JP6741946B2 - 偏移制御回路および無線機 - Google Patents

Description

本発明は、偏移制御回路および無線機に関する。

ＦＭ（Frequency Modulation：周波数変調）無線機では、周波数変調における最大変調度（最大周波数偏移）を既定値以下とするために、ＩＤＣ（Instantaneous Deviation Control：瞬時偏移制御）回路が設けられ、ＩＤＣ回路の出力で搬送波が周波数変調される。ＩＤＣ回路はリミッタ回路およびスプラッタフィルタを有する。リミッタ回路においてＩＤＣ回路に入力された信号の振幅が制限され、リミッタ回路において生じた高調波成分がスプラッタフィルタで抑圧される。

特許文献１に開示される無線送受信装置においては、マイクからの音声信号はプリアンプおよびプリエンファシス回路にて周波数微分され、リミッタアンプで高レベルの信号がクリップされる。スプラッタフィルタにおいて、クリップによって生じる高調波が抑圧される。リミッタアンプおよびスプラッタフィルタがＩＤＣ回路を構成する。

特開昭６１−２６５９３０号公報

上述の処理をデジタル回路で実現する場合、スプラッタフィルタの減衰特性は、アナログ回路の場合に比べて急峻であるため、高調波成分がアナログ回路の場合よりも急激に抑圧される。高調波成分が急激に抑圧されることで、周波数変調に用いられる信号の波高値が周波数ごとにばらつくため、最大周波数偏移が周波数ごとにばらついてしまう。最大周波数偏移の最大値が既定値以下となるようにＩＤＣ回路のフィルタを調節すると、例えば、最大変調度の最小値に対応する周波数の信号に対して変調がかかりにくいことがある。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、周波数変調における最大周波数偏移の周波数ごとのばらつきを抑制することが目的である。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る偏移制御回路は、周波数変調を行う無線機に設けられ、前記周波数変調に用いられる情報信号を出力する偏移制御回路であって、
入力された制御対象信号の振幅を第１の閾値以下の値に制限する、振幅制限を行うリミッタ回路と、
前記リミッタ回路で前記振幅制限された前記制御対象信号に含まれる、定められた周波数範囲内の周波数成分について、位相を定められた量だけシフトする位相シフトを行うことで、前記制御対象信号に含まれる基本波と高調波の位相を異なる値とする移相器と、
前記移相器で前記位相シフトされた前記制御対象信号に含まれる、第２の閾値以上の周波数成分を抑圧する高調波抑圧部と、
を備える。

好ましくは、前記移相器は、無限インパルス応答フィルタで構成される全域通過フィルタであり、
前記高調波抑圧部は、有限インパルス応答フィルタで構成されるスプラッタフィルタである。

好ましくは、前記移相器および前記高調波抑圧部は、１つの無限インパルス応答フィルタで構成されるスプラッタフィルタである。

本発明の第２の観点に係る無線機は、
いずれかの前記偏移制御回路と、
前記情報信号の信号レベルに応じて搬送波の周波数を変化させる周波数変調を行う変調部と、
前記変調部で前記周波数変調された前記搬送波から送信信号を生成し、アンテナから送信する送信部と、
を備える。

好ましくは、前記送信信号の占有周波数帯域幅に応じて、前記移相器における前記位相シフトの対象となる前記周波数範囲および前記位相シフトの前記定められた量、ならびに前記高調波抑圧部の前記第２の閾値の少なくともいずれかを調節する調節部をさらに備える。

本発明によれば、リミッタ回路で振幅制限された制御対象信号に含まれる、定められた周波数範囲内の周波数成分について、位相シフトを行うことで、周波数変調における最大周波数偏移の周波数ごとのばらつきを抑制することが可能である。

本発明の実施の形態に係る無線機の構成例を示すブロック図 実施の形態に係るリミッタ回路の出力例を示す図 実施の形態に係る無線機における最大周波数偏移の例を示す図 実施の形態に係る無線機の周波数変調における周波数偏移の例を示す図 周波数変調における周波数偏移の例を示す図 実施の形態に係る無線機の周波数変調における周波数偏移の例を示す図 周波数変調における周波数偏移の例を示す図 実施の形態に係る無線機の周波数変調における周波数偏移の例を示す図 周波数変調における周波数偏移の例を示す図 実施の形態に係る無線機の他の構成例を示すブロック図

以下、本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。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施の形態に係る無線機の構成例を示すブロック図である。無線機１は、マイク２、マイク２からの入力をＡ−Ｄ（Analog-to-Digital）変換するＡ−Ｄ変換器３、周波数微分を行うプリエンファシス回路４、および周波数偏移を調節する偏移制御回路５を備える。無線機１はさらに、偏移制御回路５が出力する情報信号に応じて周波数変調を行う変調部６、変調部６の出力に応じた送信信号を生成し、アンテナ８から送信する送信部７、コントローラ２０、表示部２５、および操作部２６を備える。偏移制御回路５は、ＩＤＣ（Instantaneous Deviation Control：瞬時偏移制御）回路であり、振幅制限を行うリミッタ回路１１、位相シフトを行う移相器１２、および高調波を抑圧する高調波抑圧部１３を備える。コントローラ２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）２１、ＲＡＭ（Random Access Memory）２３、およびＲＯＭ（Read-Only Memory）２４を備える。Ａ−Ｄ変換器３の後続の各部は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）で実現することができる。

複雑化を避け、理解を容易にするために、図１ではコントローラ２０から各部への信号線が省略されている。コントローラ２０は無線機１の各部にＩ／Ｏ（Input／Output）２２を介して接続しており、各部の処理の開始、終了、処理内容の制御を行う。ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２４に記憶されている制御プログラムを実行して、無線機１の制御を行う。またＩ／Ｏ２２を介して操作部２６から入力されるコマンドまたはデータを処理してＲＡＭ２３に一時的に記憶し、記憶したコマンドやデータを、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）で構成される表示部２５に表示する。図１の例では、無線機１の送信機能についてのみ示しているが、無線機１は受信機能を有してもよい。

無線機１の各部の動作について説明する。操作部２６により発信操作がされると、マイク２は音声入力に応じてアナログの音声信号をＡ−Ｄ変換器３に出力する。Ａ−Ｄ変換器３は、マイク２からの音声信号をアナログからデジタルに変換してプリエンファシス回路４に出力する。プリエンファシス回路４は、入力される信号の周波数に比例したレベルの信号を出力、すなわち周波数微分を行ったのち、受信側でのＳ／Ｎ（Signal-to-Noise：信号対雑音）比を改善するために、該信号の高周波成分の相対強度を予め増大させる処理を行う。

偏移制御回路５は、プリエンファシス回路４から入力された制御対象信号に対して、後述する変調部６が行う周波数変調における最大周波数偏移を規定値以下にするための調節を行い、調節した制御対象信号を情報信号として変調部６に出力する。偏移制御回路５の各部の動作について説明する。リミッタ回路１１は、制御対象信号の振幅を第１の閾値以下の値に制限する、振幅制限を行う。第１の閾値は、変調部６が行う周波数変調における最大周波数偏移の規定値に応じて定めることができる。振幅制限を行うことで、波高値が第１の閾値より大きい制御対象信号の波形は、正弦波の波形から、矩形波とみなせる波形に変形される。矩形波は、基本波と奇数倍の高調波とで構成される。すなわち、リミッタ回路１１では、奇数倍の高調波が生成される。図２は、実施の形態に係るリミッタ回路の出力例を示す図である。図２において、横軸が時間であり、縦軸が信号レベルである。リミッタ回路１１の出力は実線で表される。リミッタ回路１１の出力は、破線で表される基本波と、点線で表される高調波を含む。

デジタル信号処理においては、サンプリング周波数の１／２までの周波数成分しか存在できず、サンプリング周波数の１／２の周波数であるナイキスト周波数以上の周波数成分、すなわち高調波成分では、折り返しとよばれる現象が生じる。例えば、サンプリング周波数が２４ｋＨｚの場合に、２．６ｋＨｚの制御対象信号に対してリミッタ回路１１で振幅制限を行った場合、２．６ｋＨｚの９倍高調波である２３．４ｋＨｚの成分は、１２ｋＨｚを境に１１．４ｋＨｚ分折り返して、０．６ｋＨｚ成分として現れる。０．６ｋＨｚ成分は、可聴ノイズである。サンプリング周波数を高くするにつれて、ナイキスト周波数も高くなるため、折り返しによって発生するノイズのレベルは低下する。サンプリング周波数を高くすることで、リミッタ回路１１の処理の負荷は上昇する。そこで、リミッタ回路１１のサンプリング周波数は、折り返しによって発生するノイズのレベルおよび振幅制限の処理の負荷に応じて定められる。

移相器１２は、リミッタ回路１１で振幅制限された制御対象信号に含まれる、定められた周波数範囲内の周波数成分について、位相を定められた量だけシフトする、位相シフトを行う。移相器１２は、例えば、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response：無限インパルス応答）フィルタで構成される全域通過フィルタである。

高調波抑圧部１３は、移相器１２で位相シフトされた制御対象信号に含まれる、第２の閾値以上の周波数成分を抑圧する。高調波抑圧部１３で第２の閾値以上の周波数成分が抑圧された制御対象信号は、情報信号として変調部６に入力される。高調波抑圧部１３は、リミッタ回路１１で振幅制限を行うことで生じる高調波を抑圧する。高調波抑圧部１３は、例えば、ＦＩＲ（Finite Impulse Response：有限インパルス応答）フィルタで構成されるスプラッタフィルタである。スプラッタフィルタは、遮断周波数である第２の閾値以上の周波数成分を減衰させる。第２の閾値は、制御対象信号の周波数が取り得る値に応じて定めることができる。スプラッタフィルタをデジタル回路で実現する場合、スプラッタフィルタの減衰特性は、アナログ回路の場合と比べて急峻であるため、リミッタ回路１１の出力に含まれる高調波がアナログ回路の場合よりも急激に抑圧される。高調波成分が急激に抑圧されることで、周波数変調に用いられる信号の波高値が周波数ごとにばらつくため、周波数変調における最大周波数偏移が周波数ごとにばらついてしまう。そこで、本実施の形態に係る無線機１においては、移相器１２で高調波の位相を定められた量だけシフトする。

高調波抑圧部１３を構成するスプラッタフィルタの遮断周波数が３ｋＨｚの場合、リミッタ回路１１が０．９ｋＨｚの制御対象信号の振幅制限を行うと、３倍の２．７ｋＨｚ、５倍の４．５ｋＨｚなどの高調波が生じる。高調波抑圧部１３は、５倍以降の高調波を抑圧するため、高調波抑圧部１３の出力には、基本波および３倍高調波が含まれる。一方、リミッタ回路１１が１．１ｋＨｚの制御対象信号の振幅制限を行うと、３倍の３．３ｋＨｚ、５倍の５．５ｋＨｚなどの高調波が生じる。高調波抑圧部１３は、３倍以降の高調波を抑圧するため、高調波抑圧部１３の出力には、基本波が含まれ、高調波は含まれない。

図２に示すように、高調波が含まれる信号の形状は、矩形波とみなすことができる。一方、基本波が含まれ、高調波が含まれない信号の形状は、正弦波とみなすことができる。上述の例では、０．９ｋＨｚの場合と１．１ｋＨｚの場合とで、高調波抑圧部１３の出力の波高値にばらつきが生じる。波高値は、周波数変調における最大周波数偏移と同義であるから、０．９ｋＨｚの場合と１．１ｋＨｚの場合とで、周波数変調における最大周波数偏移にばらつきが生じる。周波数変調における最大周波数偏移にばらつきが生じることを防ぐために、移相器１２は、例えば３倍高調波の位相を定められた量だけシフトする。位相のシフト量はシミュレーションまたは実験を行うことで、決定することができる。移相器１２が位相をシフトすることで、波高値のばらつきが抑制され、周波数変調における最大周波数偏移のばらつきが抑制される。

図３は、実施の形態に係る無線機における最大周波数偏移の例を示す図である。図３において、横軸は制御対象信号の周波数（単位：Ｈｚ）であり、縦軸は周波数変調における最大周波数偏移（単位：ｋＨｚ）である。細い実線が、移相器１２を設けない場合の最大周波数偏移であり、太い実線が図１に示す無線機１が行う周波数変調における最大周波数偏移である。全域通過フィルタで構成される移相器１２によって、基本波と高調波の位相を異なる値とすることで、波高値のばらつきを抑制し、最大周波数偏移の周波数ごとのばらつきを抑制することが可能である。リミッタ回路１１の処理により複数の高調波が生じる場合に、高調波の位相を互いに異なる値としてもよい。

図４は、実施の形態に係る無線機の周波数変調における周波数偏移の例を示す図である。図４は、周波数が３００Ｈｚの制御対象信号が偏移制御回路５に入力された場合の、変調部６での周波数変調における周波数偏移を示す。図４において横軸は時間（単位：ミリ秒）であり、縦軸は周波数偏移（単位：ｋＨｚ）である。図５は、周波数変調における周波数偏移の例を示す図である。図５は、周波数が３００Ｈｚの制御対象信号にリミッタ回路１１および高調波抑圧部１３の処理を行い、高調波抑圧部１３が出力する信号の信号レベルに応じて搬送波の周波数を変更する周波数変調を行った場合の、周波数変調における周波数偏移の例を示す図である。すなわち、図５は、移相器１２を設けない場合の周波数偏移の例を示す。図の見方は図４と同様である。図４および図５から、制御対象信号の周波数が３００Ｈｚである場合、移相器１２を設けることで、最大周波数偏移が大きくなることがわかる。

図６は、実施の形態に係る無線機の周波数変調における周波数偏移の例を示す図である。図６は、周波数が１ｋＨｚの制御対象信号が偏移制御回路５に入力された場合の、変調部６での周波数変調における周波数偏移を示す。図の見方は図４と同様である。図７は、周波数変調における周波数偏移の例を示す図である。図７は、周波数が１ｋＨｚの制御対象信号にリミッタ回路１１および高調波抑圧部１３の処理を行い、高調波抑圧部１３が出力する信号の信号レベルに応じて搬送波の周波数を変更する周波数変調を行った場合の、周波数変調における周波数偏移の例を示す図である。図の見方は図４と同様である。図６および図７から、制御対象信号の周波数が１ｋＨｚである場合、移相器１２を設けることで、最大周波数偏移が大きくなることがわかる。

図８は、実施の形態に係る無線機の周波数変調における周波数偏移の例を示す図である。図９は、周波数が３ｋＨｚの制御対象信号が偏移制御回路５に入力された場合の、変調部６での周波数変調における周波数偏移を示す。図の見方は図４と同様である。図９は、周波数変調における周波数偏移の例を示す図である。図９は、周波数が３ｋＨｚの制御対象信号にリミッタ回路１１および高調波抑圧部１３の処理を行い、高調波抑圧部１３が出力する信号の信号レベルに応じて搬送波の周波数を変更する周波数変調を行った場合の、周波数変調における周波数偏移の例を示す図である。図の見方は図４と同様である。図８および図９から、制御対象信号の周波数が３ｋＨｚである場合、移相器１２を設けても、最大周波数偏移は変わらないことがわかる。これは、制御対象信号の周波数が３ｋＨｚである場合、高調波抑圧部１３の出力に高調波が含まれないためである。

図４ないし図９から、周波数が低くなるにつれて、移相器１２を設けることによる最大周波数偏移の増大量が大きくなることがわかる。すなわち、移相器１２を設けることで、図３に示すように、波高値のばらつきを抑制し、最大周波数偏移の周波数ごとのばらつきを抑制することが可能である。

移相器１２として全域通過フィルタを用い、全域通過フィルタのＱ値または中心周波数を調節することで、最大周波数偏移の特性の調節を簡易化することが可能である。全域通過フィルタは上述のようにＩＩＲで実現することができるため、ＦＩＲと比べて処理の負荷を低減することが可能である。全域通過フィルタはゲインを有さない、すなわち振幅を変化させないため、変調感度に影響を与えることなく、最大周波数偏移の特性を調節することが可能である。

変調部６は、高調波抑圧部１３が出力する情報信号の信号レベルに応じて搬送波の周波数を変化させる周波数変調を行う。送信部７は、変調部６で周波数変調された搬送波から送信信号を生成し、アンテナ８から送信する。

図１０は、実施の形態に係る無線機の他の構成例を示すブロック図である。図１０に示す無線機１は、図１に示す無線機１の構成に加えて、調節部９を備える。調節部９は、送信信号の占有周波数帯域幅に応じて、移相器１２における周波数範囲および位相シフトの量、ならびに高調波抑圧部１３における第２の閾値の少なくともいずれかを調節する。例えば、調節部９は、無線機１がナローモードおよびワイドモードのいずれのモードで動作しているかに基づき、移相器１２を構成する全域通過フィルタにおいて位相シフトの対象となる周波数範囲および位相シフトの量、ならびに高調波抑圧部１３を構成するスプラッタフィルタの遮断周波数を調節する。調節部９を、コントローラ２０の機能として実装してもよい。

以上説明したとおり、本実施の形態に係る無線機１が有する偏移制御回路５によれば、リミッタ回路１１で振幅制限された制御対象信号に含まれる、定められた周波数範囲内の周波数成分について、位相を定められた量だけシフトすることで、周波数変調における最大周波数偏移の周波数ごとのばらつきを抑制することが可能である。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。移相器１２および高調波抑圧部１３を、ＩＩＲフィルタで構成される１つのスプラッタフィルタで実現してもよい。ＩＩＲで構成される１つのスプラッタフィルタで移相器１２および高調波抑圧部１３を実現することで、フィルタのタップ数を削減することが可能である。

１ 無線機
２ マイク
３ Ａ−Ｄ変換器
４ プリエンファシス回路
５ 偏移制御回路
６ 変調部
７ 送信部
８ アンテナ
９ 調節部
１１ リミッタ回路
１２ 移相器
１３ 高調波抑圧部
２０ コントローラ
２１ ＣＰＵ
２２ Ｉ／Ｏ
２３ ＲＡＭ
２４ ＲＯＭ
２５ 表示部
２６ 操作部

Claims (5)

1. 周波数変調を行う無線機に設けられ、前記周波数変調に用いられる情報信号を出力する偏移制御回路であって、
   入力された制御対象信号の振幅を第１の閾値以下の値に制限する、振幅制限を行うリミッタ回路と、
   前記リミッタ回路で前記振幅制限された前記制御対象信号に含まれる、定められた周波数範囲内の周波数成分について、位相を定められた量だけシフトする位相シフトを行うことで、前記制御対象信号に含まれる基本波と高調波の位相を異なる値とする移相器と、
   前記移相器で前記位相シフトされた前記制御対象信号に含まれる、第２の閾値以上の周波数成分を抑圧する高調波抑圧部と、
   を備える偏移制御回路。
2. 前記移相器は、無限インパルス応答フィルタで構成される全域通過フィルタであり、
   前記高調波抑圧部は、有限インパルス応答フィルタで構成されるスプラッタフィルタである、
   請求項１に記載の偏移制御回路。
3. 前記移相器および前記高調波抑圧部は、１つの無限インパルス応答フィルタで構成されるスプラッタフィルタである請求項１に記載の偏移制御回路。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の偏移制御回路と、
   前記情報信号の信号レベルに応じて搬送波の周波数を変化させる周波数変調を行う変調部と、
   前記変調部で前記周波数変調された前記搬送波から送信信号を生成し、アンテナから送信する送信部と、
   を備える無線機。
5. 前記送信信号の占有周波数帯域幅に応じて、前記移相器における前記位相シフトの対象となる前記周波数範囲および前記位相シフトの前記定められた量、ならびに前記高調波抑圧部の前記第２の閾値の少なくともいずれかを調節する調節部をさらに備える請求項４に記載の無線機。

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