JP3006382B2 - 周波数オフセット補正装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はディジタル通信で用いら
れるディジタル変復調に関するもので、ディジタル角度
変調された変調波を受信し復調する際に周波数オフセッ
トが存在する場合そのオフセット量を推定し補正する周
波数オフセット補正装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ディジタル移動通信分野において
は、実用化に向けた研究が活発に行われている。特に変
復調方式という点では移動通信という環境を克服するた
め等化器等の使用も検討されているが、高データレート
という要請に対応した比較的高速な変調速度を用いる場
合には移動速度があまり高くないたとえばコードレス電
話といった用途向けでは、フェージングによる周波数変
動はあまり大きくないと考えられる。また、変調速度が
比較的大きいという点で、送受間の固定周波数オフセッ
トはシンボルレートに対してあまり大きくない（たとえ
ば数パーセント程度の）システムが考えられる。そのよ
うな状況下で送受信を行う場合には、同期検波を用いて
もフェージングによる劣化はそれほど大きくないと考え
られるが、しかし、受信系の構成を考えると簡易な構成
で実現するためには遅延検波系が用いられるのが一般的
である。遅延検波系ではその構成上当然受信周波数の同
期が不要となる反面、一定値以上の周波数のずれに対し
ては特性が急激に劣化するという欠点がある。このため
実用上は周波数オフセット補正が必要となる。

【０００３】以下、従来の周波数オフセット補正方法に
ついて説明する。図４は従来の周波数オフセット補正方
法の構成を示すものである。図４では、遅延をベースバ
ンドで行うベースバンド遅延検波方式の構成を示してお
り、遅延操作（差動演算）は位相情報にて行う、いわゆ
るベースバンド位相遅延検波を採用している。図４にお
いて、１０は、受信ＩＦ入力信号１００から送信キャリ
アとは非同期の局発源により複素ベースバンド信号に変
換する操作を行う非同期直交復調器１１および複素ベー
スバンド信号から位相平面上の角度データに変換する複
素・角度変換器１２よりなる復調部、２０は、１０の角
度データを受けて、１シンボル遅延させる遅延器２１お
よび遅延させた角度データと現在の角度データの差分を
演算する減算器２２とからなる差動演算部、また、３０
は、角度データを変調信号の配置に応じて位相平面上で
Ｎ逓倍操作を行うＮ逓倍器３１、Ｎ逓倍されたデータを
０〜２πの範囲に縮退させるＭＯＤ２π変換器３２、Ｎ
逓倍されたデータを１／Ｎする操作を行うＮ分の１演算
器３３、およびシンボル間に強制的に周波数オフセット
を挿入する変調方式（たとえばπ／４シフトＱＰＳＫ）
の場合に、縮退した位相点が角度０になるように強制的
にオフセットさせる固定オフセット値発生器３４、固定
オフセット値をＮ分の１演算器の出力１３３から差し引
く差分回路３５とからなる位相平面縮退部、７０は、シ
ンボル単位で出力された位相差データを受けて平均化す
る短区間平均演算部７１および、その後長区間にわたっ
て平均を行う平均化演算部７２とからなる推定部、およ
び４０は、差動演算部の出力１２０を受けて推定された
オフセット値１７０により補正を行う位相補正器４１、
補正位相から符号を判定し受信データ２００として出力
する符号判定器４２とからなる補正・判定部である。

【０００４】以上のように構成された周波数オフセット
補正方法について、以下その動作について説明する。ま
ず、受信された変調波は、適当な手段でＩＦ帯に信号変
換されて（１００）、復調部１０に入力される。復調部
１０では、同相・直交成分に分解されたのち角度データ
に変換されて現在の位相角度データ１１０となる。差動
演算部３０では、遅延検波を位相平面上で行うため１シ
ンボル前との位相差をとり位相差のデータとして補正判
定部へ出力する一方で、周波数オフセット推定を行うた
め、位相縮退部へ出力される。位相縮退部３０では、位
相差平面上でのオフセット値を推定する準備として、変
調成分を取り除くため変調方式に従ってＮ逓倍動作を行
い、あるいは１シンボル間の強制的な位相オフセットが
存在する場合には、固定オフセットを取り除くことで、
周波数オフセットが無い場合の縮退結果が位相差平面上
での''０''を表すように調整する。この縮退データを推
定部で平均化し、雑音環境下での特性劣化を押さえるよ
うにする。従来例では、たとえば実際上の通信データ構
成を考えてみると、消費電力等の面で間欠動作させる場
合が一般的であると考えられるので、たとえば図５に示
すように短区間平均化器７１では一間欠動作区間内での
平均をとり、長区間平均化器７２で間欠動作区間にわた
る平均をとるという操作を行い、通信路環境の変動の影
響を取り除くという構成となっていた。

【０００５】また、図５は別の従来例を示す構成図であ
る。図５は、図４と異なりＮ逓倍操作を複素ベース・バ
ンド信号により行う構成を示しており、方法は異なる
が、目的・動作原理は同様のものである。図５におい
て、１００は受信変調信号（キャリア周波数帯、あるい
は、ＩＦ周波数帯）、８１は局部発信器、８２は周波数
変換器、８３は直交復調器、８４はＮ逓倍器、８５は符
号判定器、８６はローパスフィルタ、２００は判定デー
タである。

【０００６】以上のように構成された周波数オフセット
補正方法について、以下その動作について説明する。こ
の構成は、基本的に遅延検波用の復調器の周波数補正の
方法についてのものであり、キャリア周波数に関して完
全同期系ではない。受信信号１００は、局部発振器８１
により周波数変換８２され、直交復調８３される。得ら
れた、複素ベース・バンド信号は直接複素演算によりＮ
逓倍８４され、誤差信号となりＬＰＦ８６を経て、局部
発振器にフィードバックされＰＬＬとして構成される。

【０００７】第一の従来例と異なる点は、Ｎ逓倍操作を
複素信号で行う点と、逓倍後に得られる位相誤差信号を
局部発振器の制御信号にしている点である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、位相誤差をフィードフォワード補正に使
用する方法においては、受信入力変調波の雑音成分が小
さい場合には周波数オフセットの推定値はある一定値の
近傍に分布しており、満足な補正動作が可能となるが、
雑音が大きいときにはその推定値は本来のオフセット値
からかなりずれるという結果となっていた。これは、図
６に示すように、雑音が小さいときには、位相差はかな
り鋭いピークを持った分布（ａ）になり平均を取る場合
にそのピーク値に近い値となることは明白である。しか
し雑音が大きいときには、位相差の分布は、（ｂ）に示
すように裾を引く様になり、オフセット値が大きくなる
とその裾が反対側に回り込むという現象が起きる
（ｃ）。これは、非同期の復調を行う場合には、受信側
での基準源は送信側との絶対的な周波数誤差により位相
平面上での回転を引き起こし、シンボル判定点での変調
成分を取り除くため位相平面上でＮ逓倍を行う場合に
は、Ｎ象限のうち隣の象限に判定誤りを起こすようなデ
ータについては、符号が逆の推定データとみなされるた
めである。結果的に、周波数オフセットが大きく、雑音
が大きいところでは本質的にある程度の劣化が起きると
いう課題を有していた。このため、非同期の直交復調を
行う場合にも、同期検波のように、変調信号の中心周波
数を局部発信源の周波数を可変とし、制御信号を介して
周波数オフセット成分を取り除く方法もある。この方法
を適用した第二の従来例では、複素ベース・バンド信号
で位相回転情報を計算し、位相誤差をＬＰＦを介して局
発にフィードバックする構成となっており、複素演算が
不可欠であり、またその制御方法如何では発振を起こ
す、あるいは安定動作のためには複雑な制御が必要とな
るなど、一般に簡素な構成が特徴の遅延検波との併用が
難しいという課題を有していた。

【０００９】本発明は上記従来技術の課題を解決するも
ので、送受間の周波数オフセットが比較的大きい場合で
も雑音に影響されず安定して動作する、簡易な構成の周
波数オフセット補正装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、第一の手段として、フィードフォワード型
の構成を用いる場合には、シンボルごとに差分を計算し
位相差平面上で縮退させた結果について、あらかじめ決
めた一定期間（たとえば間欠動作時の１タイム・スロッ
ト期間）の平均をとるところまでは上記の第一の従来例
と同様であるが、個々の差分データを一時記憶してお
き、記憶された差分データから、計算された平均値を差
し引くことで平均値の補正を行い、補正されたデータに
ついて再び平均を計算することで、より精度の良い平均
値を求める構成となっている。この平均値の計算は、構
成が許す限り何度でも行う事が可能である。また、第二
の手段として、フィードバック型の構成を用いる場合に
も、周波数変換手段に誤差信号を返すのではなく、非同
期検波後の位相データに対して補正値を返すという方法
をとっている。具体的には、第一の手段においては、平
均値の再計算を同じタイム・スロットの差分データに対
して行っているところを次のタイム・スロットに適用す
る。すなわち、一旦求めた平均値を記憶しておき次のタ
イム・スロットに対してこの平均値を適用し差分を計算
しそのデータに対して平均値の再計算を行うという構成
を有している。

【００１１】

【作用】本発明は上記構成によって、雑音環境下で周波
数オフセットによる位相回転を推定する場合に、第一
に、たとえば１タイム・スロットにわたってシンボル単
位で位相回転量の平均を計算する場合に、単純平均され
た計算値を元のデータから差し引くことである程度の分
布の偏りに対して補正を行うことが可能となり、周波数
オフセットが一定値以上で雑音等の影響で位相分布の回
り込みが起きる場合にも特性の劣化を押さえることが可
能となる。また第二に、現タイム・スロットでの平均値
を次タイム・スロットに適用し差し引くことにより、あ
らかじめ補正を行った結果に対して平均を計算すること
が可能となり、順次平均値を更新していくことで、補正
推定値を真値に近づけることが可能となる。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の第１の実施例について、図
面を参照しながら説明する。

【００１３】図１は本発明の第１の実施例における周波
数オフセット補正装置のブロック結線図である。

【００１４】図１において、１０は、受信ＩＦ入力信号
１００から送信キャリアとは非同期の局発源により複素
ベースバンド信号に変換する操作を行う非同期直交復調
器１１および複素ベースバンド信号から位相平面上の角
度データに変換する複素・角度変換器１２よりなる復調
部、２０は、復調部１０の角度データを受けて、１シン
ボル遅延させる遅延器２１および遅延させた角度データ
と現在の角度データの差分を演算する減算器２２とから
なる差動演算部、また、３０は、角度データを変調信号
の配置に応じて位相平面上でＮ逓倍操作を行うＮ逓倍器
３１、Ｎ逓倍されたデータを０〜２πの範囲に縮退させ
るＭＯＤ２π変換器３２、Ｎ逓倍されたデータを１／Ｎ
する操作を行うＮ分の１器３３、およびシンボル間に強
制的に周波数オフセットを挿入する変調方式（たとえば
π／４シフトＱＰＳＫ）の場合に、縮退した位相点が角
度０になるように強制的にオフセットさせる固定オフセ
ット値発生器３４、固定オフセット値をＮ分の１器の出
力１３３から差し引く差分回路３５とからなる位相平面
縮退部、４０は、差動演算部の出力１２０を受けて推定
されたオフセット値１５０により補正を行う位相補正器
４１、補正位相から受信データ２００を判定する符号判
定器４２とからなる補正・判定部であり、以上は従来例
であらかじめ示した構成と同様のものである。また５０
は、シンボル単位で出力された位相差データを受けて一
定期間保持する記憶装置５１、記憶されたものと同様の
データに対して平均をとる平均化回路５２、記憶された
データ１５１から、平均値１５２を差し引く差分回路５
３、差分データ１５３を同様の区間で再び平均する再平
均回路５４、再平均出力１５４を一定の区間保持し、あ
らかじめ決められた区間にわたって平均する長区間平均
化回路５５とからなる推定部である。

【００１５】以上のように構成された周波数オフセット
補正装置について、図２に示す位相分布説明図を用いて
その動作を説明する。まず、（ａ）は図６における
（ｃ）を再掲したものであり、周波数オフセットに起因
する位相回転が存在する場合に、雑音でシンボル識別点
における位相分布の回り込み（斜線部分）が起きる場合
を示している。この場合の推定平均計算結果の真の平均
値からの誤差を△Ｅとして表している。この誤差は、当
然斜線部分の判定誤りに起因する位相の大きな誤差によ
るものであり、このままではかなり大きな誤差が計算さ
れてしまう。そこでこの推定平均値を原点（±０）とし
た新たな座標（ｂ）でもとのデータを再平均する。な
お、簡単のために長区間平均化回路５５の平均区間数
は、１回（平均無し）としているが、平均区間数が２以
上の場合も同様である。これにより、位相の回り込みは
最初の平均時よりも少なくなり、その結果推定平均誤差
は△Ｅ’（＜△Ｅ）となる。その様子を（ｃ）に示す。
横軸に、周波数オフセットによる位相回転量（固定
値）、縦軸に平均操作により推定される位相誤差（単純
平均：△Ｅ、再平均：△Ｅ’）を示す。この図２（ｃ）
から明らかなように、本実施例による周波数オフセット
補正方法によれば雑音環境下における位相回転量の推定
という点で優れた効果が得られる。

【００１６】以上のように本実施例によれば、位相差平
面上での縮退位相データの平均部に再平均計算回路を設
けることにより、雑音によるシンボル判定誤りに起因す
る位相データの回り込みから平均値の推定が大きくずれ
るという欠点を回避することができ、位相の推定誤差を
軽減できる。

【００１７】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
について、図面を参照しながら説明する。

【００１８】図３は本発明の第２の実施例における周波
数オフセット補正装置のブロック結線を示し、図３にお
いて、復調部１０、差動演算部２０、位相縮退部３０、
補正判定部４０の４ブロックは図１の構成と同様なもの
である。図１の構成と異なるのは、推定部６０が、過去
の１平均単位ごとの平均値１６４の平均をとる平均化回
路６３、平均値１６３を位相縮退データ１３０から差し
引く差分回路６１、差分データ１６１を平均する平均化
回路６２、平均化されたデータ１６２に過去の平均を加
える加算回路６４とからなる点である。

【００１９】上記のように構成された周波数オフセット
補正装置について、以下その動作を説明する。

【００２０】まず、第１の実施例と同様、推定部には位
相差平面上での縮退位相データが入力される。このデー
タから、すでに今までの計算結果による平均値の推定値
を差し引いて、一定期間にわたり短区間平均化操作を行
う。その後平均されたデータを元の平均データに加算す
ることで平均値のずれを順次補正していく構成となって
いる。この様子を図２（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示す。
（ｄ）は、図３（ｃ）を再び表した図である。なお実施
例１と同様、簡単のために長区間平均化回路６３の平均
区間数は１とした場合について以下に説明する。（ｅ）
は、実施例１における図２（ｂ）に相当するものである
が、異なるのは、再平均すべき分布が（ｄ）とは異なる
新たな平均区間（タイム・スロット）におけるものであ
るということである。これによる動作は、実施例１と若
干の違いを生み出すが平均区間がある程度以上であれ
ば、同じような分布が仮定でき、同様の論議が展開でき
る。すなわち平均値１の推定誤差△Ｅとして、平均値２
の推定誤差△Ｅ’は△Ｅ’＜△Ｅとできる。また次の平
均区間（タイム・スロット）での平均値３の推定誤差△
Ｅ''は同様に△Ｅ''＜△Ｅ’となるはずである。この例
では（ｆ）に示すように３回目の平均で殆ど推定誤差を
０とできるように描いてあるが、実際には、個々のタイ
ム・スロットの分布のバラツキによりある中心値の回り
に推定値が分布するような動作となる。

【００２１】以上のように、位相差平面上での縮退位相
データの平均をとる推定部６０を、以前の平均区間（タ
イム・スロット）での推定平均値分だけオフセットさせ
ながら当該平均区間（タイム・スロット）で再平均操作
を繰り返すことで実際に周波数オフセットに起因する位
相回転量を、順次推定できる。この構成によれば、信号
対雑音比がある程度以上あれば、ほぼ真の平均値を推定
値として得ることができる。また、実施例１のように同
じデータについて同一平均区間（タイム・スロット）内
で再計算を行うための記憶手段が不要になるという利点
もある。

【００２２】なお、第１の実施例において５１、５２、
５３、５４からなる再平均回路は１段だけの構成となっ
ているが、この部分を従属接続して多段にした構成も可
能である。また第２の実施例において短区間平均化回路
６２を第１の実施例の５１，５２，５３，５４からなる
再平均化回路で置き換えた、組み合わせ構成で実現して
もよいことは言うまでもない。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明は、第１に、ディジ
タル角度変調波を受信復調する場合に、送受間の周波数
オフセットを位相差平面上で推定する際に、識別タイミ
ングで変調成分を取り除くためＮ逓倍操作により縮退さ
せた位相差データを、一定の平均区間（タイム・スロッ
ト）分記憶しておき、平均操作を行った結果をこの記憶
データから差し引き、同じ平均区間で再平均する再平均
化演算部を設ける。また第２に、縮退位相差データを平
均する際に、あらかじめ決められた過去の平均区間の平
均値を、入力位相差データから差し引き、現在の平均区
間（タイム・スロット）で再平均し、過去の平均データ
に加算するという構成の推定部を設ける。このような構
成を用いることで、周波数オフセットによる固定位相回
転量が大きく、かつ雑音等の外乱によりシンボル識別点
における位相の分布が広範囲にわたる場合の位相の縮退
平面上での回り込みを抑え、オフセットによる特性の劣
化を軽減することができる。また構成の面でも、周波数
変換手段および、ループフィルタ等調整の必要なアナロ
グ要素を用いることなく、位相情報に関する演算のみで
実現可能であるなど優れた周波数オフセット補正装置を
実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における周波数オフセッ
ト補正装置のブロック結線図

【図２】同第１、第２の実施例における周波数オフセッ
ト補正装置の特性図

【図３】本発明の第２の実施例における周波数オフセッ
ト補正装置のブロック結線図

【図４】従来の周波数オフセット補正装置のブロック結
線図

【図５】従来の周波数オフセット補正装置のブロック結
線図

【図６】従来の周波数オフセット補正装置の特性図

【符号の説明】

１０ 復調部 １１ 非同期直交復調器 １２ 複素ベースバンド信号・位相角変換器 ２０ 差動演算部 ２１ １シンボル遅延器 ２２ 差分回路 ３０ 位相平面縮退部 ３１ Ｎ逓倍器 ３２ ＭＯＤ２π演算器 ３３ １／Ｎ回路 ３４ 固定オフセット値発生器 ３５ 差分回路 ４０ 補正・判定部 ４１ 位相補正回路 ４２ 符号判定器 ５０ 推定部１ ５１ 記憶回路 ５２ 短区間平均化回路 ５３ 差分回路 ５４ 短区間再平均化回路 ５５ 長区間平均化回路 ６０ 推定部２ ６１ 差分回路 ６２ 短区間平均回路 ６３ 長区間平均回路 ６４ 加算回路 ７０ 推定部０ ７１ 短区間平均回路 ７２ 長区間平均回路 ８１ 局部発振器 ８２ 周波数変換器 ８３ 直交復調器 ８４ 複素ベースバンドＮ逓倍器 ８５ 符号判定器 ８６ ローパスフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−205062（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−172040（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−48665（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−347645（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04L 27/00 - 27/38

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディジタル角度変調信号を受けて、シン
   ボル識別点ごとに位相平面上での位相データに変換する
   位相データ変換手段と、そのシンボルごとの位相データ
   を受けて１シンボル間での位相差を検出する位相差検出
   手段と、前記位相差検出手段の出力から変調成分を取り
   除く位相縮退手段と、前記位相縮退手段の出力データを
   受けて、ある区間にわたり平均操作を行う第１の平均手
   段と、該区間の位相差データを一時的に記憶する第１の
   記憶手段と、その記憶された位相差データから前記第１
   の平均操作により得られた平均値を差し引く差分演算手
   段と、その差分演算出力を前記区間にわたり再平均する
   第２の平均手段と、前記第２の平均手段の出力データを
   任意の平均区間にわたり平均する第３の平均手段と、前
   記位相差検出手段の出力である位相差を受けて、前記第
   ３の平均手段の出力との間で差分演算を行う差分演算手
   段と、その差分演算出力を受けて、符号を判定する符号
   判定器とを備えた周波数オフセット補正装置。
2. 【請求項２】 ディジタル角度変調信号を受けて、シン
   ボル識別点ごとに位相平面上での位相データに変換する
   位相データ変換手段と、そのシンボルごとの位相データ
   を受けて１シンボル間での位相差を検出する位相差検出
   手段と、前記位相差検出手段の出力から変調成分を取り
   除く位相縮退手段と、前記位相縮退手段の出力データを
   受けて、第２平均出力との差分を計算する第１の差分演
   算手段と、その差分演算された結果をある一定区間にわ
   たり平均する第１の平均手段と、その平均データと後述
   の第２平均出力との間で加算を行う加算手段と、前記加
   算手の出力データを任意の平均区間にわたり平均して第
   ２平均出力を送出する第２の平均手段と、前記位相差検
   出手段の出力である位相差を受けて、前記第２の平均手
   段の出力との間で差分演算を行う差分演算手段と、その
   差分演算出力を受けて、符号を判定する符号判定器とを
   備えた周波数オフセット補正装置。