2タップ数を少なくする(例えば1)ことができる。この結果、伝送線路3に応じてFIRフィルタ418のタップ数を動的に切換えることができる。
この場合、伝送線路3の信号伝播状況(伝送線路3の線路長、設定値(例えば信号周波数)等)に応じてFIRフィルタ418のタップ数を動的に切換えると良い。例えば伝送線路3の線路長を短くした場合にはタップ数を少なくし、伝送線路3の線路長を長くした場合にはタップ数を多くすると良い。例えば伝送線路3を伝播する信号周波数を高くした場合にはタップ数を多くし、伝送線路3を伝播する信号周波数を低くした場合にはタップ数を少なくすると良い。
本実施形態によれば、伝送線路3に応じてFIRフィルタ418のタップ数を調整可能にしているため、伝送線路3が変更されたり、伝送線路3の信号伝播状況が変更されたりしても柔軟に適応できる。
また特に、第4及び第5実施形態の技術は組み合わせることができる。
(他の実施形態)
本発明は前述した実施形態に限られるものではなく様々な変形又は拡張が可能である。半2重通信又は全2重通信でも適用できる。P2P(peer to peer)による通信方式も適用できる。タップ係数の決定処理は信号処理部10が行っても良い。前述した車両用に限らず車両外の他用途に適用できる。各実施形態の構成を互いに組み合わせて適用することも可能である。
図面中、9,209,309,409はDFE処理部、10は信号処理部、11はデータ処理部、12は第1フィルタ、13,213,313は第2フィルタ、14は加算器(加算手段)、15,115はエラー出力部(エラー出力手段)、17,217,317はIIRフィルタ、18,418はFIRフィルタ、を示す。

Claims (10)

  1. 伝送線路(3)を通じて受信した受信信号の歪みを補正しデータを復元する信号歪み補正回路であって、
    前記受信信号を入力すると前記受信信号をフィルタ処理する第1フィルタ(12)と、
    前記第1フィルタの後段に接続され前記第1フィルタの出力信号をフィルタ処理するフィルタであり、2段以下の遅延器(19,20)を備え当該遅延器の出力をフィードバック処理するIIRフィルタ(17,217,317)と、前記遅延器の出力信号をFIRフィルタ処理するFIRフィルタ(18,418)とにより構成された第2フィルタ(13,213,313)と、
    前記第2フィルタのうち前記IIRフィルタのフィードバック処理信号と前記FIRフィルタの出力信号を加算する加算手段(14)と、を備えることを特徴とする信号歪み補正回路。
  2. 前記IIRフィルタは前記FIRフィルタよりも前段に構成されていることを特徴とする請求項1記載の信号歪み補正回路。
  3. 前記IIRフィルタはそのタップ数が2段以下とされていることを特徴とする請求項1または2記載の信号歪み補正回路。
  4. 前記IIRフィルタ(317)は複数段の第1タップ数により構成され、
    前記複数段の第1タップ数は前記伝送線路に応じて調整可能に構成されていることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の信号歪み補正回路。
  5. 前記FIRフィルタ(418)は複数段の第2タップ数により構成され、
    前記複数段の第2タップ数は前記伝送線路に応じて調整可能に構成されていることを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の信号歪み補正回路。
  6. 前記伝送線路はバスにより構成されることを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の信号歪み補正回路。
  7. 前記加算手段の出力信号を入力し当該入力信号に基づいてエラーを出力するエラー出力手段(15,115)を備えることを特徴とする請求項1から6の何れか一項に記載の信号歪み補正回路。
  8. 前記エラー出力手段(15)は、前記加算手段の出力信号を入力し当該入力信号をスライスした信号との信号差をエラーとして出力することを特徴とする請求項7記載の信号歪み補正回路。
  9. 前記第1フィルタ及び前記第2フィルタは伝送線路に伝達されるトレーニングパターンを入力してフィルタ処理し、
    前記エラー出力手段(115)は、前記加算手段の出力信号を入力し前記トレーニングパターンとの信号差をエラーとして出力することを特徴とする請求項7記載の信号歪み補正回路。
  10. 車両用の伝送線路に適用したことを特徴とする請求項1から9の何れか一項に記載の信号歪み補正回路。
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