JP6679927B2 - オフセット値補正装置およびオフセット値補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、オフセット値補正技術に関し、特に受信した信号におけるオフセット値を補正するオフセット値補正装置およびオフセット値補正方法に関する。

デジタル通信では、送信機において、シンボルへデジタル変調した信号を送信し、受信機において、検波値と基準シンボル値とを対比することによって、各シンボル期間のシンボルを決定する。ここで、送信シンボルの生成および受信シンボルの検出には、基準値が必要である。例えば、デジタル変調としてＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）を採用した場合、基準値は基準周波数に相当する。送信機の基準周波数と受信機の基準周波数との間に生じたずれは、受信機の検波信号中にＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）オフセットとなって出現し、受信機におけるシンボル検出を阻害する。このＤＣオフセットをキャンセルするために、例えば、ＨＰＦ（Ｈｉｇｈ−Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）によってＤＣ成分が吸収される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−６０７２５号公報

デジタル変調の場合、検波信号にもＤＣ成分が含まれているので、ＤＣオフセットを吸収するためにＨＰＦを使用すると、必要な情報も欠落してしまう。必要な情報の欠落は、固定劣化の要因になる。また、ＤＣオフセット量が大きくなれば、ＤＣ成分を吸収するまでの時間も長くなるので、同期を確立するまでの期間が長くなる。その結果、データ受信が成功するまでの期間も長くなる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、オフセットを短期間で正確に補正する技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のオフセット値補正装置は、一部に正弦波波形が含まれた受信信号を入力する入力部と、入力部に入力した受信信号に対して微分処理を実行する微分処理部と、微分処理部において微分処理を実行した受信信号と、余弦波波形のパターンとして記憶した参照信号との相関処理を実行する相関処理部と、相関処理部における相関処理の結果をもとに推定したタイミングであって、かつ入力部に入力した受信信号に正弦波波形が含まれたタイミングにおいて、入力部に入力した受信信号の値をオフセット値として取得する取得部と、取得部において取得したオフセット値によって、入力部に入力した受信信号を補正する補正部と、を備える。

本発明の別の態様は、オフセット値補正方法である。この方法は、一部に正弦波波形が含まれた受信信号を入力するステップと、入力した受信信号に対して微分処理を実行するステップと、微分処理を実行した受信信号と、余弦波波形のパターンとして記憶した参照信号との相関処理を実行するステップと、相関処理の結果をもとに推定したタイミングであって、かつ入力した受信信号に正弦波波形が含まれたタイミングにおいて、入力した受信信号の値をオフセット値として取得するステップと、オフセット値によって、入力した受信信号を補正するステップと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、オフセットを短期間で正確に補正できる。

本発明の実施例に係る通信システムの構成を示す図である。 図１の送信装置から送信される信号のフォーマットを示す図である。 図３（ａ）−（ｃ）は、図２の同期ワードのデータ構造を示す図である。 図１の受信装置の構成を示す図である。 図４のベースバンドフィルタ部から出力される検波信号を示す図である。 図６（ａ）−（ｃ）は、図４の受信装置の処理概要を示す図である。 図７（ａ）−（ｃ）は、図４の受信装置の別の処理概要を示す図である。 図４の受信装置による受信処理を示すフローチャートである。

本発明を具体的に説明する前に、まず概要を述べる。本発明の実施例は、デジタル変調方式を使用し、かつ送信装置と受信装置によって構成される通信システムに関する。一例として、デジタル変調方式にＦＳＫが使用され、通信として無線通信が実行される。前述のごとく、送信装置の基準周波数と受信装置の基準周波数とがずれている場合、受信装置において検波された信号には、ＤＣオフセットが含まれる。ＤＣオフセットの存在によって受信特性が悪化するので、ＤＣオフセットの補正が必要とされる。ＤＣオフセットの補正のためにＨＰＦを使用すると、情報成分の欠落により補正精度が悪化するとともに、補正するまでの期間が長くなる。これらを改善するために、本実施例では、次の処理を実行する。

送信装置から送信される信号は、例えば、パケット信号、バースト信号等のようにフレーム信号として形成される。フレーム信号には、同期ワードが含まれる。同期ワードは、受信装置において、送信装置とのフレーム同期を確立させるための情報であり、既知の情報である。ここでは、同期ワードの少なくとも一部に正弦波波形が含められる。受信装置は、送信装置からのフレーム信号を受信し、周波数検波を実行するとともに、所定のサンプリングレートによってアナログ−デジタル変換を実行する。また、受信装置は、デジタル変換された検波信号をサンプルごとに微分する。当該微分によって、正弦波波形は余弦波波形に変換され、受信装置は、検波信号の中から余弦波波形を検出する。

余弦波波形を検出した場合、受信装置は、正弦波波形が原点を通過すべきタイミングにおける検波信号の値をＤＣオフセット値として取得する。さらに、受信装置は、取得したＤＣオフセット値によって検波信号を補正する。このように、受信装置は検波信号をサンプルごとに微分するので、ＤＣオフセット量の大きさに関係なく、ＤＣオフセット値が取得され、検波信号の補正が可能になる。正弦波波形を微分しても位相が変わるだけであるので、情報成分を欠落させずに、検波信号が補足される。

図１は、本発明の実施例に係る通信システム１００の構成を示す。通信システム１００は、送信装置１０、受信装置２０を含む。送信装置１０は、ＦＳＫ等のデジタル変調を実行する無線装置である。図２は、送信装置１０から送信される信号、例えば、フレーム信号のフォーマットを示す。図示のごとく、同期ワード、データが順に配置される。なお、フレーム信号のフォーマットは、これに限定されず、他の要素が含められてもよい。

図３（ａ）−（ｃ）は、同期ワードのデータ構造を示す。図３（ａ）は、２値ＦＳＫを使用する場合の同期ワードを示し、２４シンボル、２４ビットで構成される。ここで、「１」と「０」は、例えば、±１８００Ｈｚの周波数偏移幅に対応する。図３（ａ）において下線によって示された「１１００１１００」の８ビットの部分が、前述の正弦波波形の部分に相当する。図３（ｂ）は、４値ＦＳＫを使用する場合の同期ワードを示し、２４シンボル、４８ビットで構成される。４値ＦＳＫにおいて、シンボルの４値「１１」、「１０」、「００」、「０１」が、「−３」、「−１」、「１」、「３」にそれぞれ対応づけられており、「−３」と「３」が、例えば±１８００Ｈｚの周波数偏移幅に対応する。

４値ＦＳＫの「１１」、「０１」が２値ＦＳＫの「０」、「１」にそれぞれ対応するので、図３（ｂ）の同期ワードは図３（ａ）の同期ワードと実質的に同一である。これらは、ＡＰＣＯ Ｐｒｏｊｅｃｔ２５のＦＤＭＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）において規定された同期ワードである。なお、図３（ｂ）においても、下線によって示された「０１０１１１１１０１０１１１１１」の１６ビットの部分が、前述の正弦波波形の部分に相当する。図３（ｃ）は、図３（ｂ）を１６進数で表現した同期ワードを示す。図１に戻る。

受信装置２０は、送信装置１０からのフレーム信号を受信する。受信装置２０には、局部発振器が設けられており、当該局部発振器から出力される局部発振信号の基準周波数は、送信装置１０に設けられた局部発振器から出力される局部発振信号の基準周波数とずれている。そのため、受信装置２０において検波された信号には、ＤＣオフセットが含まれる。受信装置２０では、当該ＤＣオフセットを補正するための処理が実行される。以下では、受信装置２０の構成ととともに、この処理を具体的に説明する。

図４は、受信装置２０の構成を示す。受信装置２０は、周波数検波部３０、ベースバンドフィルタ部３２、微分処理部３４、第１相関処理部３６、ＳＷ部３８、取得部４０、遅延部４２、補正部４４、第２相関処理部４６、判定処理部４８を含む。

周波数検波部３０は、図示しない送信装置１０から受信したフレーム信号を入力する。周波数検波部３０は、局部発振器を備え、局部発振器から出力される局部発振信号を使用して、フレーム信号に対して周波数検波を実行する。また、周波数検波部３０は、周波数検波を実行したフレーム信号に対して、所定のサンプリングレートによってアナログ−デジタル変換を実行する。サンプリングレートは、シンボルレートよりも高速になるように設定される。その結果、周波数検波部３０は、周波数検波を実行し、かつデジタル変換されたフレーム信号（以下、これを「受信信号」、「検波信号」という）をベースバンドフィルタ部３２に出力する。前述のごとく、検波信号には、ＤＣオフセットが含まれる。なお、周波数検波部３０において、周波数検波とアナログ−デジタル変換の順番は逆であってもよい。

ベースバンドフィルタ部３２は、周波数検波部３０からの検波信号を入力する。検波信号の同期ワードの部分には、正弦波波形が含まれる。ベースバンドフィルタ部３２は、検波信号に対してフィルタリングを実行することによって、検波信号に含まれた高周波成分を低減する。ベースバンドフィルタ部３２は、フィルタリングを実行した検波信号（以下、これもまた「検波信号」、「受信信号」という）を出力する。図５は、ベースバンドフィルタ部３２から出力される検波信号を示す。横軸が時間を示し、縦軸が振幅を示す。これは、検波信号のうち、前述したＡＰＣＯ Ｐｒｏｊｅｃｔ２５のＦＤＭＡにおける同期ワードを示す。正弦波波形部分６０は、１２００Ｈｚの正弦波波形に相当する。また、正弦波波形は、振幅の原点から開始し、振幅の原点で終了するような１．５周期の波形である。図４に戻る。

微分処理部３４は、ベースバンドフィルタ部３２からの検波信号を入力する。微分処理部３４は、検波信号に対して微分処理を実行する。微分処理は、１サンプル間隔での検波信号の差分を計算することに相当する。ここでは、検波信号の同期ワードにおける正弦波波形に対する微分処理をさらに具体的に説明する。微分処理部３４に入力された正弦波波形は、次のように示される。
ｆ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｔ）＋α ・・・（１）
ここで、角速度ωは実質的にはサンプリング周波数を示し、αはＤＣオフセットを示す。

正弦波波形に対して微分処理を実行すると、次のように示される。
ｄｆ（ｔ）／ｄｔ＝ｄ（ｓｉｎ（ωｔ）＋α）／ｄｔ＝ｃｏｓ（ωｔ） ・・・（２）
式（２）に示すように、正弦波波形は微分処理によって余弦波波形に変換される。これは、１サンプル間隔での検波信号の差分を計算することによって、相対的な振幅が導出される。なお、正弦波波形と余弦波波形とは位相が異なるだけの関係であるので、正弦波波形に含まれた情報成分は欠落されない。微分処理部３４は、微分処理した検波信号を第１相関処理部３６に出力する。

第１相関処理部３６は、微分処理部３４から、微分処理した検波信号を入力する。第１相関処理部３６は、余弦波波形のパターンを参照信号として記憶しており、微分処理した検波信号と、参照信号との相関処理を実行する。第１相関処理部３６は、相関処理の結果である相関値のピークを検出することによって、検波信号に正弦波波形が含まれたタイミングを推定する。

図６（ａ）−（ｃ）は、受信装置２０の処理概要を示す。図６（ａ）は、検波信号の正弦波波形の部分を示し、図６（ｂ）は、微分処理した検波信号の余弦波波形の部分を示し、図６（ｃ）は、相関処理の結果である相関値の変化を示す。参照信号と一致するタイミングは「Ｔ」であり、このタイミング「Ｔ」で相関値は最大となる。相関値が最大のタイミング「Ｔ」では、微分処理した検波信号の余弦波は振幅のピークであり、検波信号が本来の原点を通過するタイミングになる。検波信号にＤＣオフセットαが含まれる場合、このタイミング「Ｔ」における検波信号の値そのものが、ＤＣオフセットαに相当する。図７（ａ）−（ｃ）は、受信装置２０の別の処理概要を示す。これらは、図６（ａ）−（ｃ）における１周期を１．５周期とした場合である。なお、図７（ｃ）では、参照信号も１．５周期とされている。図４に戻る。

第１相関処理部３６は、タイミング「Ｔ」を特定した場合に、ＳＷ部３８を「オフ」から「オン」に切りかえる。ＳＷ部３８は、ベースバンドフィルタ部３２からの検波信号を入力する。ＳＷ部３８は、通常、「オフ」にされているので、入力した検波信号を出力しない。一方、ＳＷ部３８は、第１相関処理部３６からの指示に応じて、「オフ」から「オン」に切りかわる。前述のごとく、これは、タイミング「Ｔ」が特定された場合になされる。「オン」に切りかわると、ＳＷ部３８は、そのタイミングで入力した検波信号を取得部４０に出力する。ＳＷ部３８は、１サンプリングの検波信号を出力すると、「オフ」に戻る。

取得部４０は、ＳＷ部３８からの検波信号であって、かつ１サンプリングの検波信号を入力する。これは、前述のごとく、検波信号に正弦波波形が含まれたタイミング、特に正弦波波形が原点を通過すべきタイミング「Ｔ」における検波信号を入力することに相当する。取得部４０は、入力した検波信号の値をＤＣオフセット値として取得する。ＤＣオフセットが生じていない場合、正弦波波形が原点を通過すべきタイミング「Ｔ」において、検波信号の値は、「０」になるべきである。そのため、当該タイミング「Ｔ」での検波信号の値が「０」でなければ、その検波信号の値は、ＤＣオフセット値を示す。取得部４０は、ベースバンドフィルタ部３２からの検波信号の出力が終了するまで、つまり周波数検波部３０におけるフレーム信号の入力が終了するまで、ＤＣオフセット値を保持する。

遅延部４２は、ベースバンドフィルタ部３２からの検波信号を入力する。遅延部４２は、ＳＷ部３８、取得部４０での処理遅延の期間だけ検波信号を遅延させる。遅延部４２は、遅延させた検波信号（以下、これもまた「検波信号」という）を補正部４４に出力する。補正部４４は、遅延部４２からの検波信号を入力する。一方、補正部４４は、取得部４０からのＤＣオフセット値によって、検波信号を補正する。具体的に説明すると、補正部４４は、検波信号からＤＣオフセット値を減算することによって、検波信号に含まれたＤＣオフセット値を低減する。補正部４４は、補正した検波信号（以下、これもまた「検波信号」という）を第２相関処理部４６に出力する。

第２相関処理部４６は、遅延部４２からの検波信号を入力する。第２相関処理部４６は、同期ワードを記憶しており、検波信号と同期ワードとの相関処理を実行する。第２相関処理部４６は、相関処理の結果である相関値のピークを検出することによって、フレームおよびシンボルのタイミング同期を確立させる。第２相関処理部４６は、タイミング同期を確立した検波信号のデータ部分を判定処理部４８に出力する。判定処理部４８は、第２相関処理部４６からのデータ部分を入力する。判定処理部４８は、データ部分に対して判定処理を実行することによって、データを取得する。判定処理には公知の技術が使用されればよいので、ここでは説明を省略する。

この構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。

以上の構成による受信装置２０の動作を説明する。図８は、受信装置２０による受信処理を示すフローチャートである。周波数検波部３０は、受信信号を取得し（Ｓ１０）、周波数検波処理を実行する（Ｓ１２）。ベースバンドフィルタ部３２は、検波信号に対してベースバンドフィルタ処理を実行する（Ｓ１４）。フレーム同期が確立していなければ（Ｓ１６のＮ）、微分処理部３４は、１サンプル微分処理を実行する（Ｓ１８）。第１相関処理部３６は、余弦波波形の相関処理を実行する（Ｓ２０）。余弦波波形の相関が検出された場合（Ｓ２２のＹ）、取得部４０は、ＤＣオフセット値の抽出処理を実行する（Ｓ２４）。

余弦波波形の相関が検出されない場合（Ｓ２２のＮ）、ステップ２４はスキップされる。補正部４４は、検波信号からＤＣオフセット値を減算する（Ｓ２６）。第２相関処理部４６は、フレーム同期のための相関処理を実行する（Ｓ２８）。フレーム同期が確立すれば（Ｓ３０のＹ）、判定処理部４８は、シンボルからビットへの判定処理を実行する（Ｓ３２）。フレーム同期が確立しなければ（Ｓ３０のＮ）、ステップ３２はスキップされる。フレーム同期が確立していれば（Ｓ１６のＹ）、ステップ１８からステップ３０はスキップされる。

本実施例によれば、微分処理を実行した検波信号と、余弦波波形との相関処理を実行するので、ＤＣオフセットの影響を受けずに、検波信号に正弦波波形が含まれたタイミングを検出できる。また、検波信号に正弦波波形が含まれたタイミングでの検波信号の値を抽出するので、ＤＣオフセット値を取得できる。また、微分処理と相関処理の結果をもとにＤＣオフセット値を取得するので、ＤＣオフセット値を取得するまでの期間を短縮できる。また、取得したＤＣオフセット値によって検波信号を補正するので、ＤＣオフセットを補正するまでの期間を短縮できる。

また、正弦波波形が含まれたタイミングでの検波信号の値を取得するので、ＤＣオフセット量によらずにＤＣオフセットを吸収できる。また、ＤＣオフセット量によらずにＤＣオフセットが吸収されるので、同期を取得するまでの期間を短縮できる。また、同期ワード内の正弦波成分に着目して微分するので、固定劣化が起こらずに正確に同期ワードを捕捉できる。また、微分処理は単に１サンプル前の値と減算するだけなので負荷を軽減できる。

また、正弦波波形が原点を通過すべきタイミングにおいて、検波信号の値をＤＣオフセット値として取得するので、ＤＣオフセット値の精度を向上できる。また、正弦波波形が原点を通過すべきタイミングにおいて、検波信号の値をＤＣオフセット値として取得するので、処理を簡易にできる。また、受信信号の入力が終了するまで、オフセット値を保持するので、正弦波波形がデータに含まれていても、処理を正確に継続できる。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１０ 送信装置、 ２０ 受信装置、 ３０ 周波数検波部、 ３２ ベースバンドフィルタ部、 ３４ 微分処理部、 ３６ 第１相関処理部、 ３８ ＳＷ部、 ４０ 取得部、 ４２ 遅延部、 ４４ 補正部、 ４６ 第２相関処理部、 ４８ 判定処理部、 １００ 通信システム。

Claims (4)

1. 一部に正弦波波形が含まれた受信信号を入力する入力部と、
   前記入力部に入力した受信信号に対して微分処理を実行する微分処理部と、
   前記微分処理部において微分処理を実行した受信信号と、余弦波波形のパターンとして記憶した参照信号との相関処理を実行する相関処理部と、
   前記相関処理部における相関処理の結果をもとに推定したタイミングであって、かつ前記入力部に入力した受信信号に正弦波波形が含まれたタイミングにおいて、前記入力部に入力した受信信号の値をオフセット値として取得する取得部と、
   前記取得部において取得したオフセット値によって、前記入力部に入力した受信信号を補正する補正部と、
   を備えることを特徴とするオフセット値補正装置。
2. 前記取得部は、前記相関処理部による相関処理の結果が最大となるタイミングにおいて、前記入力部に入力した受信信号の値をオフセット値として取得することを特徴とする請求項１に記載のオフセット値補正装置。
3. 前記取得部は、前記入力部における受信信号の入力が終了するまで、オフセット値を保持することを特徴とする請求項１または２に記載のオフセット値補正装置。
4. 一部に正弦波波形が含まれた受信信号を入力するステップと、
   入力した受信信号に対して微分処理を実行するステップと、
   微分処理を実行した受信信号と、余弦波波形のパターンとして記憶した参照信号との相関処理を実行するステップと、
   相関処理の結果をもとに推定したタイミングであって、かつ入力した受信信号に正弦波波形が含まれたタイミングにおいて、入力した受信信号の値をオフセット値として取得するステップと、
   オフセット値によって、入力した受信信号を補正するステップと、
   を備えることを特徴とするオフセット値補正方法。

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