JPH0634680A - ドップラ周波数測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 精度の高いドップラ周波数測定を行う。 【構成】 復調器１７は受信信号から受信データを復調
するとともに受信信号の周波数に応じて変化する電圧を
ＶＣＯ電圧として出力し、Ａ−Ｄ変換器１８は復調器１
７からのＶＣＯ電圧をデジタル信号に変換し、中央処理
装置１９はこのＶＣＯ電圧に基づいて受信信号の周波数
を計算する。中央処理装置１９はＤ−Ａ変換器２０を介
して電圧制御発振器１４の発振周波数を制御する周波数
制御信号を出力するとともに、前記ＶＣＯ電圧に基づい
て受信信号の周波数と電圧制御発振器への制御電圧から
推測した発振周波数とを足し合わせることにより、ドッ
プラ周波数を測定する。 【効果】 無調整で信頼性の高い、小型のドップラ周波
数測定装置を供給することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ドップラ周波数測定装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、衛星通信の利用が多くなっており
特に低軌道衛星を利用した通信について今後の需要増が
見込まれている。低軌道衛星は地球を周回しているた
め、通常、衛星は地上から見れば水平線から昇り頭上を
通って反対側の水平線に沈む事となる。したがってこの
低軌道衛星からの電波を地上で受信すると、衛星が近づ
いてきているときには電波の周波数が少しずつ高くな
り、逆に衛星が遠ざかっていくときには電波の周波数が
少しずつ低くなるというドップラ効果が発生する。この
ドップラ効果を利用して受信者の位置を測位するシステ
ムが以前より船舶航行用として利用されている。以下、
従来のドップラ周波数測定装置について、図５を参照し
て説明する。

【０００３】図５において、１は衛星からの電波を受信
するアンテナ、２はアンテナ１からの微弱な受信信号を
増幅する高周波増幅器、３は高周波増幅器２からの受信
信号と逓倍器４からの出力信号とを入力し、受信信号の
周波数を落とす周波数変換器である。

【０００４】５は一定の周波数の基準信号を発生する基
準信号発生器、６は周波数変換器３からの出力信号を増
幅する中間周波増幅器、７は中間周波増幅器６からの受
信信号と基準信号発生器５からの基準信号とを入力し、
両信号の位相差に応じて制御電圧を出力する位相検出器
である。

【０００５】８は位相検出器７からの制御電圧を入力
し、この制御電圧によって正弦波の周波数が変化するよ
うに構成された電圧制御発振器である。この電圧制御発
振器８の出力信号は逓倍器４に送られて、周波数が逓倍
される。９は基準信号発生器５からの基準信号を入力
し、基準信号の周波数を逓倍して出力する逓倍器であ
る。１０は逓倍器４からの出力信号と逓倍器９からの出
力信号とを入力し、両信号の周波数差を出力する周波数
変換器である。１１は周波数変換器１０からの周波数差
をカウントする周波数カウンタである。

【０００６】以上のように構成されたドップラ周波数測
定装置について以下にその動作を説明する。

【０００７】低軌道衛星からの電波はドップラ効果によ
りその周波数が僅かに変化している。図５のブロック図
において、周波数変換器３、中間周波数増幅器６、位相
検出器７、電圧制御発振器８、逓倍器４はＰＬＬ（フェ
イズロックループ）を構成しているため、位相検出器７
に入力される中間周波数増幅器６の出力信号の周波数を
基準信号発生器５からの基準信号の周波数に合うように
電圧制御発振器８は出力周波数を制御する。そのため逓
倍器４の出力信号の周波数はドップラ周波数を含んだ衛
星からの電波に同期させている。逓倍器４の出力信号は
信号波形はノイズを含まない正弦波である。このように
従来は、一つの逓倍器によってドップラ効果による周波
数変位をカバーしようとしたものであった。

【０００８】一方、基準信号発生器５からの基準信号の
周波数を逓倍して出力する逓倍器９の出力信号の周波数
は常に一定である。よって、両信号の周波数差を出力す
る周波数変換器１０からの出力信号はドップラ周波数そ
のものとなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、ドップラ周波数を高い精度で測定しようと
した場合、基準信号発生器５は高い安定度が必要であ
り、また逓倍器４および逓倍器１０、周波数変換器３お
よび周波数変換器１０の出力信号から必要とする周波数
成分を抽出するのに多くのフィルタが必要であり、調整
もむずかしいという問題点を有していた。

【００１０】また、周波数変換器１０に入力される２つ
の周波数は共に周波数が高く、両信号の差の出力も周波
数が高いため、周波数カウンタの段数が大きくなり小型
化に向かないという欠点もある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、受信信号から受信データを復調するとともに
受信信号の周波数に応じて変化する電圧をＶＣＯ電圧と
して出力する復調器と、復調器からのＶＣＯ電圧をデジ
タル信号に変換するＡ−Ｄ変換器と、Ａ−Ｄ変換器から
の受信周波数偏位に対するデジタル信号を受けて電圧制
御発振器の発振周波数を制御する周波数制御信号を出力
する中央処理装置と、中央処理装置からの周波数制御信
号を入力し電圧制御発振器の制御電圧に変換するＤ−Ａ
変換器とを設けたものである。

【００１２】

【作用】本発明は上記構成により、復調器からのＶＣＯ
電圧をＡ−Ｄ変換して中央処理装置に取り込むことによ
り復調器の入力信号の周波数を検出し、これと電圧制御
発振器への制御電圧から推測した発振周波数とを足し合
わせることにより、ドップラ周波数を測定することが出
来る。

【００１３】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１４】図１は本発明の一実施例におけるドップラ
周波数測定装置のブロック図である。１２は衛星からの
電波を受信するアンテナ、１３はアンテナ１２からの微
弱な受信信号を増幅する高周波増幅器、１４は後で説明
するＤ−Ａ変換器２０からの制御電圧により発振周波数
が変化する電圧制御発振器、１５は高周波増幅器１３か
らの受信信号と電圧制御発振器１４からの出力信号とを
入力し受信信号の周波数を落とす周波数変換器、１６は
周波数変換器１５からの受信信号を増幅する中間周波増
幅器、１７は中間周波増幅器１６からの受信信号から受
信データを復調する一方受信信号の周波数に応じて変化
する電圧を出力する復調器、１８は復調器１７からの電
圧をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器、１９はＡ−
Ｄ変換器１８からのデジタル信号を入力しドップラ周波
数を計算するとともに電圧制御発振器１４の発振周波数
を制御するデジタル信号を出力する中央処理装置、２０
は中央処理装置１９からのデジタル信号を入力し電圧制
御発振器１４の制御電圧に変換するＤ−Ａ変換器であ
る。

【００１５】ドップラ周波数測定装置の動作を説明する
前に上記構成のうち復調器１７について説明する。

【００１６】図２は復調器１７の構成を示すブロック図
である。２１は位相検波器、２２は入力するＶＣＯ電圧
によって発振周波数を変化させる電圧制御発振器、２３
はローパスフィルタである。２４は電圧制御発振器２２
からの出力信号を分周し、搬送波信号の周波数と同じ周
波数の信号を復調用信号として出力する分周器である。

【００１７】位相検波器２１は中間周波増幅器１６から
の受信信号と分周器２４からの復調用信号を受け、両信
号を乗算することにより受信信号の搬送波成分を除去
し、受信データを復調する。ローパスフィルタ２３は位
相検波器２１の出力信号を受け、この出力信号に含まれ
る位相差分（すなわち受信信号の搬送波成分と復調用信
号との位相差分）を平均化し、ＶＣＯ電圧として出力す
る。

【００１８】以上のように構成された復調器について以
下にその動作を説明する。復調器１７全体はＰＬＬ（フ
ェイズロックループ）を構成しているため電圧制御発振
器２２は中間周波増幅器１６からの受信信号の搬送波成
分の周波数と分周器２４からの搬送波信号の位相差をな
くすように発振周波数を変化させる。すなわち受信信号
の位相が搬送波信号の位相より進んでいる（または受信
信号の周波数が搬送波信号の周波数より高い）場合には
ＶＣＯ電圧が高くなり、電圧制御発振器２２は発振周波
数を上げて位相差をゼロにしようとする。

【００１９】逆に、受信信号の位相が搬送波は信号の位
相より遅れている（または受信信号の周波数が搬送波信
号の周波数より低い）場合にはＶＣＯ電圧が低くなり電
圧制御発振器２２は発振周波数を下げて位相差をゼロに
しようとする。従って、復調器のフェイズロックループ
が受信信号の周波数変化に追従している間は、受信信号
の周波数とＶＣＯ電圧の関係は図３に示すように比例関
係となる。

【００２０】次に本発明のドップラ周波数測定装置につ
いて以下にその動作を説明する。装置の電源をＯＮにし
たすぐは、復調器１７は受信信号の周波数にロックして
おらず、ある周波数（フリーラン周波数）で自走してい
る。復調器１７内のフェイズロックループのキャプチャ
レンジ（フェイズロックループが受信信号の周波数にロ
ックし始める周波数範囲）はある有限の範囲なので、受
信信号の周波数がキャプチャレンジ内に入るように中央
処理装置１９は電圧制御発振器１４の制御電圧を変化さ
せる。

【００２１】一旦、フェイズロックループが受信信号に
ロックすると、復調器３は図３のように受信信号の周波
数に応じてＶＣＯ電圧を変化させながら受信信号の周波
数変化に追従する。このフェイズロックループが受信信
号の周波数変化に追従する周波数範囲をロックレンジと
いう。

【００２２】中央処理装置１９は復調器１７からのＶＣ
Ｏ電圧をＡ−Ｄ変換器１８でデジタル信号に変換した値
を取り込んでいるため常にＶＣＯ電圧を検出できる。ロ
ックレンジもキャプチャレンジと同じく有限の範囲（上
限および下限が固定されている）であるため、受信信号
の周波数がロックレンジ外にでる前に電圧制御発振器１
４の制御電圧を変化させ、ＶＣＯ電圧が常にロックレン
ジ内で変化するようにする。このように電圧制御発振器
１４の制御電圧を変化させることにより、ＶＣＯ電圧は
ロックレンジ内で変化し、常にフェイズロックループを
受信信号の周波数変化に追従するように制御出来る。

【００２３】図４はドップラ効果による受信周波数の変
化と復調器１７内のＶＣＯ電圧の変化を示している。図
４において、Ａは受信信号を示し、この受信信号はドッ
プラ効果により時間と共に周波数が変化する。まず初め
に電圧制御発振器１４の発振周波数をｆl に設定する
と、復調器１７のフェイズロックループが周波数ｆl に
て受信信号の周波数にロックする（記号Ｂ）。その後
は、受信信号の周波数変化にともなってＶＣＯ電圧が上
がっていく。このままでは復調器１７のフェイズロック
ループのロックレンジがはずれてしまうので、受電圧制
御発振器１４の発振周波数を設定し直すこととなる。Ｂ
は受電圧制御発振器１４の発振周波数をｆl＋ｆs に設
定し直したところ、ＶＣＯ電圧が再び下がる（記号Ｃ）
こととなり、このようにＶＣＯ電圧はロックレンジ内に
とどまっている。

【００２４】以下同様にして、ＶＣＯ電圧がある値以上
になると中央処理装置１９は電圧制御発振器１４の発振
周波数をｆs ステップで設定し直すこととなり、復調器
１７のフェイズロックループを受信信号の周波数変化に
追従させている。

【００２５】次にドップラ周波数を求める計算式を示
す。Ａ−Ｄ変換器１８の出力信号Ｘと復調器から出力さ
れるＶＣＯ電圧Ｖv との関係式は次の（数１）で表され
る。

【００２６】

【数１】

【００２７】（数１）において、ａは出力信号Ｘが０１
Ｈ（Ｈは１６進を示す）変化したときのＶＣＯ電圧Ｖv
の変化量で、ｂは出力信号Ｘが００ＨのときのＶＣＯ電
圧値であり、（数１）が示すようにＶＣＯ電圧Ｖv とＡ
−Ｄ変換器１８の出力信号Ｘは比例する。

【００２８】またＶＣＯ電圧Ｖv と復調器に入力する信
号の周波数ｆr との関係式は次の（数２）で表される。

【００２９】

【数２】

【００３０】（数２）において、ｃはＶＣＯ電圧Ｖv が
１ボルト変化したときの受信信号の周波数ｆr の変化量
で、ｄはＶＣＯ電圧Ｖv が最小値の時の受信信号の周波
数値である。

【００３１】以上の式よりＡ−Ｄ変換器１８の出力信号
Ｘから復調器に入力する信号の周波数ｆr が求まる。

【００３２】Ｄ−Ａ変換器２０の入力信号ＹとＤ−Ａ変
換器２０の出力電圧Ｖd との関係式は次の（数３）とな
る。

【００３３】

【数３】

【００３４】（数３）において、ｅは入力信号Ｙが０１
Ｈ（Ｈは１６進を示す）変化したときの出力電圧Ｖd の
変化量で、ｊは入力信号Ｙが００Ｈのときの出力電圧値
である。

【００３５】電圧制御発振器の入力電圧Ｖd と電圧制御
発振器の発振周波数ｆl との関係式は次の（数４）とな
る。

【００３６】

【数４】

【００３７】（数４）において、ｇは入力電圧Ｖd が１
ボルト変化したときの発振周波数ｆl の変化量で、ｈは
入力電圧Ｖd が０ボルトの時の発振周波数値である。

【００３８】以上の式よりＤ−Ａ変換器２０の入力信号
Ｙから電圧制御発振器の発振周波数ｆl が求まる。そし
て、前述の（数１）および（数２）から得られる入力信
号の周波数ｆr と、（数３）および（数４）から得られ
る電圧制御発振器の発振周波数ｆl とを足し合わせた値
が、アンテナに入力する受信信号の周波数となる。衛星
から送信される信号の周波数ｆs とした場合、ドップラ
ー効果が生じていると、アンテナ１２に入力する受信信
号の周波数はドップラ効果の影響を受けて前記周波数ｆ
s からずれたドップラ周波数となっている。本実施例で
は、以上のようにＡ−Ｄ変換器１８から受ける信号Ｘと
Ｄ−Ａ変換器２０へ送る信号Ｙから演算によってアンテ
ナに入力する受信信号の周波数（ドップラ周波数）を算
出する事が可能であるので、衛星の送信周波数ｆs が既
知であれば両周波数のずれから、ドップラ効果の影響を
検出する事が可能となる。

【００３９】

【発明の効果】復調器のＶＣＯ電圧と電圧制御発振器へ
送り出す制御信号からソフト的にドップラ周波数の算出
を行うことにより、無調整で信頼性の高い、小型のドッ
プラ周波数測定装置を供給することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるドップラ周波数測定
装置のブロック図

【図２】復調器１７の構成を示すブロック図

【図３】復調器１７のＶＣＯ電圧と受信信号の周波数の
関係を示す図

【図４】本発明のドップラ周波数測定装置のＶＣＯ電圧
と受信信号の周波数の関係を示す図

【図５】従来のドップラ周波数測定装置のブロック図

【符号の説明】

１２ アンテナ １３ アンテナ １４ 電圧制御発振器 １５ 周波数変換器 １６ 中間周波増幅器 １７ 復調器 １９ 中央処理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｂ 7/15

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 衛星からの電波を受信するアンテナと、
   前記アンテナからの微弱な受信信号を増幅する高周波増
   幅器と、制御電圧により発振周波数が変化する電圧制御
   発振器と、前記高周波増幅器からの受信信号と前記電圧
   制御発振器からの出力信号とを入力し受信信号の周波数
   を落とす周波数変換器と、前記周波数変換器からの受信
   信号を増幅する中間周波増幅器と、前記中間周波増幅器
   からの受信信号から受信データを復調するとともに受信
   信号の周波数に応じて変化する電圧をＶＣＯ電圧として
   出力する復調器と、中央処理装置とを備え、前記中央処
   理装置は前記電圧制御発振器を制御するための制御電圧
   を出力するとともに、前記ＶＣＯ電圧から推測した受信
   周波数偏位と、その時点での電圧制御発振器の設定値よ
   り、ドップラ周波数を計算することを特徴とするドップ
   ラ周波数測定装置。